赵龙等

摘要：以南京白马地区大量种植的黑莓为研究对象，采用高效超细湿法粉碎技术，对黑莓鲜果全利用加工技术进行研究，分析黑莓物料的特性及其断裂粉碎机理，提出对黑莓物料较为有效的粉碎方式为剪切粉碎，并利用JM系列胶体磨和自主研制的高速切割粉碎机，对新鲜黑莓进行粉碎试验，采用粒度仪分析黑莓全果在不同设备和不同操作参数下粒度分布情况。研究结果表明，采用高速切割粉碎机在动刀头转速为9 000 r/min、静刀片齿数为222个、粉碎3次时，黑莓全果被粉碎的平均粒径为83 μm左右，此时生产的黑莓浓浆细度最佳、效率最高，符合生产实际的需求。

关键词：超细粉碎；黑莓全果；高速切割；制浆技术；粒度分析

中图分类号： TS255.36 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）03-0206-04

黑莓又名美国塔斯洲黑树莓、美国赫尔黑莓，原产于北美，1986年由位于南京的江苏省中国科学院植物研究所首次引入我国[1]。黑莓属蔷薇科悬钩子属藤本植物，以“高营养、高抗性、无污染、纯天然”等特点被联合国粮农组织（FAO）推荐为当今国际第3代新型特种浆果类品种[2]。果实为聚合果，单果质量6～10 g，成熟果实呈紫红色，透亮晶莹，柔嫩多汁，酸甜爽口。黑莓鲜果营养丰富，可溶性固形物、总糖、总酸、糖酸比、粗蛋白、维生素、矿物质和氨基酸含量分别为75%、5.13%、1.36%、3.77、1.70%、1.246 mg/kg、16.865 mg/kg、82.90 mg/kg[3]，含水量高达855%，可制成果汁饮料、果酱、糖水罐头、干红酒、冷饮和糕点等，加工后大部分营养成分可以得到保留。

黑莓属于加工型水果。黑莓产业目前已经成为南京市溧水区农业五大支柱产业之一，是全省最大的黑莓标准化示范园，被誉为“中国黑莓之乡”。黑莓产量的增加能否促进产业的发展，很大程度上决定于加工品的开发。目前，江苏省黑莓加工产品主要是果汁饮料和糖水罐头。黑莓加工存在不少问题，以加工黑莓汁为例，黑莓原料含水量大、黏稠度高、韧性强，若烘干后再进行粉碎或采取传统的湿法粉碎设备进行粉碎加工，存在产量低、磨损大、能耗高、品质低、污染严重等一系列问题，同时会产生大量的废弃物——黑莓渣，生产1 t黑莓汁将产生大约250 kg的渣。残渣中含有大量花色苷等多酚类化合物，对黑莓渣进行开发和利用，不仅能够减少环境污染和资源浪费，而且能大大提高产品的附加值。

从黑莓粉碎后粒径和口感等角度出发，探究湿法粉碎设备中胶体磨和高速切割粉碎机的粉碎机理，比较2种湿法粉碎设备在不同操作参数下对黑莓全果粉碎效果的影响，以探究采用超细粉碎机工业化处理黑莓全果的可能性，为充分利用黑莓这一季节性强、产量大的农产品提供有力的支持[4-7]。

1 黑莓物料特性与粉碎机理分析

1.1 黑莓物料特性

黑莓鲜果中纤维物质的含量是其他水果的3倍多[8]，而纤维素化学结构中含有许多亲水基团，再加上植物纤维具有非常复杂的线性结构和网状结构，物料也就具有了良好的持水性[9-10]。纤维素在水中浸泡后会具有很强的韧性，这使得纤维物料具有较高的抵抗变形和吸收冲击的能力，因此，黑莓经粗破碎以后会产生大量的皮渣（图1）。

1.2 物料粉碎机理

对纤维素有效的粉碎方式为拉应力、剪应力以及研磨力的综合作用。在研磨力的作用下，植物纤维材料便会受到破坏，而拉应力和剪切力则会使材料断裂细化。在实际生产中，用于纤维物料粉碎的设备必须能够保证机器在实际运行的过程中产生强烈的拉应力、剪应力和研磨力[11]。若要产生如此强大的综合力场，较为有效的方法是将粉碎机的的关键部件刀头制作成如图2所示的结构，要加工的物料从动刀头、定刀片之间的微细间隙流动，在机械力、流体力学效应的综合作用下，产生很大的剪切力、摩擦力、撞击力等，物料运送过程中纤维被切断，此种状态下刀刃对物料的粉碎以剪切力为主，剪切效果良好。由于具有多把定刀片和动刀头，从而使纤维物料在受到多次循环剪切的作用下被逐渐细化，达到粉碎的效果。因此，在对黑莓物料进行粉碎制浆的时候，应结合物料的特性选择合理的粉碎方式，使粉碎效率最高、产品细度最好[12]。

2 湿法粉碎机理

2.1 胶体磨粉碎机理

胶体磨作为一种超微湿法粉碎加工设备，自20世纪70年代末进入我国以来，已广泛应用在食品加工中。胶体磨又名分散磨（colloid or dispersion mill），其磨头主要由定子和转子组成，两者之间有一个带有微小间隙的接触面，工作时，转子转动形成一个强大的离心空间，在重力作用下，被加工物料被吸入胶体磨的粉碎腔内，在转子离心力的作用下，物料被强制性通过定转子之间的微小间隙，当转子高速旋转时，黏附在旋转面上的物料速度最大，而在定子上的物料相对于转子而言是静止的，其间便产生了较高的速度梯度，这对具有一定黏度流动的物料产生强大的剪切力。胶体磨定转子原理如图3所示[13]。

胶体磨在工作过程中，可在极短的时间内实现对黏稠物料的固形物进行超微粉碎，并兼有混合、乳化、均质等作用。胶体磨机器结构简单，操作简便，占地面积较小；但是由于胶体磨定子和转子磨体之间的间隙极小、工作部分面积较大，加工精度虽然提高但易磨损。另外，由于结构的原因，胶体磨的处理量非常有限，需要采用强制喂料装置才能保证物料的顺畅流动。

2.2 高速切割粉碎机的粉碎机理

基于高速切割粉碎技术而开发的粉碎机来源于美国食品机械行业[14]，主要用于对食品类物料的粉碎、分散和均质等，特别是对流动性较好的黏稠状物料，具有高效的磨碎效果。高速切割粉碎机采用渐次剪切原理，使产品一次性通过静止的粉碎切割头，粉碎效果较好且颗粒均匀，较传统湿法粉碎方式而言产量也较高，该技术关键在于精密配合的粉碎切割头部件与高速稳定运转的叶轮转子。

高速切割粉碎机的关键结构及工作原理如图4所示。黑莓原料在转子形成的强大吸力和物料重力的综合作用下，被吸进高速旋转的叶轮中央区域，在电动机和叶轮离心力的驱动下，以极高速度撞击在粉碎切割头静刀片露出的锋利切割边缘上。动刀头和静刀片在运动的过程中，上动刀片的切割边缘与粉碎切割头静刀片的切割边缘恰似剪刀的2个刃口，黑莓瞬时受到强剪切力的作用，植物纤维就像剪刀剪棉纱一样被剪断。由于定子中安装的静刀片数量很多，在叶轮高速旋转的过程中，切割也在持续地进行，从而使黑莓物料被渐次切割粉碎，粉碎后的产品颗粒从静刀片之间的极小间隙强制排出，由于叶轮的转速极高，黑莓物料在粉碎腔内只能停留很短的时间。该设备各个刀片对物料的切割量稳定，具有粉碎速度快、粉碎后产品粒度大小均匀等特点[15-16]。

3 材料与方法

3.1 试验材料

新鲜黑莓，由南京市溧水区白马镇提供。

3.2 试验设备及仪器

TCS-100型电子计价台秤，永康市香海衡器厂生产；JM60型胶体磨，上海田岗机械制造有限公司生产；QDWⅠ3000-18型卧式湿法粉碎机，无锡轻大食品装备有限公司生产；QDGX-15型高速切割粉碎机，江南大学食品装备工程研究中心与无锡轻大食品装备有限公司联合研制；激光粒度分析仪Mastersizer2000，英国马尔文仪器有限公司生产。

3.3 设备参数设置

JM60型胶体磨：间隙为110 μm左右（低于110 μm时，黑莓物料通过机器流动较困难），转速为3 000 r/min（最高转速），粉碎试验次数分别采取1次、2次和3次。

QDGX-15型高速切割粉碎机：静刀片数量分别为206个、216个和222个，转速分别选取6 000、7 500、 9 000 r/min，粉碎试验次数分别采取1次、2次和3次。

激光粒度分析仪：黑莓颗粒折射率为1.500，吸收率为 1.000，分散剂为纯净水，分散剂折射率为1.330，粒度分析软件为Mastersizer2000自带配套软件。

3.4 试验方法

按图5所示步骤进行：称取约20 kg的新鲜黑莓，去除杂质，洗净晾干，放入QDWⅠ3000-18型卧式湿法粉碎机中进行粗破碎，得到具有一定流动性的黑莓浓浆；将粗破碎后的黑莓浆液等分为13份，分别予以编号，取其中4份分别放入JM60型胶体磨和配备不同齿数的高速切割粉碎机中进行多次粉碎试验，分别取粉碎1次、2次和3次后的黑莓样品用激光粒度仪分析测试，以体积平均粒径作为浓浆的考察指标；将其余9个样品进行L9（33） 正交试验（表1）[17]，并作粒度测试，以研究高速切割粉碎机粉碎次数、动刀头转速、静刀片数量对黑莓全果粉碎细度的影响。

3.5 基本指标测定

选取在不同操作参数下粉碎的黑莓浓浆约10 mL，放入盛有纯净水的粒度仪测试专用烧杯中，混合搅拌并摇匀，粒度仪分散头的旋转速度设定为2 200 r/min。稍候片刻，待黑莓浓浆在纯净水中完全分散均匀之后，仪器的系统分析软件会自动以表格和图像的形式显示黑莓浓浆的粒度分布及体积平均粒径。

4 结果与分析

4.1 胶体磨和高速切割粉碎机多次粉碎试验结果

胶体磨转速设置为3 000 r/min，高速切割粉碎机转速均为9 000 r/min。由图6、图7可见，用不同加工设备粉碎黑莓全果，随着粉碎次数的增加，粒度都呈减小趋势，但当粉碎3次以后，曲线斜率降低，粉碎次数增加对粒度的影响变小。这是因为在粉碎初期，用QDWⅠ3000-18型卧式湿法粉碎机粗破碎后的黑莓粒径在498 μm左右，大颗粒较多，经过初次粉碎后，黑莓浆料的粒度变化较明显，随着颗粒的减小，受到定子与转子间隙和转速等条件的限制，较细的黑莓浆料难以受到更强烈的粉碎，其能耗的提高得不到应有的粉碎效果。胶体磨随着粉碎次数的增加，黑莓浓浆的粒度会有一定程度的变化，粉碎4次后，其体积平均粒度为136.228 μm，低于高速切割粉碎机不同配置同样粉碎次数的粉碎细度。高速切割粉碎机以静刀片数量为222个粉碎效果最好，在同样粉碎次数下粉碎粒度最细。

试验结果还表明，采用功率相同的设备粉碎约4 kg相同质量的黑莓物料，在保证正常生产条件下，胶体磨单次粉碎需要20 s，产量推算为720 kg/h，配备222齿的高速切割粉碎机单次粉碎需要12 s，产量推算为1 200 kg/h，胶体磨粉碎时间相对较长。这是由于部分物料在多次粉碎条件下，在胶体磨的粉碎腔内停留时间延长，受到定转子研磨的次数增加。因此，采用高速切割粉碎机加工黑莓全果，效率较高，产量较大，更适合工业化大生产，胶体磨只适合于实验室多次研磨细化

黑莓全果之用，不适合工业化大批量处理黑莓。

须注意的是，试验发现，胶体磨粉碎黑莓全果过程中，物料用量过大会直接影响机器的正常运行，造成转子卡死；随着粉碎次数的增加，能耗增加，物料的温度也明显升高，会直接影响黑莓浓浆的品质。

4.2 高速切割粉碎机粉碎正交试验结果

由表2可知，在不同粉碎次数、动刀头转速和静刀片数量的配比下，黑莓全果粉碎后的细度有所差异。由极差分析可知，对细度影响的主次顺序为：动刀头转速（A）>静刀片数量（B）>粉碎次数（C），其最佳因素组合为A3B1C3，即动刀头转速9 000 r/min、静刀片数量为222个、粉碎次数为3次。在最佳工艺水平条件下重复3次试验，马尔文粒度仪测试后的粒度分布如图8所示，黑莓全果粉碎后粒度在（83±3） μm，误差范围较小，符合生产实际的需求。

5 小结与讨论

研究结果表明，胶体磨和高速切割粉碎机对黑莓全果的粉碎加工都有一定的作用，在一定程度上都能实现对黑莓鲜果的全利用，但是，并非2种设备都适合工业化生产中对黑莓全果的加工。新鲜黑莓经胶体磨单次循环粉碎后粒径为206.849 μm，处理量约为720 kg/h；经配备222齿的高速切割粉碎机单次粉碎后粒径为121.773 μm，处理量约为 1 200 kg/h，无论在细度上、产量上还是能耗上，高速切割粉碎机都表现出明显的优势。

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