來源：現(xiàn)代食品工程公眾號(hào)（ID：PROCESS_Packaging），作者：聞亮亮。

通過工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化、生產(chǎn)過程參數(shù)調(diào)整等措施，最大限度降低初態(tài)粘度和平穩(wěn)粘度間的差異已經(jīng)成為酸奶加工工藝關(guān)鍵課題之一。本文通過對(duì)酸奶這種非牛頓流體的粘度研究，分析采集到的數(shù)據(jù)，獲得其流體特性介質(zhì)參數(shù)，根據(jù)該流體特性介質(zhì)參數(shù)優(yōu)化酸奶生產(chǎn)工藝，進(jìn)而提出降低初態(tài)粘度和平穩(wěn)粘度間差異的改進(jìn)方案。

攪拌型酸奶作為一種發(fā)酵乳制品，在完成破乳停止發(fā)酵后，變成一種具有一定粘稠度的液體，其粘度值隨著溫度、時(shí)間和剪切率的改變而改變，這種物質(zhì)在流變學(xué)中被定義為非牛頓流體。

流變學(xué)中指出不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，被定義為非牛頓流體，其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然中，食品工業(yè)中的酸奶就是一種典型的非牛頓流體。非牛頓流體的粘度，在特定溫度下，除了依賴于剪切速率外，它還依時(shí)間而變化。此時(shí)，粘度不僅是剪切值大小的函數(shù)，而且也是剪切作用時(shí)間長短的函數(shù)，因此酸奶粘度在特定溫度下是剪切率和時(shí)間兩個(gè)變量的函數(shù)，即：

非牛頓流體的初態(tài)粘度μ、穩(wěn)態(tài)粘度η、粘度損失率λ，以及剪切率γ 存在以下關(guān)系：

其中，Q為流量；D為管道直徑。

通過在線粘度數(shù)據(jù)采集，利用不同剪切率下的初態(tài)粘度曲線、粘度損失率曲線和穩(wěn)態(tài)粘度曲線，來確定上述非牛頓流體的介質(zhì)參數(shù)，并在設(shè)計(jì)改進(jìn)方案時(shí)利用這些介質(zhì)參數(shù)進(jìn)行模擬建模，進(jìn)而確定適合該流體酸奶的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)，為降低初態(tài)粘度和平穩(wěn)粘度間的差異提供客觀數(shù)據(jù)依據(jù)。

設(shè)備與方法

設(shè)備

采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是在線取樣設(shè)備和粘度測(cè)量設(shè)備，這里選用Rheomat 180粘度儀來連續(xù)獲得多個(gè)粘度值。為了確保在線酸奶取樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，特制作了恒壓取樣器，其作用就是保證在線取樣時(shí)，酸奶不會(huì)受到外力作用，造成取樣的酸奶在取樣過程中受到剪切作用，而產(chǎn)生粘度損失，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性和有效性。

數(shù)據(jù)采集前將清洗消毒過的恒壓取樣器安裝在產(chǎn)品管路中，如圖1所示，然后連接上無菌空氣，確保在采用過程中，產(chǎn)品管道的壓力與取樣器內(nèi)的壓力基本一致。當(dāng)酸奶在產(chǎn)品管道內(nèi)，輸送過程中，進(jìn)行恒壓取樣酸奶，用于粘度值的連續(xù)數(shù)據(jù)采集樣本。

圖1 初態(tài)黏度曲線

方法

非牛頓流體的粘度值隨著溫度、時(shí)間和剪切率的改變而改變。在不同溫度下測(cè)得的酸奶粘度損失包含了溫度本身對(duì)其粘度變化的影響，因此為了得到酸奶粘度對(duì)時(shí)間和剪切率這兩個(gè)變量的函數(shù)，在整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中，需要統(tǒng)一在一個(gè)特定溫度下，在同一溫度下的兩個(gè)酸奶粘度值進(jìn)行比較得出的粘度損失，才能用于非牛頓流體中的不同曲線方程。

本次酸奶研究進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的樣本是來源于一款原味酸奶。在這款原味酸奶的生產(chǎn)過程中進(jìn)行在線取得樣品后，使用Rheomat 180連續(xù)獲得多個(gè)粘度值。在20?℃的條件下對(duì)樣品測(cè)五次粘度，剪切率分別為15s-1、30s-1、64s-1、125s-1、250s-1，時(shí)間為1min，取樣點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況而定，此次取樣點(diǎn)為18個(gè)。以這些數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源建立相應(yīng)的曲線，可以得到相應(yīng)的曲線方程。根據(jù)不同的曲線方程，我們可以得到原味酸奶產(chǎn)品的介質(zhì)參數(shù)。見表1：

表1 酸奶產(chǎn)品介質(zhì)參數(shù)

根據(jù)不同剪切率下的初態(tài)粘度曲線（X軸：剪切率；Y軸：初態(tài)粘度），我們可以得到兩個(gè)介質(zhì)參數(shù)值：

同樣，根據(jù)不同剪切率下的粘度損失率曲線和穩(wěn)態(tài)粘度曲線，我們可以得到其余4個(gè)介質(zhì)參數(shù)值：

因此，此次取樣的原味酸奶存在以下流體特性：

• 初態(tài)粘度：μ=21.452γ -0.6675

• 粘度損失率：λ=0.0116γ -0.2148

• 穩(wěn)態(tài)粘度：η=25.854γ -0.8517

結(jié)果與分析

根據(jù)上述產(chǎn)品特性，我們可以模擬該原味酸奶在不同管徑管道和不同長短時(shí)間下的粘度損失情況。如表2所示，該原味酸奶的粘度特性對(duì)時(shí)間較為敏感，時(shí)間越長損失越大，對(duì)于該產(chǎn)品在現(xiàn)有工藝改進(jìn)上或是新廠建設(shè)方面，就需要考慮其時(shí)間因素，輸送時(shí)間的縮短，可以大大減少其生產(chǎn)過程中的粘度損失。

表2 酸奶黏度特征表

根據(jù)非牛頓流體的介質(zhì)特性參數(shù)，在進(jìn)行改進(jìn)工藝的設(shè)計(jì)時(shí)可以模擬該產(chǎn)品在管道中的粘度損失，從而選擇適合產(chǎn)品本身介質(zhì)特性參數(shù)的改進(jìn)方案。同樣，在新工廠建設(shè)初期，針對(duì)產(chǎn)品特性參數(shù)，通過模擬粘度損失率、管徑以及產(chǎn)品在管道中的輸送時(shí)間，進(jìn)而選擇出合適的工藝參數(shù)，可以減少產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的粘度損失。例如原味酸奶在測(cè)得初態(tài)粘度的基礎(chǔ)上，根據(jù)初態(tài)粘度曲線，確定管道中原味酸奶產(chǎn)品的剪切率，通過不同管徑和產(chǎn)品輸送速率和時(shí)間的對(duì)比，確定較優(yōu)的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。

在數(shù)據(jù)采集和分析過程中，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)品的介質(zhì)特性參數(shù)存在較大的差異，這也要求工程設(shè)計(jì)人員，在改進(jìn)生產(chǎn)工藝和新廠建設(shè)時(shí)，需要將相同特性參數(shù)的產(chǎn)品安排在一個(gè)車間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)，而將特性介質(zhì)參數(shù)差異較大的這些產(chǎn)品分到不同的生產(chǎn)加工區(qū)域里。