奶粉表征-第2章：包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存

關(guān)鍵詞：粉體、粒狀介質(zhì)的表征、食品工業(yè)、化工、醫(yī)藥工業(yè)

了解粉末及顆粒的特征與行為對(duì)許多工業(yè)應(yīng)用是必不可少的。粉末的性能在生產(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生變化，也可能隨環(huán)境條件而變化。本應(yīng)用報(bào)告介紹了多種表征方法，如振實(shí)密度、重量吸水率、粒徑、內(nèi)聚強(qiáng)度和可壓縮性，以確定嬰幼兒奶粉的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、灌裝和配方的相關(guān)特性。

1介紹

在新鮮牛奶無(wú)法獲得的情況下，配方奶粉成為嬰幼兒常用的基本食物。尤其是對(duì)于幼兒園期的小孩，配方奶粉可同時(shí)作為補(bǔ)充或代替母乳喂養(yǎng)，因此非常重要。為了滿足兒童身體的營(yíng)養(yǎng)需求。配方奶粉與母乳成分相似，

實(shí)驗(yàn)使用了兩種奶粉樣品:一種適合6個(gè)月大的嬰兒配方奶粉和一種適合一歲以上蹣跚學(xué)步的幼兒配方奶粉。

一般來(lái)說(shuō)，嬰兒配方奶粉大多是純奶粉，但幼兒的營(yíng)養(yǎng)需求需要較高的能量攝入。這可以通過(guò)添加糖(Z常見(jiàn)的是麥芽糊精)來(lái)解決。這反過(guò)來(lái)改變了配方的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和流動(dòng)行為(在粉狀和溶解時(shí))。

奶粉的質(zhì)量在生產(chǎn)過(guò)程中起著重要的作用，它依賴于原料產(chǎn)品(鮮奶)的質(zhì)量。同時(shí)粉狀的行為也影響生產(chǎn)過(guò)程、運(yùn)輸和ZZ液態(tài)乳制品的特性。

本報(bào)告中，對(duì)影響奶粉生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存至關(guān)重要的特性進(jìn)行了表征。

1.1包裝和運(yùn)輸

對(duì)于包裝和運(yùn)輸來(lái)說(shuō)，粉末的堆密度，流動(dòng)性，以及與筒倉(cāng)壁的相互作用等特性是影響生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中需要考慮。

本報(bào)告采用多種方法對(duì)樣品的不同化學(xué)和形態(tài)差異進(jìn)行了表征。

振實(shí)密度

粉末材料通常因其具有復(fù)雜的形狀而無(wú)法精確測(cè)量它們的尺寸，從而無(wú)法確定它們的密度。振實(shí)密度可用于預(yù)測(cè)流動(dòng)和壓縮特性。這個(gè)值是通過(guò)機(jī)械地在一個(gè)裝有已知樣品量的容器中振實(shí)樣品，直到觀察不到其體積的可見(jiàn)變化而得到的，并算出材料的壓縮系數(shù)和Hausner比率。自由流動(dòng)的粉末通常在堆密度和振實(shí)密度之間表現(xiàn)出很小的差別。

真密度

材料的真實(shí)密度可以用阿基米德位移法來(lái)確定。然而，許多樣品與常用的驅(qū)替流體，例如水等會(huì)相互作用。因此，可以利用氦氣或氮?dú)獾葰怏w作為驅(qū)替流體，利用波義耳定律確定材料的真實(shí)體積，進(jìn)而計(jì)算其密度。在質(zhì)量控制步驟中，真實(shí)密度可用于直接評(píng)估材料的化學(xué)成分和形態(tài)。

壓縮密度

壓縮性是在施加或改變正應(yīng)力時(shí)樣品相對(duì)體積變化的特性。它描述了堆密度和外加壓力之間的關(guān)系。影響粉末可壓縮性的因素有粒徑、形狀、彈性、含水量、溫度等。這個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試提供了關(guān)于粉末流動(dòng)行為的信息。

內(nèi)聚強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)粒徑大的顆粒來(lái)說(shuō)，內(nèi)聚力是粉末對(duì)抗位移的固有特性。它通常受到粉末的溫度、含水量或預(yù)壓實(shí)度的影響。例如，先前被壓實(shí)的粉末將會(huì)在容器的底部而不是頂部，并且會(huì)表現(xiàn)出不同的凝聚力。特別是隨著預(yù)壓實(shí)的增加，內(nèi)聚力的變化有助于了解粉末在長(zhǎng)期儲(chǔ)存后的流動(dòng)情況。

壁摩擦

壁摩擦也是評(píng)估粉末在特定過(guò)程或應(yīng)用情形下的一個(gè)重要方面。

由于在大多數(shù)工藝和應(yīng)用中，粉末會(huì)以某種方式與固體表面相互作用(儲(chǔ)藏箱、包裝材料、筒倉(cāng)甚至測(cè)量設(shè)備)，因此測(cè)量粉末如何與固體表面相互作用是至關(guān)重要的。它在料斗或給藥機(jī)制的設(shè)計(jì)中也很關(guān)鍵。不正確的料斗設(shè)計(jì)將導(dǎo)致非正常的給料或樣品滯留。

此外，還評(píng)估了對(duì)奶粉灌裝影響很大的因素，即ZD包裝密度。

1.2儲(chǔ)存-水分對(duì)粉末的影響

奶粉在運(yùn)往批發(fā)商銷售過(guò)程中，量大、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，但不能影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此需要適當(dāng)?shù)陌b，以避免外界環(huán)境條件的影響。但在產(chǎn)品被包裝成ZZ包裝之前，它已經(jīng)與環(huán)境發(fā)生了交互作用。此外，客戶可能不會(huì)一次性使用整桶奶粉，因此需要在開(kāi)封后進(jìn)行儲(chǔ)存。

影響粉末性能的一個(gè)特別重要的環(huán)境因素是相對(duì)濕度。它不僅在不同的地理位置不同，在不同的建筑和戶外也不同。

此外，溫度和相對(duì)濕度都會(huì)影響奶粉的保質(zhì)期。吸附到奶粉中水量的測(cè)定，可以用重量計(jì)量蒸汽吸收分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)固定或改變溫度和相對(duì)濕度(RH)可以模擬儲(chǔ)存條件，并揭示在特定時(shí)間段內(nèi)樣品對(duì)水分的吸收或釋放量。

環(huán)境條件如相對(duì)濕度的變化，可引起粉末物理形態(tài)的變化。通過(guò)粒度儀測(cè)量可表征此類粉末形態(tài)的變化。實(shí)驗(yàn)中，采用了兩種不同的測(cè)量模式(文丘里和自由落體)，不僅可以表征主要顆粒的尺寸變化，同時(shí)也可以表征團(tuán)聚體的尺寸變化。通過(guò)團(tuán)聚增大顆粒尺寸是奶粉生產(chǎn)商的主要目標(biāo)，這主要通過(guò)流化床造粒機(jī)實(shí)現(xiàn)。但顆粒間內(nèi)聚力的過(guò)度增加限制了粉體加工過(guò)程中的ZJ填料、孔隙率和流動(dòng)性。

2  樣品準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1包裝和運(yùn)輸

在測(cè)量之前，奶粉樣品在70℃的烤箱中過(guò)夜烘干。

2.1.1振實(shí)密度、真密度和壓縮密度

振實(shí)密度

在用漏斗將配方奶粉加入樣品容器之前，先用玻璃棒進(jìn)行短暫的攪拌。振實(shí)密度的測(cè)量，需稱重70毫升奶粉并將其放入到100毫升的量筒中，并使用雙自動(dòng)振實(shí)器對(duì)奶粉進(jìn)行振實(shí)，振實(shí)器從3.0毫米的高度降落(ASTM和USP標(biāo)準(zhǔn))。

真密度

采用安東帕比重計(jì)測(cè)量真實(shí)密度。在用氮?dú)膺M(jìn)行密度測(cè)量分析之前，用氮?dú)饷摎庖环昼?，填充大約四分之三的樣品池(>45 g)。

壓縮密度

壓縮性是在施加或改變正應(yīng)力時(shí)樣品相對(duì)體積變化的度量。它描述了堆密度和外加壓力之間的關(guān)系。

此外，采用MCR粉體樣品池，結(jié)合卡爾指數(shù)和豪斯納比得到可壓縮性測(cè)量值?？栔笖?shù)和豪斯納比是粉末可壓縮性的特征值，常被用作流動(dòng)性的指標(biāo)。這些值的計(jì)算見(jiàn)方程1和方程2。

其中VB、VT分別為未固結(jié)體積和固結(jié)體積；而和為振實(shí)(固結(jié))和堆(未固結(jié))密度。注意，這些值可能與振實(shí)密度實(shí)驗(yàn)不同。

在這些實(shí)驗(yàn)中，使用空氣滲透活塞進(jìn)行壓縮。法向力分別為3，6，9 kPa。

2.1.2 Warren Spring內(nèi)聚力

Warren Spring內(nèi)聚性提供了關(guān)于粉末在固結(jié)狀態(tài)下的內(nèi)聚力的信息，因此也提供了關(guān)于粉末在儲(chǔ)存過(guò)程中的流動(dòng)性及其行為的信息。

Warren Spring內(nèi)聚力是通過(guò)采用6kpa空氣活塞壓縮粉末一段確定的時(shí)間來(lái)確定的。通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)可比較的初始狀態(tài)來(lái)確保測(cè)量結(jié)果的再現(xiàn)性。固結(jié)步驟完成后，測(cè)量系統(tǒng)替換為Warren Spring(見(jiàn)圖1)。

將Warren Spring插入到預(yù)先定義的深度。然后，在以0.1 rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量扭矩(見(jiàn)圖2)。在每次測(cè)量初期，當(dāng)旋轉(zhuǎn)克服了粉末開(kāi)始流動(dòng)時(shí)顆粒之間的內(nèi)聚力時(shí)，扭矩值達(dá)到ZD值。在此之后，顆粒就可以自由運(yùn)動(dòng)，并一直處于動(dòng)態(tài)狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)矩減小，并達(dá)到一個(gè)恒定的終值。ZD扭矩乘以一個(gè)基于幾何尺寸的因子，得到Warren Spring內(nèi)聚力，如公式3所示。

其中，Sws為Warren Spring內(nèi)聚力，M為轉(zhuǎn)矩，Ro和RI為Warren Spring幾何外徑和內(nèi)徑。這為粉末在壓縮狀態(tài)下的流動(dòng)性提供了一個(gè)綜合指標(biāo)。

2.1.3壁面摩擦角

壁面摩擦描述粒狀介質(zhì)和固體之間的摩擦。它是通過(guò)在確定的正應(yīng)力下壓縮樣品來(lái)測(cè)量的。所用的壓縮工具叫做“準(zhǔn)備組”，圓盤是由不銹鋼制成的。當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤時(shí)，扭矩被記錄下來(lái)，從而記錄剪切應(yīng)力。

由此產(chǎn)生的壁面摩擦角是料斗設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，目的是防止ZX流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大面積流動(dòng)。用于測(cè)量的圓盤可以很容易地更換，能夠?qū)崿F(xiàn)多種壁材和樣品之間的摩擦分析。

2.2儲(chǔ)存—水分對(duì)粉末的影響

2.2.1蒸汽吸附

取每種樣品大約150毫克用于重量水蒸氣吸附實(shí)驗(yàn)，使用重量水蒸氣吸附分析儀進(jìn)行測(cè)試。樣本放置在樣品盤上，并分別在25℃、35℃和45oC ，相對(duì)濕度< 1% (% RH)，連續(xù)干燥N2的條件下平衡三個(gè)小時(shí)。3小時(shí)后，相對(duì)濕度立即上升到95%，靜置粉末吸附水蒸氣24小時(shí)。

2.2.2粒徑：激光衍射

將樣品在70℃的烘箱中存放過(guò)夜，對(duì)干奶粉進(jìn)行研究。將樣品置于25℃、95% RH的環(huán)境箱中，30 min、1 h、2 h、3 h后檢測(cè)濕度的影響。

采用粒度分析儀(PSA)的干法模式進(jìn)行測(cè)量。

使用文丘里裝置確定初級(jí)顆粒的粒度，而自由落體方法可以進(jìn)行團(tuán)聚比率的分析。在自由落體模式下，顆粒流過(guò)歧管，并使它們?cè)诓皇┘訅毫Φ那闆r下落在激光前面。為了優(yōu)化分散效果，兩種樣品的振動(dòng)參數(shù)均設(shè)置為頻率44 Hz，占空比50%。在文丘里(也稱為“干噴”)分散模式中，粉末被送入一個(gè)料斗中，并在可控氣壓(用戶設(shè)置在50-6000mbar之間)下通過(guò)文丘里管噴射出來(lái)。為了在不引起顆粒破碎的情況下提高分散效率，將嬰兒奶粉的振動(dòng)參數(shù)設(shè)置為頻率43 Hz，占空比50%，文丘里管壓力設(shè)置為50 mbar。對(duì)于幼兒奶粉，頻率和占空比分別設(shè)置為39 Hz和50%，壓力為50mbar。

采用夫瑯和費(fèi)分析模式得到粒度分布圖。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1包裝和運(yùn)輸

3.1.1 振實(shí)密度、真密度和壓縮密度

嬰兒奶粉與幼兒奶粉的堆密度相似，分別為0.43 g/cm3和0.42 g/cm3。在使用雙自動(dòng)振實(shí)器后，它們的振實(shí)密度分別為0.56 g/cm3和0.55 g/cm3。按照ASTM協(xié)議，通過(guò)這種密度的變化可分別計(jì)算出樣品的可壓縮性和Hausner比率，嬰兒奶粉為24.29和1.32，幼兒奶粉為25.0和1.33。這些值說(shuō)明奶粉的干燥狀態(tài)良好，使包裝處理易于進(jìn)行。通過(guò)Anton Paar比重計(jì)測(cè)定奶粉的真實(shí)密度分別為1.19 g/cm3和1.08 g/cm3，這兩個(gè)真實(shí)密度幾乎是振實(shí)密度的兩倍，也體現(xiàn)了奶粉的自然堆積特性。

使用MCR粉體樣品池分別測(cè)量?jī)煞N奶粉的壓縮性能，得到樣品堆積密度對(duì)施加的正應(yīng)力的依賴性。圖3和表1顯示了不同法向應(yīng)力下嬰幼兒奶粉的堆積密度。

在不加法向應(yīng)力的情況下，嬰兒奶粉的初始堆積密度較高。隨著正應(yīng)力的增大，對(duì)幼兒配方的堆積密度影響較大，在施加正應(yīng)力的情況下，幼兒配方的堆積密度增大。此現(xiàn)象表明幼兒奶粉有較高的可壓縮性。

通過(guò)測(cè)量MCR粉體壓縮系數(shù)，可計(jì)算出樣品的Hausner比和Carr指數(shù)。

嬰兒配方的Carr指數(shù)低于幼兒配方的Carr指數(shù)(見(jiàn)圖4和表2)，通過(guò)堆積密度的測(cè)量可以看出幼兒奶粉的可壓縮性更好。

嬰兒奶粉的Hausner比略小(見(jiàn)表2)。一般來(lái)說(shuō)，在這兩個(gè)樣品中，Hausner比率和Carr指數(shù)都與施加的壓力呈正相關(guān)。

嬰兒奶粉的Hausner比率和Carr指數(shù)較低，表明該奶粉的流動(dòng)性略好于幼兒奶粉。由于嬰兒奶粉不容易被壓縮，拉升和拱起的可能性較低，這更有利于將材料平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移(例如從筒倉(cāng)中取出)。

對(duì)比雙自動(dòng)振實(shí)器和MCR壓縮性能測(cè)量結(jié)果，結(jié)論顯示了相同的趨勢(shì)(即幼兒奶粉比嬰兒奶粉可壓縮性能好)。

由于不同儀器的測(cè)量原理和制樣方法不同，因此其測(cè)量結(jié)果JD值有所差異。對(duì)于堆密度和振實(shí)密度(由雙自動(dòng)振實(shí)器確定)，均通過(guò)振實(shí)進(jìn)行壓縮。而在MCR粉體樣品池中，壓縮是通過(guò)對(duì)樣品施加壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

初始值一致，如表3所示。

3.1.2 Warren Spring內(nèi)聚力

雖然嬰兒配方(4.02 kPa±0.27)的Warren Spring內(nèi)聚力略高于幼兒配方(3.75 kPa±0.31)，但由于標(biāo)準(zhǔn)差較大，無(wú)法做出明確的比較。一般來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)值是相似的。圖5和圖6描述了這一點(diǎn)。

3.1.3壁面摩擦角

樣品與壁面接觸軌跡處產(chǎn)生的剪切應(yīng)力的稱為粘附力()，如圖7所示，

當(dāng)> 0時(shí)，表明樣品高黏滯，散裝粉末可黏附在垂直壁面上。嬰兒奶粉的是略高于幼兒奶粉的。

兩種奶粉在墻壁上均顯示了低粘附行為。嬰兒配方奶粉的壁摩擦角為8.3o，略高于嬰兒奶粉的4.5o；但總的來(lái)說(shuō)，這些數(shù)值都在相似的范圍內(nèi)。

3.2儲(chǔ)存-水分對(duì)粉末的影響

奶粉中的功能親水成分和糖導(dǎo)致其容易吸水，這會(huì)影響奶粉的加工、運(yùn)輸量、粒度、粘稠度和貨期等性能。

3.2.1蒸汽吸附

干奶粉樣品的蒸汽吸附實(shí)驗(yàn)在95% RH，溫度25、35和45oC下進(jìn)行。樣品暴露時(shí)間增加，質(zhì)量增加。百分比形式的質(zhì)量變化見(jiàn)表5和圖8。

在95% RH環(huán)境下，不同溫度暴露24小時(shí)后，所有樣品的質(zhì)量均增加了25%到40%。較高的溫度下，吸收量也較高，這表明在較低的溫度下儲(chǔ)存奶粉將減少它的吸附水量。

此外圖8顯示，暴露于95%相對(duì)濕度24小時(shí)后。質(zhì)量變化曲線在24h仍在增加，說(shuō)明奶粉吸附水仍未飽和。

3.2.2粒徑：激光衍射法

干燥樣品

圖9顯示了嬰兒奶粉和幼兒奶粉干燥樣品的粒徑分布差異。與嬰兒奶粉相比，幼兒奶粉的初級(jí)團(tuán)聚顆粒（文丘里測(cè)量模式）分布在更小的粒徑范圍內(nèi)。

由自由落體測(cè)量模式下樣品的D10、D50和D90結(jié)果可見(jiàn)，兩種粉末團(tuán)聚體粒徑差異很小(見(jiàn)表6)，幼兒奶粉初級(jí)顆粒的粒徑結(jié)果傾向于更小的尺寸范圍。

樣品暴露在潮濕空氣中

嬰兒奶粉樣品測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表7和圖10。文丘里測(cè)量模式下，樣品d值隨時(shí)間增加而增加，這表明樣品顆粒開(kāi)始因吸濕而逐漸膨脹。自由落體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)3h潮濕空氣的作用后，團(tuán)聚體粒徑更大且更穩(wěn)定。

在圖10中，比較嬰兒奶粉吸濕30min和吸濕3h后的結(jié)果，可見(jiàn)粒徑測(cè)量結(jié)果僅輕微增大。30分鐘后樣品出現(xiàn)團(tuán)聚并隨時(shí)間增大，3小時(shí)后固結(jié)。

而對(duì)于幼兒奶粉，暴露在濕度增加的環(huán)境中，初級(jí)團(tuán)聚顆粒僅略有膨脹(見(jiàn)表8)。且暴露30分鐘至3小時(shí)后，團(tuán)聚體的大小沒(méi)有變化。結(jié)果見(jiàn)圖11的疊加曲線。

比較兩種奶粉，幼兒奶粉的初級(jí)顆粒和結(jié)塊一般小于嬰兒奶粉(干燥和潮濕狀態(tài))。當(dāng)兩個(gè)樣品暴露在高濕度環(huán)境中時(shí)，初級(jí)顆粒會(huì)輕微膨脹。暴露時(shí)間超過(guò)3小時(shí)后，可能會(huì)吸收更多的水分，與蒸汽吸收分析儀的測(cè)量結(jié)果一致。

干燥樣品中較大的團(tuán)聚體來(lái)自于結(jié)塊，這種結(jié)塊發(fā)生在潮濕的粉末樣品脫水時(shí)。實(shí)驗(yàn)室的濕度足以產(chǎn)生這種效果。而與此相反，暴露在濕度增加環(huán)境下特定時(shí)間內(nèi)的樣品之前并沒(méi)有被干燥，因此在干燥時(shí)缺乏這種增強(qiáng)的結(jié)塊效果。這種效果應(yīng)用于流化床造粒機(jī)：初始顆粒在上升的熱風(fēng)中流化，同時(shí)將液體(粘結(jié)劑溶液或水)噴在顆粒表面，使其局部產(chǎn)生粘性。流態(tài)化的濕“粘性”顆粒之間的碰撞形成粘連和結(jié)塊。進(jìn)而在熱風(fēng)氣流中干燥顆粒，從而形成固結(jié)結(jié)構(gòu)。正因如此，顆粒的大小是由干燥程序所控制的，以避免損壞顆粒床(干燥不足)和避免團(tuán)聚缺乏(過(guò)度干燥)。此外，與嬰兒配方奶粉相比，幼兒配方奶粉更小的顆粒尺寸和更高的表面積(結(jié)果見(jiàn)第1章)與蒸汽分析儀測(cè)定的更高更快的吸濕相一致。

兩個(gè)樣品暴露在95% RH環(huán)境下30分鐘到3小時(shí)后，幼兒配方奶粉結(jié)塊大小沒(méi)有變化，但在同一時(shí)間內(nèi)嬰兒配方奶粉結(jié)塊增加。這可能與嬰兒配方奶粉的高滲透性有關(guān)(見(jiàn)第1章)，它允許水分子進(jìn)入顆粒之間的空間，促進(jìn)粉末顆粒之間的相互粘附。

4結(jié)論

本文采用安東帕儀器對(duì)兩種不同的奶粉樣品進(jìn)行了綜合分析。

采用不同技術(shù)表征了粉體的堆積密度等指標(biāo)。結(jié)果體現(xiàn)出兩種奶粉樣品之間的差異，并強(qiáng)調(diào)了對(duì)粉末的不同處理對(duì)其密度的影響。

樣品的壁面摩擦角和Warren Spring內(nèi)聚力表現(xiàn)出相似的特性。Carr指數(shù)越低，說(shuō)明嬰兒配方奶粉的流動(dòng)性越好，從而確保順利的生產(chǎn)和應(yīng)用。

ZH，表征了樣品對(duì)水的吸附現(xiàn)象，結(jié)論與粉末溶解度的結(jié)論相吻合。此外，還描述了兩種樣品暴露于較高相對(duì)濕度下的差異，結(jié)論顯示兩種樣品的初級(jí)顆粒和團(tuán)聚體具有不同變化趨勢(shì)。

總之，此報(bào)告能夠完整的表征奶粉的生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的關(guān)鍵特性。