粉碎技術在食品工業(yè)中的應用
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關鍵詞：超微粉碎技術；納米技術；食品工業(yè)
超微粉碎技術在化工、電子、煤炭、礦產(chǎn)工業(yè)等方面已得到廣泛開發(fā)和應用[1]，但關于該技術如何應用在食品領域的研究則起步較晚，總體水平與發(fā)達國家相比有一定差距。超微粉碎技術是21世紀的十大科學技術之一，該方法主要是通過物理手段改變物質的特性。在超微粉碎過程中，由機械力產(chǎn)生的化學效應，影響物料的物理狀態(tài)和化學構成，進一步改變其理化性質。該項技術的主要特點是產(chǎn)品顆粒的粒徑極小、比表面積劇增，細胞破壁率提高，從而改善物料的理化性質（分散性、吸附性、溶解性、化學活性、生物活性等），擴大物料的應用范圍，強化物料的使用效果，是食品行業(yè)中一種理想的加工手段。
1超微粉碎技術的應用
超微粉碎技術的原理是利用機械或流體動力的方式克服固體內部凝聚力使之破碎，使物料的粒徑達到10～25μm的超微米水平[2]，引起其化學構成、理化性質的改變，同時促進原料中營養(yǎng)物質的釋放，顯著提高其吸收利用率[3]。1.1超微粉碎在食品材料中的應用在谷物應用中，Rosa[4]使用超微粉碎技術改善麩皮抗氧化的應用價值，NiuM[5]研究超微粉技術對全麥香氣和面條產(chǎn)品的特性影響，郭武漢利用氣流式超微粉碎機研究超微粉碎處理對花生蛋白功能特性的影響，顯示超微粉碎技術對花生蛋白功能特性具有顯著改善作用。隨著花生蛋白粒度的減小，溶解度、起泡性、乳化性都有不同程度的改善，而對花生蛋白持油能力無顯著影響，對持水能力有一定程度的副作用[2]。楊麗等人研究了超微粉碎的溫度和時間對葡萄籽粉的理化性質的影響，分析超微葡萄籽粉中的總酚、單寧等成分的含量以及其抗氧化性，確定最佳處理工藝。結果顯示，隨著粉碎時間的延長，葡萄籽粒徑呈下降趨勢，當粉碎溫度為-30℃且粉碎時間為75min時，葡萄籽粉的粒徑達到最小值。不過，粉碎時間顯著影響葡萄籽超微粉中的單寧和總酚的含量，而粉碎溫度則與單寧、總酚的含量沒有明顯相關性。粉碎時間還顯著影響了葡萄籽超微粉的DPPH自由基清除能力，但對ABTS+自由基清除能力均無顯著相關性[6]。劉素穩(wěn)等人對比不同粉碎方法對杏鮑菇超微粉體物化性質的影響，將杏鮑菇帽柄分開切片干燥后，分別采用3種不同的粉碎方式獲得了6種粉體，與剪切和研磨粉碎相比，氣流粉碎更有效減小了粉體的粒徑（帽14.16μm，柄13.16μm），可以提高營養(yǎng)物質的利用率；其容積密度、比表面積、流動性、水溶性指數(shù)和蛋白質及多糖溶出率也較大（P＜0.05）。然而，其持水性和溶脹率相對較低，水分活度小于研磨粉碎粉體和剪切粉碎粉體，因而具有較好的耐儲藏性[7]。Lee等使用低溫渦輪研磨制備超微粉高麗參，通過改變渦輪增壓機的葉輪的旋轉速度（100、110、120m/s）。平均粒徑控制在113.3μm，在120m/s減小到11.9μm，大部分粒徑（97%）尺寸從小于725μm減小到小于32μm[8]。1.2超微粉碎在藥食同源材料中的應用藥食同源的食物，如茯苓、龍眼肉、山藥、羅漢果、魔芋、百合、紫蘇、蒲公英及螺旋藻等，含有各種功能性組分，能夠調節(jié)人體的生理機能，是開發(fā)功能食品的主要原料來源。原生藥材經(jīng)由超微粉碎，其粉體粒徑能夠從傳統(tǒng)粉碎工藝的75μm左右降低到5～10μm，該粒徑條件下，普通藥材的細胞破壁率高于95%，能夠將其有效組分直接釋放出來，藥物起效會更加迅捷、徹底[9]。對比傳統(tǒng)方劑金鈴子散的微米顆粒（5～6μm）和普通顆粒（24～104μm）對小鼠的止痛效果，結果顯示兩者有顯著差異：相同劑量時，金鈴子的微米顆粒較普通顆粒止痛效果更強、起效更快；相同止痛效果時，可適當?shù)亟档褪褂脛┝縖10]。氣流粉碎技術可實現(xiàn)原料的微細化處理，由于其獨特的低溫粉碎的優(yōu)勢，可減少熱敏性成分的損失，提高有效成分的提取效果。宋麗麗等對比傳統(tǒng)粉碎和氣流粉碎對蒲公英粉的影響，結果顯示，與傳統(tǒng)粉碎相比，氣流粉碎超微粉的粒徑可達5～10μm，粉體中多見黃棕色小顆粒；偶見菊糖碎塊，粒徑最大達到12μm；可見非腺毛碎片，直徑最大15μm；偶見纖維和導管碎片，直徑最大20μm；可見草酸結晶體。這說明蒲公英組織中的各類細胞均被破壁，取得了超微細化的效果[11]。1.3超微粉碎在飼料中的應用任守國研究了超微粉碎豆粕的理化營養(yǎng)特性，結果顯示，豆粕超微粉的粒徑由100μm降至10μm時，比表面積增加2444.4%，再由10μm降低至1μm時，比表面積增加442.8%；當粉體粒徑降至0.1～30μm時，容重和振實密度明顯減小，并且與粒徑呈正相關，豆粕粒徑越小，粒子休止角和滑動角的比量變化幅度越大，粉體粒子流動性顯著降低；豆粕粉體吸水率、吸油率、水可溶物含量顯著增加，粉體顏色顯著，比常規(guī)粉碎豆粕更淡。對比消化酶對超微D502.63μm豆粕粉體和D50621μm常規(guī)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數(shù)量，胃蛋白酶對微米豆粕粉體中抗原蛋白的消化速度高于常規(guī)粉碎豆粕粉體。微米級豆粕粉體日糧明顯提高了斷奶仔豬的每日體重增量，提高其食用量，降低料重比，減少腹瀉率，提高日糧氮的表觀和回腸末端的消化率，不影響能量消化率和利用率，不影響日糧有機物表觀消化率，顯著提高磷表觀消化率。國內外學者對飼料及飼料原料的粉碎粒度做了大量研究，大多數(shù)試驗表明，減小飼料粉碎粒度能有效提高其營養(yǎng)價值。粉體粒度降低能夠增加顆粒的比表面積，提高食糜流動速度和食糜與消化酶混合程度，增加食糜與消化酶的接觸面積和概率；同時，細胞破壁率提高，使飼料中營養(yǎng)成分特別是蛋白組分直接釋放到動物消化系統(tǒng)中，提高飼料消化率，減少了糞便排泄，改善養(yǎng)殖帶來的環(huán)境污染[12]。因此，超微粉碎技術的應用對于飼料行業(yè)的飼料研發(fā)、飼養(yǎng)動物健康及環(huán)境污染有重要的影響。
2納米粉碎技術的應用
納米粉碎技術多用于對藥食同源食材的粉碎研究中，在食品原料中的應用也有少量報道。食品原料經(jīng)納米粉碎后具有更好的分散性、吸附性、化學活性等。有研究表明，納米食品原料在人體小腸內的吸收速度較快，且生物利用度顯著提高。納米植物粉體產(chǎn)品研發(fā)進展緩慢，尚處在開發(fā)階段。在納米技術發(fā)展過程中，需要衡量納米化是否有必要，考慮對人體的功能作用是否有負面影響，粉碎到納米級是否產(chǎn)生團聚現(xiàn)象，粉碎到什么尺寸范圍生理活性最好等問題。在食品和生物領域，通過珠磨法可將生物高分子以及含生物高分子的原料粉碎至納米級。納米粉碎技術分為干法球磨、濕法珠磨和酶法處理。Chen、Shen和Yeh通過珠磨將玉米淀粉的平均粒徑降至260nm。張威在對納米殼聚糖的制備及降脂活性研究中，比較了干法球磨和濕法珠磨制得的兩種納米殼聚糖（D-NS和W-NS）與普通殼聚糖（CS）的降脂活性。模擬胃液環(huán)境時，CS的溶解速度低于D-NS和W-NS，模擬胃腸道環(huán)境時，CS對油脂和膽酸鹽的結合能力均明顯低于D-NS和W-NS。D-NS和W-NS的降脂活性差距并不明顯，但均明顯強于CS。研究指出，D-NS和W-NS在胃腸道中可快速溶解結合更多的脂類物質，從而增加糞便中的脂質排泄量，從而更好地減少機體對食物中脂類的吸收，因此降脂活性明顯高于CS[13]。龔魁杰在花生納米肽制備與吸收轉運機制研究中，利用超高壓微射流（HMP）解聚花生分離蛋白，選擇120MPa為最適宜處理壓力，在此壓力下采用HPM處理物理改性花生分離蛋白可以提高酶解效率，并可能發(fā)掘更具ACE抑制活性短肽。以物理改性的花生分離蛋白為基礎，采用中性蛋白酶制備花生短肽，最后通過優(yōu)化脂質體組成，提高脂質體對短肽的包埋率。在120MPa壓力條件下，物料濃度6%，循環(huán)處理3次，可得到較高物理改性程度的花生分離蛋白，經(jīng)酶解，并采用1kDa超濾膜包進行超濾處理，可制備Mw＜1kDa的花生短肽；HPM改性的PPI酶解產(chǎn)物氮溶指數(shù)達到（82.39±4.82）%，Mw＜1kDa短肽比例達到（95.39±2.82）%，均顯著高于未經(jīng)HPM優(yōu)化工藝處理的對照?；ㄉ屉娜芙庑詾椋?7.5±2.31）mg/mL，ACE抑制活性IC50值為0.092mg/mL，花生短肽水溶液中粒徑為（22.6±2.2）nm，為典型的納米結構短肽[14]。張娥珍等在鐵皮石斛米粉通過羥與超微粉的物理特性和體外抗氧化活性比較研究中，利用氫氧根自由基（•OH）、超氧陰離子（O2-•）、亞硝酸根離子（NO2-）及DPPH自由基4種體外抗氧化模型，研究了鐵皮石斛納米粉和超微粉的體外抗氧化能力，分析對比兩種粉末的流動性、松密度、溶解性等物理特性，以及粒度及電鏡掃描結構，并測定其懸浮液中多糖溶出速度及含量。結果表明：鐵皮石斛納米粉的多糖溶出速度及含量要高于超微粉；鐵皮石斛納米粉和超微粉水提取液對•OH、O2-•、NO2-、DPPH自由基均具有較強的清除能力，且在一定范圍內，清除率隨濃度的增加而增大，呈現(xiàn)良好的量效關系；同一濃度時，納米粉的清除率要明顯高于超微粉，說明納米粉具有更強的體外抗氧化能力；納米粉的松密度、持水力、膨脹力、溶解性及水懸浮體系穩(wěn)定性要高于超微粉，但流動性、潤濕時間等參數(shù)不如超微粉；粒度及電鏡分析表明納米粉的細胞破碎程度更大，粒度更小，形狀更不規(guī)則[15]。石相弘等采用物理多級粉碎技術研究了銀杏葉納米加工技術及其應用，首先經(jīng)由傳統(tǒng)粉碎機將原料粉碎成100mm左右的粉末，然后經(jīng)由氣流超細粉碎機進一步粉碎成10mm左右的超細粉末，最后通過高能球磨機將超細粉末粉碎成1mm以下的粉體。粉碎過程中，采用夾套冷凝器控制高能球磨罐內的溫度在10℃以下，并通入惰性氣體，對生物活性組分進行有效保護，控制球粉比例、轉速、時間、溫度等條件，結合電鏡檢測，從納米級尺寸、納米級幾何形狀和納米級表面質量3個方面對納米食品進行可控加工，優(yōu)化最佳工藝參數(shù)[16]。在適度粉碎銀杏葉的基礎上，根據(jù)生物無機化學原理采用金屬絡合法從銀杏葉粗提物中高效分離生物活性成分，進而開發(fā)飲料、飲片等功能食品[16]。
3結語
超微粉碎技術和納米粉碎技術使產(chǎn)品粒度減小，比表面積劇增、細胞破壁率高，超微粉碎技術將原料粒徑粉碎至1～30μm，納米粉碎技術將原料粒徑粉碎至小于1μm，改變了原料和產(chǎn)品結構、理化和功能性質，有利于原料中營養(yǎng)成分的釋放，提高吸收利用率，提高了食品及其他行業(yè)原料粉碎技術水平，為原料應用拓寬了范圍，給產(chǎn)品開發(fā)帶來更多可能，將為消費者帶來更好的感官體驗，滿足更高的需求。
參考文獻：
[1]丁金龍，孫遠明，盧迪芬.超細粉碎技術在生物材料中的應用[J].食品工業(yè)科技，2002（10）：84-86.
[2]楊麗，袁春龍，馬婧，等.不同粉碎條件的葡萄籽超微粉功能性成分及抗氧化性研究[J].食品工業(yè)科技，2014（20）：178-181.
[3]劉素穩(wěn)，常學東，李航航，等.不同粉碎方法對杏鮑菇超微粉體物化性質的影響[J].現(xiàn)代食品科技，2013，29（11）：2722-2727.
作者:范如意 李麗華 李金嬋 盧曉莉 韓美娜 朱宏 單位:石家莊君樂寶乳業(yè)有限公司