人造奶油加工设备的研究

中国油脂　２０００年第２５卷第６期　文章编号：１００３－－７９６９｛２０００）０６—ｏ０９６—０６　７６一【。１　人造奶油加工设备的研究　ｚ　６　１　顾锦　龙瑜敏　（Ｉ中国水产科学院矗　爵　夏喜葡刁口　丽蔬上海市赤峰路６３号；　２上海水产太学食品学院，２０００９ｏ上海市军工路３３４号；第一作者：男，３８岁，工程师）　摘要：主要研究设计人造奶油加工设备，并对人造奶油产品结构进行了分析。　关键词：　兰塑些；　登；兰皇　抽工　中图分类号：ＴＳ２２５．６　１　文献标识码：Ａ　掂枸　人造奶油已发展了近１３０年历史。我国人造奶　油消费量较大，目前国内也投有生产人造奶油加工　设备的厂家。一些企业至今还沿袭加年代的奶油　油加工设备研制成功，机器运转情况良好。　本文主要介绍人造奶油加工技术及关键设备设　计的依据，以期为我国人造奶油生产设备的制造摸　索出一条可行的道路。　１人造奶油生产基本工艺　加工方式，不仅劳动强度太，产品质量低，还造成原　料浪费和环境污染。７０年代初我国首次从英国引　进了一套１　０００　ｋｅｃ＇ｈ奶油生产线，在青岛粮油进出口　公司组建了人造奶油研究中心。嗣后，上海烟糖公　人造奶油的用途决定了它的商业形式和工艺路　线。基本工艺流程如下：　司也从英国引进了一套５００　ｋｅｃ＇ｈ奶油生产设备（急　冷机、捏合机、柱塞输送泵合计１０万英镑），组建了　上海麦淇淋厂。舳年代初，天津粮油公司从英国引　进了一套人造奶油生产线，组建了天津红光植物奶　油厂。近年来．随着国民经济和食品工业迅速发展，　成　原料油＋辅料一乳化一急冷一捏合一包装、熟　根据产品的要求，原料油及辅料按一定的比例　匹配，经乳化、冷却，使产品具有可塑性、稠度、酪化　性、起酥性等特殊性质。　各地相继进行了人造奶油的研制、生产和技术引进　工作。据不完全统计，　１９９３年一年内就引进了　２０多套人造奶油生产线。　１９９４年由农业部项目办　公室主办的我国沿黄渔业　综合开发项目可行性研究　报告，将人造奶油生产列　入１９９９年实施计划，计划　年生产人造奶油２００　Ｉ。　中国水产科学院渔业　机械仪器研究所于１９９６　２设备的设计研究　年承担了人造奶油加工技　术及设备设计的研究项　目，１９９７年１月，人造奶　（ａ）急冷机　收稿日期：２００Ｏ—嘴一１２　（ｂ）捏台机　图Ｉ　英国Ｊａｓｏｎ人造奶油加工设备结构图　维普资讯 http://www.cqvip.com

２０ＯＯ年第２５卷第６期　中国油脂　本课题的设备研制主要是在消化吸收国外现有　人造奶油设备的基础上进行的，主要参照英国Ｊ８．　ｓｏｎ、丹麦Ｐｅｉｆａｃｔａｒ等公司的设备。　图１和图２为我国部分企业引进的设备图片。　从图可以看出，国外的急冷机均采用管状刮板式热　交换，捏合机均采用销钉式搅拌。图１为英国Ｊａｓｏｎ　公司生产的设备。物料从急冷机的中部上端口进，　左端口出。制冷剂采用Ｆ２２直接节流供液，进入管　状刮板式热交换器，吸热汽化。经上部汽液分离器、　背压调节阀后，被压缩机吸人。机器的右端通循环　热水，预防被冷却的物料抱轴，缩小通道，造成系统　阻塞。底部电动机经皮带传递，带动主轴旋转。主　轴上的浮动刮刀在离心力的作用下连续不断地刮削　管状热交换器的内壁，使物料得到迅速冷却和匀化。　（ａ）急｝争机　圈２为丹麦Ｐｅｆｅｅｔｏｒ１０５型产品。其工作原理　与英国Ｊａｓｍ产品相似，区别在于物料出口处安装了　个中阊结晶器。电动机置于热交换器后部，热水　循环置于机器底部，外部用不锈钢板包装，这样使得　该机结构紧凑，外观美观。　本课题主要研究人造奶油生产工艺中关键的三　个设备。　２．１乳化设备　２．１．１乳化机理油和水是两种极性完全不同的　液体，当水以一定大小的液滴分散在油中，形成Ｗ／　０型乳状液时，由于两相界面积大大增加，体系的能　（ｂ）捏台机　图２丹麦Ｐｅｄ曲时人造奶油加工设备外观　裹１搅拌设备　量也随之增大，因而乳状液是热力学不稳定体系。　乳化设备的作用是使水相均匀地分散在油相中，而　体系的稳定还需加人乳化　剂。　２．１．２设备设计要点从　国内外资料来看，人造奶油　的乳化设备很多，有推进式　搅拌机、涡轮式搅拌机、乳化　器、注口混合等，技术很成　熟。本研究主要考虑在保护　产量和达到相同乳化效果的　情况下，如何降低设备价格。　制造人造奶油乳状液一般采　用搅拌或搅拌与注口混合相　结合的方法。单独采用搅拌　的有两种方式，见表ｌ所示。　维普资讯 http://www.cqvip.com

中国油脂　２０ＯＯ年第２５卷第６期　这两种形式旋转速度较高，对乳化缸的制造要求高，　造价也较贵。　交换的方式，管状热交换器走氟利昂一翻车成梯齿　形的肋筋，增加传热效果，提高管壁剐度。走物料一　侧，镀硬铬，再进行研磨、抛光，提高换热器的耐磨　性，使物料在光洁的表面上降温、结晶。缩小物料环　形通道的截面（８≤８　ｍｍ），保证管道的长细比，使物　料在１０　ｓ～２５　ｓ内降温温差为３ｏ　一５Ｏ　以上。为　防止物料抱轴、通道阻塞，主轴中间采用循环热水进　行控温（３０￣Ｃ～６０　）。配备标准工况为８３　７３６　ｋＪ／ｈ　我们在设计中采用６００　Ｌ冷热缸，缸的底部挂　四片与水平成３０￣的浆叶。当浆叶以２１３０　ｒ／ｒａｉｎ的速　度转动时，液体能由上而下、由里向外不断地流动。　中间的圆环是阻止浆叶由于旋转而引起的摆动。缸　外有循环泵使混合液以湍流状态通过一个０３６一　的不锈钢管。湍流将一种液体拉碎，使其以５　ｍ／ｓ的　速度喷人缸里。经过１５　ｍｉ－ｌ搅拌和循环即可得到均　１２５　６０４　ｋＪ／ｈ的Ｆ２２压缩冷凝机组放置于急冷机　匀的乳状液。这种设计对乳化缸制造要求低，适宜　低粘度、易搅拌的物料。造价仅１．５万元，经济实　用。结构见图３。　之外，向热交换器提供足够冷源。中间结晶器使过　冷体系——固脂结晶的网状结构睇刻得到破坏，防　止管路通道缩小阻塞，并起细化作用。设备结构详　见图４。　１　２　图３乳化设备结构示意图　２．２急冷设备　２．２．１冷却速率与晶体形成机理将乳状液迅速　冷却，可以使乳液变成粒子ｌｌ６小的结晶体。形成晶　体结构的型式习惯上用相应的ｎ、ｐ　、Ｂ表示。ｎ为虽　低熔点、最不稳定的形式。Ｂ　为中等熔点，由非常细　微的网络所组成，具有很大的表面积，能束缚大量的　液体油和液相油滴，产品光洁、细腻。口为最高熔　点，由粗糙沙粒状大晶粒组成，是最稳定的形式；但　产品有原油味，呈粉状、云雾状。因此，　是最佳晶　型。　图４急冷设备结构示意图　Ｉ出料口２．中间结晶器３管状热交换筒　４．旋转主轴５．热力膨胀阀６．进料口７．电动机　８氟利昂供涟管９．三角皮带　１０热水旋转接头　１１．氟利昂回汽管１２．浮动刮刀　该设备由电动机７经皮带９传递带动主轴４和　中间结晶器２旋转，主轴上的浮动刮刀１２在离心力　的作用下连续不断地刮削管状热交换筒３的内壁。　物料从进料口６输入，经过管状热交换器３、中间结　晶器２和出料口１时，在高压、冷却、剪切三种状态　下迅速冷却并使其微粒化，同时进一步乳化。循环　热水由热水旋转接头１０进１３进入旋转主轴中心，再　人造奶油乳状液缓慢冷却时发生甘油酯的顺序　结晶与它的凝结温度相一致，形成粗晶体即口型。　而当快速冷却（冷却速度足够高）时，较低熔点、较少　稳定的晶体即８，型的形成渐渐成为可能。一般取低　于溶点１Ｏ　～１６　，时间为１０　Ｂ一２５　ｓ。　返回到热水旋转接头１０出口，周而复始，保证主轴　在一定的温度下工作。制冷设备置于该机之外，根　据实际情况可作不同配置。　主机主要参数　工作压力Ｉ　ＭＰａ一２ＭＰａ，　２．２．２急冷设备设计要点我们在设计中采用刮　面式管状热交换器和氟利昂Ｆ２２直接膨胀进行冷热　搅拌速度ｎ＝７００　ｒ／ｍｉｎ，　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００Ｏ年第２５卷第６期　中国油脂　剪切速度ｖ＝１０ｍ／ｓ，　５，在一定的压力下捏台并充分结晶。料温因结晶热　暂留时间１０　８～２５　ｓ，　和摩擦热而升高，外壳隔套可根据工艺要求通循环　冷却速度△Ｉ　３０℃～５０℃　冷热水。搅拌速度１５０　ｒ／ｒａｉｎ一４５０　ｒ／ｎｉｆｎ。　２．３捏合设备　３人造奶油产品结构分析　２．３．１捏合作用机理　当人造奶油从急冷设备出　我们研制的５００　ｋｓ／ｈ人造奶油的加工设备已投　来时，它只是部分结晶，还需经过一段时间使结晶继　人试生产。为了进一步探索人造奶油产品的结构，　续长大。如果在静止状态下完成结晶，就会形成固　我们分析从生产工艺流程线上几个关键点随机取　脂结晶的网状结构，没有可塑性。因此，生产有一定　样：乳化设备出口处，急冷机出口处，捏合机出口处。　塑性的人造奶油产品，在乳状液深度冷却之后，必须　样品送中国科学院细胞生物研究所测试，采用透射　采用强烈的搅拌和较长时间的机械加工，以打破形　电子显微镜研究人造奶油的超微结构。　成的网状结构，使细分散的固相晶体进一步分散，在　图６四组样品照片均显示了一个水滴分散在由　液相中的形成凝聚结构。产品通过捏合机时，因结　液体油与脂肪晶体组成的油相中的油包水（Ｗ／Ｏ）体　晶热和由捏制产生的摩擦热使温度上升４￣Ｃ一　系。照片中自色球状部分是水滴，暗色部分是固体　１１℃，具体数值依据固脂含量而定。　脂，灰色背景部分是液体油。由于人造奶油的脂肪　２．３．２捏合设备设计要点在设计中，我们同样采　晶体很小，晶体间距离也￣１０１，，晶体间有较强的范德　用圆筒销钉式搅拌结构。其容积为３０　Ｌ一６０　Ｌ，保　华引力作用使其聚集成晶簇，照片上显示的是不规　证物料有充分的搅拌时间来打破固体脂结晶的网状　则的球状晶簇。说明通过乳化设备，可将油与水两　结构和使结晶细化。电机为电磁调速电机，根据不　种互不相溶的液体混合形成一种特殊的体系——　同的固脂含量可对搅拌速度作相应的调整，转速为　Ｗ／Ｏ型乳状液体系，其中水被分散在油相中，水滴　１５０　ｒ／ｒａｉｎ　４５０　ｒ／ｗｉｎ。物料从中间进料，经搅拌后　周围是液体油和固体脂，没有出现油水分离的不稳　再从顶部出料。为了提高搅拌的效果，采用三排固　定现象。　定的销钉，并且需在一定压力下进行搅拌。该机的　四组照片也各有差异。第二组照片（样品取自　工作压力≤１　ＭＰａ。设备结构详见图５。　乳化设备出口）与其他组照片相比，其水滴直径较　大，且大小也不均匀。这表明，经过乳化设备便直接　６　静止结晶形成的人造奶油产品，其油包水结构相对　而言不是很稳定，表现在人造奶油缓慢结晶过程中　水滴趋于凝聚，得到不均匀的分散相，水滴直径范围　很大（０　６　ｖｍ　０　８　ｖｍ）。不仅影响产品对微生物的　敏感度，还在一定程度上影响稠度和产品的稳定性。　因此，仅通过乳化工序是无法得到质构优良的人造　奶油产品的。　第一组照片（样品取自急冷机出Ｉ：１）与第三组照　片（样品取自捏合机出口）相比，固体脂（暗色部分）　较为集中，第三组照片中水滴大小分布较均匀，且较　图５捏合设备结构币意图　均匀地分散在油相中。乳状液在急冷机中因受高压　１．进辩口２　固定销钉３．销钉式搅拌轴　及剪切力作用，晶体迅速微粒化，同时进一步乳化，　４．电磁调遘电动机５　出料口６．三角皮带　因而得到细密的结构。但如果从急冷机出来使静止　该机为销钉式捏合机。旋转轴３上的直排销钉　结晶，会因脂肪混合物在极度过冷的情况下已形成　由变速电机４、经三角皮带６带动旋转，与装在圆筒　晶核，在静止状态下完成结晶就会形成固体脂肪结　壁上的固定销钉２互相啮合。从急冷机出来的物料　晶的网状结构，形成硬度很大的整体，没有可塑性。　流经进料Ｉ：１　１、固定销钉２、销钉式搅拌轴３、出料Ｉ：１　因此，在急冷机之后再用捏合机对混合物进行强烈　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌ０ｏ　中国油脂　２Ｏ（］Ｏ年第２５卷第６期　第一组取自急冷机（压力０．８　ｈⅡ　）出ＩＩ处　第二组取自乳化设备出ＩＺｌ处的样品　的样品。放大倍数９　６ＧＯ　放大倍数７　２００　第一组取自急冷机（压力０．８皤　）出ＩＩ处　第二组取自乳化设备出ＩＩ处的样品　的样品，放大倍数１８∞０　放大倍数７　２００　第三组取自捏合机出ＩＺｌ处的样品　第四组取自息冷机（压力１．２．５　Ⅱ　）出ＩＩ处　放大倍数１２∞０　的样品，放大倍数１２　０００　第三组取自捏台机出口处的样品．　第四组取白急冷机（压力１．２５Ⅶ　）出口处　放大倍数Ｉ８　０００　的样品，放大倍数Ｉ８　０００　图６人造奶油产品结构分析的四组样品照片　维普资讯 http://www.cqvip.com

舢年第２５卷第６期　中国油脂　１０１　我国人造奶油的研究工作起步较晚。但随着经　的搅拌和较长时间的机械加工（捏合），使得已形成　的网状结构被打破，细的固脂晶体进一步分散在液　济的发展和生活水平的提高，对人造奶油的需求也　相中，形成的凝聚结构足以网络所有液体油，此时的　日益增长　相应地，人造奶油加工设备的设计研究　工作也需要跟上。实践证明，用我们白行设计的设　产品才具有一定的塑性，且风味良好。　第四组照片（样品同样取白捏合机出口）与第三　备可以生产出符合要求的产品。　组照片相比，水滴分布更均匀，油相中固脂与液体油　从表２可以看出，该设备与同类产品相比，工作　的混合也很均匀，表现出更细密的超微结构。这两　压力差不多，最高压力比丹麦的小，做起酥油时氮气　能耗较低，价格较经济。　组样品均经过急冷机和捏合机，但是前者的急冷机　冲入的形式最为合理，设备中柱塞泵的压力为１　２５　ＭＰａ，而后者只有　参考文献　第三册，北京：　０．８　Ｍ１％。这说明晶体颗粒的细微化与设备压力有　［１］贝雷：油脂化学与工艺学［Ｍ　第四舨．轻工业出舨社，１９９１　很大关系，因而设备的压力是设计中的一个关键参　数。我们设计的急冷设备的工作压力为１　ＭＰａ～　２　ＭＰａ，可以生产出结构细腻的产品。　４结束语　［２］北京大学化学系胶体化学教研室［Ｍ］　乳状涟理论与实践　［３］油脂加工工艺学［Ｍ：北京：轻工业出舨杜