本文對(duì)高壓均質(zhì)、高剪切乳化、微射流均質(zhì)三種均質(zhì)方式進(jìn)行了比較，以山藥制品為例，為提升均勻的乳化狀態(tài)，延長(zhǎng)產(chǎn)品保藏期，為良好分散找到適合的解決途徑。
乳化與均質(zhì)的由來(lái)
工業(yè)上，兩種互不相溶的液體或固液夾雜時(shí)，通常利用乳化機(jī)來(lái)完成油水乳化，達(dá)到分散均質(zhì)的作用。當(dāng)油水兩相介質(zhì)夾雜形成油包水或水包油后，不能穩(wěn)定存在，需要合適的乳化劑來(lái)改善體系的表面張力，同時(shí)需要利用強(qiáng)烈的切割分散，將介質(zhì)打散為細(xì)小顆粒，最終形成穩(wěn)定均勻的分散體系，達(dá)到良好的乳化效果。
目前，乳化機(jī)的應(yīng)用不僅限于乳化。乳化機(jī)具有強(qiáng)烈的剪切效果，可以使粉粒體在摧毀撞擊下破碎，最終細(xì)化到細(xì)小粒徑，然后使固體顆粒充分摻混到液體中并構(gòu)成相對(duì)不變的懸浮液。當(dāng)物料的細(xì)度達(dá)到微米甚至納米級(jí)時(shí)，體系可以被認(rèn)為均質(zhì)。
高壓均質(zhì)可以使物料細(xì)化成微小顆粒，將乳化與均質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，得到穩(wěn)定的乳狀液，因此，乳化機(jī)又可以稱為均質(zhì)乳化機(jī)。
均質(zhì)機(jī)的原理
均質(zhì)機(jī)的作用力主要為剪切力和壓力。在均質(zhì)過(guò)程中，產(chǎn)生層流效應(yīng)，分散相顆?；蛞旱伪患羟泻脱由炖?；受到湍流效應(yīng)影響，顆粒或液滴在壓力波動(dòng)下產(chǎn)生隨機(jī)變形；受到空穴效應(yīng)的影響，較高的壓力作用使小氣泡迅速破裂,釋放能量，從而引起局部液壓沖擊,造成振動(dòng)。在這些共同作用下，物料呈良好的均勻分布狀態(tài)。
一、高壓均質(zhì)機(jī)的原理
柱塞泵通過(guò)不斷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將物料吸入閥組中（圖1）,柱塞可調(diào)節(jié)壓力的大小。物料在高壓下流過(guò)縫隙時(shí)，液滴首先被延伸，后因通過(guò)閥體時(shí)的湍流作用，使延伸部分剪切拉碎。從閥縫中高速?zèng)_出的液流撞上擋圈，產(chǎn)生高速的撞擊作用。同時(shí)，壓力迅速大幅下降，產(chǎn)生很大的爆破力，瞬時(shí)引起空穴現(xiàn)象，強(qiáng)烈釋放的能量和強(qiáng)烈的高頻振動(dòng)，使顆粒或液滴破碎，從而達(dá)到液體樣品均質(zhì)、粉碎和乳化的效果。液滴在料液進(jìn)口處攜帶極高的靜壓能，在均質(zhì)過(guò)程中，靜壓能轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能，使液滴破裂。
圖1
二、高剪切乳化機(jī)的原理
剪切頭由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子與定子相互嚙合,每級(jí)定轉(zhuǎn)子又有數(shù)層齒圈。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，形成強(qiáng)負(fù)壓區(qū)，物料被吸入工作腔，在定、轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)受到剪切、離心擠壓、撞擊撕裂和湍流等綜合作用，而產(chǎn)生分裂液滴的張力。液體離開(kāi)定子小孔后壓力又回升，由此產(chǎn)生了空穴效應(yīng)。均質(zhì)頭高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)物料進(jìn)行剪切、分散、撞擊。這樣物料就會(huì)變得更加細(xì)膩，完成均質(zhì)。
三、微射流均質(zhì)機(jī)的原理
微射流高壓均質(zhì)機(jī)主要是由分散單元和增壓機(jī)構(gòu)組成。在增壓機(jī)構(gòu)的作用下，利用液壓泵產(chǎn)生的高壓，流體經(jīng)過(guò)孔徑很微小的閥心，產(chǎn)生幾倍音速的流體，并在分散單元的狹小縫隙間快速通過(guò)，進(jìn)行強(qiáng)烈的高速撞擊。在撞擊過(guò)程中，流體瞬間轉(zhuǎn)化其大部分能量，流體內(nèi)壓力的急劇下降而形成超聲速流體，流體內(nèi)的粒子碰撞、空化和湍流，剪切力作用于納米大小的細(xì)微分子，使流體的成分以完全均質(zhì)的狀態(tài)存在(圖2)。
圖2
均質(zhì)機(jī)的比較
高壓均質(zhì)機(jī)主要通過(guò)壓力系統(tǒng)的高壓對(duì)物料擠壓、延伸、撞擊、破碎，主要依靠空穴效應(yīng)和湍流效應(yīng)。均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)閥設(shè)計(jì)間隙大，均質(zhì)壓力較低，在對(duì)高硬度顆粒均質(zhì)時(shí)容易損壞，維修難度大。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較低。高壓均質(zhì)機(jī)對(duì)處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適。
高剪切乳化機(jī)主要是靠定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高剪切作用,使物料剪切、撕裂和混合，同時(shí)，較強(qiáng)的空穴作用對(duì)物料顆粒進(jìn)行分散、細(xì)化、均質(zhì)。其優(yōu)點(diǎn)是處理量大，生產(chǎn)的產(chǎn)品穩(wěn)定性好，不容易破壞乳分層，機(jī)器比較耐用，而且容易維修，均質(zhì)形式更加豐富，缺點(diǎn)是體積比較大。
微射流均質(zhì)機(jī)利用百微米左右孔道形成超音速射流，射流間相互對(duì)撞，進(jìn)行極強(qiáng)烈的剪切，得到更高的均質(zhì)壓力，產(chǎn)生更好的粒徑分布效果。但是,其設(shè)計(jì)壓力高，流量較小，造價(jià)相對(duì)偏高。具體比較見(jiàn)表1。
應(yīng)用分析
高壓均質(zhì)機(jī)由于壓力限制，對(duì)處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適，不適宜高粘度的物料。鞠健等采用優(yōu)化后的超高壓輔助提取法可明顯提高山藥皮總酚提取率,且提取時(shí)間短、工藝條件穩(wěn)定。賀永朝等采用高壓均質(zhì)處理懷山藥，發(fā)現(xiàn)可以降低淀粉內(nèi)部的有序度,降低抗酶解能力,提高淀粉消化性,且壓力越高,該趨勢(shì)越明顯。高壓均質(zhì)機(jī)使各類乳品飲料中的脂肪球顯著細(xì)化，用于冰淇淋等制品的生產(chǎn)中，能提高料液的細(xì)潔度和疏松度，防止或減少料液分層，口感更醇。
高剪切乳化機(jī)比較適合處理含纖維較多或者較硬的顆粒物料，混料、殺菌、均質(zhì)可同時(shí)完成。劉俊梅等采用高剪切乳化技術(shù)處理大豆蛋白，使蛋白顆粒大大減小，疏水基團(tuán)暴露，有利于形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，可以顯著提高大豆分離蛋白凝膠持水性。郭維靜等通過(guò)高速剪切乳化技術(shù)處理玉米蛋白粉來(lái)改變蛋白粉的物理特性，可以顯著降低顆粒大小，提高流變性和溶解度，提高淀粉降解率和蛋白質(zhì)水解度，有效抑制了果蔬汁的分層現(xiàn)象。高剪切乳化機(jī)廣泛應(yīng)用于粘度較大、乳化要求較高的產(chǎn)品，如果醬、果茶等。
微射流均質(zhì)機(jī)使介質(zhì)的顆粒極度細(xì)化(液—液均質(zhì)平均粒度在1以下)，均質(zhì)后的產(chǎn)品還能得到不沉淀、高膠狀、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，從而使成品的外觀也大大改善，適用于納米新材料、制藥、生物技術(shù)、化妝品、高端飲品等行業(yè)。郭曉君等采用超高壓微射流技術(shù)對(duì)山藥汁進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)可顯著改善山藥汁的物理穩(wěn)定性，物料中可溶性固形物含量無(wú)顯著變化；亮度值顯著增大，山藥汁中顆粒平均粒徑顯著減小，濁度和非酶褐變度逐漸降低。
劉夢(mèng)培等研究發(fā)現(xiàn)，超高壓微射流處理能較好地保持山藥汁中的營(yíng)養(yǎng)成分,在80MPa壓力下,氨基酸增加，還原糖、總酸和黃酮呈較小幅度降低。王小媛等研究表明，高壓微射流對(duì)鐵棍山藥汁中微生物有較好的殺菌效果。微射流均質(zhì)機(jī)可形成納米乳劑，除了滅菌之外還可破碎提取細(xì)胞中的有用營(yíng)養(yǎng)成分，可以將纖維素的某一維度尺寸縮小至100nm以內(nèi),形成納米纖化纖維素。
人體吸收是由于酶的作用，進(jìn)入人體的物質(zhì)其顆粒度越小則與酶接觸起反應(yīng)的表面積越大，吸收的效率就越高。能夠高效率地破碎細(xì)胞壁，從而提取其內(nèi)含物，對(duì)提高人體的吸收率有很大的意義。因此，選擇合適的均質(zhì)設(shè)備成為生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵。
各設(shè)備均有利弊，單獨(dú)使用高壓均質(zhì)機(jī)，由于壓力較小，達(dá)不到分散研磨的良好效果，單獨(dú)使用微射流均質(zhì)機(jī)，其流量較小，高剪切乳化機(jī)的攪拌作用強(qiáng)烈。因此，可以采取二者或三者協(xié)同作用來(lái)處理物料，或能達(dá)到較好的均質(zhì)效果。
來(lái)源：李存紅 侯艷 符德學(xué). 高壓均質(zhì)、高剪切乳化、微射流均質(zhì)的比較及在食品方面的應(yīng)用. 焦作大學(xué)學(xué)報(bào). 2020年6月第 2 期.
