斯托克斯(Stokes)定律在混浊型饮料中的应用Ξ郑其良钱志伟河南省农业学校食品加工专业科摘要依据颗粒在溶液中沉降为层流时的速度公式———斯托克斯定律,分析了混浊型饮料沉淀和分层的原因,并阐述了解决混浊型饮料沉淀及分层的方法和措施,为解决混浊饮料经常出现的沉淀和分层现象提供了理论依据。关键词斯托克斯(Stokos)定律混浊饮料沉降速度粘度层流1前言随着人们生活水平的提高、营养观念的改变,风味纯正、营养丰富的新型饮料越来越受到消费者的欢迎,它不仅能提供人体需要的水分,而且还供给人体必需的蛋白质、氨基酸、维生素、矿物质等营养成分。例如:果蔬汁、植物蛋白饮料(花生奶、豆奶、杏仁露、核桃乳等)、动物蛋白饮料(酸奶及酸奶饮料等)、含果肉的悬浮饮料等。这些饮料除了水分以外,还存在固相成分,是一种复杂的分散体系,外观呈不透明状,故称为混浊饮料。因为在这些混浊饮料中除以溶解状态存在的可溶性物质外同时还有以悬浮液状态、乳浊液状态存在的固体,所以它们共同存在的质量问题是沉淀和分层现象,解决这些问题的关键应从斯托克斯定律入手。2斯托克斯(Stokes)定律[1]斯托克斯定律是流体流动为层流时球形颗粒在液体中的沉降公式。当直径为d的球形颗粒在液体中沉降时,颗粒所受的重力是其体积(πd3/6)乘以密度ρs和重力加速度g而得之积:重力=π6d3ρsg颗粒所受的浮力是它的体积乘以流体密度ρ与重力加速度g而得之积:浮力=π6d3ρg颗粒在流体中沉降时,还有一种流体对颗粒的阻力。令δ为阻力系数,uo为颗粒的沉降速度,A为颗粒在垂直于沉降方向的平面上的投影面积A=πd2/4,则阻力=δπd24·ρuo22当颗粒达到恒定的沉降速度时,阻力的大小应等于重力与浮力之差。于是得π6d3(ρs-ρ)g=δπ4d2·ρuo22解出:uo=4d(ρs-ρ)g3ρδRe=duρμ雷诺数是反映流体流动中惯性力与粘性力的对比关系,用Re表示,即Re=duρ/μ是判断流体型态的参数。uo———沉降速度,m/sd———颗粒直径,mρs———颗粒密度,�/�ρ———流体密度,�/�δ———阻力系数,无因次Re———雷诺数,无因次·42·郑其良等:斯托克斯(Stokes)定律在混浊型饮料中的应用第1卷第1期Ξ收稿日期1996-10-29©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.netμ———粘度,�/m·s根据实验阻力系数δ与雷诺系数的关系,当流体流动为层流时(Re<013)δ=24/Re代入uo=4d(ρs-ρ)g3ρδ得uo=d2(ρs-ρ)g18μ上述公式uo=d2(ρs-ρ)g/18μ称为斯托克斯定律。3斯托克斯定律在混浊型饮料中的应用混浊型饮料中悬浮粒子的稳定性接近于球形颗粒在层流区域的自由沉降过程,所以可以根据斯托克斯定律稳定产品的质量。要保证混浊型饮料不分层、不沉淀,关键问题是使颗粒沉降速度uo=0,只有当ρs=ρ时才能达到,即颗粒密度与液体密度相等。而对于某一种混浊饮料来讲,由于产品的风味、口感的要求,一般情况下很难达到这一条件。根据斯托克斯定律,若ρs>ρ,则uo>0,就会出现饮料的沉淀。若ρs<ρ,则uo<0,就会出现颗粒上浮,发生分层。g是重力加速度为918m/s2是不变的。根据斯托克斯定律可知:颗粒的沉降速度(uo)与颗粒的直径平方成正比,与分散介质和悬浮颗粒的密度差(ρs-ρ)成正比,与溶液的粘度(μ)成反比,即颗粒直径增大,分散介质和悬浮液密度差增大,沉降速度增加。粘度(μ)增大,沉降速度变小,根据以上分析,解决饮料的分层与沉淀要从减小颗粒直径和分散介质和悬浮颗粒的密度差,增加粘度,从而使沉降速度(uo)最小着手。因而以上措施是解决饮料分层与沉淀的关键。311减小悬浮颗粒直径d根据斯托克斯定律,沉降速度与颗粒直径的平方成正比。粒子直径愈大,沉降越快,反之越慢,食品生产中可以采取以下措施:a粉碎、打浆根据原料的不同性质,采取粉碎、打浆的方法、对水果可采用加热软化后单道打浆和粉碎打浆,使颗粒直径d小于015mm。对于其他原料采取浸泡后打浆(如豆奶、花生奶类等)、过滤,使颗粒直径小于01147mm,对于蔬菜类可采用粉碎、压榨的方法。b胶体磨和均质机处理粉碎过滤后的溶液中,由于颗粒直径较大,需采用胶体磨和均质机处理进一步使悬浮颗粒和液滴微粒化。目前饮料在生产中多采用先用胶体磨,然后再用均质机...
