氣流分級技術在食品加工中的應用

徐小青 郭禎祥 郭 嘉

(河南工業大學糧油食品學院，河南 鄭州 450001)

氣流分級技術是一種利用顆粒在空氣中的沉降速度差別進行的顆粒分級操作。食品粉狀原料的粒度大小和均勻性對其加工特性有很大的影響，隨著食品工程技術的發展以及消費者對食品多樣性需求的提高，食品加工行業對不同粒度粉體的需求日益增大。通過氣流分級機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或其他營養成分的含量[2]，滿足不同類型食品對原料加工特性和營養成分的需求，提高加工穩定性，特別是在小麥專用粉生產中具有重大意義。相較于傳統濕法分級而言，氣流分級分離條件更溫和，可以減少分級后蛋白質變性，保留生物活性物質，減少污水排放，降低能耗，綠色環保。近些年，氣流分級在化工、礦物、材料、制藥等行業的應用較為廣泛，而在食品行業中的應用尚未成熟，物料粒度控制技術、食品專用氣流分級設備的開發等問題都有待解決，這也為氣流分級技術及設備的開發與應用提供了契機[3]。本文擬對氣流分級在食品加工行業的應用進行整理和概述，為后期改善食品加工品質提供新的思路。

1 氣流分級技術

1.1 氣流分級原理

氣流分級利用不同粒度顆粒在氣體介質(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降低流速、改變流向等方法，將粗粒沉降細粒帶走，從而分離粗細粉粒[4]。

1.2 氣流分級設備的分類

物料的分級按所用介質可分為干法分級與濕法分級[5]。氣流分級屬于干法分級，其特點是用空氣作流體，操作簡便，成本較低。1885年英國人發明了第一臺動態空氣分級機，從此之后分級技術才有了較大的發展[6]，總體可分為3個階段：第一階段為以離心分級原理設計的離心式分級機[7]；第二階段為旋風式分級機[8]，這類分級機較前一階段的分級機而言分級性能得到了提高；第三階段為渦流式分級機[9]，具有分級效率高、節能等特點。

按氣流分級設備是否具有運動部件可將氣流分級機劃分為兩大類：靜態分級機和動態分級機。

(1) 靜態分級機：分級機中無運動部件，主要是重力分級機、慣性分級機、旋風分離器、螺旋線式氣流分級機和射流分級機等[10-11]，如 SUV 雙葉輪空氣分級機、O-Sepa 型渦流分級機等[12]，這類分級機構造簡單，不需動力，運行成本低，操作及維護較方便，但分級精度不高，不適于精密分級。

(2) 動態分級機：分級機中具有運動部件，主要指各種渦輪式分級機，如Turboplex ATP渦輪分級機、MS 型渦輪分級機等，這類分級機構造復雜，需要動力，能耗較高，但分級精度較高，切割粒徑調節方便，只要調節葉輪旋轉速度就能改變分級機的切割粒徑，適于精密分級。

2 氣流分級技術在食品加工中的應用

2.1 在豆類中的應用

氣流分級后的豌豆蛋白分離物具有顯著提高食品持水性的作用，對制備高蛋白質食物或蛋白功能替代物提供了有效途徑，Pelgrom等[13]用沖擊式研磨機以4 000 r/min的轉速研磨豌豆粉，之后用空氣分級提取黃豌豆中的蛋白質，當氣流分級提取的蛋白質含量達到30%時，加熱后的蛋白質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]對羽扇豆粉進行脫脂、研磨和氣流分級處理，結果發現氣流分級法僅僅改變分級產物中蛋白含量，細粉中的蛋白含量增高，粗粉中的蛋白含量降低，但對其抗氧化性和熱穩定性影響不明顯。

蠶豆種子除了含有豐富的蛋白質、維生素、礦物質和膳食纖維，還具有生物活性化合物，如抗氧化劑、酚類和γ-氨基丁酸[18]。空氣分級和發酵結合可以改善蠶豆粉的營養功能，Coda等[19]發現氣流分級可以將蠶豆粉中的蛋白質和淀粉分離，這與Gunawarden等[20]的研究結果一致，試驗發現經過分級后2種蠶豆粉產物中的植物乳桿菌比未經分級的生長的更好，并且有利于減少抗營養因子，提高游離氨基酸含量和蠶豆基質的蛋白質消化率。

豆類食品具有蛋白質豐富的特點，食品生產中可以利用豆類蛋白質代替動物蛋白，氣流分級技術代替傳統的濕法提取，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變性，保留了分級產物的生物活性物質，可以作為提取豆類蛋白的良好選擇。

2.2 在小麥加工中的應用

不同部位的小麥粉營養物質含量不同，會使小麥粉表現出不同的加工特性和消化規律[21]。通過氣流分級可以獲得高蛋白質或高營養面粉，并且不會影響面粉廠的正常生產還可降低成本，Wang等[22]研究發現氣流分級后的小麥蛋白質、脂肪、礦物質和破損淀粉含量高于同一批次的標準粉，并且小麥粉中蛋白質的富集機制比破損淀粉更為復雜。

有色小麥近幾年成為國內外研究的熱點，這些小麥中的色素、蛋白質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養特性以及感官特性，Ficco等[24]發現氣流分級后的藍皮軟質小麥粗級分和紫皮硬質小麥中級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，面包的估計血糖指數顯著降低且口感也有所改善。

氣流分級后小麥粉的不同組分表現出不同的理化性質和流變學特性，富集小麥粉中的營養物質，為獲得小麥專用粉、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，可用于生產具有健康功能的食物[25]。Ferrari等[26]試驗發現空氣分級可以適應不同的無殼品種大麥，通過建立β-葡聚糖富集與產量的曲線，選擇大麥粉產量和β-葡聚糖含量的最優組合，獲得大麥粉的β-葡聚糖含量是原來的2倍。這與Gómez-Caravaca等[27]的研究結果一致，并且發現氣流分級可以富集大麥中的酚類成分，從而改善大麥的抗氧化活性，避免副產品產生。

大麥蛋白質含量通常為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]利用氣流分級富集大麥胚乳蛋白質，結果發現大麥胚乳的空氣分級得到的蛋白質含量最高為28.3%。蛋白質含量與分級輪轉速有關，工業大麥胚乳組分可以作為各種食品或飼料的植物蛋白質成分。

氣流分級主要用于富集大麥粉中β-葡聚糖或淀粉，而蛋白質的分離一直處于次要地位，氣流分級可以富集大麥中β-葡聚糖、烷基間苯二酚等活性物質，并保留生物活性，蛋白質可以用做飼料和食品的植物蛋白添加劑，氣流分級技術是一種可持續技術，可以同時實現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用

燕麥麩的主要成分是β-葡聚糖，燕麥中的酚類和其他抗氧化物質對人體有益。開發濃縮燕麥抗氧化成分的方法將極大地促進保健品或功能性食品的生產。Stevenson等[31]的研究結果顯示同時利用超臨界二氧化碳萃取和空氣分級獲得的燕麥粗組分富集了酚類化合物且提高抗氧化能力。Gamel等[32]也發現空氣分級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]研究發現就從油菜籽粕中去除纖維的含量而言，利用研磨結合篩分的方法比利用研磨結合氣流分級的方法效果更好，并且后者耗能更高。鹽角草粕可以替代羅非魚飼料中高達40%的魚粉而不影響其生長。Wu等[34]利用氣流分級富集鹽角草的蛋白質，且富集程度和細組分的產率取決于研磨強度。氣流分級可以通過富集原料中的蛋白質以提高飼料中的蛋白質含量，一定程度上解決了飼料蛋白質含量不足的問題。

谷物燃料現在已經成為新的替代能源，生成乙醇燃料的過程中會產生副產物干酒糟。Srinivasan等[35]使用篩分和氣流分級的方法從玉米酒糟中分離纖維，發現可以有效地分離出可利用的纖維。這主要是因為每個篩分部分纖維與非纖維的球形度不同導致兩者終端速度不同，從而使纖維從玉米酒糟中分離。

3 氣流分級技術應用意義

3.1 改善谷物加工特性，改善食品口感

經過粉碎的物料再進行氣流分級所得的細組分具有很多優良特性，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增加其所制食品的吞咽難度，降低食品的適口性，氣流分級使細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，降低纖維含量

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

豆類的蛋白質含量很高，市面上的補充蛋白質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，這些產品的主要特點就是蛋白質含量較高，而豆類中纖維素含量也比較高，通過氣流分級可以富集豆類中的蛋白質，剔除殘留的纖維，為提取豆類粉制品中的蛋白質提供了一種途徑。

3.3 保留分級產物的活性物質

氣流分級無溶劑的提取方法，避免了溶劑的浪費，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變性，保留了分級產物的生物活性物質，如具有抗氧化活性的酚類物質等，減少了食品工廠工業廢水的排放，提高了副產物利用率，極大程度上增加原料或成品的附加值。

4 展望

目前，氣流分級技術在食品加工中的應用并不是很多，物料粒度控制技術、食品專用氣流分級設備的開發等問題都還有待解決。但氣流分級技術在食品加工中前景廣闊，例如可以分離發芽、蟲害的谷物原料，富集面粉中的蛋白質得到筋力更強的面粉，增加氣流分級的組分并配制更多種類的專用粉，超微分級出細組分的麥麩進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等。隨著氣流分級技術的逐步發展和精細化，將為食品加工提供更為廣闊的空間。