均质机

破碎脂肪球的技术原理

均质作为稳定脂肪乳液、防止因重力作用分层的手段，已成为一项行业内的标准工艺被普遍采用。该工艺由Gaulin在1899年发明，在法语里被描述为“保持液体组分稳定”。

图 7.3.0

均质的主要作用使脂肪球破碎成比原来小得多的脂肪微粒（图7.3.1），从而减少脂肪上浮，并能降低脂肪团聚或聚结的倾向。在工业化生产中，所有牛奶的均质都是通过机械方式使牛奶以极高的流速强行通过一个狭窄缝隙而实现的。

初始脂肪球的破碎通过紊流涡旋实现。均质将脂肪球平均直径从3.5μm打小至1μm以下，同时使脂肪/乳液的接触表面积扩大4至6倍。新形成的脂肪球不再完全被初始膜物质包裹，其表面覆盖着从乳液相中吸附的蛋白质混合物，其中以酪蛋白为主。

图7.3.1 均质使脂肪球破碎成比原来小得多的脂肪微粒

均质的影响

均质对牛奶的物理结构带来诸多有利影响：

• 脂肪球变小，减缓脂肪分层速度
• 色泽变白，更易引起食欲
• 脂肪氧化敏感性降低
• 风味更醇厚，口感更佳
• 发酵乳制品稳定性提升

然而，均质也存在一定局限性：

• 光敏性有所增强时，可能会产生“阳光味”（另见第9章《巴氏杀菌和延长货架期（ESL）乳制品》）。
• 由于凝乳质地过软且脱水困难，可能导致该类牛奶不太适用于半硬质或硬质奶酪的生产。

均质机

均质机是带有均质头的正向泵。当需要高效破碎脂肪球时，通常需采用均质机。

产品进入泵体后，由柱塞泵加压。产生的压力大小取决于均质头中碟片与均质座的间隙所产生的背压。该压力P1（图7.3.4）为均质压力，P2则为一级均质头的背压。

高压泵

图7.3.2中，柱塞泵由大功率电机（6）驱动，通过皮带（7）和皮带轮经齿轮箱（9）传动至曲轴箱（1）及连杆传动机构，该机构将电机的旋转运动转换为柱塞（2）的往复运动。

图7.3.2 均质机是带有均质头的大型高压泵

1. 曲轴箱
2. 柱塞
3. 泵体
4. 一级均质头
5. 二级均质头
6. 主驱动电机
7. V型皮带传动装置
8. 液压设置系统
9. 齿轮箱

柱塞泵属于容积泵，只能通过调节电机转速或更改皮带轮尺寸来调整其流量。为实现更高压力，需安装直径更小的柱塞。由于每种机型的曲轴转速均有上限，此举将降低设备的最大流量。较大流量的机型通常具备更长的行程和/或更多数量的柱塞，且这些柱塞往往采用更大直径。

高压泵体（3）通常配置三至五个柱塞（2），柱塞在高压泵体的缸套中往复运动。这些由高强度耐抗材料制成。机器配备双柱塞密封件。向两密封件之间的空腔供水，以便润滑柱塞。当均质机置于杀菌段下游，作为无菌均质机使用时，也可采用高温冷凝水和蒸汽的混合物作为无菌屏障，以防止二次污染。

柱塞泵必然会产生脉动流。液体的加速和减速会在吸入管路内产生脉动压力。为防止泵内发生空穴作用，吸入管路始终装有减震管以抑制脉动。出口侧的脉动可能会引发振动与噪声，因此出口管路同样配备有减震管。

作为容积泵，柱塞泵不得与其他容积泵串联运行（除非设有旁路），否则将导致压力剧烈波动和设备受损。若高压泵下游可能出现断流，则必须安装能在管路破裂前开启的安全装置。

均质头

图7.3.3展示了均质头的结构。柱塞泵将牛奶压力从入口处约0.3兆帕（3巴）提升至所需的均质压力，该压力值取决于产品的预设保质期，通常在10-25兆帕（100-250巴）范围内，但也可能更低或更高。采用多柱塞泵可确保一级均质头前的压力（即均质压力）保持稳定。加在液压杆上的油压与均质头上的均质压力相互平衡。液压单元可分别为一级和二级均质头设定压力。均质压力通过调节油压进行设定，实际值可通过压力表读取。

图7.3.3 均质头

均质头内部所有部件均经过精密研磨。其均质座采用特定角度设计，使产品能够以受控方式加速，从而减轻可能发生的快速磨损。

牛奶在高压作用下被泵入均质座和均质头碟片之间的间隙，间隙宽度约为0.1毫米，相当于均质牛奶中脂肪球尺寸的100倍。液体流经该环形狭缝的速度通常为100-400米/秒，均质压力越高，速度越快。

均质过程在10-15微秒内完成。在此期间，柱塞泵输送的全部压力能均转化为动能。部分能量在通过均质头后重新转化为压力，其余能量则以热能形式释放。装置内每产生4兆帕（40巴）的压降就会使温度升高1℃。用于均质的能量不足1%。尽管如此，高压均质仍是当前效率最高的均质方法。

单级与两级均质

图7.3.4 二级均质

均质机上可安装一个或两个串联的均质头，相应称为单级均质和两级均质。两级均质系统如图7.3.4所示。

实际的均质始终发生在第一级，这意味着均质效率由一级的压降幅度决定。二级均质有两个基本目的：

• 为一级均质提供稳定可控的背压，抑制空穴作用，创造最佳均质条件
• 破碎那些均质后形成的脂肪团聚

在单级均质中，背压（P2）由后端设备产生。在两级均质中，背压（P2）由二级均质头产生。此种情况下，可通过选择背压值来实现最佳均质效率。使用高效均质头时，当P2等于3兆帕（30巴）时可获得最佳效果，因为该条件既能充分抑制空穴作用，又能保持较大压降。二级均质还可降低出口管路的噪声和振动。

单级均质可用于脂肪含量高、黏度要求高（需要形成特定脂肪团聚）的产品。

破碎理论

多年来，学界提出了多种关于高压均质机制的理论，包括湍流、空穴、剪切及撞击等。对于像牛奶这样的低黏度水包油型分散体系，其液滴直径大多在1μm（10-6m）左右，目前唯一被广泛认可的均质机制是湍流理论。

湍流破碎脂肪球的理论依据是：均质头的出口腔室中会形成高速湍流射流（见图7.3.5）。当射流减速时，它会被分解，能量转化为涡旋（学术文献中称为湍流动能耗散率）。这些涡旋与液滴相互作用，拉扯并拉长液滴，最终导致液滴破碎。

图7.3.5 均质头中的流速分布与脂肪球破碎的视觉效果

均质效率

均质效率是衡量脂肪球变小程度的指标，可指示该产品在其保质期内的稳定性。产品在不发生明显分层的前提下可存放的时长，通常被称为乳脂稳定性。

根据斯托克斯定律，脂肪球上浮速度由下式决定：
v = 上浮速度
g = 重力加速度 
d = 脂肪球大小（直径）
ρ_c =液体密度（连续相）
ρ_d = 脂肪球密度（分散相）
η = 液体黏度（连续相）

式中：

Formula 7.3.1

由公式可知，减小粒径是降低上浮速度的有效方法。因此，减小乳品中脂肪球尺寸可直接降低脂肪球上浮速度。

影响均质效率的因素

均质是一个耗能过程，因此必须避免均质不足或过度均质，并注意为不同产品设定正确的均质条件。要做到这一点，重点不应放在均质压力上，而应聚焦于产品所需的稳定性。保质期10天的产品不必和保质期6个月的产品达到相同的脂肪球粒径和乳脂稳定性。结合产品和均质机的特性，可计算出最优均质压力值。影响均质效率与乳脂稳定性的参数包括：

• 均质压力 提高均质压力（即一级压降）可提升均质效率。均质头的窄缝间隙减小，流速增加，促使均质机出口腔室内形成更高效的射流。
• 二级压力 为实现最高效的均质，需抑制空穴作用。通过提高二级压力可实现这一目标。需注意的是，过高的二级压力会“偷走”一级均质本可利用的部分压降，从而对均质效率产生负面影响。
• 均质头设计与规格  均质头的间隙长度、直径以及入口和出口角度等参数均会影响均质效率。
• 流量  流量增大会导致窄缝的间隙变大，从而降低均质效率。
• 均质温度 要实现有效的脂肪球均质，必须确保脂肪处于液态。在脂肪部分处于固态（即40℃以下）的温度下处理，会导致脂肪相分散不均。通常使用的均质温度为55-80℃。提高均质温度可降低牛奶的黏度，增强脂肪球在湍流中的变形能力，并促进膜物质的转运。
• 脂肪含量及其他产品特性（如黏度与密度）脂肪含量高的产品更难均质，且更易出现复聚现象，因为与脂肪含量相比，膜物质（酪蛋白）的浓度较低。通常，脂肪含量高于20%的奶油不进行高压均质，因为膜物质不足会形成脂肪团聚。
• 前处理 若在巴氏杀菌机和超高温灭菌设备中都对牛奶进行均质，将会影响均质效果。

分析方法

用于测定均质效率的分析方法可分为两类：

乳脂上浮速率的研究

确定乳脂上浮速度的直接方法是取一包产品，在推荐贮存温度下贮存到食用截止日期，开封后检验其奶油层厚度是否在可接受范围内。

USPH方法即以此为基础。例如，将1000毫升样品贮存48小时后，分别检测顶部100毫升与剩余部分的脂肪含量。对于巴氏杀菌奶，若顶部脂肪含量与底部脂肪含量的比值小于0.9，则认为均质效果达标。但该方法不适用于保质期更长的超高温灭菌奶。

NIZO法基于相同原理，但使用这种方法时，25毫升的样品要在350g离心力、40℃和250毫米半径条件下离心30分钟。取底部20毫升测其脂肪含量，除以整个样品的脂肪含量，然后将该比值乘以100，所得指数即为NIZO值。巴氏杀菌奶的NIZO值通常为60-70%。

基于激光衍射的粒径分布分析

借助激光衍射仪（图7.3.7），将激光束穿过盛有样品的比色皿，能够精确测定样品中颗粒或液滴的粒径分布。光线会因样品中颗粒的尺寸、折射率和数量而发生散射与吸收。

图7.3.7 通过激光衍射进行颗粒分析的工作原理

检测奶样时需添加蛋白溶解液，此举旨在聚焦脂肪球的破碎效果，这也是均质的目的。结果以粒径分布曲线呈现。体积（脂肪）百分比是粒径（脂肪球大小）的函数。不同保质期牛奶的三种典型粒径分布曲线如图7.3.6所示。脂肪球粒径越小，乳脂上浮速度越慢。因此，为延长保质期，可在不同压力下对牛奶进行均质，以推动粒径分布向小粒径方向移动。

图7.3.6 未均质牛奶与均质牛奶的粒径分布

可从粒径分布中提取不同均值（如体积平均值D [4,3]），用于对比不同的均质条件。激光衍射法与上述NIZO法相关，相关成果已发表于科学文献中。

加工生产线上的均质机

在加工生产线中的位置

分体式均质

无菌均质机的运行成本较高。在某些情况下，仅把二级均质头置于下游段即可满足要求。此种配置称为分体式均质。

需注意，均质机中一级均质头与二级均质头之间的整个区段（包括热交换器）必须能承受高于3 兆帕（30巴）的压力（即二级均质压力）。

全均质

全均质，或整体均质，是超高温灭菌奶和发酵乳制品生产中最常用的均质形式。

在均质前，需对牛奶进行脂肪含量标准化，在某些情况下，如酸奶生产中，还需完成非脂乳固体含量的标准化。

部分均质

部分均质是指仅对奶油及少量脱脂牛奶进行均质处理，而不对脱脂牛奶主体部分进行均质。这种均质形式主要应用于巴氏杀菌奶市场，其根本原因是为了降低运营成本和能耗。此外，由于可采用较小的均质机，投资成本也相应降低。因处理流量减小，总功耗可降低约70%。

当产品中每克脂肪至少含有0.2克酪蛋白时，就能达到足够好的均质效果，因此建议奶油的最高脂肪含量不超过18%。用于部分均质的均质机每小时的处理能力可参照以下示例。

图7.3.8 部分均质处理的产品流程图

1. 板式热交换器
2. 分离机
3. 标准化设备
4. 均质机

计算公式如下：

Formula 7.3.2

巴氏杀菌标准化牛奶的每小时产量Q_sm约为9840升。代入公式2计算可得，均质机的每小时处理能力约为1915升，即约占设备输出能力的五分之一。牛奶部分均质的流程图如图7.3.8所示。

能量消耗及对温度的影响

均质过程所需电能输入用以下公式表示：

Formula 7.3.3

效率系数为典型值。根据上述供料能力与压力参数，可计算出电能需求为68kW。其中55kW用于泵送并在均质头中转化为热量，剩余13kW作为热量释放到冷却水和空气中。如前所述，部分压力能会作为热量释放。已知进料温度为T_in、均质压力为P₁、均质后压力为P_out，且每4兆帕（40巴）压降会使温度升高1℃，则以下公式适用：

Formula 7.3.4