中国是畜禽养殖、生产及消费大国,由于长久以来的观念问题及对畜禽骨营养价值的认识不足,造成了除去可直接食用的部分(如排骨、腔骨)外,剩余的绝大部分骨头利用率较低、加工技术适应性不高及产业化困难等问题,进而带来了巨大的骨骼资源浪费及环境污染等方面的问题。目前,以蒸汽爆破作为植物性原料处理方式的报道已经很多,而将其应用于动物骨骼的加工及处理方式还鲜有报道。采用蒸汽爆破液化牛骨技术,既简化了工艺流程又降低了能耗,同时,还能利用畜禽养殖场和屠宰场的畜禽粪便与落叶等废弃物资源,经厌氧发酵所产沼气对蒸汽发生器进行供能,充分利用废弃物资源的同时还大幅度降低了碳排放。本课题以牛股骨骨干为原料,对其液化技术进行了研究:根据热力计算结果,设计沼气蒸汽发生器,并与爆破装置进行耦合匹配,搭建了牛骨液化工艺实验台;在该实验台上完成了牛骨液化的相关实验,研究了蒸汽爆破对牛骨理化特性的影响机制,并对牛骨液化工艺及脱脂工艺进行了优化;通过蒸汽爆破法制备了超微牛骨汤粉及生物羟基磷灰石并进行表征,研究了其理化特性及消化特性,以期为牛骨的高值化全利用提供理论依据及工艺条件参考;对牛骨蒸汽爆破工艺进行了技术经济评价以及成本核算,并与高温蒸煮工艺进行了对比。主要研究结果与结论如下:1.根据瞬时弹射式爆破装置的特点,将牛骨蒸汽爆破过程划分为了三个阶段:升压(渗透)阶段、维持压力(蒸煮)阶段以及泄压(爆破)阶段,建立了各个阶段的能量传递模型与传质模型。牛骨蒸汽爆破过程过程中的有效能耗占比64.72%,无效能耗占比35.28%;其中加热骨料所需热量占比46.38%,为有效能耗。在能量传递模型的基础上,对牛骨蒸汽爆破传质规律进行了分析,阐明了牛骨蒸汽爆破过程中存在的传质现象,分析了各阶段的水分变化情况;验证实验显示所建模型拟合度较好,结果可靠,可用于牛骨蒸汽爆破过程的传热量与水分变化的相关计算。2.根据牛骨蒸汽爆破机理对牛骨的液化工艺进行了优化,并采用原子吸收分光光度计和电感耦合等离子体发射光谱法等对产物进行了表征。结果表明:牛骨液中矿物质含量随着液化率的增大而显著增加(P<0.05),而蛋白质与脂肪等有机相的含量则逐渐减少。钙离子的溶解度随着牛骨液化率的增大而增大,且效果显著(P<0.05);牛骨液化的最佳工艺条件为:压力维持2.2 MPa(217.3℃),保压874 s,此时的液化率为84.63%。蒸汽爆破技术中的两个参数(压力与保压时间)对牛骨液化率的影响都极其显著,但交互作用并不明显。蒸汽爆破技术可强力破坏牛骨结构,使有机物有效析出并溶于水中,从而达到液化的效果。3.根据牛骨蒸汽爆破机理对牛骨的去脂机制进行了研究,并以实现牛骨去脂最大化为目标,对牛骨去脂技术参数进行了优化,并使用激光粒径分析仪、电子扫描显微镜和傅里叶红外光谱法对产物进行表征。结果表明:牛骨硬度随着汽爆参数的增大而显著下降(P<0.05),因此,增大压力及延长保压时间更有利于牛骨的软化及碎化。蒸汽爆破后的牛骨渣随着汽爆参数的增大,其粒径分布逐渐集中,平均粒度逐渐减小。随着压力的增大与保压时间的增长,牛骨的红外吸收光谱愈发趋近于羟基磷灰石晶体的红外光谱图。牛骨中的有机相含量,蛋白质和脂肪等,随着蒸汽爆破压力和保压时间的增长而显著下降(P<0.05),因此牛骨中的矿物质含量显著提高(P<0.05)。蒸汽爆破技术中的两个参数(压力与保压时间)对牛骨去脂的影响都极其显著,但交互作用并不明显,其最佳工艺条件为:压力维持2.4 MPa(221.9℃),保压785 s,此时的脂肪含量为0.075%。蒸汽爆破可用于牛骨脱脂,效果明显。4.使用激光粒径分析仪、电子扫描显微镜和电感耦合等离子体发射光谱法等,对采用蒸汽爆破法制备的超微牛骨汤粉进行了表征,并对其理化特性及消化特性进行了研究,结果表明:超微牛骨汤粉颗粒形状较为规则,呈正态分布,平均粒径为7.52μm,远小于蒸汽爆破法制备的牛骨汤粉粒径;超微牛骨汤粉中人体必须的氨基酸含量为54.21 mg/g,占总氨基酸含量的28.36%;持水力在水浴50 min后可达1.36%;蛋白质溶解度和消化率相对较高,分别可达89.23%及55.14%;其钙离子的释放率也相对较高,可达62.64 mg/g。蒸汽爆破法制备的超微骨粉理化特性及消化特性极佳,易于被人体吸收,且制备工艺简单,具有极大的推广意义。5.采用X射线衍射、傅里叶红外光谱法及电感耦合等离子体发射光谱法等,对蒸汽爆破法制备的生物活性羟基磷灰石进行了表征,并将其与高温蒸煮法制备的羟基磷灰石及商业样品羟基磷灰石的理化性质进行比较。结果表明,蒸汽爆破后的样品则呈现破碎状且其破碎的趋势深入内部;X射线衍射分析的结果显示蒸汽爆破法制备的生物活性羟基磷灰石在三种样品中结晶度最高;傅里叶红外光谱图显示蒸汽爆破法制备的羟基磷灰石为A&B型碳酸羟基磷灰石。骨源生物活性羟基磷灰石的生物相容性远高于化学合成的羟基磷灰石,并且含有的丰富微量元素,因此,蒸汽爆破法制备的生物活性羟基磷灰石用作生物材料很有发展前景与研究价值。6.建立了牛骨蒸汽爆破工艺的技术经济评价模型,并与传统高温蒸煮工艺进行了对比,分析了两种不同的牛骨加工工艺的能量流动分布,计算了两者的经济指标,在此基础上对牛骨蒸汽爆破工艺进行了影响加工成本的敏感性分析,系统地对两种工艺方式进行了分析和评价。结果显示,蒸汽爆破工艺的技术和经济指标全部优于传统高温蒸煮工艺,具有产品质量高,能耗小,加工时间短等优势;牛骨蒸汽爆破工艺的成本估算结果低于高温蒸煮工艺,主要原因是其工艺流程简单且能耗低,且副产品剩余价值高;牛骨蒸汽爆破工艺采用沼气燃烧器供能,与畜禽养殖屠宰场的生产相结合,提高了废弃物的资源化利用率。因此,牛骨蒸汽爆破液化工艺优于高温蒸煮工艺。