浙江微流纳米生物技术有限公司
铁棍山药为焦作市传统种植的四大怀药之一，不仅是传统中药材，还有悠久的食用历史。铁棍山药含有丰富的营养物质，如蛋白质、多糖、16种人体所需氨基酸等，能益肾气、健脾胃、调节免疫功能、抗氧化、降血脂、降血糖等。近年来，铁棍山药深加工产品果蔬汁、乳饮品大量出现，在加工过程中，如何避免营养损失，保证其均匀的乳化状态，延长产品保藏期，成为急需解决的重要问题之一。因此，均质技术已成为提高产品品质的关键。本文对高压均质、高剪切乳化、微射流均质三种均质方式进行了比较，以期为山药制品的良好分散找到适合的解决途径。
1. 乳化与均质的由来
工业上，两种互不相溶的液体或固液夹杂时，通常利用乳化机来完成油水乳化，达到分散均质的作用。当油水两相介质夹杂形成油包水或水包油后，不能稳定存在，需要合适的乳化剂来改善体系的表面张力，同时需要利用强烈的切割分散，将介质打散为细小颗粒，最终形成稳定均匀的分散体系，达到良好的乳化效果。
目前，乳化机的应用不仅限于乳化。乳化机具有强烈的剪切效果，可以使粉粒体在摧毁撞击下破碎， 最终细化到细小粒径，然后使固体颗粒充分掺混到液体中并构成相对不变的悬浮液。当物料的细度达到微米甚至纳米级时，体系可以被认为均质。
高压均质可以使物料细化成微小颗粒，将乳化与均质联系起来，得到稳定的乳状液，因此，乳化机又可以称为均质乳化机。
2. 均质机的原理
均质机的作用力主要为剪切力和压力。在均质过程中，产生层流效应，分散相颗粒或液滴被剪切和延伸拉碎；受到湍流效应影响，颗粒或液滴在压力波动下产生随机变形；受到空穴效应的影响，较高的压力作用使小气泡迅速破裂,释放能量，从而引起局部液压冲击,造成振动。在这些共同作用下，物料呈良好的均匀分布状态。
2.1 高压均质机的原理
柱塞泵通过不断的往复运动，将物料吸入阀组中 （图1）, 柱塞可调节压力的大小。物料在高压下流过缝隙时，液滴首先被延伸，后因通过阀体时的湍流作用，使延伸部分剪切拉碎。从阀缝中高速冲出的液流撞上挡圈，产生高速的撞击作用。同时，压力迅速大幅下降，产生很大的爆破力，瞬时引起空穴现象，强烈释放的能量和强烈的高频振动，使颗粒或液滴破碎，从而达到液体样品均质、粉碎和乳化的效果。液滴在料液进口处携带极高的静压能，在均质过程中，静压能转化成了动能，使液滴破裂。
图1 高压均质机
2.2 高剪切乳化机的原理
剪切头由转子和定子组成，转子与定子相互啮合,每级定转子又有数层齿圈(图2)。转子高速旋转产生强大的离心力，形成强负压区，物料被吸入工作腔 (图3)，在定、转子间隙内受到剪切、离心挤压、撞击撕裂和湍流等综合作用，而产生分裂液滴的张力。液体离开定子小孔后压力又回升，由此产生了空穴效应。均质头高速旋转，对物料进行剪切、分散、撞击。这样物料就会变得更加细腻，完成均质。
图2 齿圈
图3 工作腔
2.3 微射流均质机的原理
微射流高压均质机主要是由分散单元和增压机构组成。在增压机构的作用下，利用液压泵产生的高压，流体经过孔径很微小的阀心，产生几倍音速的流体，并在分散单元的狭小缝隙间快速通过，进行强烈的高速撞击。在撞击过程中，流体瞬间转化其大部分能量，流体内压力的急剧下降而形成超声速流体，流体内的粒子碰撞、空化和湍流，剪切力作用于纳米大小的细微分子，使流体的成分以完全均质的状态存在(图4)。
图4 微射流均质机
3. 均质机的比较
高压均质机主要通过压力系统的高压对物料挤压、延伸、撞击、破碎，主要依靠空穴效应和湍流效应。均质机的均质阀设计间隙大，均质压力较低，在对高硬度颗粒均质时容易损坏，维修难度大。优点是价格相对较低。高压均质机对处理软性、半软性的颗粒状物料比较合适。
高剪切乳化机主要是靠定转子之间的相对高速运 动产生的高剪切作用 ,使物料剪切、撕裂和混合，同时，较强的空穴作用对物料颗粒进行分散、细化、均质。其优点是处理量大，生产的产品稳定性好，不容易破坏乳分层，机器比较耐用，而且容易维修，均质形式更加丰富，缺点是体积比较大。
微射流均质机利用百微米左右孔道形成超音速射流，射流间相互对撞，进行极强烈的剪切，得到更高的均质压力, 产生更好的粒径分布效果。但是, 其设计压力高, 流量较小, 造价相对偏高。具体比较见表1。
表1 三种均质机的比较
4. 结语
人体吸收是由于酶的作用，进入人体的物质其颗粒度越小则与酶接触起反应的表面积越大，吸收的效率就越高。能够高效率地破碎细胞壁，从而提取其内含物，对提高人体的吸收率有很大的意义。因此，选择合适的均质设备成为生产过程中的关键。各设备均有利弊，单独使用高压均质机，由于压力较小，达不到分散研磨的良好效果，单独使用微射流均质机，其流量较小，高剪切乳化机的搅拌作用强烈。因此，可以采取二者或三者协同作用来处理物料，或能达到较好的均质效果。
微射流高压均质
CHEN240729
