氣流分級(jí)技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用

徐小青 郭禎祥 郭 嘉

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001)

氣流分級(jí)技術(shù)是一種利用顆粒在空氣中的沉降速度差別進(jìn)行的顆粒分級(jí)操作。食品粉狀原料的粒度大小和均勻性對(duì)其加工特性有很大的影響，隨著食品工程技術(shù)的發(fā)展以及消費(fèi)者對(duì)食品多樣性需求的提高，食品加工行業(yè)對(duì)不同粒度粉體的需求日益增大。通過(guò)氣流分級(jí)機(jī)將粉體分為不同粒度的組分[1]，使粉體的粒度分布范圍由寬變窄，增加或減少組分中的蛋白質(zhì)或其他營(yíng)養(yǎng)成分的含量[2]，滿(mǎn)足不同類(lèi)型食品對(duì)原料加工特性和營(yíng)養(yǎng)成分的需求，提高加工穩(wěn)定性，特別是在小麥專(zhuān)用粉生產(chǎn)中具有重大意義。相較于傳統(tǒng)濕法分級(jí)而言，氣流分級(jí)分離條件更溫和，可以減少分級(jí)后蛋白質(zhì)變性，保留生物活性物質(zhì)，減少污水排放，降低能耗，綠色環(huán)保。近些年，氣流分級(jí)在化工、礦物、材料、制藥等行業(yè)的應(yīng)用較為廣泛，而在食品行業(yè)中的應(yīng)用尚未成熟，物料粒度控制技術(shù)、食品專(zhuān)用氣流分級(jí)設(shè)備的開(kāi)發(fā)等問(wèn)題都有待解決，這也為氣流分級(jí)技術(shù)及設(shè)備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了契機(jī)[3]。本文擬對(duì)氣流分級(jí)在食品加工行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行整理和概述，為后期改善食品加工品質(zhì)提供新的思路。

1 氣流分級(jí)技術(shù)

1.1 氣流分級(jí)原理

氣流分級(jí)利用不同粒度顆粒在氣體介質(zhì)(通常采用空氣)中所受氣體曳力、自身重力、慣性力、離心力的綜合作用不同，使夾帶粉粒的氣流通過(guò)降低流速、改變流向等方法，將粗粒沉降細(xì)粒帶走，從而分離粗細(xì)粉粒[4]。

1.2 氣流分級(jí)設(shè)備的分類(lèi)

物料的分級(jí)按所用介質(zhì)可分為干法分級(jí)與濕法分級(jí)[5]。氣流分級(jí)屬于干法分級(jí)，其特點(diǎn)是用空氣作流體，操作簡(jiǎn)便，成本較低。1885年英國(guó)人發(fā)明了第一臺(tái)動(dòng)態(tài)空氣分級(jí)機(jī)，從此之后分級(jí)技術(shù)才有了較大的發(fā)展[6]，總體可分為3個(gè)階段：第一階段為以離心分級(jí)原理設(shè)計(jì)的離心式分級(jí)機(jī)[7]；第二階段為旋風(fēng)式分級(jí)機(jī)[8]，這類(lèi)分級(jí)機(jī)較前一階段的分級(jí)機(jī)而言分級(jí)性能得到了提高；第三階段為渦流式分級(jí)機(jī)[9]，具有分級(jí)效率高、節(jié)能等特點(diǎn)。

按氣流分級(jí)設(shè)備是否具有運(yùn)動(dòng)部件可將氣流分級(jí)機(jī)劃分為兩大類(lèi)：靜態(tài)分級(jí)機(jī)和動(dòng)態(tài)分級(jí)機(jī)。

(1) 靜態(tài)分級(jí)機(jī)：分級(jí)機(jī)中無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，主要是重力分級(jí)機(jī)、慣性分級(jí)機(jī)、旋風(fēng)分離器、螺旋線(xiàn)式氣流分級(jí)機(jī)和射流分級(jí)機(jī)等[10-11]，如 SUV 雙葉輪空氣分級(jí)機(jī)、O-Sepa 型渦流分級(jí)機(jī)等[12]，這類(lèi)分級(jí)機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單，不需動(dòng)力，運(yùn)行成本低，操作及維護(hù)較方便，但分級(jí)精度不高，不適于精密分級(jí)。

(2) 動(dòng)態(tài)分級(jí)機(jī)：分級(jí)機(jī)中具有運(yùn)動(dòng)部件，主要指各種渦輪式分級(jí)機(jī)，如Turboplex ATP渦輪分級(jí)機(jī)、MS 型渦輪分級(jí)機(jī)等，這類(lèi)分級(jí)機(jī)構(gòu)造復(fù)雜，需要?jiǎng)恿?，能耗較高，但分級(jí)精度較高，切割粒徑調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)節(jié)葉輪旋轉(zhuǎn)速度就能改變分級(jí)機(jī)的切割粒徑，適于精密分級(jí)。

2 氣流分級(jí)技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用

2.1 在豆類(lèi)中的應(yīng)用

氣流分級(jí)后的豌豆蛋白分離物具有顯著提高食品持水性的作用，對(duì)制備高蛋白質(zhì)食物或蛋白功能替代物提供了有效途徑，Pelgrom等[13]用沖擊式研磨機(jī)以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速研磨豌豆粉，之后用空氣分級(jí)提取黃豌豆中的蛋白質(zhì)，當(dāng)氣流分級(jí)提取的蛋白質(zhì)含量達(dá)到30%時(shí)，加熱后的蛋白質(zhì)濃縮液體可以形成具有高持水性的凝膠。

羽扇豆蛋白含量高達(dá)35%～40%[14-15]。油脂含量為8%～12%，主要為α-亞麻酸[16]。周中凱等[17]對(duì)羽扇豆粉進(jìn)行脫脂、研磨和氣流分級(jí)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣流分級(jí)法僅僅改變分級(jí)產(chǎn)物中蛋白含量，細(xì)粉中的蛋白含量增高，粗粉中的蛋白含量降低，但對(duì)其抗氧化性和熱穩(wěn)定性影響不明顯。

蠶豆種子除了含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維，還具有生物活性化合物，如抗氧化劑、酚類(lèi)和γ-氨基丁酸[18]?？諝夥旨?jí)和發(fā)酵結(jié)合可以改善蠶豆粉的營(yíng)養(yǎng)功能，Coda等[19]發(fā)現(xiàn)氣流分級(jí)可以將蠶豆粉中的蛋白質(zhì)和淀粉分離，這與Gunawarden等[20]的研究結(jié)果一致，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)分級(jí)后2種蠶豆粉產(chǎn)物中的植物乳桿菌比未經(jīng)分級(jí)的生長(zhǎng)的更好，并且有利于減少抗?fàn)I養(yǎng)因子，提高游離氨基酸含量和蠶豆基質(zhì)的蛋白質(zhì)消化率。

豆類(lèi)食品具有蛋白質(zhì)豐富的特點(diǎn)，食品生產(chǎn)中可以利用豆類(lèi)蛋白質(zhì)代替動(dòng)物蛋白，氣流分級(jí)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濕法提取，分離條件更溫和，且耗能更少，避免了加熱干燥引起的蛋白質(zhì)變性，保留了分級(jí)產(chǎn)物的生物活性物質(zhì)，可以作為提取豆類(lèi)蛋白的良好選擇。

2.2 在小麥加工中的應(yīng)用

不同部位的小麥粉營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量不同，會(huì)使小麥粉表現(xiàn)出不同的加工特性和消化規(guī)律[21]。通過(guò)氣流分級(jí)可以獲得高蛋白質(zhì)或高營(yíng)養(yǎng)面粉，并且不會(huì)影響面粉廠的正常生產(chǎn)還可降低成本，Wang等[22]研究發(fā)現(xiàn)氣流分級(jí)后的小麥蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)和破損淀粉含量高于同一批次的標(biāo)準(zhǔn)粉，并且小麥粉中蛋白質(zhì)的富集機(jī)制比破損淀粉更為復(fù)雜。

有色小麥近幾年成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，這些小麥中的色素、蛋白質(zhì)等含量均高于普通小麥，且含有多種生物活性成分[23]。氣流分級(jí)后的有色全麥粉可以有效增加花青素的含量，在一定程度上提高食品的營(yíng)養(yǎng)特性以及感官特性，F(xiàn)icco等[24]發(fā)現(xiàn)氣流分級(jí)后的藍(lán)皮軟質(zhì)小麥粗級(jí)分和紫皮硬質(zhì)小麥中級(jí)分的花青素及其衍生物含量、黃色素含量和抗氧化能力增幅最大，面包的估計(jì)血糖指數(shù)顯著降低且口感也有所改善。

氣流分級(jí)后小麥粉的不同組分表現(xiàn)出不同的理化性質(zhì)和流變學(xué)特性，富集小麥粉中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為獲得小麥專(zhuān)用粉、面粉添加劑、面粉改良劑以及有色小麥所制的功能性面粉提供了途徑。

2.3 在大麥加工中的應(yīng)用

大麥谷粒的膳食纖維含量，尤其是β-葡聚糖的含量較高，可用于生產(chǎn)具有健康功能的食物[25]。Ferrari等[26]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空氣分級(jí)可以適應(yīng)不同的無(wú)殼品種大麥，通過(guò)建立β-葡聚糖富集與產(chǎn)量的曲線(xiàn)，選擇大麥粉產(chǎn)量和β-葡聚糖含量的最優(yōu)組合，獲得大麥粉的β-葡聚糖含量是原來(lái)的2倍。這與Gómez-Caravaca等[27]的研究結(jié)果一致，并且發(fā)現(xiàn)氣流分級(jí)可以富集大麥中的酚類(lèi)成分，從而改善大麥的抗氧化活性，避免副產(chǎn)品產(chǎn)生。

大麥蛋白質(zhì)含量通常為8%～15%[28]，主要分為水溶性白蛋白、水溶性球蛋白、醇溶性大麥醇溶蛋白和堿溶性谷蛋白[29]。Silventoinen等[30]利用氣流分級(jí)富集大麥胚乳蛋白質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大麥胚乳的空氣分級(jí)得到的蛋白質(zhì)含量最高為28.3%。蛋白質(zhì)含量與分級(jí)輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，工業(yè)大麥胚乳組分可以作為各種食品或飼料的植物蛋白質(zhì)成分。

氣流分級(jí)主要用于富集大麥粉中β-葡聚糖或淀粉，而蛋白質(zhì)的分離一直處于次要地位，氣流分級(jí)可以富集大麥中β-葡聚糖、烷基間苯二酚等活性物質(zhì)，并保留生物活性，蛋白質(zhì)可以用做飼料和食品的植物蛋白添加劑，氣流分級(jí)技術(shù)是一種可持續(xù)技術(shù)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)生物活性化合物的提取和食品廢棄物的再利用。

2.4 在其他食品加工中的應(yīng)用

燕麥麩的主要成分是β-葡聚糖，燕麥中的酚類(lèi)和其他抗氧化物質(zhì)對(duì)人體有益。開(kāi)發(fā)濃縮燕麥抗氧化成分的方法將極大地促進(jìn)保健品或功能性食品的生產(chǎn)。Stevenson等[31]的研究結(jié)果顯示同時(shí)利用超臨界二氧化碳萃取和空氣分級(jí)獲得的燕麥粗組分富集了酚類(lèi)化合物且提高抗氧化能力。Gamel等[32]也發(fā)現(xiàn)空氣分級(jí)后的莧菜粉酚含量和抗氧化能力都有所增加。

油菜籽粕(RSM)是一種高度可用的飼料原料，Hansen等[33]研究發(fā)現(xiàn)就從油菜籽粕中去除纖維的含量而言，利用研磨結(jié)合篩分的方法比利用研磨結(jié)合氣流分級(jí)的方法效果更好，并且后者耗能更高。鹽角草粕可以替代羅非魚(yú)飼料中高達(dá)40%的魚(yú)粉而不影響其生長(zhǎng)。Wu等[34]利用氣流分級(jí)富集鹽角草的蛋白質(zhì)，且富集程度和細(xì)組分的產(chǎn)率取決于研磨強(qiáng)度。氣流分級(jí)可以通過(guò)富集原料中的蛋白質(zhì)以提高飼料中的蛋白質(zhì)含量，一定程度上解決了飼料蛋白質(zhì)含量不足的問(wèn)題。

谷物燃料現(xiàn)在已經(jīng)成為新的替代能源，生成乙醇燃料的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物干酒糟。Srinivasan等[35]使用篩分和氣流分級(jí)的方法從玉米酒糟中分離纖維，發(fā)現(xiàn)可以有效地分離出可利用的纖維。這主要是因?yàn)槊總€(gè)篩分部分纖維與非纖維的球形度不同導(dǎo)致兩者終端速度不同，從而使纖維從玉米酒糟中分離。

3 氣流分級(jí)技術(shù)應(yīng)用意義

3.1 改善谷物加工特性，改善食品口感

經(jīng)過(guò)粉碎的物料再進(jìn)行氣流分級(jí)所得的細(xì)組分具有很多優(yōu)良特性，這些特性可以改變谷物粉體的加工特性。谷物粉體中的高纖維會(huì)增加其所制食品的吞咽難度，降低食品的適口性，氣流分級(jí)使細(xì)組分中的纖維含量降低，顆粒粒度范圍由寬變窄，粒度更加均勻，增加了該組分所制食品的平滑度，提高食品的適口性。

3.2 富集粉體中的蛋白質(zhì)，降低纖維含量

氣流分級(jí)可以使谷物粉中的蛋白質(zhì)富集，尤其是小麥粉中的蛋白質(zhì)，它們提供了人體所需的蛋白質(zhì)，其含有的麥醇溶蛋白和麥谷蛋白構(gòu)成面筋蛋白的數(shù)量與質(zhì)量對(duì)面制品的加工性能、質(zhì)構(gòu)特性、產(chǎn)品質(zhì)量都起著決定性的作用。不同的面制品需要不同的蛋白質(zhì)含量，因此，氣流分級(jí)剛好可以將面粉中的蛋白質(zhì)富集，以滿(mǎn)足不同面制品對(duì)蛋白質(zhì)含量的特殊要求。選擇合適的分級(jí)參數(shù)，改變面粉中蛋白質(zhì)含量，這是生產(chǎn)小麥專(zhuān)用粉的有效途徑之一，一般的小麥面粉進(jìn)行蛋白分離后得到的產(chǎn)品如：面筋粉、小麥淀粉、高筋粉、低筋粉都能用作配制專(zhuān)用粉的基礎(chǔ)原料。

豆類(lèi)的蛋白質(zhì)含量很高，市面上的補(bǔ)充蛋白質(zhì)或者作為功能添加劑的蛋白粉、肽粉等大多以大豆蛋白為原料，這些產(chǎn)品的主要特點(diǎn)就是蛋白質(zhì)含量較高，而豆類(lèi)中纖維素含量也比較高，通過(guò)氣流分級(jí)可以富集豆類(lèi)中的蛋白質(zhì)，剔除殘留的纖維，為提取豆類(lèi)粉制品中的蛋白質(zhì)提供了一種途徑。

3.3 保留分級(jí)產(chǎn)物的活性物質(zhì)

氣流分級(jí)無(wú)溶劑的提取方法，避免了溶劑的浪費(fèi)，干法分離條件更溫和，且耗能更少，避免了加熱干燥引起的蛋白質(zhì)變性，保留了分級(jí)產(chǎn)物的生物活性物質(zhì)，如具有抗氧化活性的酚類(lèi)物質(zhì)等，減少了食品工廠工業(yè)廢水的排放，提高了副產(chǎn)物利用率，極大程度上增加原料或成品的附加值。

4 展望

目前，氣流分級(jí)技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用并不是很多，物料粒度控制技術(shù)、食品專(zhuān)用氣流分級(jí)設(shè)備的開(kāi)發(fā)等問(wèn)題都還有待解決。但氣流分級(jí)技術(shù)在食品加工中前景廣闊，例如可以分離發(fā)芽、蟲(chóng)害的谷物原料，富集面粉中的蛋白質(zhì)得到筋力更強(qiáng)的面粉，增加氣流分級(jí)的組分并配制更多種類(lèi)的專(zhuān)用粉，超微分級(jí)出細(xì)組分的麥麩進(jìn)而提高全谷物食品的口感，代替濕法提取保留生物活性物質(zhì)等。隨著氣流分級(jí)技術(shù)的逐步發(fā)展和精細(xì)化，將為食品加工提供更為廣闊的空間。