超微粉碎技術在農產品加工中的應用

周維維，劉 帆，謝 曦，陳 瑋，陳方琪，朱淑嫻，劉東杰，王 琴

（1.仲愷農業工程學院輕工食品學院，廣東廣州510225；2.仲愷廣梅研究院，廣東梅州514500；3.廣東省嶺南特色食品科學與技術重點實驗室，廣東廣州510225）

0 引言

超微粉碎技術，是一項新型的精細粉碎加工技術，通過利用機械及流體作用力克服體內的凝聚力使物料破壁至粉碎，使粒徑在3 mm以上的物料顆粒碎到10～25 μm的技術[1]。超微粉技術會顯著改變粉體的持油力、膨脹度和流動性等理化特性，使得物料更加適應生產加工的需要[2]。同時，超微粉體技術加工形成的粉體微細化特性顯著改變農產品營養物質的釋放和生物利用度。近年來，已在動物飼料、食品、中藥品、化妝品等領域應用廣泛[1]。

1 超微粉碎技術意義及原理

目前，將超微粉碎生產技術劃分的主要方式有兩類，分別是化學合成法和機械粉碎法：化學合成法主要是使用化學藥劑合成的方式，原料產量較低同時有較高的技術加工成本，技術應用范圍限制；機械粉碎法的加工成本與化學合成方法相比稍低、產量更大，是目前制備超微破碎粉體的最主要粉碎方式，現已大規模應用在各類工業生產中[3]。超微粉碎還可以再細分為干法和濕法2種。

超微粉碎分類及原理見表1[4]。

表1 超微粉碎分類及原理

2 超微粉碎技術的特點

2.1 粉碎速度快，溫度可控性好

超微粉碎技術的整個過程中基本不會產生過熱情況，低溫狀態下也可以工作，是一種低溫研磨技術[19]。微粉工藝過程持續時間短，大部分的含有生物活性化學成分基本不會被該過程帶走，有利于制成所有必需的高品質微粉產品。超微粉碎技術可以根據不同物料的需要，采用中、低或者超低溫粉碎，讓物料的性質及加工要求達到所需的效果。符群等人[20]對薇菜超微粉建立體外消化吸收模型，分析超微粉后薇菜粉黃酮、多酚總量的生物利用率、釋放量。結果表明，超微粉碎后薇菜粉體兩者均有了顯著提升，提高的量分別為總黃酮生物利用率6.09%和3.58%，總多酚生物利用率6.41%和6.72%，總黃酮釋放量分別增加8.35±0.57 mg/g，7.27±0.74 mg/g；總多酚釋放量分別增加3.44 mg±0.43 mg/g，3.67±0.44 mg/g。

2.2 粉體粒徑小且分布均勻、改良物料理化性質、提高反應速度

由于超微粉碎技術在原料上使用的外力分布是很均勻的，得到的粉末粒徑分布均勻。經過各種超微粉碎處理技術，物料的比重和表面積逐漸增大，當進行各種生物、化學反應時接觸面積增大，溶解速度、反應速率等就被提高。例如，張潔等人[21]將這種超微粉技術廣泛應用于我國食品工業中，在一定程度上大幅增加了食品粉體的比重和表面積，吸附性、溶解性等顯著增大。Kurek W等人[22]研究發現，將燕麥纖維進行超微粉碎后添加到小麥粉面團中，超微粉碎程度與面團含水量和彈性呈正比。

超微粉碎技術節約生產時間、提高生產效率。向天勇等人[23]通過大量研究表明，當作物秸稈經超微粉后，該理化性質明顯產生改變，植物纖維結構成分得以合理的利用，植物纖維在動物體內吸收減少，同時具有補充腸胃道營養素和提高腸胃道蠕動的作用，從而促進大便排出。營養素組成也比較科學合理，同時在飼料制造的過程中明顯提高了飼料發酵效果。將骨頭進行超微粉碎獲得果粉后進行酶解，其酶解速率顯著提高，鈣的溶出率提高21%[24]。

2.3 節省加工原料，提高原料利用率

有些纖維化較大的物料不適合采用常規的粉碎方法，形成顆粒較大會造成原材料的大量浪費，而且大部分生產過程中還需要中間過程才能達到被利用的要求。超微粉碎技術生產的產品可以直接應用于生產過程中，適用于稀有珍貴的原料使用。

2.4 減少周圍環境污染，提高加工物料質量

超微粉碎的整個加工過程是在封閉環境中進行的，在此加工過程中防止外界污染的同時也不會對外界造成污染。該技術適合運用在高標準環境要求下的食品及醫療保健品中。超微粉碎技術是一個物理加工過程，不會摻雜和混入其他物質，特別是在中草藥的加工過程中天然性這個特性就會被保證，因此該技術保證了原料的天然性和安全性。

2.5 提高機體對營養成分的消化吸收

根據研究表明，經過超微粉碎之后的物料進入消化系統以后，其粒徑非常小，在10～25 μm甚至以下，養分不會通過較長而復雜的途徑后才釋放出來，而且因為顆粒較小更易于被吸收到小腸內壁，從而提高了養分的排出速度，讓原料有更充分的時間被吸收利用[3]。劉蕊等人[25]研究發現，葛根芩連湯在經過超微粉碎后，葛根素、紅姜苷的含量較細粉前分別增加56.10%，41.73%，說明超微水平的粉碎技術可明顯提高葛根素和紅姜苷的溶出率。劉瑩等人[26]對比超微粉與普通粉白芨之間的抗潰瘍效應，根據研究結果得出，超微粉的抗潰瘍效應明顯較高，而且經超微水平粉碎后的白芨具有較優良的光吸收性、溶解度、生物學活性等，其主要活性成分被直接釋放出來。消化性潰瘍主要是由于瘡瘍在人體內不易干燥結痂、愈合后所產生的。使用了微粉化的白芨，接觸面積增加，使得瘡瘍和藥物進行更有效的接觸，從而增強的醫療效果，提高白芨的藥效作用。

3 超微粉碎技術研究現狀

3.1 超微粉碎技術在不同領域中的應用

3.1.1 在食品中的應用

超微粉碎技術已被很多研究者重視，將其應用于更多新產品的開發，不斷擴大食品原料加工的范圍。雖然才問世不久，但在很多食品加工中都已被應用。

七大類食品超微粉見表2。

表2 七大類食品超微粉

超微粉碎技術的不斷發展，促進了農產品加工技術的改進和創新。劉振春等人[27]將超微粉碎技術應用于花生與香米冰激凌的研發中，獲得了口味美好、味道獨特、營養豐富的產品。胥佳等人[28]利用超微粉碎技術對葡萄籽中主要營養物影響進行研究，結果證明超微粉碎處理后的籽中原花青素釋放量及不飽和脂肪酸保留量均有提高，特別適合于在葡萄皮渣精深加工中的推廣應用。傅茂潤等人[29]將超微技術應用于糯米加工，大大改善了超細粉體特性與加工特征，并證明了由于糯米粉粒度的降低，粉狀物料的溶解度明顯提高，煳化過程溫度降低，穩定性、酶解性、高持水能力、流動性等都獲得了提高。當使用富含粗纖維的新鮮生姜經超微分離后即可獲得10 μm以下的細顆粒時，纖維素的各種剛性和有序性的結構被有效破壞，粉體的化學結晶度和物理強度增強，其理化性能明顯改變[30]。

正是由于超微粉碎技術在改變物料物性、提高有效物溶出率等方面有顯著優勢，超微粉碎產品作為食品原料被廣泛應用到新型營養食品的開發中。利用微米級粒徑吸水性、韌性好的特點，將纖維狀農產品加工成超微粉體用于蛋糕[31]、餅干[32]的制作中。超微粉碎后粒徑的表面積增大、溶解性增強，易于開發各種速溶性風味產品[33]。在水產品和畜牧產品的應用中，將含鈣量高、不易破碎的海產品殼[34]和畜產品骨頭[24]應用于高鈣食品，如香腸、鈣片的開發。

此外，超微粉碎在果蔬全果利用中有著獨特的優勢。水果在種植、鮮食及加工過程還會產生殘次果、落果、果皮、果核（籽）等全產物，并且很多生物活性物質如黃酮類化合物多存在于果皮、果核中[35]，如不對其加以利用，勢必造成資源的極大浪費。柚子課題組為逐步提高新鮮柚子皮、肉、瓤籽料的綜合利用率，基于低溫超微粉碎處理技術、真空冷凍干燥處理技術、水分遷移監控技術、低溫生物脫苦技術等技術精準聯合，建立了一套無差別化全果利用非熱加工體系。未來會以嶺南果蔬為原料，結合超微粉碎、冷凍干燥等物理技術和低溫酶解等生物學技術，開發出一套果蔬原料的低溫保質且無渣化加工技術體系，使果蔬原料加工能迎合“大健康”和“綠色加工”的需求，又能在企業中規模化開展，具有一定的創新性和實用性。

3.1.2 在中草藥中的應用

在我國，可入藥的植物有上千甚至上萬種，但是其大部分有效成分存在于細胞壁內。草藥超微粉碎研制技術主要是對普通粉碎研制技術，主要的研究目標任務為粉碎細胞間的相互粉碎，所追求的技術目標為粉碎細胞的均勻破壁率，既充實了中國傳統超微中草藥粉碎研究技術內涵，也將給傳統中藥的現代化生產、應用與研究帶來新的生命力[3]。近年來，中醫藥界的研究熱點集中于將超微粉碎技術運用于中藥飲片改革，并成功克服了中、西醫的精細化問題和低吸收率問題，從而具備了節省藥材的同時可控制品質、方便食用的特點優勢[36]。高曉慧等人[37]對比茯苓中藥飲片的超微粉與傳統的不同，結果顯示超微粉碎后的茯苓大大提高了水溶性浸出物含量和茯苓多糖的溶出度。杜曉敏等人[38]對比了地黃超微粉和傳統粉對于幼小的雄性小鼠成長過程和生殖系統的影響，在同樣劑量的情況下，超微粉的藥效影響更好。蔡光先等人[39]研究對比了白參的中藥飲片超微粉和傳統健脾功效之間的關系，研究成果證實超微粉可以降低藥物劑量，而且藥效作用是普通粉的2倍。藥劑學家的研究結果表明，藥物的溶解吸收與不同粒子表面積大小有關，粒徑越小，接觸的表面積越大，溶解性越好，藥效也就越好[40]。近年來，超微粉碎技術在中草藥領域的引入和發展使得該技術的各種優勢慢慢地浮出水面，得到了消費者的重視，經過很多專家研究分析這即將會為相關的行業帶來更好的經濟效益和社會效益。

3.1.3 在化妝品中的應用

隨著物質水平和生活質量水平逐步提高，人們不僅更加注重飲食營養，而且越來越來多的女性更加關注化妝品的安全性，甚至部分男性開始追求美，從而促進了化妝品產業的發展。許多化妝品中會使用到許多生物活性物質和中草藥粉，不過由于傳統的粉碎方法會造成該類化妝品在低溫下難以溶入水中或難以被肌膚所吸收等問題，而將原料進行超微粉碎，則可以極大減少生物活性物質的水解溫度，從而促進生物活性的發揮和維持[41]。

王奕[42]對一款凝膠面膜的配方進行改造，在原配方中加入經過超微粉碎后的綠茶粉，試驗結果表明，新配方的面膜與皮膚之間的貼合度提高，且保濕度度也提高了。Rangam R等人[43]制成了粒度為1.5 μm的羊毛超微粉，結果表明超微粉的羊毛表面積比普通粉羊毛增大了700倍，且黏力極大增強，因此可以提高化妝品的品質性能。

3.2 超微粉碎技術存在的不足

超微粉技術是一項新型農產品加工技術，仍處于發展階段，尚缺少相關技術標準、評價標準等，具體問題包括以下3個方面：

（1）超微粉技術中缺乏對粉體顆粒大小的測量與描述方法。因為原料特性如材料的機械性能、物質含水量等，以及超微粉碎工藝，再如時間、入磨粒度、物料填充率等的不同，導致了粉狀物質粒子的不同形態和結構等特征差別較大，其中粉狀物質粒度和群集特征的測量與定量研究尤為關鍵，這些特征主要涉及粉狀物質粒子的尺寸分布、形態結構的均一性、組成成分等。目前，使用的方法主要包括篩分法、沉降法、激光法、顯微鏡法、掃描電鏡法等，通過對各種方法的對比研究，確立細化顆粒的表征特性及其范圍，創建適合不同農產品原料的測定方法和范圍標準，可以指導超微粉碎加工工藝優化，實現高效率、低能耗下粒徑的精準控制，證實了構建超微粉碎加工技術標準體系的必要。

（2）缺乏對農產品原料超微粉碎加工適應性評價。并不是所有農產品都適宜超微粉碎加工，也不是粉末越細越好。對于一些富含芳香性和具有揮發性的化學物質，超微粉碎過后的顆粒破壁率都比較高，就可能會直接造成一定的揮發性化學物質含量損失，尤其是那些含量比較少的化學成分。還有一些含淀粉含量高的農產品，采用超微粉碎技術釋放大量淀粉后會影響其他有效成分的釋放和吸收[44]。

（3）超微粉碎技術缺乏質量控制標準和營養安全評價。超微粉碎技術在中草藥的應用中，人們常說是藥三分毒，由于中草藥成分中很多成分都是比較溫和的，但是經過超微粉碎加工后使某些成分的含量增大，藥性就會隨之增大，故毒性反應可能會增強。華春玉[45]進行小鼠急性毒性反應與馬錢子傳統粉與微粉之間的試驗，測定兩者的半數致死量，發現使用的微粉粒徑減小，可極大程度上增加其在體內的成分消化吸收，結果顯示超微粉碎粉體的毒性大于傳統粉體。還有一些寶貴的藥材在經過超微粉碎過后較易發生出現細微顆粒變色的特殊現象，其原因是，水分平衡和某些物理性質都出現了改變導致顏色上的差別，如靈芝孢子粉在超微粉碎破壁之后色澤會加深。因此，要明確農產品前處理過程、物料含水量、超微粉碎環境、成分溶出變化等對超微粉碎產品質量的影響，建立標準化質量安全和營養評價體系。

4 結語

超微粉碎加工技術屬于一門全新的跨領域技術。“超微等技術項目”被加入《2005年度科技型中小企業創新基金項目指南》，是國家重點資金扶持的中小型企業創新試點項目。在《鼓勵外商投資高新技術產品目錄》中，明確規定了“微粉碎、超微粉碎設備”歸屬于“農副產品貯藏、加工新技術產品及設備”中[41]，正逐漸被研究者和行業所重視。該技術具有適用范圍比較廣、增長速度快、工序操作簡便、商品的附加值高、效益明顯等優勢，能提高食物的口味，增加營養溶出量和機體吸收率，可以研制新保健食品和添加劑，使資源合理化利用。超微粉碎技術可以聯合冷凍干燥技術等干燥技術[46]、微射流瞬時高壓[47]等新型加工技術應用在食品加工方面，能對食品或食品原料產生積極的影響[48]。

超微粉碎技術確實帶來了很多便利和好處，但是同時也會存在一些不足[49]。不同農產品加工特性對超微粉碎技術的影響還有待研究，超微粉碎造成細胞級破碎而釋放出大量物質安全性問題、活性物質的營養功效仍需進一步探索，清晰的概念、統一的檢測方法、規范的生產工藝標準有待建立。超微粉碎加工技術在我國農產品飼料加工行業中的廣泛應用剛剛開始起步，距離產業化、應用化還有一定差距，還需要相關成熟的標準來支持。相信在許多技術專家和業內學者的努力研究下，超微粉碎設備技術不斷發展和創新，在有效促進我國相關科技產業持續發展壯大的同時也一定能為以后農產品和資源的綜合開發及利用管理提供更加廣闊的發展平臺。