奶粉的流變學研究

如今商品化社會競爭日益激烈，在利益驅使下，奶粉安全事件的頻繁發生，對奶粉的選擇尤為的謹慎；奶粉中一定的水分含量可保持食品品質，大大延長食品的保質期。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定Warren Spring內聚強度和奶粉粉壁摩擦角的方法。測量采用Anton Paar模塊化緊湊型流變儀進行。

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挑戰。

由于奶粉具有黏性，當奶粉從噴霧干燥塔或容器中排除時，常常會出現問題，出現不希望出現的拱橋效應或鼠洞。黏性對于終的干燥步驟也是至關重要的，因為它會影響流動性，從而影響奶粉粉體流化態所需的能量。

Anton Paar的粉體流化單元能夠進行不同的測量，適用于質量控制和研究，用以預測上述問題。

樣品

本文選擇了兩個奶粉樣品，分別是商用嬰兒配方奶粉和商用脫脂奶粉，如圖1

測量系統

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量玻璃為涂有氧化銦錫的硼硅酸鹽玻璃。

Warren Spring內聚強度測量

圖3：Schematic view of the Warren Spring measuring geometry

用Warren Spring內聚強度來表征流化特性，即黏接的粉體開始流動的點 。樣品制備通過透氣活塞進行， 這確保了此方法的重現性。活塞采用規定的法向應力（這里為9kPa）壓縮粉體樣品。如圖3

壁摩擦角測量

圖4：法向力和剪切應力關系曲線中計算壁摩擦角

壁摩擦角φ的測定是用一個裝有圓盤形附件（直徑49mm）的測量系統來完成的。使用不銹鋼和涂有聚四氟乙烯（PTFE，Teflon）的附件進行測量。分別用3、6和9kPa的法向力對樣品進行壓縮，并用0.05rpm的恒定轉速測量每個法向力下對應樣品的剪切應力。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，可以預測兩種不同的流動模型

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，因為它造成了首先進去的料后被排出來。因此，不同批次的粉體混合不均勻。

質量流：粉體樣品均勻排出。這是理想的粉體流動模型。

宏觀樣本評價

目視評估兩個粉體樣品，能夠看出明顯的差異：嬰兒配方奶粉似乎比脫脂奶粉更細，更容易自由流動，而脫脂奶粉的內聚強度更大，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）對樣品外觀的影響。

Warren Spring內聚強度

圖5：9 kPa 的固結應力下，脫脂奶粉和嬰兒奶粉Warren Spring內聚強度

圖5為Warren Spring內聚強度的測量結果。剪切前用9kPa壓縮樣品嬰兒配方奶粉的Warren Spring內聚強度平均值為5.72±0.24Pa，脫脂奶粉的Warren Spring內聚強度平均值為2.24±0.05Pa.嬰兒配方奶粉的內聚強度遠高于脫脂奶粉，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量系統測量嬰兒奶粉和脫脂奶粉的壁摩擦角

圖6顯示了壁摩擦角測量的結果。結果為法向力為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量系統。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。總的來說，根據圖6所示的結果，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成分不同造成的，此次測量使用的不銹鋼表面測量系統的表面粗糙度為2.26μm，而PTFE是一種大多數物質不會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，測得的壁摩擦角和漏斗角可用于預測給定粉體的質量流和核心流。

圖7：質量流/核心流的壁摩擦角和漏斗角示意圖

結論

Anton Paar的粉體流化單元能夠對奶粉的特性進行不同的流變測量。Warren Spring內聚強度可以作為粉體流動性能的一種判斷方法，因而可以用于粉體的質量控制。壁摩擦角可根據不同材料來確定。在這里，我們發現嬰兒配方奶粉比脫脂奶粉具有更大的內聚強度，因此更難流動。這可能會影響一些干燥步驟和/或氣動輸送能力的計算。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。此篇文章的研究結果可用于優化奶粉生產的生產工藝、運輸和存儲工藝。