UHT 技术知识点介绍系列五: 配套均质机

在上一期中我们详细介绍了 UHT 系统巴氏灭菌和超高温灭菌的相关知识点。在这一期的内容中，我们将详细介绍 UHT 配套均质机的相关内容，并解答如何在 UHT 系统中选择配套的均质机。

均质机

2.1 均质机的定义

均质机是一种实验室或工业设备，用于分解和均匀分布液体混合物中的颗粒，形成稳定均匀的乳液、悬浮液或溶液。

均质化是许多领域的关键过程，包括食品和饮料生产、制药、生物技术和材料科学。它用于处理组织、细胞、土壤、植物等物质，以及奶油、乳液或牛奶等乳化产品。

2.2 均质机的工作原理

许多年来，出现了许多关于高压均质的理论，对于像牛乳这样的水包油乳液，连续相中大多数的液滴直径小于 1 μm ，只有两种理论仍然成立。它们都对不同参数对均质效果的影响进行了很好的解释。

湍流涡流（“微旋涡”）引起脂肪球破裂的理论是基于这样一个事实，即高速运动的液流中产生大量的小旋涡。速度愈高，产生的漩涡越多微旋涡撞击到同等大小的油滴，油滴就会破裂。这个理论预示着均质效果如何随着均质压力而变化。这种关系在许多研究中已经得到证实。

空穴理论，从另一方面表明：当蒸汽爆裂时产生冲击波，从而分裂脂肪球，根据这个理论，均质是在液体离开缝隙时产生的。所以，在均质时能够产生空穴的背压是非常重要的。这也已在实践中得到证明。然而，没有空穴，也能均质，只是均质效率会降低。

2.3 均质机加工关键参数

在均质时，脂肪相的物理状态和浓度影响到脂肪球的大小及其随后的分散，对冷牛乳均质是无效的。因为冷牛乳中脂肪是固化的。在乳脂肪凝固点（30-35℃）的分界温度下加工会使脂肪不能完全分散。只有当脂肪相呈液体状态且像正常牛乳的浓度时，均质才是最有效的。均质温度通常采用 55-80℃，均质压力通常介于 10-25 Mpa( 100~250 bar )之间，其大小决定于产品种类。

2.4 均质机效率

均质的目的随着应用的不同而改变，同样地，测量均质效率的方法也随之改变。均质的主要目的是防止脂肪粒子上浮。根据斯托克斯定律，粒子的上升速度可表示为：

其中：V = 速度；g = 重力加速度；P = 粒子尺寸；

这样就可以看出，减小粒子的直径是减小上乳速度的有效方法。这样，减小牛乳中脂肪球的尺寸就可以减小稀奶油上浮的速度。

通过分析得到如下的粒径分布图：

上图中，结果表示为粒径分布曲线，脂肪的百分比被作为是粒子（脂肪球大小）的函数。牛乳三种典型的粒径分布曲线所示，注意，当使用较高的均质压力时，曲线向左漂移。

2.5 一级和二级均质

均质机上可以安装一个均质装置或安装两个串联的均质装置，因此得名一级均质和二级均质。

均质的主要是发生在第一级，但第二级也很重要，有两个基本目的:

● 为第一级提供一个恒定的、可控制的背压，给均质提供一个最好的条件。

● 打散均质之后形成的脂肪球簇

在一级均质中，全压降作用于一个均质装置上，在二级均质中，总压在第一级之前测定为 P1，第二级之前测定为 P2，选择二级均质通常是要达到最佳的均质效率。当 P2/P1 为 0.2 时，可以获得最好的效果。举例常温纯牛奶均质压力的组合：总压 P1 为 250 bar，二级压力 P2 不得超过 50 bar。如果总压P1 为 220 bar，二级压力 P2 为 50 bar，那么 P2/P1 = 0.227 则高于 0.2，则均质效果不好。

2.6 前均质机与后均质

通常均质机被设置在上游区段，也就是说，放在热交换器最终加热的前面。比较典型的，在绝大多数用于生产鲜乳的巴氏杀菌线中，均质机被放在第一段热回收之后。

在 UHT 乳生产中，均质机通常在间接加热系统中处于灭菌段前上游区段-即为前均质，而在直接加热系统则在灭菌段后的下游区-即为后均质，也就是说，放在 UHT 处理之后的无菌一侧。这样均质机要求无菌设计，要带有无菌柱塞密封、包装、无菌冷凝器和特殊的无菌挡板。

然而，对于间接式 UHT 系统，当脂肪含量高于 6-10 %， 或增加了蛋白质含量的乳制品需要进行加工时，也要求将均质机放在下游区，原因是随着脂肪含量和蛋白质含量的增加，在高温处理下的脂肪成簇或是（蛋白）聚集也加剧。这些球簇团块由位于下游区的无菌均质机将其打散。

2.7 均质机的功能

均质给牛乳的物理性质带来很多的优点：

● 脂肪球变小不会导致形成奶油层。

● 颜色更白，更易引起食欲。

● 更强的整体风味，更好的口感。

● 发酵乳制品具更佳稳定性。

然而均质也有一定的缺点：

● 均质乳不能再被有效地分离。

● 多少增加了一些对光线、日光和荧光灯的敏感性，可以导致“日照味”

● 降低了热稳定性，特别是经一级均质高脂肪含量和有其它影响脂肪结团因素存在的情况下。

● 该牛乳不能用于生产半硬或硬质干酪，因为凝块很软，以致难于脱水。

综上所述在 UHT 系统中选择配套的均质机，需要综合考虑匹配 UHT 产品的处理流量，产品所需的均质压力（包含一级和二级压力），均质温度，以及前均质和后均质的布局。对于后均质工艺来说，需要额外考虑均质机的无菌水循环系统，已确保产品的无菌效果。

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