1、第六章农产品加工工程第六章农产品加工工程 1 概述 方便消费营养集中、可口卫生、易贮运等。提高使用价值例如，甘薯1200T，原值21.6亿元， 加工为： 一、农产品的加工目的一、农产品的加工目的亿元价值葡萄糖浆亿元价值细粉丝亿元价值淀粉2009640、原料预处理剔选、分级、清选、脱壳、去皮。、尺寸减小切割、破碎。、分离分离出所需的物质，如榨油、复面等。、混合、杀菌加热。、发酵和酶处理改变物料的结构、风味等。 二、常用的工艺二、常用的工艺2 2 原料预处理原料预处理 、选用的洗剂：洗涤剂、杀菌剂、热水等。、洗涤方法：根据物料特点、原料污染情况、投资条件选用的洗涤方法： 一、清理一、清理（一）湿法
2、清理（清洗）超声波被水输运过程中进行溶槽刷洗喷淋浸泡注意：节约用水、减少污染。 （二）干法清理、洗涤方法：气流清选、电磁分离、筛分。、适用物料：主要用于尺寸较小、溶度较大、含水量低的物料。 、优点： 排出废弃物少程度低受微生物污染的机会和设备便宜、缺点：需增加除尘设备。气流清选时，气流的速度一般应大于杂质的速度，小于被清选物料的“临界速度”。（见P14的内容） 物料的临界速度由以下经验公式求得： )/()1 (1018)(320smgdfvvsf参见P15 )1 (00mvvn）料床的空隙度（表见气流动力粘度（粒子直径（重力加速度（的影响）系数（群体及有限空间单粒的临界速度%)4-1)(/)/
3、15220PmNsmmdsmgfv例1 豌豆的平均值径 33/96. 04 . 0/8806mkgmkgmmds；)1015. 2(/1015. 2425即mNs求 )/(5 . 8smvf电磁分离：清理金属；对于有规则尺寸或形状的物料，可用筛分或其他方法分离杂质。二、物料分选二、物料分选分级（按尺寸、形状、重量、颜色等物理特征） 分选的效率： ）（%)1 ()1 (frfpXFXRFXPX(%)/(%)/(%)/k喂入原料中需要的成分喂料流量要成分排出的废料中所含的需排出的废料流量产品中需要的成分产品流量（frpXskgFXskgRXsgP1、按尺寸和形状分选： 平面筛谷物、豆类； 圆筒筛蘑
4、菇等； 窝眼筒（盘）精选谷物（P157图62）； 需满足 min)/404 . 03 . 0(min)/(102rnmRrRgnmgmR；一般或辊轴（回转带）式分选机水果等直径较大的 物料（图63）。 2、按重量分选： 重量式分级机 (1) 移动式杠杆称由重量比较装置、滑轨、杠 杆称、托盘等组成。 (2) 抛掷式分级机由抛掷机械手一个一个抛上， 重的落点近，轻的落点远 3、按物料的光学特性分选：（1）色选机 农产品颜色与成熟度、味道、糖分含量和维生素 含量有关。 具体方法如下：将一定波长的光（或电磁波）照 射物料，根据反光强度鉴别。（如柑桔的黄和绿， 对678nm的光反射差别大：黄反射强度高，
5、绿反 射强度低），用光电管作为反射光的传感器，将 其转变为电流强度。 I=SR I电流强度； S测试系统的灵敏度； R反射率。为了消除尺寸、形状和位置对S的影响，通常用两种波长的光照射，然后计算两电流的比值（I1/I2）、差值（I1-I2）或相对差值（I1- I1/I2）。 I1/I2=S1R1/ S2R2 因为同一测试系统的S1= S2，故I1/I2= R1/ R2。一般情况下，物料要先排成一行，逐个落入光箱进行鉴别。（P159图64） (2)内部质量分选机 物料吸收光线的特性。 光学密度（optical density）： OD=log(E1/E2) E1射向物料的光波密度； E2透过物料
6、的光波密度。即 入射光量与反射光量（或透射光量）之比。 通常用透射率（或反射率）倒数的常用对数表示， 又称吸光度。（见P26）用一定波长的光照射物料时，透光性越差，光密度 值就越大。可用于鉴别农产品的成熟度及局部变质 情况。检测玉米的酶变程度：波长L=800nm950nm检测大米的白度：波长L=600nm850nm检测桃子和苹果成熟度：分别波长L桃=700nm7400 nm；L苹=600nm700nm为了消除尺寸、形状对测量精度的影响，可采用两 波长所得的OD的差值进行鉴别。 3 尺寸减小 物料破碎方式（原理） 一、概述一、概述磨碎式、压碎式剪切式、撞击式Kicks定律破碎需要的能量与尺寸减小
7、程度成 正比。 。破碎的尺寸；如直径等原始平均尺寸常数；)()()()/ln(2121mdmdsKickKJddKEkkRittings定律能耗与颗粒表面积的变化正比。 )/1/1 (21ddKErBonds定律： kgkJWBondWddWE/804010010021工作指数，如精谷物其实践证明: Kicks定律适用于“粗破碎”； Rittings定律适用于“细破碎”（因为此时表面积 大大增加）； Bonds定律在介于以上两者之间的情况下适用。 尺寸减小时，会引起： 脂肪酸和维生素A氧化，使营养价值 ； 果蔬切碎（或切片）时维生素C下降（黄 瓜的VC下降78%）； 色、香、味、滋味都会有些变
8、化。二、剪切式机械二、剪切式机械 1、有支撑切割的稳定夹持条件： 料的摩擦角。分别为定、动刀片对物、其中得：即：整理得式得代入：）即：轴的合力方向向左）（即21212121212121221212222122211)(1)1/()()cos(sin)cossin(106cossin106(sincos0tgtgttgtgtgtgtgfffffNfffNNNfNFNNfNfxFiyix切割速度一般可降为2m/s左右；定、动刀片间隙为0.5mm左右，刃口厚度（锐利度），一般为10100m。、无支撑切割切割速度一般20m/s，使物料因惯性力而具有一定的刚度，抵抗弯曲（而不至于被推倒）。、切割运动形式
9、： 刀片运动方向其刃口时，为砍切； 刀片运动方向与刃 口不垂直时，为滑切。 切割时，通常刀片做往复运动或旋转运动，物 料做进给运动； 一些球形物料，在进给过程中还做旋转，遇到固 定的刀片时被切割。 液体中的颗粒进行超微粉碎称均质。高压的液流 （1030Mpa），流速可达150200m/s，经过均 质阀的间隙时（一般为0.1mm），受到强烈的剪 切和撕裂而破碎。（P161图6-6） 1、普通粉碎（一般通过660目筛孔）（1）锤片式粉碎机： 末端线速度7090m/s； 筛子孔径为0.85mm。（2）齿爪式粉碎机：定动齿的间隙为3.5mm左右。2、微粉碎（可通过80170目筛孔）多为无筛式。 常用的
10、粉碎机为涡轮式粉碎机。包括叶轮、径向隔 板、固定的齿板。 叶轮转速为250021000r/min，产生涡流使物料摩 擦、挤压，同时受到撞击、剪切作用。 三、撞击式的尺寸减小机械三、撞击式的尺寸减小机械3、超微粉碎（200325目）：成品粒度可达 1m（1）机械式超微粉碎机：由叶片、圆柱或锥形磨套 组成。（2）超音速气流喷射式粉碎机 果品加工 破碎浆果（d=35cm） 榨汁（过 大过小都降低出汁率）1、主要部件 砂轮磨片：36粒度的碳化硅或氧化镁金钢砂 浇铸，有40%的气孔。 钢磨片 石 磨 陶瓷磨片：80年代初研制，密实、易清洗，生产 率比砂轮高510%，产品可通过200目以上筛孔， 粒度可达
11、130 四、磨碎机械四、磨碎机械依靠外挤压和摩擦依靠外挤压和摩擦 （可达80320目）2、种类 根据磨片形状有：平面磨、锥形磨和圆柱体 磨，一般动、定磨片上有齿纹。其中圆柱体磨又 称磨辊，成对使用，快慢速比2.5：1，且有齿形、 齿数、排列、两辊间隙等要求。机械分离的过程为剥壳、去皮、压榨、离心过滤等。1、剥壳去皮分离： 根据各种皮、壳的特性、颗粒形状、大小及壳仁之 间的附着情况不同，采用不同的方法： 4 4 分离分离一、机械分离一、机械分离 （1）碾搓法：两个橡胶辊、石碾稻谷壳、粟子等。 砂轮马铃薯表皮搓掉。（2）撞击法：离心式剥壳机葵花籽的外壳撞击下来。（3）剪切法：（4）挤压法：转辊式破
12、壳机核桃压碎。（5）化学法：NaOH桃子、猕猴桃外皮的除去。 生产率，完整性，损失 2、压榨分离（一般需先经过破碎） 浸出法物料侵在溶剂中，提出可溶部分。（1）压榨法： 油类：预先加热降低油的粘度和水分，增加 润滑性的出油率。 水汁类：施力较小，逐渐加力；或加入助榨剂 （如稻壳），以便汁液的排除。 影响出汁率（或出油率）的因素： 原料的生长条件和成熟度； 细胞壁的破坏情况； 物料的变形阻力，物料层的厚度；压力的增加速率、加压时间、最大压力 的大小；物料的温度和汁液的粘稠度等。压榨机的种类以及参数： 批量式（如裹包式） 连续式（螺旋式压榨机）： a、组成：螺旋轴（榨螺）和带孔的机筒（榨笼） 或筛
13、筒（榨汁时）； b、压缩比：含量，n时为6.87.5；含量， n时为7.514，最高为18。 榨腔容积出口端榨螺一个螺距的榨腔容积进口端榨螺一个螺距的压缩比 c、榨螺转速n和出饼厚度：一般取n=60110r/min， =0.32mm。 萃取：在混合物中加入某种溶剂，利用各成分溶解 度不同而将需要成分提出。 3、离心分离：常用于两种液相分离或将溶液中的固 体分离出去（澄清）（离心力=mR2）。 分离两种液相时，分界面圆柱的半径（根据图示， 将书中公式作了修改）：。轻、重液相的密度、；径液体内、外圆柱面的半、)/()()(3662mkgmRRmRRRbabaabaabbn1RRR)RR()RR(V
14、VVV2a2bn2n2b2a2n可得，则、如两液相体体积分别为重轻重轻 若为了得到重液则减小回转半径RaRn(分离时间。重液要经RbRa的距离，在机内停留时间轻液) 要得到轻液增加RaRn、分离时间用于液、固分离（澄清）时：确保固体颗粒分离的液体流量按下公式计算： )/()/ln(18)(1222skgRRVDQs。离心机转速；角速度；离心机碟片半径；液相半径；泊液相粘度；液相密度；颗粒密度；颗粒直径；离心机内液体体积min)/()/1 ()()()()/()/()()()(213332122rnSmRmRsPmkgmkgmmDmHRRVVas（此式也用于计算最小可分离的Dmin） 离心机的分
15、类：（1）按分离因数 Fr=R2/g，依此分： a. 常速离心机：Fr3000，主要用于分离颗粒不 大的悬浮液和物料的脱水； b. 高速离心机：Fr=30005000，主要用于分离乳 浊液和细粒悬浮液； c. 超高速离心机：Fr5000，主要用于分离极不 易分离的超微细粒悬浮液和高分子胶体悬浮液。（2）按用途分： a. 过滤式离心机转毂上有孔，过滤介质 （布）；Fr不大，适于易过 滤的悬浮液物料脱水； b. 沉降式离心机转毂上无孔，靠离心力沉降 颗粒； c.分离式离心机转毂上无孔，Fr3000，用于 液相分离和悬浮液澄清。 （3）按操作方式分： a. 间歇式离心机 b. 连续式离心机效率，结构
16、复杂。 4、过滤其中，滤饼可分为：可压缩的（酱油渣、豆腐渣）阻力、压力饼紧实度 不可压缩的（不变形滤渣如淀粉、土粒）流动阻力与滤饼两测压差和固体颗粒沉积速度无关。按过滤过程分 ：恒速过滤和恒压过滤当滤饼不可压缩时：过滤基本公式： )/()()(32smVVrVPAdtdVdQdc Vc通过单位体积滤液后所沉积的滤饼体积； Vd将过滤介质想象为过滤开始前已有Vd体积的 滤液通过后所沉积的滤饼，而折合成的滤液 的“当量”体积。a. 恒速过滤的流量，由基本公式积分得： crVPtAVVAV222Pt时刻过滤的介质两侧压力差（KPa）； V滤液的体积（m3）； 滤浆粘度（Pas）； r滤饼比阻（1/m
17、）； A过滤面积（m2）。 可用此式估算需要的压力差P。 b. 恒压过滤时由基本公式积分得： cddrvttPAVV)(2)(2td对应于Vd所需要的过滤时间。 滤饼可压缩时： 。不可压缩时，。压缩性指数，一般的比阻；压差时滤饼的比阻，即单位压力010)/1 (101)(2ssscmkgKPaPrPrrs过滤机分类： （1）按动力不同： 压力式过滤机压力泵 真空式过滤机真空泵 （2）按结构： 板框式压滤机 叶式压滤机 转筒真空式过滤机微滤膜（MF）膜孔=0.052.0m，能阻留 分子量20万100万的微粒；超微粒膜(UF)膜孔=0.00152.0m；能阻留 分子量50050万的微粒；反渗透膜（
18、RO）膜孔0.002m，可淡化海 水（达85%以上的脱盐率）二、膜分离二、膜分离1、膜的类型（1）根据孔径：（2）根据膜的结构： 板柜式膜 中空纤维膜 管式膜 螺旋卷式膜 、单位体积的表面积最小，目前使用较广（3）根据膜的材料： 醋酸纤维膜耐酸、碱、温度和压力性能 高分子聚合物膜应用最广。 陶瓷膜性能最好，耐各种PH值、400高温、 5MPa以上压力（50个大气压） 2、名词定义： （1）阻留分子量能被膜表面阻留下来的最小微粒的分 子量。如澄清苹果汁的阻留分子量为 5万。（2）渗透速率(V/m2h)单位膜面积、单位时间内通过 液体体积。（常用蒸馏水的水 通量来表示膜的透过性能）。 液料膜透过液
19、 阻留液（3）渗透压（表示）液体停止水的渗透所需施压的 压力。3、膜的工作机理：分子扩散运动。 在膜的一侧，液料中的溶质形成浓度梯度（浓度最高的一层称为凝胶层）称为浓度极化；形成浓度极化后，凝胶层不再增厚。（即液料中溶质向膜面扩散的速度=凝胶层的溶质向液料中的扩散速度）膜两侧的压力差：微滤和超滤膜：。透过液一侧的压力；压力膜组件入口、出口处的、)()()(22121KPaPKPaPPKPaPPPPpp反渗膜： pPPPP2212渗透压。（一般Pp较小，可以忽略） 膜的渗透速率：膜的渗透速率： 微滤和超滤膜： J=KA（c1/c2） (/m2h) K传质系数； A膜面积（m2）； C1浓度极化时
20、，膜表面的溶质浓度（%） C2液料中溶质浓度（%）。 反渗膜： J=KA（P2） K传质系数； A膜面积（m2）； =MRT（T为绝对温度）； M摩尔分子浓度（mol/m3）； R气体常数（KPa/molk）； T绝对温度。作用： 干燥分离水； 浓缩分离水； 能使蛋白质变性，沉淀后分离。复作用： 破坏某些营养成分； 能耗较高。1、干燥热空气、介电加热、辐射等方法：三、热分离：三、热分离：热空气干燥：热空气 物料表面 内部 水分蒸发蒸汽被空气带走 对流传热 传导、传热 吸热、升压 干燥过程： 初始恒湿阶段 恒速干燥阶段 降速干燥阶段 不再干燥 当达到湿球温度 临界温度 平衡水分 恒速干燥，热气流
21、应满足的三个条件：适当高的干球温度；较低的相对湿度；较高的气流速度使气体膜厚度。影响干燥速度的因素：干燥机的特性干球温度、相对湿度、流速、表面换热系数等。食品特性湿度、表面积与体积的比值、成分（脂肪干得慢）、状态（带皮否、厚度等）。传热和传质的计算式：传热速率： )/)(SJAhQsas（(空气向湿沙布的传热速率)。热空气的平均湿球温度；热空气平均干球温度；有效干燥面积；传热系数)()()()/(22ccmAkmWhsas质量的变化 )/()(skgHHAKmasgc(沙布中水分向空气的传质速率) 。空气湿度；物料表面湿度；传质系数（(%)(%)/2asgHHsmkgK 在恒速干燥阶段（湿球处
22、的热量达平衡状态）：传热与传质速度平衡。因此： )(saccAhm湿球温度下的蒸发潜热（KJ/kg）。 平流干燥时： )/(43. 128 . 0kmwGhc)/(2smkgG单位面积空气流量穿流干燥时： )/(2 .24237. 0kmWGhc)/(2 .24237. 0kmWGhc平放于盘中干燥时，恒速干燥的干燥时间： )()()(shMMxtsacci。物料表面形成“干区”临界含水量（干基）；干基物料原始含水量；物料厚度；物料的密度)(%)()(%)()()/(3ciMMmxmkg喷雾干燥时，水分从球状液滴蒸发： )()1)(3)(12sMhMMrtisacfi。干基干燥后的含水量；液料
23、密度；液滴半径)(%)()/()(31fMmkgmr降速干燥时阶段的干燥时间 )()()(ln)()(sMMMMHHKMMteecasgec。干基含水量降速干燥到最终物料的的含水量了再干燥也不能降低物料；干基物料平衡含水量)(%)()(%)(MMeHs湿球温度下饱和水蒸气压力（Kpa）；Ha水蒸气分压（Kpa）。 热空气干燥机种类谷仓式、箱式、带式、流化床式、滚筒式、隧道式、喷雾式等。 2、蒸发浓缩 液料加热升温到沸点和蒸发所需要的热量（不计传热的热量损失）。传热速率： )/()(sJmcmmQvvfbpfss；传质速度蒸汽加热介质)/()(skgms。水的蒸发潜热；二次蒸汽传质速度；物料初始
24、温度；物料沸点温度；液料的比热；液料传质速度量；加热介质冷凝放出的热蒸汽冷凝潜热；)/()/()()()/()/(kgJskgmcQcQckgJcskgmmvvfbpfsss 真空浓缩影响液料蒸发速度的主要因素：真空浓缩影响液料蒸发速度的主要因素：加热蒸汽与液料间的温差浓缩，沸点，从而使温差逐渐；真空度通常使沸点降至4050（过低投资大）；传热面结垢情况与液料温差传热速度还能使成分发生变化；形成边界层，热阻液料粘度 （Re），传热速度。 工业上，通常将两个以上的真空浓缩设备串联使用，（真空度逐级略升高些，以保持液料与加热蒸汽的温差），可提高热效率。5 混合 其均匀性取决于：各成分相对粒度的大小
25、、相对密度、颗粒形状；混合机性能；各成分的结块性能、含水量、表面性能、流动性等。均匀性评价是取多个成品样品中某成分的均方差一、固态物料的混合一、固态物料的混合1)()(22nxxsnxxmx某成分的浓度；n样本数。 对混合机的评价混合程度当各成分的量相近时： 2202201optmMopt理想混合样品的标准均方差；0开始混合时样品的标准均方差。 )1 (110 xx当某成分的量很小时： optoptmMloglogloglog02optmM03 M1适用于各成分的量相近，混合质量要求不高时； M2适用于跟M1相反的情况； M3适用于固态跟液态混合。 混合时间可依下式确定： ktmoptoptm
26、ektM)()ln(22022即（适用于粉体的混合） M混合程度； k混合率常数（依混合性能和成分的性能 而定）； tm混合时间。 其中: ZDnDkt23 D搅拌器直径(m)； n搅拌器转速(r/s)； Dt混合器溶积直径(m)； Z液面高度(m)。 （指n种液体或少量固体与液体的混合） 二、液态物料的混合二、液态物料的混合混合机的能量消耗： mrneFRkP)()(0。弗罗德数；雷诺数；欧拉准数因数（由实验确定）；、gdnFFdnRRdNNPPmnkrrmmeem225300混合物的密度： 212211VVVVm两相液体密度。、两相液体体积；、2121VV混合物的粘度： )5 . 11(2
27、12211VVm6 6杀菌杀菌 含水量较高水分活度高微生物 （容易利用）1、热杀菌 （1）温度取决于： 微生物或酶的热阻、加热条件（湿加热、干加 热）、物料PH值、容器大小等；一般细菌细胞的死亡温度5060，与蛋白质凝固 的温度相近。（2）时间 t ln（被杀微生物数量） 根据加热温度，湿加热分： “巴氏杀菌”法：100的热水； 高温杀菌法：100，时间短（物料品质要好 些）（用于高酸性饮料）； 超高温杀菌法：150左右，数秒钟。 2、微波杀菌：f=30030万MHz电磁波，常用915MHz。3、紫外线杀菌：L=320400nm. L=275320nm L=180275nm ：250265 n
28、m为杀菌最强，一般用 254 nm。 主要使用参数： 照度和时间 因为紫外线穿透能力差，所以当： 空气中含800900个尘粒cm3，杀菌效果20 30%； 空气相对湿度从33%上升到56%时，杀菌效果下降 60%以上。 故常用于水和物料表面杀菌。4、超高压杀菌 压力：300700MPa；时间：几十秒几十分钟5、高压脉冲法 外电场强度=1530kV/cm7 7发酵与酶技术发酵与酶技术 一、发酵一、发酵在微生物作用下，复杂的有机物分在微生物作用下，复杂的有机物分 子变为简单的分子。子变为简单的分子。 影响发酵菌繁殖的因素： a：C（碳）、N（氮）以及其他营养成分的含量。 b：基质的PH值、温度、含
29、水量。 c：其他微生物的竞争等。批量式培养发酵菌细胞繁殖分三个阶段： （P70图69）减少（滞后区）呈对数增长恒定 在对数增长阶段：Cb=C0+tCb细胞浓度；C0原始细胞浓度；繁殖率（l/h）；t时间（h）。 在恒定阶段： Cb=y(S0-Sr) 即随基质浓度呈线形变化。 y得率因数；S0基质原始浓度；Sr残存基质浓度（/l）。繁殖率 )/(maxhlSKSrrs Ks基质利用常熟（mg/l）。 批量式微生物培养的生产率： )/(210maxhlgttCCPb2、连续式培养发酵菌：基质连续加入，微生物不断提 出，使繁殖处于对数增长阶段。 稀释率： D=F/V （1/h） F基质流速（l/h）； V发酵罐容积（l）。此时（稳态下）：1) 稳态细胞浓度： 残存基质浓度。稳态基质浓度；得率因数；ssyssyc00)(2) 基质平均浓度： )/(maxlmgdDkss 生产率： )/1 (43ttcDPc
