粉碎技术在食品工业中的应用

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摘要：本文主要介绍了粉碎技术在食品工业中的应用。

关键词：超微粉碎技术；纳米技术；食品工业

超微粉碎技术在化工、电子、煤炭、矿产工业等方面已得到广泛开发和应用[1]，但关于该技术如何应用在食品领域的研究则起步较晚，总体水平与发达国家相比有一定差距。超微粉碎技术是21世纪的十大科学技术之一，该方法主要是通过物理手段改变物质的特性。在超微粉碎过程中，由机械力产生的化学效应，影响物料的物理状态和化学构成，进一步改变其理化性质。该项技术的主要特点是产品颗粒的粒径极小、比表面积剧增，细胞破壁率提高，从而改善物料的理化性质（分散性、吸附性、溶解性、化学活性、生物活性等），扩大物料的应用范围，强化物料的使用效果，是食品行业中一种理想的加工手段。

1超微粉碎技术的应用

超微粉碎技术的原理是利用机械或流体动力的方式克服固体内部凝聚力使之破碎，使物料的粒径达到10～25μm的超微米水平[2]，引起其化学构成、理化性质的改变，同时促进原料中营养物质的释放，显著提高其吸收利用率[3]。1.1超微粉碎在食品材料中的应用在谷物应用中，Rosa[4]使用超微粉碎技术改善麸皮抗氧化的应用价值，NiuM[5]研究超微粉技术对全麦香气和面条产品的特性影响，郭武汉利用气流式超微粉碎机研究超微粉碎处理对花生蛋白功能特性的影响，显示超微粉碎技术对花生蛋白功能特性具有显著改善作用。随着花生蛋白粒度的减小，溶解度、起泡性、乳化性都有不同程度的改善，而对花生蛋白持油能力无显著影响，对持水能力有一定程度的副作用[2]。杨丽等人研究了超微粉碎的温度和时间对葡萄籽粉的理化性质的影响，分析超微葡萄籽粉中的总酚、单宁等成分的含量以及其抗氧化性，确定最佳处理工艺。结果显示，随着粉碎时间的延长，葡萄籽粒径呈下降趋势，当粉碎温度为-30℃且粉碎时间为75min时，葡萄籽粉的粒径达到最小值。不过，粉碎时间显著影响葡萄籽超微粉中的单宁和总酚的含量，而粉碎温度则与单宁、总酚的含量没有明显相关性。粉碎时间还显著影响了葡萄籽超微粉的DPPH自由基清除能力，但对ABTS+自由基清除能力均无显著相关性[6]。刘素稳等人对比不同粉碎方法对杏鲍菇超微粉体物化性质的影响，将杏鲍菇帽柄分开切片干燥后，分别采用3种不同的粉碎方式获得了6种粉体，与剪切和研磨粉碎相比，气流粉碎更有效减小了粉体的粒径（帽14.16μm，柄13.16μm），可以提高营养物质的利用率；其容积密度、比表面积、流动性、水溶性指数和蛋白质及多糖溶出率也较大（P＜0.05）。然而，其持水性和溶胀率相对较低，水分活度小于研磨粉碎粉体和剪切粉碎粉体，因而具有较好的耐储藏性[7]。Lee等使用低温涡轮研磨制备超微粉高丽参，通过改变涡轮增压机的叶轮的旋转速度（100、110、120m/s）。平均粒径控制在113.3μm，在120m/s减小到11.9μm，大部分粒径（97%）尺寸从小于725μm减小到小于32μm[8]。1.2超微粉碎在药食同源材料中的应用药食同源的食物，如茯苓、龙眼肉、山药、罗汉果、魔芋、百合、紫苏、蒲公英及螺旋藻等，含有各种功能性组分，能够调节人体的生理机能，是开发功能食品的主要原料来源。原生药材经由超微粉碎，其粉体粒径能够从传统粉碎工艺的75μm左右降低到5～10μm，该粒径条件下，普通药材的细胞破壁率高于95%，能够将其有效组分直接释放出来，药物起效会更加迅捷、彻底[9]。对比传统方剂金铃子散的微米颗粒（5～6μm）和普通颗粒（24～104μm）对小鼠的止痛效果，结果显示两者有显著差异：相同剂量时，金铃子的微米颗粒较普通颗粒止痛效果更强、起效更快；相同止痛效果时，可适当地降低使用剂量[10]。气流粉碎技术可实现原料的微细化处理，由于其独特的低温粉碎的优势，可减少热敏性成分的损失，提高有效成分的提取效果。宋丽丽等对比传统粉碎和气流粉碎对蒲公英粉的影响，结果显示，与传统粉碎相比，气流粉碎超微粉的粒径可达5～10μm，粉体中多见黄棕色小颗粒；偶见菊糖碎块，粒径最大达到12μm；可见非腺毛碎片，直径最大15μm；偶见纤维和导管碎片，直径最大20μm；可见草酸结晶体。这说明蒲公英组织中的各类细胞均被破壁，取得了超微细化的效果[11]。1.3超微粉碎在饲料中的应用任守国研究了超微粉碎豆粕的理化营养特性，结果显示，豆粕超微粉的粒径由100μm降至10μm时，比表面积增加2444.4%，再由10μm降低至1μm时，比表面积增加442.8%；当粉体粒径降至0.1～30μm时，容重和振实密度明显减小，并且与粒径呈正相关，豆粕粒径越小，粒子休止角和滑动角的比量变化幅度越大，粉体粒子流动性显著降低；豆粕粉体吸水率、吸油率、水可溶物含量显著增加，粉体颜色显著，比常规粉碎豆粕更淡。对比消化酶对超微D502.63μm豆粕粉体和D50621μm常规粉碎的消化率，胃蛋白酶提高了48.0%，胃胰蛋白酶提高了42.2%，超微粉碎提高豆粕可消化蛋白数量，胃蛋白酶对微米豆粕粉体中抗原蛋白的消化速度高于常规粉碎豆粕粉体。微米级豆粕粉体日粮明显提高了断奶仔猪的每日体重增量，提高其食用量，降低料重比，减少腹泻率，提高日粮氮的表观和回肠末端的消化率，不影响能量消化率和利用率，不影响日粮有机物表观消化率，显著提高磷表观消化率。国内外学者对饲料及饲料原料的粉碎粒度做了大量研究，大多数试验表明，减小饲料粉碎粒度能有效提高其营养价值。粉体粒度降低能够增加颗粒的比表面积，提高食糜流动速度和食糜与消化酶混合程度，增加食糜与消化酶的接触面积和概率；同时，细胞破壁率提高，使饲料中营养成分特别是蛋白组分直接释放到动物消化系统中，提高饲料消化率，减少了粪便排泄，改善养殖带来的环境污染[12]。因此，超微粉碎技术的应用对于饲料行业的饲料研发、饲养动物健康及环境污染有重要的影响。

2纳米粉碎技术的应用

纳米粉碎技术多用于对药食同源食材的粉碎研究中，在食品原料中的应用也有少量报道。食品原料经纳米粉碎后具有更好的分散性、吸附性、化学活性等。有研究表明，纳米食品原料在人体小肠内的吸收速度较快，且生物利用度显著提高。纳米植物粉体产品研发进展缓慢，尚处在开发阶段。在纳米技术发展过程中，需要衡量纳米化是否有必要，考虑对人体的功能作用是否有负面影响，粉碎到纳米级是否产生团聚现象，粉碎到什么尺寸范围生理活性最好等问题。在食品和生物领域，通过珠磨法可将生物高分子以及含生物高分子的原料粉碎至纳米级。纳米粉碎技术分为干法球磨、湿法珠磨和酶法处理。Chen、Shen和Yeh通过珠磨将玉米淀粉的平均粒径降至260nm。张威在对纳米壳聚糖的制备及降脂活性研究中，比较了干法球磨和湿法珠磨制得的两种纳米壳聚糖（D-NS和W-NS）与普通壳聚糖（CS）的降脂活性。模拟胃液环境时，CS的溶解速度低于D-NS和W-NS，模拟胃肠道环境时，CS对油脂和胆酸盐的结合能力均明显低于D-NS和W-NS。D-NS和W-NS的降脂活性差距并不明显，但均明显强于CS。研究指出，D-NS和W-NS在胃肠道中可快速溶解结合更多的脂类物质，从而增加粪便中的脂质排泄量，从而更好地减少机体对食物中脂类的吸收，因此降脂活性明显高于CS[13]。龚魁杰在花生纳米肽制备与吸收转运机制研究中，利用超高压微射流（HMP）解聚花生分离蛋白，选择120MPa为最适宜处理压力，在此压力下采用HPM处理物理改性花生分离蛋白可以提高酶解效率，并可能发掘更具ACE抑制活性短肽。以物理改性的花生分离蛋白为基础，采用中性蛋白酶制备花生短肽，最后通过优化脂质体组成，提高脂质体对短肽的包埋率。在120MPa压力条件下，物料浓度6%，循环处理3次，可得到较高物理改性程度的花生分离蛋白，经酶解，并采用1kDa超滤膜包进行超滤处理，可制备Mw＜1kDa的花生短肽；HPM改性的PPI酶解产物氮溶指数达到（82.39±4.82）%，Mw＜1kDa短肽比例达到（95.39±2.82）%，均显著高于未经HPM优化工艺处理的对照。花生短肽溶解性为（97.5±2.31）mg/mL，ACE抑制活性IC50值为0.092mg/mL，花生短肽水溶液中粒径为（22.6±2.2）nm，为典型的纳米结构短肽[14]。张娥珍等在铁皮石斛米粉通过羟与超微粉的物理特性和体外抗氧化活性比较研究中，利用氢氧根自由基（•OH）、超氧阴离子（O2-•）、亚硝酸根离子（NO2-）及DPPH自由基4种体外抗氧化模型，研究了铁皮石斛纳米粉和超微粉的体外抗氧化能力，分析对比两种粉末的流动性、松密度、溶解性等物理特性，以及粒度及电镜扫描结构，并测定其悬浮液中多糖溶出速度及含量。结果表明：铁皮石斛纳米粉的多糖溶出速度及含量要高于超微粉；铁皮石斛纳米粉和超微粉水提取液对•OH、O2-•、NO2-、DPPH自由基均具有较强的清除能力，且在一定范围内，清除率随浓度的增加而增大，呈现良好的量效关系；同一浓度时，纳米粉的清除率要明显高于超微粉，说明纳米粉具有更强的体外抗氧化能力；纳米粉的松密度、持水力、膨胀力、溶解性及水悬浮体系稳定性要高于超微粉，但流动性、润湿时间等参数不如超微粉；粒度及电镜分析表明纳米粉的细胞破碎程度更大，粒度更小，形状更不规则[15]。石相弘等采用物理多级粉碎技术研究了银杏叶纳米加工技术及其应用，首先经由传统粉碎机将原料粉碎成100mm左右的粉末，然后经由气流超细粉碎机进一步粉碎成10mm左右的超细粉末，最后通过高能球磨机将超细粉末粉碎成1mm以下的粉体。粉碎过程中，采用夹套冷凝器控制高能球磨罐内的温度在10℃以下，并通入惰性气体，对生物活性组分进行有效保护，控制球粉比例、转速、时间、温度等条件，结合电镜检测，从纳米级尺寸、纳米级几何形状和纳米级表面质量3个方面对纳米食品进行可控加工，优化最佳工艺参数[16]。在适度粉碎银杏叶的基础上，根据生物无机化学原理采用金属络合法从银杏叶粗提物中高效分离生物活性成分，进而开发饮料、饮片等功能食品[16]。

3结语

超微粉碎技术和纳米粉碎技术使产品粒度减小，比表面积剧增、细胞破壁率高，超微粉碎技术将原料粒径粉碎至1～30μm，纳米粉碎技术将原料粒径粉碎至小于1μm，改变了原料和产品结构、理化和功能性质，有利于原料中营养成分的释放，提高吸收利用率，提高了食品及其他行业原料粉碎技术水平，为原料应用拓宽了范围，给产品开发带来更多可能，将为消费者带来更好的感官体验，满足更高的需求。

参考文献：

[1]丁金龙，孙远明，卢迪芬.超细粉碎技术在生物材料中的应用[J].食品工业科技，2002（10）：84-86.

[2]杨丽，袁春龙，马婧，等.不同粉碎条件的葡萄籽超微粉功能性成分及抗氧化性研究[J].食品工业科技，2014（20）：178-181.

[3]刘素稳，常学东，李航航，等.不同粉碎方法对杏鲍菇超微粉体物化性质的影响[J].现代食品科技，2013，29（11）：2722-2727.

作者:范如意 李丽华 李金婵 卢晓莉 韩美娜 朱宏 单位:石家庄君乐宝乳业有限公司