干法工艺中全营养特医食品混合均匀度的影响因素

王溢 ，黄小晖，曾小飞，黄可意，胡品，夏绍北

1. 美庐生物科技股份有限公司技术研发中心（九江 332005）；2. 九江市特医食品工程技术研究中心（九江 332000）

特殊医学用途配方食品（简称特医食品，FSMP）是经专门加工、满足病人特殊营养需要的一类特殊膳食用食品。据统计表明，欧洲医院病人营养不良率20%～60%，而中国医院病人的营养不良率35%～65%[1]。2017年国务院办公厅发布的《国民营养计划（2017—2030）》中明确指出：开展临床营养行动以来，特医食品越来越受到重视。

GB 29922《食品安全国家标准 特殊医学用途配方食品通则》[2]中对全营养配方食品要求含蛋白、脂肪、碳水化合物等宏观营养素之外，其微量营养素必须含有25种维生素及矿物质，另加上可选择性添加的营养成分10余种，其产品微量的营养素达几十种之多。要在一个产品中强化各种毫克及微克数量级的营养强化剂并将其混合均匀并非易事。干法工艺在婴幼儿配方奶粉产业积累较为成熟的经验，但尚缺少该类食品生产中所涉的设备工艺及物料特性对混合均匀度影响的系统性研究，使得该类产品生产大多停留在经验层面。另鉴于全营养特医食品与婴幼儿配方奶粉在蛋白质、碳水化合物、脂肪等宏观营养素的原料来源上有差异，供能比亦不同，因此，需要进一步根据不同的物料特性选择合适的混合方式及工艺参数进行验证，以确保产品得到充分混合。

阐述食品工业中粉剂的干法工艺不同混合方式、混合设备参数、混合时间及原辅料的物性对混合均匀度的影响，提出生产企业应加强相关基础性研究工作，建立全营养特医食品与设备相匹配的混合工艺参数及原辅料物性控制，确保产品的混合均匀度符合相关要求，达到产品品质稳定可控。

1 干法工艺中特殊医学用途全营养配方食品的混合方式

特殊医学用途全营养配方食品的干法工艺混合是指将产品中各种原料、辅料、食品添加剂混合成营养成分均一的粉状产品过程。其混合原理是在机械或流体动力等外力作用下，使多种物料组分互相掺合，相互分散，而达到在混合仓里的各种组分微粒均匀分布的一种操作[3]。食品工业中常用的干法工艺混合方式有脉冲式气流混合、三维混合、桨叶式混合，根据Lacey的混合机理分析可知[4]，无论选择何种混合方式，混合过程均包含剪切、对流和位置交换3个要素，混合体系中的共混物通过3个要素的作用在一定的体积空间内实现均匀随机的分布。由于不同混合方式，3个要素的侧重点略有差异，对物料产生的作用力不同。因此，需要结合均匀度、物料特性及终产品的要求等因素选择合适的混合方式。

1.1 脉冲式气流混合

脉冲式气流混合是将压缩空气以脉冲方式冲击物料，使物料在混合仓内呈现上升、扩散、沉降运动，以达到短时间内实现物料的混合均匀[3,5]。脉冲式混合一般可在3～10 min内完成成批物料的混合操作，混合比可达1︰5 000，其具有设备结构简单、混合耗时短、批生产量大、单位能耗低等优点。尤其对于颗粒密度约0.5～0.7 g/cm3且粉体流动性好的原辅料具有更好的适用性。其物料的投料及输送可做到全密闭，避免生产过程中与外界的交叉污染，此种混合方式需要关注生产前后设备及密闭管道的清洗与清洁。

1.2 三维混合

三维混合设备的混合原理是依靠容器回转型的转动，容器在任何位置上可以围绕中心轴线旋转，使物料在容器空间内无离心作用力下进行反复的扩散和合并，实现混合效果[6]。三维混合设备其对产品物料本身的作用力相对较小，利于颗粒强度较敏感的原辅料进行混合，其设备易于清洁，混合时间相对较长，一般较难做到投料及输送物料过程的全密闭方式，采用此种混合方式需要关注特医食品裸露的粉体在生产工序转移过程中可能的交叉污染。

1.3 桨叶式混合

桨叶式混合设备的式样较多，多为单轴或双轴的转子带动桨叶推动粉体产生较弱的剪切与对流混合。当桨叶带动粉体到达混合室上部后，粉体被桨叶抛落或在重力作用下自由滑落，做不规则、无定向的运动，形成剪切与扩散混合，具有混合速度相对较快且能耗低等特点，混合体系中物料间配比低至1︰10 000时，也具有良好的混合均匀性[7-9]。但桨叶的转动会对粉体产生一定作用力及导致温度升高，应关注作用力对特医食品中一些微囊化原料物性的影响，以及温度对特医食品中热敏感性物料的影响。

2 混合设备参数

混合设备参数是特殊医学用途全营养配方食品研发过程中工艺验证的一个重要部分，混合方式不同其混合设备即不同，相应的混合参数亦不同。王德福等[10]通过将桨叶式日粮混合机的转子转速优化到8.6 r/min，获得较好的混合均匀效果。麻开香等[11]利用三维混合设备对特医食品进行混合研究发现，混合频率过小或过大均影响混合效果。采用气动混合方式的，不同的混合压力会产生不同风速，混合时所需的操作风速须比物料的临界流化速度高才能使粉体在上下翻动中进行混合。混合设备参数是一个相对参数，企业在研发特殊医学用途全营养配方食品时需根据设备性能、产品物料特点及混合设备填充量等因素进行工艺优化，确定适合不同产品的混合参数。

3 混合时间对混合均匀度的影响

干法工艺中混合时间是特殊医学用途全营养配方食品生产过程中的一个重要参数，由于混合体系中原辅料之间存在颗粒度、相对密度等物性差异，粉体在混合的同时也发生着自动分级而离析，当混合和离析达到某种平衡状态，即混合体系呈现出良好的混合均匀度，而如在此基础上进一步混合，则有可能出现混合均匀度下降[12]。Tsuu等[13]对这一现象做过详细的数值模拟研究，其研究结果也验证上述现象。因此，合适的混合时间参数优化对特殊医学用途全营养配方食品的均匀度至关重要。

4 原料物性对混合均匀度的影响

原料的物性指原料的物理性质，中国尚无食品原辅料与食品营养强化剂混合相关物性方面技术规范或标准，因而这些重要物性数据查询困难，使得营养强化食品生产大多停留在经验层面。在对粉体混合体系已有的国内外研究中，普遍认为由于粉体因物性不同而会产生不同的颗粒间作用力，如摩擦力、静电力、黏附力等。不同的作用力会使得粉体在混合过程中表现出不同的流动性，从而制约着各组分的混合均匀程度，且在这些物性因素中颗粒粒径、休止角、颗粒有效密度及吸湿性的影响较为关键[14-15]。

4.1 颗粒粒径

颗粒粒径指颗粒的大小，是影响颗粒行为特性及不同颗粒相互均匀分散程度的最重要因素[16]，这可能是由于与不同原辅料或者粉体间的颗粒密度、颗粒形状等指标差异相比，颗粒粒径的差异显著大于其他物性差异[17-20]。Plinke等[21]认为随着颗粒粒径减小，其自身重力对颗粒运动的影响变弱，而颗粒间的内部作用力如静电力、范德华力、空气阻滞力、毛细管作用力等将成为主导颗粒机械运动的主要作用力。Castellanos等[22]认为粉体颗粒粒径小于10目时，颗粒间的内部黏附作用力即与颗粒所受重力处于同一数量级。Pooja等[23]对二元食品配料的混合均匀性研究表明，不同密度与粒径之比值控制在4.45时，会获得比较好的混合效果。由此可见，粉体混合体系中颗粒粒径大小不同，其所受影响的作用力会不同。颗粒尺寸减小时，颗粒分子间的作用力占主导，降低粉体流动性，即相对削弱混合体系各组分的分离倾向。混合体系中各颗粒粒径大小越相近时，其混合过程中的运动特性则越相近，即其具有更好的混合均匀性，反之亦然。因此，建议企业在特殊医学用途全营养配方食品研发的原辅料筛选环节，建立配方中不同物料的粒径分布数据，通过工艺验证优选粒径分布范围与设备及工艺相匹配的物料。

4.2 休止角

休止角即指粉体在斜面处于下滑的临界状态时与水平面所成的最小夹角。研究表明，休止角的大小影响着粉体流动性[24-25]。休止角越小的颗粒，越趋向于球形，混合时表现出良好的流动性及分散性。而休止角越大的颗粒，颗粒间易产生咬合作用而呈现“架桥效应”，影响粉体的混合效果。Teunon等[26]认为形状差异大的颗粒会在表面形成较多的接触位点，较多的位点加强颗粒间作用力，进而影响粉体的内部作用力，较强的粉体内部作用力会降低粉体的流动性。Mittal等[27]的解释是形状差异大的颗粒比较容易嵌入到内部不规则的空隙中，从而使得混合体系中的粉体流动性变差，影响混合的均匀性。章肇敏等[28]对特殊医学用途婴儿配方食品中的物料休止角进行了初步探索，宏观营养素的物料休止角在32°～49°之间时成品表现出良好混合均匀性。由于全营养特医食品中宏观营养素碳水化合物、蛋白质、脂肪的原料在配方中占比较高，是整个干法混合体系中流动性的决定性因素。因此，为使产品在生产过程中具有良好的混合均匀性，建议企业结合设备工艺建立物料的休止角与混合均匀度之间的数据模型。

4.3 颗粒有效密度

粉体的质量除以真体积的密度即为真密度，单位体积的内部闭孔体积颗粒的质量即为假密度，真密度和假密度均为颗粒的有效密度，粒径相同而形状不同的颗粒，会具有不同的颗粒有效密度，其受外力作用时会表现出不同的惯性及运动行为。在混合体系中颗粒因密度不同会在一定的空间体积内产生不同位移，如密度差异较大极可能会影响微观混合效果[29]。解立斌[14]通过研究发现，不同种类粉体间的有效密度差异在3倍以内，明显不如不同粉体粒径分布这一物性指标上的差异时，可不考虑有效密度对混合体系的影响。因此，全营养特医食品的混合体系中的颗粒有效密度在物料筛选时需要作一定评判。

4.4 吸湿性

粉体表面因吸附水分子而使粉体湿度增加的现象成为吸湿。粉体吸湿会使颗粒间黏着力增强，导致粉体之间因黏着而固结，进而使粉体流动性下降，混合变得困难[30]。解立斌[14]在25 ℃、相对湿度75%条件下，对营养强化食品中常用的营养强化剂样品进行24 h吸湿情况考察，结果表明，氯化胆碱、左旋肉碱、氯化、氯化镁、泛酸钙在2 h内基本完全成为液态，不再具备固态颗粒的形状，低聚果糖、聚葡萄糖、酪蛋白磷酸肽也在很快时间内成类糖浆状，失去固态颗粒性状。GB 29923《食品安全国家标准 特殊医学用途配方食品良好操作规范》中对粉状特医食品的生产中规定：无特殊要求时，温度应不高于25 ℃，相对湿度应在65%以下。由此可见，考察混合体系中粉体的吸湿特性对于干法工艺中全营养特医食品的混合均匀度及生产可行性具有重要意义。

5 结语和展望

特殊医学用途全营养配方食品的目标消费人群较为特殊，为保证干法工艺中特殊医学用途全营养配方食品良好的混合均匀性及营养充足性，从控制风险的角度应重点关注：根据不同的混合设备及工艺，选择和设备性能相匹配的物料，重点对物料的颗粒、休止角、颗粒有效密度、吸湿性进行考察；根据确定后的物料特性，对设备参数及混合时间进行优化，选择适合该配方的最优生产工艺参数。