超聲速氣流粉碎制備超細(xì)白樺茸

左金，劉剛，杜寧，林俊，郭秋亭，范長(zhǎng)海

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心（綿陽(yáng) 621000）

樺褐孔菌（Inonotus obliquus）又名樺樹菇、西伯利亞靈芝，學(xué)名為白樺茸。在外文資料中，其學(xué)名常以Inonotus obliquus（Fr.）Pilat出現(xiàn)[1]。樺褐孔菌是一種極其珍貴的藥用真菌，屬多孔菌科褐臥孔菌屬，是一種生長(zhǎng)在寒帶的木腐菌。樺褐孔菌菌核呈現(xiàn)瘤狀、無(wú)柄，外表黑色或黑褐色，內(nèi)部黃褐色，老后表面深裂，很硬，干時(shí)脆。野生樺褐孔菌生于白樺、銀樺等樹的活立木的樹皮下或砍伐后樹木的枯干上。2005年，國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局[2005]2002號(hào)《真菌類保健食品申報(bào)和審評(píng)規(guī)定（試行）》將白樺茸列入可用于保健食品的真菌名單，這樣白松茸就成了名副其實(shí)的“藥食”兼用食品。樺褐孔菌中含有豐富的多糖物質(zhì)，是其主要的活性物質(zhì)[2]。有研究表明樺褐孔菌多糖具有抗腫瘤、抗氧化、降血糖和血脂以及調(diào)節(jié)免疫等生物活性[3]。

白樺茸原料的顯微結(jié)構(gòu)呈細(xì)長(zhǎng)纖維狀，人體很難吸收，因此只有將其超微破壁處理，其中的營(yíng)養(yǎng)成分才更易被人體吸收。目前針對(duì)食品及中草藥的破壁方法主要是采用震動(dòng)機(jī)械破法、研磨機(jī)械破壁和低溫氣流破壁法，震動(dòng)機(jī)械破壁法和研磨機(jī)械破壁法在破壁的同時(shí)極易造成營(yíng)養(yǎng)成分的損失和雜質(zhì)的參入，而低溫氣流破壁法則能夠保持原有的活性、顏色、成分不變。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白樺茸原料來(lái)自俄羅斯西伯利亞，平均大小3～5 cm，水分含量約為11%。

自制風(fēng)冷干燥設(shè)備；自制CP-20型超微氣流粉碎分級(jí)機(jī)；LS-POP（Ⅵ）激光粒度分析儀，珠海歐美克科技有限公司生產(chǎn)；SPA-300HV掃描探針顯微鏡，日本日立公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 白樺茸的預(yù)處理

取1 kg白樺茸原料，在50 ℃以下風(fēng)冷干燥至水分7%左右，將干燥后的白樺茸原料加入萬(wàn)能粉碎機(jī)中粉碎至80目。

1.2.2 制備超細(xì)白樺茸

CP-20型超微氣流粉碎分級(jí)機(jī)是由進(jìn)氣體、金屬軟管、超聲速噴管、粉碎室、二次進(jìn)風(fēng)口、料斗、分級(jí)室、分級(jí)葉輪、電動(dòng)機(jī)、旋風(fēng)收集器、收集罐、控制柜、平臺(tái)車、工業(yè)吸塵器等部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

開啟CP-20型超微氣流粉碎分級(jí)機(jī)，設(shè)定其運(yùn)行工作參數(shù)：粉碎壓力0.8 MPa，耗氣量1.0 m3/min，分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速2 880 r/min。將80目的白樺茸粗顆粒通過(guò)料斗送入粉碎室內(nèi)，壓縮空氣由進(jìn)氣體通過(guò)金屬軟管進(jìn)入安裝在粉碎室腔壁同一平面內(nèi)的3個(gè)超聲速噴管并建立超聲速流場(chǎng)，懸浮于粉碎室的白樺茸粉體被超聲速噴管氣流加速，帶向交匯點(diǎn)而被碰撞粉碎。

經(jīng)粉碎的白樺茸粉體隨上升的氣流一起運(yùn)動(dòng)至粉碎室上部的一定高度，粗顆粒失速后在重力作用下，沿內(nèi)壁面回落到粉碎室下部。細(xì)粉隨上升氣流和二次進(jìn)風(fēng)口加入的氣流一起運(yùn)動(dòng)到上部的分級(jí)室，在分級(jí)葉輪產(chǎn)生的強(qiáng)制渦流場(chǎng)內(nèi)，粗顆粒在離心力作用下被拋向筒壁附近，并隨失速粗粉一起回落到粉碎室下部再次粉碎，而符合細(xì)度要求的超微粉則通過(guò)分級(jí)葉輪中的葉片縫隙輸送至旋風(fēng)收集器中的收集罐，作為產(chǎn)品收集，少量超細(xì)粉則由工業(yè)吸塵器作進(jìn)一步氣固分離，凈化的空氣由工業(yè)吸塵器排出。

圖1 CP-20型超微氣流粉碎分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3 粉末形貌觀察

分別取適量白樺茸原料和超細(xì)粉，鋪于電鏡銅臺(tái)上，噴金鍍膜后置電鏡下觀察、攝影、測(cè)量、描繪。

1.2.4 粒度測(cè)定

取白樺茸超細(xì)粉，利用LS-POP（Ⅵ）激光粒度分析儀進(jìn)行粒徑測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉末形貌電鏡觀察結(jié)果

采用超聲速氣流粉碎的關(guān)鍵是白樺茸細(xì)胞是否破壁，白樺茸原料細(xì)胞呈細(xì)長(zhǎng)纖維狀，長(zhǎng)度達(dá)100 μm以上，白樺茸超細(xì)粉細(xì)胞完全破裂，沒(méi)有完整的細(xì)胞組織，形成較多的細(xì)胞碎片，其平均粒徑小于5 μm，說(shuō)明白樺茸經(jīng)超微粉碎使細(xì)胞破壁率和破壁程度加大，加速了營(yíng)養(yǎng)和功效成分的溶出。白樺茸原料的電鏡照片見圖2，白樺茸超細(xì)粉的電鏡照片見圖3。

2.2 粒徑分布

經(jīng)激光粒度分析儀測(cè)定，白樺茸超細(xì)粉粒徑為0.2～11 μm，最大為13 μm，可見白樺茸經(jīng)超聲速氣流粉碎，粒度明顯減小，達(dá)到了超細(xì)的效果，同時(shí)粒徑分布區(qū)域變窄，粒徑范圍相對(duì)集中，分布集中在2.27～6.99 μm之間，平均粒徑D50為4.51 μm。對(duì)于顆粒粒徑來(lái)說(shuō)，分布區(qū)域越窄，則顆粒的理化性質(zhì)越接近[4]。白樺茸超細(xì)粉體的粒度測(cè)試報(bào)告見圖4。

圖2 白樺茸原料的電鏡照片

圖3 白樺茸超細(xì)粉的電鏡照片

圖4 白樺茸超細(xì)粉體的粒度測(cè)試報(bào)告

2.3 氣流粉碎的特點(diǎn)

氣流粉碎是利用高速氣流（300～500 m/s）或過(guò)熱蒸汽（300～400 ℃）的能量，使顆粒相互沖擊、碰撞、摩擦而實(shí)現(xiàn)超細(xì)粉碎，其被廣泛應(yīng)用于化工、非金屬礦的超細(xì)粉碎。產(chǎn)品細(xì)度通常可達(dá)1～5 μm，并具有粒度分布窄、顆粒表面光滑、顆粒形狀規(guī)整、純度高、活性大、分散性好等特點(diǎn)。由于粉碎過(guò)程中壓縮氣體絕熱膨脹產(chǎn)生焦耳-湯姆遜降溫效應(yīng)，因而還適用于低熔點(diǎn)、熱敏性物料的超細(xì)粉碎[5]。

其工作原理是：將無(wú)油的壓縮空氣通過(guò)拉瓦爾噴管加速成亞音速或超音速氣流，噴出的射流帶動(dòng)物料作高速運(yùn)動(dòng)，使物料受到碰撞、摩擦剪切而粉碎。被粉碎的物料隨氣流至分級(jí)區(qū)進(jìn)行分級(jí)，達(dá)到粒度要求的物料由收集器收集下來(lái)，而未達(dá)粒度要求的物料再返回粉碎室繼續(xù)粉碎，直至達(dá)到要求的粒度并所被捕集[6]。

根據(jù)超聲速氣流粉碎原理，其工藝具有如下重要特征[7-11]：

1) 耐熱敏性。由于壓縮空氣在噴嘴處絕熱膨脹會(huì)使系統(tǒng)溫度降低，所以整個(gè)粉碎空間是低溫環(huán)境，顆粒的粉碎是在低溫瞬間完成的，從而避免了某些物質(zhì)在粉碎過(guò)程中因產(chǎn)生的熱量而破壞其化學(xué)成分的現(xiàn)象發(fā)生，尤其適用于熱敏性物料的粉碎。

2) 物理性。氣流粉碎純粹是物理行為，既沒(méi)有其它物質(zhì)摻入其中，又沒(méi)有高溫下的化學(xué)反應(yīng)，因而保持物料的原有天然性質(zhì)。

3) 無(wú)污染性。因?yàn)槌曀贇饬鞣鬯榧夹g(shù)是根據(jù)物料的自磨原理而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的粉碎，粉碎的動(dòng)力是空氣。粉碎腔體對(duì)產(chǎn)品污染極少，粉碎是在負(fù)壓狀態(tài)下進(jìn)行的，顆粒在粉碎過(guò)程中不發(fā)生任何泄漏。只要空氣經(jīng)過(guò)凈化，就不會(huì)造成新的污染源。

4) 精度高。通過(guò)調(diào)節(jié)分級(jí)機(jī)的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)負(fù)壓等參數(shù)，可以控制產(chǎn)品粒徑分布在很小的范圍內(nèi)，并且分級(jí)機(jī)的調(diào)整是完全獨(dú)立的，對(duì)一些有特殊要求的中藥材加工十分有利。

3 結(jié)論與討論

傳統(tǒng)的植物粉碎一般顆粒大小約100 μm，而超聲速氣流則能粉碎到幾微米。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用氣流粉碎機(jī)對(duì)白樺茸進(jìn)行超微粉碎，在電子顯微鏡下觀察到細(xì)胞均已破壁，且粒度大小比較均勻，白樺茸原料長(zhǎng)達(dá)100 μm以上的纖維狀細(xì)胞被打碎至平均粒徑4.51 μm，且粒徑范圍相對(duì)集中，細(xì)胞完全破裂，由于顆粒的微細(xì)化，其表面積和孔隙率增加，使其具有獨(dú)特的理化性能，如良好的分散性、吸附性、溶解性和化學(xué)活性等，全部營(yíng)養(yǎng)成分易被人體腸胃直接吸收，從而提高了其利用率。

白樺茸的超微粉碎是以細(xì)胞破壁為目的的粉碎作業(yè)，由于超聲速氣流的低溫效應(yīng)，其粉碎過(guò)程對(duì)原料中原有的營(yíng)養(yǎng)成分影響較小，制備出的粉體均勻性好，避免了傳統(tǒng)的機(jī)械粉碎方法帶來(lái)的營(yíng)養(yǎng)流失和加工污染，完整保留了白樺茸的全部營(yíng)養(yǎng)，提高了白樺茸的營(yíng)養(yǎng)保健功能。

白樺茸經(jīng)微粉化后食用更方便，可以直接作為功能性食品，也可以與其他食品一起開發(fā)成各種滋補(bǔ)品和保健品，促進(jìn)其多元化發(fā)展。