干法工藝中全營養特醫食品混合均勻度的影響因素

王溢 ，黃小暉，曾小飛，黃可意，胡品，夏紹北

1. 美廬生物科技股份有限公司技術研發中心（九江 332005）；2. 九江市特醫食品工程技術研究中心（九江 332000）

特殊醫學用途配方食品（簡稱特醫食品，FSMP）是經專門加工、滿足病人特殊營養需要的一類特殊膳食用食品。據統計表明，歐洲醫院病人營養不良率20%～60%，而中國醫院病人的營養不良率35%～65%[1]。2017年國務院辦公廳發布的《國民營養計劃（2017—2030）》中明確指出：開展臨床營養行動以來，特醫食品越來越受到重視。

GB 29922《食品安全國家標準 特殊醫學用途配方食品通則》[2]中對全營養配方食品要求含蛋白、脂肪、碳水化合物等宏觀營養素之外，其微量營養素必須含有25種維生素及礦物質，另加上可選擇性添加的營養成分10余種，其產品微量的營養素達幾十種之多。要在一個產品中強化各種毫克及微克數量級的營養強化劑并將其混合均勻并非易事。干法工藝在嬰幼兒配方奶粉產業積累較為成熟的經驗，但尚缺少該類食品生產中所涉的設備工藝及物料特性對混合均勻度影響的系統性研究，使得該類產品生產大多停留在經驗層面。另鑒于全營養特醫食品與嬰幼兒配方奶粉在蛋白質、碳水化合物、脂肪等宏觀營養素的原料來源上有差異，供能比亦不同，因此，需要進一步根據不同的物料特性選擇合適的混合方式及工藝參數進行驗證，以確保產品得到充分混合。

闡述食品工業中粉劑的干法工藝不同混合方式、混合設備參數、混合時間及原輔料的物性對混合均勻度的影響，提出生產企業應加強相關基礎性研究工作，建立全營養特醫食品與設備相匹配的混合工藝參數及原輔料物性控制，確保產品的混合均勻度符合相關要求，達到產品品質穩定可控。

1 干法工藝中特殊醫學用途全營養配方食品的混合方式

特殊醫學用途全營養配方食品的干法工藝混合是指將產品中各種原料、輔料、食品添加劑混合成營養成分均一的粉狀產品過程。其混合原理是在機械或流體動力等外力作用下，使多種物料組分互相摻合，相互分散，而達到在混合倉里的各種組分微粒均勻分布的一種操作[3]。食品工業中常用的干法工藝混合方式有脈沖式氣流混合、三維混合、槳葉式混合，根據Lacey的混合機理分析可知[4]，無論選擇何種混合方式，混合過程均包含剪切、對流和位置交換3個要素，混合體系中的共混物通過3個要素的作用在一定的體積空間內實現均勻隨機的分布。由于不同混合方式，3個要素的側重點略有差異，對物料產生的作用力不同。因此，需要結合均勻度、物料特性及終產品的要求等因素選擇合適的混合方式。

1.1 脈沖式氣流混合

脈沖式氣流混合是將壓縮空氣以脈沖方式沖擊物料，使物料在混合倉內呈現上升、擴散、沉降運動，以達到短時間內實現物料的混合均勻[3,5]。脈沖式混合一般可在3～10 min內完成成批物料的混合操作，混合比可達1︰5 000，其具有設備結構簡單、混合耗時短、批生產量大、單位能耗低等優點。尤其對于顆粒密度約0.5～0.7 g/cm3且粉體流動性好的原輔料具有更好的適用性。其物料的投料及輸送可做到全密閉，避免生產過程中與外界的交叉污染，此種混合方式需要關注生產前后設備及密閉管道的清洗與清潔。

1.2 三維混合

三維混合設備的混合原理是依靠容器回轉型的轉動，容器在任何位置上可以圍繞中心軸線旋轉，使物料在容器空間內無離心作用力下進行反復的擴散和合并，實現混合效果[6]。三維混合設備其對產品物料本身的作用力相對較小，利于顆粒強度較敏感的原輔料進行混合，其設備易于清潔，混合時間相對較長，一般較難做到投料及輸送物料過程的全密閉方式，采用此種混合方式需要關注特醫食品裸露的粉體在生產工序轉移過程中可能的交叉污染。

1.3 槳葉式混合

槳葉式混合設備的式樣較多，多為單軸或雙軸的轉子帶動槳葉推動粉體產生較弱的剪切與對流混合。當槳葉帶動粉體到達混合室上部后，粉體被槳葉拋落或在重力作用下自由滑落，做不規則、無定向的運動，形成剪切與擴散混合，具有混合速度相對較快且能耗低等特點，混合體系中物料間配比低至1︰10 000時，也具有良好的混合均勻性[7-9]。但槳葉的轉動會對粉體產生一定作用力及導致溫度升高，應關注作用力對特醫食品中一些微囊化原料物性的影響，以及溫度對特醫食品中熱敏感性物料的影響。

2 混合設備參數

混合設備參數是特殊醫學用途全營養配方食品研發過程中工藝驗證的一個重要部分，混合方式不同其混合設備即不同，相應的混合參數亦不同。王德福等[10]通過將槳葉式日糧混合機的轉子轉速優化到8.6 r/min，獲得較好的混合均勻效果。麻開香等[11]利用三維混合設備對特醫食品進行混合研究發現，混合頻率過小或過大均影響混合效果。采用氣動混合方式的，不同的混合壓力會產生不同風速，混合時所需的操作風速須比物料的臨界流化速度高才能使粉體在上下翻動中進行混合。混合設備參數是一個相對參數，企業在研發特殊醫學用途全營養配方食品時需根據設備性能、產品物料特點及混合設備填充量等因素進行工藝優化，確定適合不同產品的混合參數。

3 混合時間對混合均勻度的影響

干法工藝中混合時間是特殊醫學用途全營養配方食品生產過程中的一個重要參數，由于混合體系中原輔料之間存在顆粒度、相對密度等物性差異，粉體在混合的同時也發生著自動分級而離析，當混合和離析達到某種平衡狀態，即混合體系呈現出良好的混合均勻度，而如在此基礎上進一步混合，則有可能出現混合均勻度下降[12]。Tsuu等[13]對這一現象做過詳細的數值模擬研究，其研究結果也驗證上述現象。因此，合適的混合時間參數優化對特殊醫學用途全營養配方食品的均勻度至關重要。

4 原料物性對混合均勻度的影響

原料的物性指原料的物理性質，中國尚無食品原輔料與食品營養強化劑混合相關物性方面技術規范或標準，因而這些重要物性數據查詢困難，使得營養強化食品生產大多停留在經驗層面。在對粉體混合體系已有的國內外研究中，普遍認為由于粉體因物性不同而會產生不同的顆粒間作用力，如摩擦力、靜電力、黏附力等。不同的作用力會使得粉體在混合過程中表現出不同的流動性，從而制約著各組分的混合均勻程度，且在這些物性因素中顆粒粒徑、休止角、顆粒有效密度及吸濕性的影響較為關鍵[14-15]。

4.1 顆粒粒徑

顆粒粒徑指顆粒的大小，是影響顆粒行為特性及不同顆粒相互均勻分散程度的最重要因素[16]，這可能是由于與不同原輔料或者粉體間的顆粒密度、顆粒形狀等指標差異相比，顆粒粒徑的差異顯著大于其他物性差異[17-20]。Plinke等[21]認為隨著顆粒粒徑減小，其自身重力對顆粒運動的影響變弱，而顆粒間的內部作用力如靜電力、范德華力、空氣阻滯力、毛細管作用力等將成為主導顆粒機械運動的主要作用力。Castellanos等[22]認為粉體顆粒粒徑小于10目時，顆粒間的內部黏附作用力即與顆粒所受重力處于同一數量級。Pooja等[23]對二元食品配料的混合均勻性研究表明，不同密度與粒徑之比值控制在4.45時，會獲得比較好的混合效果。由此可見，粉體混合體系中顆粒粒徑大小不同，其所受影響的作用力會不同。顆粒尺寸減小時，顆粒分子間的作用力占主導，降低粉體流動性，即相對削弱混合體系各組分的分離傾向。混合體系中各顆粒粒徑大小越相近時，其混合過程中的運動特性則越相近，即其具有更好的混合均勻性，反之亦然。因此，建議企業在特殊醫學用途全營養配方食品研發的原輔料篩選環節，建立配方中不同物料的粒徑分布數據，通過工藝驗證優選粒徑分布范圍與設備及工藝相匹配的物料。

4.2 休止角

休止角即指粉體在斜面處于下滑的臨界狀態時與水平面所成的最小夾角。研究表明，休止角的大小影響著粉體流動性[24-25]。休止角越小的顆粒，越趨向于球形，混合時表現出良好的流動性及分散性。而休止角越大的顆粒，顆粒間易產生咬合作用而呈現“架橋效應”，影響粉體的混合效果。Teunon等[26]認為形狀差異大的顆粒會在表面形成較多的接觸位點，較多的位點加強顆粒間作用力，進而影響粉體的內部作用力，較強的粉體內部作用力會降低粉體的流動性。Mittal等[27]的解釋是形狀差異大的顆粒比較容易嵌入到內部不規則的空隙中，從而使得混合體系中的粉體流動性變差，影響混合的均勻性。章肇敏等[28]對特殊醫學用途嬰兒配方食品中的物料休止角進行了初步探索，宏觀營養素的物料休止角在32°～49°之間時成品表現出良好混合均勻性。由于全營養特醫食品中宏觀營養素碳水化合物、蛋白質、脂肪的原料在配方中占比較高，是整個干法混合體系中流動性的決定性因素。因此，為使產品在生產過程中具有良好的混合均勻性，建議企業結合設備工藝建立物料的休止角與混合均勻度之間的數據模型。

4.3 顆粒有效密度

粉體的質量除以真體積的密度即為真密度，單位體積的內部閉孔體積顆粒的質量即為假密度，真密度和假密度均為顆粒的有效密度，粒徑相同而形狀不同的顆粒，會具有不同的顆粒有效密度，其受外力作用時會表現出不同的慣性及運動行為。在混合體系中顆粒因密度不同會在一定的空間體積內產生不同位移，如密度差異較大極可能會影響微觀混合效果[29]。解立斌[14]通過研究發現，不同種類粉體間的有效密度差異在3倍以內，明顯不如不同粉體粒徑分布這一物性指標上的差異時，可不考慮有效密度對混合體系的影響。因此，全營養特醫食品的混合體系中的顆粒有效密度在物料篩選時需要作一定評判。

4.4 吸濕性

粉體表面因吸附水分子而使粉體濕度增加的現象成為吸濕。粉體吸濕會使顆粒間黏著力增強，導致粉體之間因黏著而固結，進而使粉體流動性下降，混合變得困難[30]。解立斌[14]在25 ℃、相對濕度75%條件下，對營養強化食品中常用的營養強化劑樣品進行24 h吸濕情況考察，結果表明，氯化膽堿、左旋肉堿、氯化、氯化鎂、泛酸鈣在2 h內基本完全成為液態，不再具備固態顆粒的形狀，低聚果糖、聚葡萄糖、酪蛋白磷酸肽也在很快時間內成類糖漿狀，失去固態顆粒性狀。GB 29923《食品安全國家標準 特殊醫學用途配方食品良好操作規范》中對粉狀特醫食品的生產中規定：無特殊要求時，溫度應不高于25 ℃，相對濕度應在65%以下。由此可見，考察混合體系中粉體的吸濕特性對于干法工藝中全營養特醫食品的混合均勻度及生產可行性具有重要意義。

5 結語和展望

特殊醫學用途全營養配方食品的目標消費人群較為特殊，為保證干法工藝中特殊醫學用途全營養配方食品良好的混合均勻性及營養充足性，從控制風險的角度應重點關注：根據不同的混合設備及工藝，選擇和設備性能相匹配的物料，重點對物料的顆粒、休止角、顆粒有效密度、吸濕性進行考察；根據確定后的物料特性，對設備參數及混合時間進行優化，選擇適合該配方的最優生產工藝參數。