超微粉碎對(duì)食品理化性質(zhì)影響的研究

楊春瑜，柳雙雙，梁佳鈺，車丹，王瑩，王雨晴

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150076）

超微粉碎技術(shù)是指將直徑3 mm的物料粉碎至10 μm～25 μm 的過程[1]，超微粉體粉碎程度較普通粉體大，因此具有一定界面活性和較大的比表面積并且可以明顯提高生物利用率。超微粉碎技術(shù)按其材料干濕程度可分為干法和濕法粉碎。對(duì)于固體顆粒材料，主要采用氣流粉碎、球磨和膠體磨。對(duì)于液體材料，主要采用高壓均質(zhì)化、超聲波均質(zhì)化和微流化技術(shù)。由于超微粉碎顆粒尺寸的減小，微米和納米技術(shù)大大提高了食品材料的物理化學(xué)性質(zhì)和功能特性，使其具有優(yōu)異的吸水性、溶脹度、吸附性等理化性質(zhì)，從而提高了食品質(zhì)量，在冶金、石油、化工、電子、輕工、食品、醫(yī)藥、國(guó)防、核技術(shù)、航空航天、環(huán)境、能源、新材料、信息等諸多生產(chǎn)加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1 超微粉碎原理、特點(diǎn)及其分類

超微粉碎可達(dá)到細(xì)胞級(jí)粉碎，可對(duì)物料進(jìn)行破壁粉碎。超微粉碎的時(shí)間，粉碎機(jī)的功率都對(duì)粉碎物料的粒度產(chǎn)生影響。當(dāng)保持功率不變，粉碎時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，物料的粒度逐漸減小。當(dāng)物料粉碎達(dá)到一定程度后，其顆粒將很難再減小。同理時(shí)間不變粉碎機(jī)功率增加時(shí)，物料的粒度逐漸減小，當(dāng)物料粉碎達(dá)到一定程度后其顆粒將很難再減小，直至達(dá)到平衡[2]。

超微粉碎技術(shù)是機(jī)械力化學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù)，發(fā)展迅速。它廣泛應(yīng)用于超微粉體的制備中。超微粉碎技術(shù)是利用機(jī)械或流體力學(xué)方法克服固體的凝聚力，使其破碎的粉碎技術(shù)。材料的粒度可達(dá)到10 μm以下，甚至達(dá)到1 μm的超微粒級(jí)[3]。將顆粒尺寸減小到微米或超微米水平將導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)和表面積產(chǎn)生一些變化，這將產(chǎn)生散裝材料所不具有的新優(yōu)點(diǎn)，例如表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子效應(yīng)、光學(xué)效應(yīng)、磁學(xué)效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)、化學(xué)和催化效應(yīng)等[4-5]。經(jīng)過超微粉碎的物料的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)功能都有一定的改善，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、微量元素等的溶出率也大大增加，有利于人體的消化吸收，提高產(chǎn)品的利用率。

超微粉碎技術(shù)一般可以分為兩大類：粒度在微米級(jí)的制備多采用物理粉碎法-顆粒從大到小的粉碎過程；對(duì)于納米級(jí)粉體多采用化學(xué)合成法-顆粒從小到大的生成過程。對(duì)于超微粉體處理是提高超微粉體使用性能的關(guān)鍵，其中主要涉及分級(jí)、改性、包覆、干燥、提純等過程。

2 超微粉碎對(duì)食品理化性質(zhì)的影響

2.1 超微粉碎對(duì)食品有效成分溶出率的影響

2016年Chunhua Da[6]采用超微粉碎技術(shù)和脈沖效應(yīng)（pulsed magnetic field，PMF）對(duì)棉籽中的棉籽酚（free gossypol，F(xiàn)G）進(jìn)行提取處理，采用超微粉碎后棉籽FG溶出增加，進(jìn)一步對(duì)棉籽進(jìn)行PMF處理，其FG溶出率進(jìn)一步增加，可達(dá)到83.39%。

2017年Li Jiang[7]通過超微粉碎，實(shí)現(xiàn)烏飯樹樹葉（V.bracteatum Thunb leaves，VBTL）的均勻粒度分布。將VBTL粉碎成4種不同粒徑的粉末，分別為：300μm～125 μm、125 μm～75 μm、75 μm～40 μm 和 40 μm。據(jù)觀察，VBTL粉末的體積越小，體積密度越大，表面積越大，密度越大，休止角度也越大。水溶度指數(shù)、持水能力和總類黃酮素提取量隨顆粒的減小而略有增加。差示掃描量熱法顯示，VBTL粒度為40 μm時(shí)峰值溫度最低；顆粒大小為125 μm～300 μm的粉末顯示出最大的吸熱焓。對(duì)VBTL超微粉性能的研究為烏飯樹樹葉在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

2018年Abuzar SM[8]利用超臨界抗溶劑（supercritical carbon dioxide anti-solvent，SAS）工藝提高水溶性藥物的溶解度和生物利用率。通過超微粉碎增加表面積來(lái)克服許多藥物存在的水溶解度和生物利用率都很低的問題，超臨界流體（supercritical fluid，SCF）輔助粒子的形成，能在相對(duì)溫和的條件下產(chǎn)生無(wú)溶劑的產(chǎn)品，與傳統(tǒng)方法相比有許多優(yōu)點(diǎn)?？梢跃_地控制其形態(tài)分布和水解能力。SAS技術(shù)的特點(diǎn)使其成為提高水溶性藥物溶解度和生物利用率的理想技術(shù)。

2018年Ciccoritti R[9]研究超微粉碎加工谷物，以生產(chǎn)具有高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的硬質(zhì)小麥面粉。通過對(duì)4個(gè)硬質(zhì)小麥品種進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)其中膳食纖維和酚類化合物的生物活性價(jià)值的差異進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)超微粉碎后的小麥活性成分溶出率均增加。

2.2 超微粉碎對(duì)食品堆積密度、休止角、滑角、流動(dòng)性、持水性的影響

按不同干燥方法干燥的板栗粗粉經(jīng)超微粉碎后，其堆積密度不同。板栗粗粉經(jīng)超微粉碎后，隨著粉碎機(jī)功率的增大，材料的顆粒尺寸減小，密度不斷增加。這是由物料經(jīng)超微粉碎后具有良好的均勻性，顆粒間隙小，物料之間接觸面積更大造成的[10]。

休止角和滑角是粉體流動(dòng)性的重要指標(biāo)。劉戰(zhàn)永[11]對(duì)玫瑰進(jìn)行超微粉碎，超微粉碎后材料的休止角和滑動(dòng)角減小，說(shuō)明超微粉碎后材料的流動(dòng)性提高。超微粉體的靜置角和滑移角隨著超微粉碎功率的增加而減小。結(jié)果表明，超微粉體的流動(dòng)性隨粒徑的減小而增大。這可能是由于超微粉體的吸附和凝聚特性使表面聚合和吸附性能提高，從而使粉體更加均勻，難以分離。從工業(yè)生產(chǎn)的角度考慮，超微粉磨功率為25Hz，超微粉體的休止角降低到40°以下，可以滿足生產(chǎn)和加工的流動(dòng)性要求。

陳如[12]對(duì)蘋果粉進(jìn)行超微粉碎后，蘋果粉的粒徑逐漸減小，粒徑分布越來(lái)越均勻。與粗粉相比，蘋果粉經(jīng)不同時(shí)間超微粉碎后，其溶脹能力、水溶性、持水性和陽(yáng)離子交換能力均增加，而體積密度降低。陽(yáng)離子交換能力先增加，研磨時(shí)間超過10 min后無(wú)明顯變化。超微粉碎10 min后開始出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，隨著超微粉碎時(shí)間的延長(zhǎng)，團(tuán)聚現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。表明超微粉碎10 min效果最好。

經(jīng)超微粉碎后糙米粉的水化特性是研究糙米粉理化特性的重要指標(biāo),能夠反映淀粉在米粉中的糊化特性。不同超微粉碎強(qiáng)度處理的糙米粉，水溶性先升高后降低。糙米粉的吸水性和溶脹度隨著超微粉碎強(qiáng)度的增加而增加，這可能與破損淀粉含量的增加和淀粉顆粒尺寸的減小有關(guān)。受損淀粉能顯著改善糙米的保水能力。粒徑越小，糙米顆粒的表面積越大，與水分子的接觸更為完整，淀粉顆粒結(jié)合得更緊密。糙米水溶性的變化可能與糙米中粗脂肪和粗纖維含量有關(guān)，淀粉和脂類在糊化過程中易形成復(fù)合物，易老化，影響糙米粉的水溶性[13]。

超微粉碎后，茶粉的保水能力發(fā)生較大變化，與非超微粉碎的茶粉相比，茶粉的持水力經(jīng)超微粉碎后有所改善，顆粒尺寸的減小，增加了顆粒面積，增加了持水力。但當(dāng)齒輪磨間隙達(dá)到10 μm后，持水力上升的幅度并不大，這是由于前者物料已經(jīng)完全吸收了水分，水分達(dá)到飽和狀態(tài)不再吸收水分[14]。

采用膠體磨濕磨紅棗得到紅棗超微粉，與粗粉相比，紅棗超微粉的持水力顯著提高，由于顆粒尺寸的減小，顆粒的表面積大大增加，增加了持水能力。當(dāng)超微粉碎機(jī)齒輪磨間隙達(dá)到10 μm時(shí)，精制齒間隙減小，持水力增加的幅度并不大，這是因?yàn)槟チＴ谀ハ鞯揭欢ǔ潭群?，增加了表面積，由于毛細(xì)管已經(jīng)完全吸收水分，所以持水力不再增大[15]。

對(duì)甜杏仁進(jìn)行超微粉碎，其吸濕率增加，隨著粉碎時(shí)間的延長(zhǎng)，吸濕率逐漸趨于平穩(wěn)直至不變，隨著顆粒尺寸的繼續(xù)增加而吸濕率略有降低，這是由于粉末顆粒尺寸與比表面積成反比，當(dāng)顆粒尺寸減小時(shí)，粉末與環(huán)境的接觸面積增大，吸濕能力增強(qiáng)，更易受周圍環(huán)境水分含量的影響，可見超微粉碎粉對(duì)粉末吸濕性能的影響是非常明顯的[16]。

3 超微粉碎對(duì)食品結(jié)構(gòu)和功能的影響

目前，超微粉碎技術(shù)在國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的運(yùn)用于功能食品的生產(chǎn)中，如膳食纖維、脂肪代替品、多糖、黃酮類、多酚等。

3.1 超微粉碎對(duì)食品抗氧化活性的影響

2017年Ramachandraiah K[17]研究干燥和超微粉碎對(duì)芹菜莖的理化性質(zhì)和抗氧化活性的影響，在50、75、100℃下，芹菜桿的超微粉碎平均粒徑分別為48.8、10.5、7.2 μm。體積密度隨著粉體粒徑的減小而增加。酚類化合物的提取率隨著溫度的升高而增加。鐵螯合能力不受溫度升高或顆粒大小的影響。在最高溫度下，芹菜莖的微粉化具有最好的抗氧化活性。干燥和超微粉碎對(duì)主要的酚類結(jié)構(gòu)沒有很大的影響。

鄭慧[18]采用行星球磨機(jī)對(duì)苦蕎麥麩皮進(jìn)行超微粉碎，苦蕎麥麩皮具有一定的陽(yáng)離子交換、吸附重金屬、清除NO2-、清除自由基等能力。超微粉碎后，其功能得到改善。與苦蕎麥麩皮粗粉相比，苦蕎麥粉的陽(yáng)離子交換容量有所提高。

3.2 超微粉碎對(duì)食品蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的影響

Chanchan Sun[19]研究超微粉碎對(duì)濃縮乳清蛋白（whey protein concentrate，WPC）的結(jié)構(gòu)和物理化性質(zhì)的影響，并對(duì)微粉蛋白（microparticulated whey protein，MWP）的應(yīng)用進(jìn)行研究。WPC和MWP粒子的大小在超微粉碎后（p＜0.05存在顯著差異），與對(duì)照組相比，分別從 62 μm 和 15 μm 下降到 15 μm 和 9 μm。經(jīng)過超微粉碎后，乳清蛋白溶解度、蛋白質(zhì)表面疏水性、含油率、發(fā)泡能力、發(fā)泡穩(wěn)定性均有所提高并改變了物料熱力學(xué)性質(zhì)。

周志峰[20]以脫脂蠶蛹為原料，利用磨球超微粉碎和超聲波的物理作用對(duì)蠶蛹蛋白基本特性進(jìn)行改良。經(jīng)過超微粉碎處理后的蠶蛹蛋白巰基含量提高，導(dǎo)致肽鏈的伸展和親水基團(tuán)的暴露，這些變化可以提高蠶蛹蛋白的溶解性、起泡性、起泡穩(wěn)定性和乳化穩(wěn)定性。高云中等[21]研究超微粉碎對(duì)花生分離蛋白功能性質(zhì)的影響，花生經(jīng)超微粉碎后其分離蛋白的溶解性明顯降低，主要原因是由于在超微粉碎的過程中，機(jī)器功率過大及剪切過程發(fā)熱造成蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致溶解性變差。吸水性及吸油性都呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，乳化穩(wěn)定性有所提高。

3.3 超微粉碎對(duì)食品膳食纖維結(jié)構(gòu)和功能的影響

令博[22]對(duì)葡萄皮渣進(jìn)行超微粉碎和擠壓超微粉碎后，可溶性膳食纖維增加，不可溶性膳食纖維顯著減少，其中采用擠壓超微粉碎技術(shù)的可溶性膳食纖維含量增加較多。物料經(jīng)過超微粉碎后其膨脹力、持水力和持油力明顯降低，但其陽(yáng)離子交換能力提高顯著，對(duì)金屬離子吸附能力無(wú)顯著變化。

陳紅菊[23]采用濕法超微粉碎法對(duì)馬鈴薯渣進(jìn)行粉碎。超微粉碎后，馬鈴薯渣膳食纖維顆粒之間孔隙明顯增加，纖維顆粒的比表面積增大。水溶性纖維素的水溶性明顯提高，不溶性纖維素可轉(zhuǎn)化為可溶性組分。王安建等[24]對(duì)玉米皮進(jìn)行了超微粉碎，對(duì)玉米皮中水不溶性膳食纖維改性進(jìn)行研究。超微粉碎后的不可溶性膳食纖維的水溶性變化不明顯，但其陽(yáng)離子交換能力大大增加，將其粉碎粒度控制在160目～200目時(shí)，其持水力、吸水膨脹率、持油力均有明顯改善，表明超微粉碎工藝完全可應(yīng)用于玉米皮膳食纖維的理化性質(zhì)改良。

3.4 超微粉碎對(duì)食品藥用功能的影響

Bartolucci ML等[25]對(duì)微粉化棕櫚醇酰胺減少關(guān)節(jié)疼痛和膠質(zhì)細(xì)胞活化進(jìn)行了研究，評(píng)估超微粉碎棕櫚醇酰胺（micronized palmitoylethanolamide，m-PEA）對(duì)膠質(zhì)細(xì)胞活化和三叉神經(jīng)超敏性的影響。完全弗式佐劑（complete Freund's adjuvant，CFA）注射后，動(dòng)物表現(xiàn)出顳頜關(guān)節(jié)（temporomandibular joint，TMJ）水腫和外側(cè)機(jī)械異位癥，伴隨著膠質(zhì)纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）陽(yáng)性的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，以及在甘油三酯（triglyceride，TG）中激活的吞噬細(xì)胞，表明m-PEA具有抗高血脂癥的功能。此外，m-PEA大大降低了TMJ損傷和疼痛的程度，并且通過調(diào)節(jié)TG的上升能夠激活吞噬細(xì)胞。研究結(jié)果證實(shí)，m-PEA可以作為一種新的方法來(lái)治療三叉神經(jīng)敏感癥的疼痛。

Bertoncello KT[26]研究超微粉碎姜黃素的抗癲癇作用，將姜黃素進(jìn)行超微粉碎處理，對(duì)姜黃素進(jìn)行改性。超微粉碎的姜黃素表現(xiàn)出對(duì)癲癇發(fā)作抑制作用，減緩了幼蟲和成年動(dòng)物的癲癇發(fā)作。和未加工的姜黃素相比，微粉的姜黃素?zé)o論是對(duì)幼蟲還是成年斑馬魚都減少了癲癇的發(fā)作頻率，超微粉碎的姜黃素表現(xiàn)出類似于一種典型的抗癲癇藥物的效果，減少了癲癇發(fā)作的發(fā)生率，減緩了癲癇發(fā)作的進(jìn)程。

4 超微粉碎在食品加工方面的應(yīng)用

在果蔬加工過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的果殼、果蔬渣，大部分廢棄物被丟棄，造成農(nóng)副產(chǎn)品的巨大浪費(fèi)。通過超微粉碎將果皮和果核轉(zhuǎn)化為食物，作為動(dòng)物飼料、發(fā)酵檸檬酸和果膠的提取物，來(lái)保護(hù)環(huán)境，增加食物資源。低溫下蔬菜粉碎成微糊粉，可以保存所有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，膳食纖維因超微粉碎而增加水溶性，使蔬菜的口感更好[27-28]。超微粉碎后，小麥粉、大豆粉、米粉的口感明顯改善，更有利于人體吸收。小麥麩皮粉和大豆粉可以添加到面粉中制成高纖維或高蛋白面粉。它含有大量的纖維素和黃酮化合物。但普通的豆皮中含有大量的粗纖維無(wú)法直接被人體吸收利用，經(jīng)過超微粉碎后，其性質(zhì)發(fā)生了改變，不可溶纖維素（不能被人體吸收利用的膳食纖維）變?yōu)榭扇苄陨攀忱w維（可被人類體消化利用），增加了可食用的食物資源[26]。

貝殼富含鈣，例如含有90%以上鈣的牡蠣殼。牡蠣殼通過超微粉碎技術(shù)粉碎后，其中的鈣更容易被人體吸收。還可用超微粉碎技術(shù)對(duì)蝦皮、蟹殼、魚骨等進(jìn)行粉碎，用于鈣或鈣制品的加工。中國(guó)茶文化源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，喝茶的傳統(tǒng)方法是用開水泡茶，人體不能充分吸收和利用茶葉中的營(yíng)養(yǎng)成分。茶渣中殘留著一些不溶性或不溶性成分（如維生素A、維生素K、維生素E、大多數(shù)蛋白質(zhì)、碳水化合物、胡蘿卜素、某些礦物質(zhì)等）。它極大地削弱了茶葉的營(yíng)養(yǎng)保健功能。如果茶葉在常溫和干燥條件下制成粉末，且粉末的粒度小于5 μm，則全部營(yíng)養(yǎng)物將直接被腸胃吸收[29-34]。對(duì)茶葉進(jìn)行濕式粉碎，隨著粉碎的力度加大，茶粉的顆粒越小，其茶多酚的溶出率逐漸增大。超微粉碎技術(shù)作為一種新的食品加工方法，能夠使傳統(tǒng)工藝加工的香料和調(diào)味品更加優(yōu)質(zhì)。將香料和調(diào)味品超微粉碎形成聚集腔，可以固定香料原有風(fēng)味，使其風(fēng)味不易揮發(fā)。同時(shí)，傳統(tǒng)的調(diào)味品經(jīng)過超微粉碎后，其顆粒均勻、細(xì)膩、分散性好，使其香味更加濃郁，僅需少量便能起到的良好調(diào)味作用。當(dāng)香料在材料中均勻分布時(shí)，肉眼無(wú)法觀察到顆粒的存在，從而消除了產(chǎn)品中的黑斑。結(jié)果表明，隨著香料粒徑的減小，香料顆粒的流動(dòng)性、溶解速率和吸收速率增加，風(fēng)味效果提高[35]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超微粉碎技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，具有廣闊的應(yīng)用前景。從新型食品資源開發(fā)來(lái)講，利用超微粉碎技術(shù)可以開發(fā)新的食物資源：從環(huán)境保護(hù)方面來(lái)講，食品加工過程中的果殼殘?jiān)葟U棄物經(jīng)過超微粉碎再加工，變?yōu)榭墒秤玫馁Y源，更加節(jié)約環(huán)保。超微粉碎技術(shù)因涉及面廣，技術(shù)成果實(shí)用性和普遍性較強(qiáng)，從而具有廣泛的課題來(lái)源和轉(zhuǎn)移成果的技術(shù)市場(chǎng)。但是目前超微粉碎技術(shù)仍待完善，需要在更高層次上和更大范圍內(nèi)與相關(guān)學(xué)科不斷綜合，共同提高。