奶粉的流變學(xué)研究

如今商品化社會(huì)競爭日益激烈，在利益驅(qū)使下，奶粉安全事件的頻繁發(fā)生，對(duì)奶粉的選擇尤為的謹(jǐn)慎；奶粉中一定的水分含量可保持食品品質(zhì)，大大延長食品的保質(zhì)期。原料（如全脂牛奶、脫脂牛奶）的變化以及加工工藝的變化導(dǎo)致了奶粉成品種類繁多。奶粉成品包括嬰兒配方奶粉、脫脂奶粉、酪蛋白粉、乳清蛋白粉和乳糖粉。本文介紹并討論了測(cè)定Warren Spring內(nèi)聚強(qiáng)度和奶粉粉壁摩擦角的方法。測(cè)量采用Anton Paar模塊化緊湊型流變儀進(jìn)行。

引言

奶粉的加工過程包含很多加工步驟，這些步驟都有不同難度的技術(shù)挑戰(zhàn)。

由于奶粉具有黏性，當(dāng)奶粉從噴霧干燥塔或容器中排除時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)問題，出現(xiàn)不希望出現(xiàn)的拱橋效應(yīng)或鼠洞。黏性對(duì)于終的干燥步驟也是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼤?huì)影響流動(dòng)性，從而影響奶粉粉體流化態(tài)所需的能量。

Anton Paar的粉體流化單元能夠進(jìn)行不同的測(cè)量，適用于質(zhì)量控制和研究，用以預(yù)測(cè)上述問題。

樣品

本文選擇了兩個(gè)奶粉樣品，分別是商用嬰兒配方奶粉和商用脫脂奶粉，如圖1

測(cè)量系統(tǒng)

圖2：帶有暴露支撐板（WESP）流變儀和裝有粉體樣品的粉體流化單元

測(cè)量采用Anton Paar的模塊化緊湊型流變儀（MCR）  和粉體流化單元來進(jìn)行。圖2為安裝了粉體流化單元的MCR流變儀，填充了粉體的粉體流化單元的測(cè)量玻璃為涂有氧化銦錫的硼硅酸鹽玻璃。

Warren Spring內(nèi)聚強(qiáng)度測(cè)量

圖3：Schematic view of the Warren Spring measuring geometry

用Warren Spring內(nèi)聚強(qiáng)度來表征流化特性，即黏接的粉體開始流動(dòng)的點(diǎn) 。樣品制備通過透氣活塞進(jìn)行， 這確保了此方法的重現(xiàn)性?；钊捎靡?guī)定的法向應(yīng)力（這里為9kPa）壓縮粉體樣品。如圖3

壁摩擦角測(cè)量

圖4：法向力和剪切應(yīng)力關(guān)系曲線中計(jì)算壁摩擦角

壁摩擦角φ的測(cè)定是用一個(gè)裝有圓盤形附件（直徑49mm）的測(cè)量系統(tǒng)來完成的。使用不銹鋼和涂有聚四氟乙烯（PTFE，Teflon）的附件進(jìn)行測(cè)量。分別用3、6和9kPa的法向力對(duì)樣品進(jìn)行壓縮，并用0.05rpm的恒定轉(zhuǎn)速測(cè)量每個(gè)法向力下對(duì)應(yīng)樣品的剪切應(yīng)力。如圖4
 

壁摩擦角在很大程度上決定了粉末是否能夠均勻地從料斗中排出。如圖7所示，可以預(yù)測(cè)兩種不同的流動(dòng)模型

核心流：材料被夾持在料斗的壁上，只有位于容器中心處的材料容易排出，這是有問題的，因?yàn)樗斐闪耸紫冗M(jìn)去的料后被排出來。因此，不同批次的粉體混合不均勻。

質(zhì)量流：粉體樣品均勻排出。這是理想的粉體流動(dòng)模型。

宏觀樣本評(píng)價(jià)

目視評(píng)估兩個(gè)粉體樣品，能夠看出明顯的差異：嬰兒配方奶粉似乎比脫脂奶粉更細(xì)，更容易自由流動(dòng)，而脫脂奶粉的內(nèi)聚強(qiáng)度更大，更容易聚集成塊。然而，我們不能排除配方奶粉中的乳糖，以及大量非乳制品添加劑（植物油、維生素和礦物質(zhì)）對(duì)樣品外觀的影響。

Warren Spring內(nèi)聚強(qiáng)度

圖5：9 kPa 的固結(jié)應(yīng)力下，脫脂奶粉和嬰兒奶粉Warren Spring內(nèi)聚強(qiáng)度

圖5為Warren Spring內(nèi)聚強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果。剪切前用9kPa壓縮樣品嬰兒配方奶粉的Warren Spring內(nèi)聚強(qiáng)度平均值為5.72±0.24Pa，脫脂奶粉的Warren Spring內(nèi)聚強(qiáng)度平均值為2.24±0.05Pa.嬰兒配方奶粉的內(nèi)聚強(qiáng)度遠(yuǎn)高于脫脂奶粉，說明和脫脂奶粉相比，如果讓嬰兒配方奶粉流動(dòng)需要更大的力。

壁摩擦角

圖6：9 kPa 的法向力下，使用涂有聚四氟乙烯涂層的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量嬰兒奶粉和脫脂奶粉的壁摩擦角

圖6顯示了壁摩擦角測(cè)量的結(jié)果。結(jié)果為法向力為9kPa（未顯示3和6kPa）的嬰兒配方奶粉和脫脂奶粉，使用涂有聚四氟乙烯的測(cè)量系統(tǒng)。壁摩擦角越大，壁面摩擦越大。脫脂奶粉的扭矩明顯高于嬰兒配方奶粉，說明脫脂奶粉的壁摩擦力較大?？?/span>的來說，根據(jù)圖6所示的結(jié)果，與脫脂奶粉相比，嬰兒奶粉的壁摩擦角更小。

這是由于兩種表面的粗糙度和化學(xué)成分不同造成的，此次測(cè)量使用的不銹鋼表面測(cè)量系統(tǒng)的表面粗糙度為2.26μm，而PTFE是一種大多數(shù)物質(zhì)不會(huì)黏附在他表面的氟化聚合物，他的表面還是非常光滑的。如圖7所示，測(cè)得的壁摩擦角和漏斗角可用于預(yù)測(cè)給定粉體的質(zhì)量流和核心流。

圖7：質(zhì)量流/核心流的壁摩擦角和漏斗角示意圖

結(jié)論

Anton Paar的粉體流化單元能夠?qū)δ谭鄣奶匦赃M(jìn)行不同的流變測(cè)量。Warren Spring內(nèi)聚強(qiáng)度可以作為粉體流動(dòng)性能的一種判斷方法，因而可以用于粉體的質(zhì)量控制。壁摩擦角可根據(jù)不同材料來確定。在這里，我們發(fā)現(xiàn)嬰兒配方奶粉比脫脂奶粉具有更大的內(nèi)聚強(qiáng)度，因此更難流動(dòng)。這可能會(huì)影響一些干燥步驟和/或氣動(dòng)輸送能力的計(jì)算。相反，嬰兒配方奶粉顯示出比脫脂奶粉更低的壁摩擦角，因此能夠更均勻的從儲(chǔ)罐或漏斗中排出。這些差異可歸因于樣品的生化成分。蛋白質(zhì)含量的定量和定性變化可能起主要作用。此篇文章的研究結(jié)果可用于優(yōu)化奶粉生產(chǎn)的生產(chǎn)工藝、運(yùn)輸和存儲(chǔ)工藝。