超微粉碎技术在食品工业中的应用及发展现状

《食品加工技术》课程论文
超微粉碎技术在食品工业中
的应用及发展现状
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所在学院：食品学院
专业：食品质量与安全
2013年11月
超微粉碎技术在食品工业中的应用及发展现状
摘要：超微粉碎是近20年迅速发展起来的一项高新技术，能把原材料加工成微米甚至纳米级的微粉，已经在各行各业得到了广泛的应用。

鉴于粉碎是中药生产及应用中的基本加工技术，本文简要介绍了超微粉碎的定义、分类、理论、以及超微粉体的特性，阐述了超微粉碎技术的主要应用领域及其在各个领域的应用情况，并列举了国内外常用或新型的超微粉碎设备，最后提出了超微粉碎技术的发展趋势及需要着重解决的问题。

超微粉碎技术作为一种新型的食品加工方法，已受到普遍关注。

本文对超微粉碎加工的基本原理及其技术特点进行了概述，同时重点介绍了超微粉碎技术在食品工业中的应用情况，其发展前景广阔[1]。

关键词：超微粉碎；食品加工；应用：发展趋势
超微粉碎技术是粉体工程中的一项重要内容，包括对粉体原料的超微粉碎，高精度的分级和表面活性改变等内容。

据原料和成品颗粒的大小或粒度，粉碎可分为粗粉碎，细粉碎，微粉碎和超微粉碎，这是一个大概的分类。

值得注意的是，各国各行业由于超微粉体的用途，制备方法和技术水平的差别，对超微粉体的粒度有不同的划分[2]。

超微粉碎机一般为无筛式粉碎机，粉碎物料粒度由气流速度控制，粉碎粒度要求95%通过0.15mm（100目），一般用于特种水产饵料或水产开口饵料，超微粉碎通常由超微粉碎机、气力输送、分级机配套来完成。

原料的粉碎粒度非常细，可能显示出意想不到的特性，但也带来了比较多的问题，如静电吸附，物料的流动性差，粉碎消耗的能量大，提高了生产成本，对加工操作的影响比较大，这些不利影响可以采取不同的方法加以克服（如改变饲料加工工艺）。

超微粉碎通过对物料的冲击，碰撞，剪切，研磨，分散等手段而实现。

传统粉碎中的挤压粉碎方法不能用于超微粉碎，否则会产生造粒效果。

选择粉碎方法时，须视粉碎物料的性质和所要求的粉碎比而定，尤其是被粉碎物料的物理和化学性能具有很大的决定作用，而其中物料的硬度和破裂性更居首要地位，对于坚硬和脆性的物料，冲击很有效；而对中药材用研磨和剪切方法则较好[3]。

实际上，任何一种粉碎机器都不是单纯的某一种粉碎机理，一般都是由两种或两种以上粉碎机理联合起来进行粉碎，如气流粉碎机是以物料的相互冲击和碰撞进行粉碎；高速冲击式粉碎机是冲击和剪切起粉碎作用；振动磨，搅拌磨和球磨机的粉碎机理则主要是研磨，冲击和剪切；而胶体磨的工作过程主要通过高速旋转的磨体与固定磨体的相对运动所产生的强烈剪切，摩擦，冲击等等。

1技术简介及原理
超微粉碎技术是利用特殊的粉碎设备, 通过一定的加工工艺流程, 对物料进行碾磨、冲击、剪切等,将粒径3 mm 以上的物料粉碎至粒径为10~ 25 Lm以下的微细颗粒, 从而使产品具有界面活性, 呈现出特殊的功能. 与传统的粉碎、破碎、碾碎等加工技术相比, 超微粉碎产品的粒度更加微小[4]。

超微粉碎技术是基于微米技术原理的. 随着物质的超微化, 其表面分子排列、电子分布结构及晶体结构均发生变化, 产生块(粒)材料所不具备的表面小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应, 从而使得超微粉碎产品与宏观颗粒相比具有优异的物理、化学及表界面性质。

1.1生产设备的工作原理及性能
区别于普通粉碎，超微粉碎设备是利用转子高速旋转所产生的湍流，将物料加到该超高速气流中。

转子上设立多极交错排列的若干小室能产生变速涡流，从而形成高频振荡，使物料的运动方向和速度瞬间产生剧烈变化，促使物料颗粒间急促摩擦、撞击，经过多次的反复碰撞而裂解成微细粉，粒度可达1000目/2.54cm或更高[5]。

超微粉加工设备还具有以下特性：（1）设备回流装置，能将分选后的颗粒自动返回涡流腔中再进行粉碎；（2）有蒸发除水和冷热风干燥功能；（3）对热敏性、芳香性的物料具有保鲜作用；（4）对于多纤维性、弹性、粘性物料也可处理到理想程度；（5）对设备运行中产生的超声波，有一定的灭菌作用。

1.2技术分类
低温超微粉碎技术通过“冷脆”效应，使固体物料（如挥发性强的辛香料和中草药等）在-50℃～150℃下进行超微细粉碎，其冷源为液氮，制成的超微粉粒度可至10um；磨研磨技术将畜禽鲜骨研磨成肉骨糜，再过滤浓缩，制成粉末，其粒度可达3um～4um；涡旋微粉技术集粉碎和气流分级双重功能，可任意把粒度调节成5um～10um；超音整流气流粉碎技术以压缩空气高速气流（2马赫以上）冲击物料，使粒度达1um～5um[6]。

2 常用超微粉碎设备
2.1机械冲击式粉碎机
机械冲击式粉碎效率高,粉碎比大，结构简单，运转稳定，适合于中，软硬度物料的粉碎这种粉碎机不仅具有冲击和摩擦两种粉碎作用，而且还具有气流粉碎作用，超细粉体产品冲击式粉碎机由于是高速运转，要产生磨损问题，此外还有发热问题，对热敏性物质的粉碎要庄意采取适宜措施。

浙江睐州市特种粉碎设备厂生产的系列粉碎机加大风量输送物料，传热效果好，粉碎区域温度较低，可用于某些热敏性物料的粉碎川[7]。

2.2气流粉碎机
气流粉碎机是以压缩空气或过热蒸汽通过喷嘴产生的超音速高湍流气流作为颗粒的载体，颗粒与颗粒之间或颗粒与固定板之间发生冲击性挤压，摩擦和剪切等作用，从而达到粉碎的目的。

与普通机械冲击式超微粉碎机相比，气流粉碎机可将产品粉碎得很细，粒度分布范围更窄，即粒度更均匀；又因为气体在喷嘴处膨胀可降温，粉碎过程没有伴生热量，所以粉碎温升很低[8]。

这一特性刘于低熔点和热敏性物料的超微粉碎特别重要。

但也存在一此问题：设备制造成本高，一次性投资大，能耗高，能量利用率只有2%左右，一般认为要高出其它粉碎方法数倍，因而粉体加工成本太大，这就使得它在这一领域的使用受到了一定的限制：同时，它难以实现亚微米级产品粉碎。

2.3普通球磨机
球磨机是用于超微粉碎的传统设备，其特点是粉碎比大，结构简单，机械可靠性强，磨损零件容易检查和更换，工艺成熟，适应性强，产品粒度小。

但当产品粒度要达到201μm以下时，效率低，耗能大，加工时间长。

例如，将珍珠磨到几百目，要十几个小时。

2.4振动磨
振动磨是用弹簧支撑磨机体，由带有偏心块的主轴使其振动，运转时通过介质和物料一起振动，将物料进行粉碎，其特点是介质填充率高，单位时间内的作用次数高(冲击次数为球磨机的4-5倍)，因而其效率比普通球磨机高10-20倍，而能耗比其低数倍。

通过调节振动的振幅，振动频率，介质类型。

振动磨产品的平均粒径可达2-3μm以下,对于脆性较大的物质可比较容易的得到亚微米级产品。

近年来通过实践，振动磨日益受到重视，原因就是振动磨对某些物料产品粒度可达到亚微米级，同时有较强的机械化学效应，且结构简单，能耗较低，磨粉效率高，易于工业规模生产[9]。

2.5搅拌磨
搅拌磨是在球磨机的基础上发展起来的，同普通球磨机相比，搅拌磨采用高转速和高介质充填率及小介质尺寸，获得了极高的功率密度，使细物料研磨时间大大缩短，是超微粉碎机中能量利用率最高，很有发展前途的种设备。

搅拌磨在加工小于20μm的物料时效率大大提高，成品的平均粒度最小可达到数微米。

高功率密度(高转速)搅拌磨机可用于最大粒度小于微米以下产品，在颜料、陶瓷、造纸、涂料、化工产品中已获得了成功[10]。

目前高功率密度搅拌磨在工业上的大规模应用有处理最小和磨损成本高两大难题。

随着高性能耐磨材料的出现，相信这些问题都能得到解决。

3在食品工业中的应用
3.1概况及重要意义
超微粉碎技术的应用范围不仅包括粮食饲料加工（特别是鱼虾饲料、秸秆粉碎、添加剂载体）、生物制品、中草药，还可涉及到食品、化工、冶金等领域的深加工[11]。

3.2在食品中应用的分类
食品超微粉虽然问世不久，却已经在调味品、饮料、罐头、冷食品、焙烤食品、保健食品等方面大显身手，且效果较佳。

水果蔬菜类；肉类；香辛调味料类；粮食淀粉类；营养强化类；叶类；药食兼用中药；材保健食品类等[12]。

3.3在食品加工中的应用
3.3.1软饮料加工
目前，利用气流微粉碎技术已开发出的软饮料有粉茶、豆类固体饮料和超微骨粉配制富钙饮料等。

茶文化在中国有着悠久的历史，传统的饮茶是用开水冲泡茶叶，但是人体并没有大量吸收茶的营养成分，大部分蛋白质、碳水化合物及部分矿物质、维生素等都存留于茶渣中。

若将茶叶在常温、干燥状态下制成粉茶（粒径小于5um），可提高人体对其营养成分的吸收率。

将茶粉加到其他食品中，还可开发出新的茶制品[13]。

植物蛋白饮料是以富含蛋白质的植物种子和果核为原料，经浸泡、磨浆、均质等操作制成的乳状制品。

磨浆时，可用胶磨机磨至粒径5um～8um，再均质至1um～2um。

在这样的粒度下，蛋白质固体颗粒、脂肪颗粒变小，从而防止了蛋白质下沉和脂肪上浮。

3.3.2果蔬加工
蔬菜在低温下磨成微膏粉，既保存了营养素，其纤维质也因微细化而使口感更佳。

例如，人们一般将其视为废物的柿树叶富含V C、芦丁、胆碱、黄酮甙、胡萝卜素、多糖、氨基酸及多种微量元素，若经超微粉碎加工成柿叶精粉，可作为食品添加剂制成面条、面包等各类柿叶保健食品，也可以制成柿叶保健茶。

成人每日饮用柿叶茶6g，可获取V C20mg，具有明显的阻断亚硝胺致癌物生成的作用。

另外，柿叶茶不含咖啡碱，风味独特，清香自然。

可见，开发柿叶产品，可变废为宝，前景广阔[14]。

3.3.3粮油加工
将超微粉碎的麦麸粉、大豆微粉等加到面粉中，可制成高纤维或高蛋白面粉；稻米、小麦等粮食类加工成超微米粉由于粒度细小，表面态淀粉受到活化，将其填充或混配制成的食品具有优良的加工性能，且易于熟化，风味、口感好；大豆经超微粉碎后加工成豆奶粉，可以脱去腥味；绿豆、红豆等其它豆类也可经超微粉碎后制成高质量的豆沙、豆奶等产品[15]。

3.3.4水产品加工
螺旋藻、海带、珍珠、龟鳖、鲨鱼软骨等超微粉具有独特的优点。

例如，珍珠粉的传统加工是经过十几个h的球磨使颗粒度达几百目；而若在-67℃左右的低温和严格的净化气流条件下瞬时粉碎珍珠，可以得到平均粒径为10um以下的超微珍珠粉。

与传统加工相比，此法充分保留了珍珠的有效成分，其钙含量高达42%，可作为药膳或食品添加剂，制成补钙营养品。

3.3.5功能性食品加工
“药食同源”、“食疗重于药疗”的思想已普遍为人们接受。

对于功能性食品的生产，超微粉碎技术主要在其基料（如膳食纤维，脂肪替代品等）的制备中起作用。

超微粉体可提高功能物质的生物利用度，降低在食品中的用量；其微粒子在人体内的缓释作用，又可使功效性延长。

3.3.6调味品加工
作为一种新型的食品加工技术，超微粉碎可使传统调味料（主要是香辛料）细碎成粒度均一、分散性好的优良超微颗粒。

随着粒径的减小，其流动性、溶解度和吸收率均有所增加，巨大孔隙率使得孔腔容纳的香气经久不散，因而超微粉调味品的香味和滋味非常浓郁、纯正，入味效果也更佳，适于生产速溶、方便食品[16]。

3.3.7畜禽制品加工
随着人们对饮食营养的日益重视，绿色肉类粉体食品逐渐成为了市场上的热点。

4食品工业中应用超微粉碎技术的优点
4.1效率高
由于超微粉碎技术采用了超低速气流粉碎的粉碎方法，其粉碎的速度快，瞬间即可完成，因而能最大限度地保留粉体中生物活性成分，有利于制成所需的高质量产品。

4.2营养成分易保留
在超微粉碎中冷浆粉碎方法的应用，使物料在粉碎过程中不产生局部过热现象，在低温状
态下也能达到粉碎的目的，避免了在高温下营养的损失[17]。

4.3粒径细，分布均匀
由于采用超低速气流粉碎，原料上力的分布是很均匀的。

分级系统的设置，既严格限制了大颗粒，又控制了过小颗粒，得到粒径分布均匀的超细粉，同时很大程度上增加了微粉的比表面，吸附性、溶解性等[18]。

4.4节省原料，提高利用率
物体经超微粉碎后，超细粉一般可直接用于制剂生产，而用常规粉碎方法得到的产物仍需一些中间环节，才能达到直接用于生产的要求，这样很可能会造成原料的浪费。

4.5减少污染
超微粉碎是在封闭系统下进行粉碎的，既避免了微粉污染周围环境，又可防止空气中的灰尘污染产品。

在食品及医疗保健品中运用该技术，使微生物含量以及灰尘含量能得以极大的控制[19]。

4.6提高发酵、酶解过程的化学反应速度
由于经过超微粉碎后的原料，具有极大的比表面，在生物、化学等反应过程中，反应接触的面积大大增加了，因而可以提高反应速度，在生产中节约时间，提高效率。

4.7利于机体对食品营养成分的吸收
研究表明经过超微粉碎后的食品，尤其是保健食品，更容易被机体所吸收，这是因为一般粉粒进入胃中，在胃液的作用下吸水溶胀，在进入小肠的过程中有效成分根据简单扩散的原理不断地通过细胞壁及细胞膜释放出来，由小肠吸收。

因颗粒的粒径较大，位于粒子内部的有效成分将穿过几个或数十个细胞壁及细胞膜方可释放出来，每个细胞壁及细胞膜两侧的有效成分的浓度差就会非常低，释放速度很慢，而颗粒在体内停留时间是有限的；并且小肠的蠕动方式造成了有效成分在细胞周围的浓度会高于小肠壁上的浓度，而使细胞壁内外的浓度差难以提高，减缓了释放速度[20]。

其中相当一部分粒子的有效成分在未完全释放出来之前就被排出体外，使食品的生物利用率降低。

经过超微粉碎的食品，由于其粒径非常小，营养物质不必经过较长的路程就能释放出来，并且微粉体由于小而更容易吸附在小肠内壁，这样也加速了营养物质的释放速率，使食品在小肠内有足够的时间被吸收。

5超微粉碎技术的发展趋势
国外超微粉碎技术开始于40 年代，到了60 年代得到了迅速发展，开始对粉体工程学进行系统的研究。

目前，世界上对超微粉碎技术的研究正处于活跃期；国内对超微粉碎技术的研究晚于国外十几年，并且发展缓慢，到80 年代才得以迅猛发展，80 年代后期才开始对粉体工程学进行系统研究：随着国民经济的迅猛发展，全国各地涌现出来的各类粉体工程研究所、粉体技术开发公司、专业粉体产品和设备生产厂家近百余所，全国性的相关学术和信息机构也逐渐成立[21]。

目前，由于对粉碎机理的论述难以解释清楚，因此我国的超微粉碎理论研究明显落后于设备开发，市场上现有的超微粉碎设备中许多品种是仿造派生的，自主研发不够，就是对超微粉碎理论研究不够深入和准确的表现。

超微粉碎新理论的研究应通过深入分析物料的破碎过程和破碎机理，得出粉碎过程的能耗原理和功耗状态方程式，最大限度地降低破碎过程中的能量消耗是新理念研究的重点。

当前国内的现状是急需开发高性能、适用性广泛、简易而加工程度高的或者专业性特别强的特种超微粉碎设备，以适应市场对于不同性质物料的超微粉体的需要。

超微粉碎设备应根据有机物料和无机物料，脆性物料和韧性物料的不同，有针对的进行破碎[22]。

6结束语
虽然超微粉碎技术尚处于起步阶段, 仍存在一些有待解决的问题, 但其特点与优势是公认的。

随着测量技术和粉碎理论的不断发展与完善, 随着制备工程学的逐步建立以及粉粒稳定性与微粒最适度筛选确定等基础性问题的解决, 超微粉碎技术必将进一步在食品、中药、农产品等行业得到广泛应用。

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