豆浆机刀具结构及其力学效应对豆浆品质的影响

王 观，赵莉君，熊善柏，李前荣，吴明川，赵思明,*

(1.华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070；2.广东美的精品电器制造有限公司，广东 佛山 528311)

豆浆机刀具结构及其力学效应对豆浆品质的影响

王 观1，赵莉君1，熊善柏1，李前荣2，吴明川2，赵思明1,*

(1.华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070；2.广东美的精品电器制造有限公司，广东 佛山 528311)

以大豆为原料制作豆浆，研究刀具结构及豆浆制作过程中的力学效应对豆浆品质的影响。结果表明：刀具倾角α较大时，其打击力较大，切向力较小，制作豆浆时，豆渣率小，豆渣的粒度、硬度小，从而导致豆浆中更多营养物质混入到豆渣中，使得豆浆中蛋白质、游离氨基酸、总糖、脂肪含量少，黏度大；轴向力较大时，其对物料的搅拌更均匀，温度分布的均匀性较好。根据相关性分析，刀具直径与豆渣硬度呈显著性相关，刀齿轴向角度与固形物含量、黏度、蛋白质含量、总糖含量等也呈显著性相关。

豆浆机；豆浆品质；刀具结构；力学效应

传统豆浆一般是大豆经过浸泡、打浆、煮沸、过滤等工艺制成的食品[1]，含有丰富的优质蛋白[2]，对人体有很多保健作用[3]，而打浆、加热等工艺参数对豆浆的品质有很大影响[4-5]。现代豆浆机可采用干法打浆，在打浆过程中大豆硬度相对较大，但具有一定的脆性，在制作豆浆时为了使大豆中的营养成分充分溶出[6]，常利用特殊结构的刀具在高速旋转条件下将大豆在短时间内迅速打碎。刀具的结构、击打的速度、着力点和击打方式对其打碎的程度和豆浆的品质有较大关系。目前国内外对于豆浆机中刀具的系统研究很少。

本实验通过对豆浆机刀具结构进行分析，研究刀具结构及其所产生的力学效应与豆浆品质的关系，旨在为豆浆机的设计和豆浆制作工艺的优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

黄豆，黑龙江巨丰2号，购于湖北富悦农业开发有限公司。

pp131豆浆机(实验室改造，可进行加热功率和转速的调节) 广州美的生活电器制造有限公司；游标卡尺(量程0～300mm，精度0.01mm) 桂林量具刃具厂；TA-XT2 Plus质构分析仪 英国Micro Stable Systerms公司；乌式黏度计 浙江椒江市玻璃仪器厂；MD2032B电能量测量仪 青岛仪迪电子有限公司。

1.2 制备豆浆样品的工艺流程

原料选择→清洗→豆浆机内煮豆、打浆、煮浆→滤网过滤→煮豆浆→冷却→品质分析

工艺说明：选择无虫、无霉变、颗粒饱满的大豆为原料，用清水洗3遍，以豆水比1:17(m/V)于豆浆机内煮豆、打浆、煮浆，总制作时间为3 0min。

搅打说明：0～10min：每加热3min停一次，每次5s；每6min搅打一次，搅打15s。10～17min：每加热15s，停5s(加热时不搅打)；每80s搅打一次，每次20s。17～30min 每加热15s，停5s。从10min起温度均保持在95℃左右。

1.3 刀具的结构尺寸

刀具的结构示意图如图1所示，其中刀具最大宽度B1=12.8mm，最小宽度B2=5mm，刀齿个数n=5，刀齿面长度L=6.3mm，刀齿面宽度B3=2.16mm。其他参数见表1。

图1 刀具图Fig.1 Blender structure

表1 不同刀具的结构参数Table 1 Structural parameters of different blenders

1.4 刀具运动过程中的流场和力学效应分析

1.4.1 涡流截面参数的获取

在固定的电压下，采用改装后的豆浆机，让刀具在清水中旋转运动，用照相机拍照[7]，然后测量刀具在清水中形成的涡流截面参数。

1.4.2 刀具的力学效应分析

根据刀具的结构尺寸以及其运动情况对其受力进行分析[8]，采用如下计算公式[9]。

式中：P为搅拌功率/W；Np为功率准数；z为叶片个数(2个)；N为旋转转速(8000r/min)；D为刀具直径/m；R为刀具半径/m；ρ为流体密度/(kg/m3)；ξ=f(B1、B2、H、n、L、B3、β、γ)，ξ为刀具结构参数的函数。

1.5 理化指标的测定

豆渣粒度分布的测定：将过滤得到的豆渣在105℃烘干，然后进行连续过筛，过筛目数依次为20、40、60、80目，然后在分析天平上分别称量，用x%表示各目数条件下质量占总质量的比例。

豆渣的平均粒径按式(5)计算。

豆渣率按式(6)计算。

式中：x1为过筛目数＜20目；x2为过筛目数20～40目；x3为过筛目数40～60目；x4为过筛目数60～80目；x5为过筛目数＞80目。m豆渣为过滤后豆渣的干质量；m豆为制作前大豆干质量；m水为加水的质量。

豆渣硬度的测定：采用一次压缩模式，探头为P/6，由质构特征曲线可得到硬度为：压缩厚度为10mm时所达到的力，即第一个峰值对应的力F。豆浆固形物含量(以干基质量计)测定采用105℃干燥质量恒定法[10]；蛋白质含量(以干基质量计)测定采用凯氏定氮法[11]；游离氨基酸含量(以干基质量计)测定采用茚三酮法[10]；总糖含量(以干基质量计)测定采用酸水解法[10]；总膳食纤维含量(以干基质量计)测定参照GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》；粗脂肪含量(以干基质量计)测定采用索氏抽提法[10]；游离脂肪酸含量(以干基质量计)测定参照GB/T 5530—2005《动植物油脂 酸价和酸度测定》；豆浆密度测定参照GB/T 5009.2—2003《食品的相对密度的测定》；豆浆黏度测定采用内径为0.8～0.9的乌式黏度计测定，计算公式为：运动黏度η=t×黏度系数；温度测定采用多通道温度记录仪；能耗测定采用电能量测量仪。

1.6 数据处理

1.6.1 温度数据处理

选取3个温度点，温度1、温度2、温度3分别为物料的顶部、紧贴加热管的部位、物料的底部。温度偏差ΔT表示为：

式中：n为采样个数；xi1、xi2、xi3分别表示第i次采样时温度1、温度2、温度3各点的温度；x表示温度1、温度2、温度3的平均温度。

第三是要求能够建立起完整的管理会计信息安全系统与制度。信息安全是大数据时代中的重要话题，对于管理会计工作而言同样如此。

1.6.2 理化指标数据处理

采用Excel 2003、SAS 8.1(美国北卡罗来纳州SAS软件研究所)对刀具的结构参数和豆渣的理化特性、豆浆的营养成分进行处理和相关性分析[12]。本实验重复次数均为3次。

2 结果与分析

2.1 刀具的受力及流场分析

图2 流体运动的流场截面图Fig.2 Section of fluid motion

图2a为刀具在清水中旋转形成的涡流图，图2b的D表示所示涡流横截面的直径，h1表示液面凹陷的深度，h3表示整个涡流的高度，h4表示涡流底部距容器底部的距离。各参数见表2。

如图3所示，由于刀具具有倾角结构，因此在高速转动时，刀具产生切向力的同时还会产生轴向力，对原料在流场中的受力情况进行分析，以Fq表示原料所受到的切向力，以Fz表示原料所受到的轴向力，以Fd表示原料所受到的打击力，如图4所示。

图3 刀具受力分析Fig.3 Force analysis of blender

图4 物料在流场中的受力分析Fig.4 Force analysis of material in the flow

由表2可以看出，刀具2在流场中形成的涡流横截面面积最大，这是由于刀具2的直径最大、切向力较大，则其在流场中形成的涡流横截面面积较大；刀具1和4的直径较小，切向力也较小，在流场中形成的涡流横截面面积也较小。

表2 流场截面数据分析表Table 2 Data of flow section analysis

2.2 刀具对豆渣的影响

图5 不同刀具制作的豆渣指标Fig.5 Effect of different blenders on physiochemical properties of soybean residue

图5是用4种不同刀具制作豆浆产生的豆渣，豆渣粒度反映的是刀具对大豆的破碎能力，豆渣硬度反映的是豆渣的蓬松程度以及水溶性物质能否较容易的溶出。由图5c可知，刀具1的豆渣率最小，其次依次为刀具4、2、3，主要是因为刀具1的倾角最大，与大豆接触的打击面最大，并且在一次转动中有两次被打击的过程，大豆被破碎的程度最大，导致豆渣率最少。由图5a、5b可知，4种不同刀具制作豆浆获得的豆渣粒度大部分集中在20～80目之间。其中以刀具1和2打浆后的豆渣粒径较小，刀具3打浆后的豆渣粒径最大，硬度也最大，这同样是由于刀具1和2对大豆的打击力较大，大豆被破碎的程度较大的原因[14]，而刀具3由于倾角方向相反，导致一次转动只能打击一次，大豆被破碎的程度较小，所以豆渣粒径较大，豆渣率较大。图5e是不同刀具制作的豆渣的含水量，可以看出刀具3豆渣中含水量最低，那是因为其豆渣粒径最大、硬度最高，颗粒结构较致密，比表面积较小，使得豆渣的持水能力最弱，导致其含水量最低，而其他3种刀具的豆渣粒径较小，硬度也较小，比表面积较大，导致其持水能力较强，所以豆渣的含水量较高[15]。

2.3 刀具对豆浆品质的影响

由图6可以看出，刀具1和2制作的豆浆中固形物含量、脂肪、总膳食纤维含量、黏度较大。这是因为脂肪和总膳食纤维大部分存在于豆皮中，刀具1对大豆的打击力较大，破碎能力较强，所以其脂肪和总膳食纤维含量较高；黏度主要是和物料的粒径有关，打击力大时，豆渣粒径最细，润胀充分，分子链伸展充分，黏度较大；同时豆渣粒径最细且蓬松，其溶出的营养物质最多，所以固形物含量较高。而用刀具1制作的豆浆中的蛋白质、游离氨基酸、总糖、游离脂肪酸等含量较低，可能是由于其豆渣较细，使豆浆中的一部分可溶性物质混入到了豆渣中，导致豆浆中蛋白质、游离氨基酸、总糖、游离脂肪酸的含量减少。而刀具3的豆渣较硬，含水量较低，使得较少的可溶性物质混入豆渣中，所以相反其制作的豆浆蛋白质、游离氨基酸、总糖、游离脂肪酸的含量较高。刀具4所制作的豆浆其各营养成分均较高。对于不同刀具制作的豆浆的密度都在0.99g/mL附近。

2.4 刀具对温度均匀性的影响

表3 不同刀具制作豆浆时温度均匀性及能耗Table 3 Effect of different blenders on temperature uniformity and power consumption

由表3可见，刀具3在制作过程中，温度偏差要小于其他3种刀具，主要是因为其有上下两个方向的轴向力，使其在制作过程中搅拌均匀，导致其温度分布较其他3个刀具分布均匀。4种不同刀具的能耗均在0.18～0.19kW·h之间，没有显著性差异。

2.5 相关性分析

根据前面的实验结果对4种刀具结构参数和其理化指标进行相关性分析，结果见表4。刀具直径与豆渣硬度有极显著的正相关性，随着直径的增大，豆渣硬度变大。刀具倾角α1与豆渣的硬度、豆浆的蛋白质含量、游离氨基酸含量、脂肪含量呈负相关，随着倾角的变大，其豆渣的硬度、豆浆蛋白质、游离氨基酸、脂肪含量变小。固形物含量和黏度与刀具角β呈显著性正相关，随着刀齿角度的变小，其固形物含量和黏度也变小。蛋白质含量、总糖含量与刀具角β呈显著性正相关，随着刀齿轴向倾角的变大，其蛋白质、总糖含量增加。

表4 刀具结构参数和豆浆理化指标相关性分析Table 4 Correlation analysis between blender structural parameters and soybean milk physio-chemical properties

3 结 论

刀具结构对豆浆的品质有较大影响。刀具倾角α较大时，其打击力较大，切向力较大，制作豆浆时，豆渣率小，豆渣的粒度、硬度小，导致了豆浆中的营养物质混入到了豆渣中，使得豆浆中蛋白质、游离氨基酸、总糖、脂肪、游离脂肪酸含量少，黏度小。刀齿轴向倾角β与固形物含量、黏度呈显著性正相关，与蛋白质含量、总糖含量呈显著性负相关。轴向力较大时，其对物料的搅拌更均匀，温度分布的均匀性较好。

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Effects of Blender Structure and Its Force of Soybean Milk Machine on Soybean Milk Quality

WANG Guan1，ZHAO Li-jun1，XIONG Shan-bai1，LI Qian-rong2，WU Ming-chuan2，ZHAO Si-ming1,*
(1. College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China；
2. Midea Premier Appliance Co. Ltd., Foshan 528311, China)

A commercial soybean milk machine with laboratory modifications for adjustable heating power and rotation speed was used to investigate the effects of blender structure and its force on soybean milk quality. The results showed that larger angle of blender elevation α provided larger strike force and smaller tangential force, and smaller soybean residue rate and smaller granule size and harness of soybean residue were obtained, which could cause the transfer of more nutrients from soybean milk to residue, the reduction in the contents of protein, free amino acids, total sugars and fat, and the increase in viscosity. Larger axial force resulted in more homogenous stirring of materials and more even temperature distribution. Furthermore, cutter diameter showed a significant correlation with the hardness of soybean residue, and the axial angle of cutter tooth was also significantly correlated with solid content, viscosity, protein content and total sugar content.

soybean milk machine；soybean milk quality；blender structure；force effect

TS214.2

A

1002-6630(2011)07-0162-06

2010-06-30

广东美的精品电器制造有限公司项目(720107-097068)

王观(1984—)，女，博士研究生，研究方向为食品科学。E-mail：littleguanguan92@yahoo.com.cn

*通信作者：赵思明(1963—)，女，教授，博士，研究方向为食品大分子结构及功能特性。

E-mail：zsmjx@mail.hzau.edu.cn