高压微通道射流技术对谷物超细微粉碎及其减菌作用

李娟，许雪儿，余培斌，尹仁文，葛斌权，王昕月，陈正行

(江南大学,食品科学与技术国家重点实验室，粮食发酵工艺与技术国家工程实验室；江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122)

高压微通道射流技术对谷物超细微粉碎及其减菌作用

李娟，许雪儿，余培斌，尹仁文，葛斌权，王昕月，陈正行*

(江南大学,食品科学与技术国家重点实验室，粮食发酵工艺与技术国家工程实验室；江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122)

以小米米糠、大米米糠、麦麸、糙米、白糯米为原料，采用高压微通道射流技术对谷物原料进行湿法粉碎，探究原料、粉碎压力和循环次数对样品粒径的影响，以及高压微通道射流技术对物料的减菌效果。实验结果表明，经过高压微通道射流技术对谷物原料实施粉碎，小米米糠、大米米糠、麦麸、糙米、白糯米粒径得到显著减小，尤其是经过高压微通道射流处理1次后，物料的粒径显著减小。其中，糙米和白糯米的粒径经高压微通道射流处理1次后，平均粒径D50减小至10 μm以下。将黄豆、牛奶和白糯米3种物料进行高压微通道射流处理，微生物菌落总数减少了80%以上，起到了一定的减菌作用，可达到延长产品保质期的目的。

高压微通道射流技术；谷物超细微粉碎；减菌作用

近年来，人们逐渐认识到谷物尤其是全谷物的营养价值，但是其口感问题一直未得到有效解决，难粉碎和利用率低是全谷物所面临的共性难题[1-2]。通常，我们将谷物难粉碎的部分包括米糠和麸皮等进行剥离，来提高谷物的粉碎精度。而将营养成分丰富、纤维含量高的米糠或麦麸作为粮食作物精深加工的副产品，不仅造成了粮食资源的浪费，而且不利于我国的营养膳食结构的均衡。因此，探索一种高效、节能、环保的粉碎方式迫在眉睫。

高压微通道射流技术是在开发最新一代的高压微通道反应器平台技术的过程中诞生的最新物料预处理技术，可广泛应用于食品加工中粉碎机械设备系统并具有一定的灭菌功能。本发明利用高压微通道射流技术实现物料在高压射流引导下导入微通道射流超微粉碎器，对介质进行射流超细均质乳化处理[3-4]。高压泵将介质进行加压，通过调压装置使物料在特定压力下通过能产生湍流、层流和对冲空化射流的粉碎微通道[5]。物料在高速剪切效应、高压射流对冲撞击能量、流道瞬时压降产生的空穴效应三重作用下，实现高效超微粉碎、均质、乳化和灭菌[6]。粉碎粒径可达几十微米至几微米，乳化粒径可达纳米级窄峰分布。

与传统湿法加工技术，如压榨机、磨浆机、均质机和胶体磨相比，微通道射流技术的优点主要表现在：(1)超细的粉碎效果，可使物料粒度降低一个数量等级[7-8]；(2)高密度能量聚焦方式，使得能耗大幅下降；(3)集粉碎、均质、乳化为一体，简化传统工艺过程；(4)闭路的工艺过程，降低环境污染；(5)连续流的设备构成，增强工艺过程的安全稳定。目前，高压微通道射流技术已在食品、发酵、生物、医药和化工等领域有着广泛的运用[9-10]。其中食品加工方面的应用主要集中在原材料的湿法粉碎以及液体制品如饮料等方面的加工。

本研究通过采用高压微通道射流技术对小米米糠、大米米糠、麦麸、糙米和白糯米5种原料在不同粉碎压力和循环次数条件下探索其粉碎效果。此外，并对高压微通道射流技术的减菌作用进行分析研究。因此，本论文旨在利用高压微通道射流技术为谷物及全谷物难粉碎这一关键科学问题提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新疆小米米糠，深圳华大基因有限公司；糙米，无锡原粮工坊有限公司；白糯米，黄国粮业股份有限公司。大米米糠、麦麸，无锡布勒投资有限公司；黄豆和牛奶，购自无锡欧尚超市(高浪路店)，其他试剂，购自国药集团化学试剂有限公司。

高压微通道射流超细微粉碎机，浙江大农有限公司；BT-9300S激光粒度分布仪，丹东百特有限公司；XL-21气流粉碎机，温岭市大德中药机械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 谷物粉的制备

将小米米糠、大米米糠、麦麸、糙米和白糯米原料分别用气流粉碎机进行粉碎处理，并对其进行粒径测定，取平均粒径D50作为高压微通道射流处理前的初始粒径，每个样品重复测定3次。

1.2.2 高压微通道射流处理

分别称取3 kg的小米米糠、大米米糠、麦麸、糙米和白糯米粉与水进行混合，制备成10%的谷物粉浆液。设定不同的高压微通道射流粉碎压力(20、40、60 MPa)和不同循环次数(1、2、3次)分别对这5种谷物粉浆液进行湿法粉碎处理。经高压微通道射流技术处理后的样品立即进行粒径分析测定，取平均粒径D50作为高压微通道射流处理后的粒径，每个样品重复测定3次。

1.2.3 粒径测定

将1.2.1～1.2.2所制得样品使用激光粒度分布仪进行分析测定。将待测样品逐滴滴入激光粒度分布仪样品池中直至仪器显示遮光度范围在15%～25%之间，由系统给出粒子体积为权重的重量平均粒径分布。激光功率为75 mW，室温下测定，每个样品重复测定3次。

1.2.4 微生物培养实验

(1)液体物料制备：将黄豆浸泡、粗粉碎(打浆)后制得粗豆浆液(豆浆质量分数10%)；将购买的牛奶样品暴露于空气中24 h作为初始牛奶样品；粗白糯米浆液制备如1.2.1所示(白糯米浆质量分数10%)。对上述3种初始样品取样并进行微生物培养实验。

(2)高压微通道射流处理：将(1)中制备好的3种初始液体样品(豆浆、牛奶和白糯米浆)，分别经高压微通道射流处理，处理压力为60 MPa，循环次数为1次后，得到高压微通道射流处理后样品，对其取样并进行微生物培养实验。

(3)按照国标GB 4789.2—2010食品中微生物测定方法，分别测定豆浆、牛奶和白糯米浆3种样品经高压微通道射流处理前后样品的菌落总数。

1.2.5 数据统计与分析

采用Origin 9.0软件对实验数据进行图形处理；采用SPSS 20.0和Excel软件对实验数据进行显著性分析，p<0.01为极显著，p<0.05为显著。

2 结果与讨论

2.1 高压微通道射流技术对谷物原料粉碎效果比较分析

小米米糠、大米米糠、麦麸、糙米和白糯米粉经高压微通道射流处理前后，在不同粉碎压力(20、40、60 MPa)和循环次数(1、2、3次)条件下的平均粒径D50值如表1所示。

表1 高压微通道射流技术对5种谷物原料粉碎粒径D50的影响 单位：μmTable 1 Effects of high-pressure microchannel fludizer on particle size of five different grain materials

注：MB，小米米糠；RB，大米米糠；GR，白糯米。同一行不同字母表示差异显著。

当高压微通道粉碎压力为20～60 MPa时，小米米糠、大米米糠、麦麸、糙米和白糯米粒径均随高压微通道射流处理压力的增大而减小。这可能是由于随着压力的增大，含有固体颗粒的多相流导入微通道后，原料间的撞击和剪切也随之增大。在狭窄的微通道中，高速射流产生空穴效应，利用空化和对撞产生的综合高密度能量达到减小物料粒径的效果[11]。王辉等人在对蛋清蛋白溶液进行高压微射流处理时，发现样品粒径在处理后前尺寸分布较宽，处理后其粒径分布明显减小，且分布较为集中[12]。CHENG等人也表明由于微通道压力的增大，导致物料液滴内部产生巨大的破坏力量，从而使得样品粒度有明显减小的趋势。但除麦麸以外的原料随着压力的增大粒径减小效果并不显著，可能是与原料本身的性质和微通道技术压力值较低有关[13]。

另外，高压微通道射流处理循环次数与谷物粉粒径呈现一定负相关关系。随着微通道循环处理次数的增加，小米米糠、大米米糠、麦麸、糙米、白糯米粒径数值上均显著减小。这是因为随着微通道循环次数的增多，物料撞击概率也增大，导致含有固体颗粒的多相流经过多次的撞击和剪切[14]，达到减小粒径的效果。其中，经高压微通道射流循环处理的1次的物料平均粒径D50值有极显著的减小(p<0.01)；当循环处理2次以后，部分物料和处理压力条件下的平均粒径有显著减小(p<0.05)，部分物料和处理压力条件下的平均粒径无显著差异(p>0.05)。本研究结果与LAURA LEE等人研究发现的高压微射流处理样品的循环次数有极限值，根据设备的不同极限次数和粒径都有所不同的结论一致[15]。

经过高压微通道射流处理后5种谷物样品在不同压力条件下，循环处理1次之后的粒径都得到显著减小。其中，小米米糠、大米米糠、麦麸经过干法气流粉碎后的平均粒径D50值分别为126.00、146.07、114.30 μm。可见，对米糠和麸皮类的干法粉碎效果一般都在100 μm以上。而经过高压微通道射流在最低压力20 MPa下处理1次后，小米米糠、大米米糠和麦麸平均粒径D50值均减小至100 μm 以下；当在60 MPa下循环处理3次后，小米米糠、大米米糠和麦麸的最终平均粒径D50值为72.15、8.92、55.93 μm，其中小米米糠的D50值减少至10 μm以下。这可能是由于小米米糠的硬度值和韧性较大米米糠和麸皮小，且淀粉含量较高。此外，大米米糠和麦麸中纤维含量较高[16]，导致其致密的纤维组织较难破碎。因此，小米米糠、大米米糠和麦麸三者的粉碎难易度为大米米糠>麦麸>小米米糠。刘成梅等人指出，目前粉碎富含丰富膳食纤维样品的方法中，高压微射流处理技术是效果最好的方式，且在该技术中，其工作压力、循环次数和作用方式都是决定麸皮样品粉碎后粒径的关键因素[17]。

通过利用高压微通道射流技术对最难粉碎的米糠和麸皮样品进行粉碎实验后，对糙米和白糯米也进行高压微通道射流处理以作参比。由表1可见，糙米和白糯米经干法气流粉碎后平均粒径D50值分别为94.58和90.43 μm。经20 MPa高压微通道射流处理1次后，糙米和白糯米的平均粒径D50值显著减小(p<0.01)，其中白糯米的D50值减小至10 μm以下；在20 MPa下经2次循环处理后，糙米和白糯米的平均粒径D50值均减小至10 μm以下；经60 MPa高压微通道射流循环处理3次后，糙米和白糯米的平均粒径D50值分别减少至6.75 μm和5.72 μm，基本已达到糙米和白糯米淀粉颗粒的极小值(5 μm左右)。傅茂润等人在研究白糯米的理化特性时发现，通过高压微射流超微粉碎后的白糯米粉不仅品质好，且冻融稳定性等理化特性都均有明显的改善[18]。

2.2 减菌实验

黄豆、牛奶和白糯米经高压微通道射流技术处理前后的微生物培养及菌落总数计数如表2所示。高压微通道射流技术对豆浆、牛奶和糯米浆处理后菌落总数均有明显减少的作用。其中，黄豆全豆豆浆经高压微通道射流技术处理后豆浆中的菌落总数从1.0×108CFU/mL减少至4.0×106CFU/mL(表2)，菌落总数减少了96%；经高压微通道射流技术处理后牛奶中的菌落总数从3.0×107CFU/mL降低到1.5×106CFU/mL(表2)，菌落总数减少了95%；经高压微通道射流技术处理后白糯米浆中的菌落总数从2.5×105CFU/mL降低到5.0×104CFU/mL(表2)，菌落总数减少了近80%。高压微通道射流技术处理前后的豆浆、牛奶和白糯米浆样品的微生物培养结果如图1所示。

表2 高压微通道射流技术减菌作用效果 单位：CUF/mLTable 2 Total number of bacteria before and after the high-pressure microchannel fludizer treatments

可见，高压微通道射流处理能够有效降低液体物料的菌落总数。这是由于通过高压微通道装置对介质进行加压，产生湍流、层流和对冲空化效应，对微生物细胞等产生粉碎和高速剪切作用，其瞬间能量起到一定的灭菌作用。姜梅等人使用60 MPa高压均质处理豆乳时，发现菌落总数减小了0.3个数量级，呈明显下降趋势[19]。张波波研究发现通过超高压处理草莓汁时能够有效减小菌落总数，最小达到5 CFU/mL以下[20]。刘野通过高压试验证实，大部分压力敏感性细菌在受到一定压力时可被灭除，部分耐压菌存活，但此时的活菌数已大大减少[21]。

图1 高压微通道射流技术对不同物料的减菌效果对比Fig.1 Comparison of different materials of bacteria reducing by the high-pressure microchannel fludizer注：高压微通道射流处理前(a)后(b)的黄豆豆浆；高压微通道射流处理前(c)后(d)的牛奶样品；高压微通道射流处理前(e)后(f)的白糯米浆样品。

目前，市场上的食品多采用传统的高压热杀菌方法，此方法对于部分食品的风味及口感有不同程度的影响和破坏。而且，传统的杀菌压力需要达到100 MPa以上，其能耗和热损失都比较高。高压微通道射流技术可在一个相对处理压力比较低的条件下(20～100 MPa)且不发生升温的情况下对物料进行减菌处理，保留了食品原有的营养成分和风味，且在处理过程中的能耗和热损失都较传统的方法大幅降低。因此，高压微通道射流技术在液体产品的保质保鲜和提高产品贮藏稳定性等方面具有巨大的市场和良好的应用前景。

3 结论

本文通过利用高压微通道射流技术对大米米糠、小米米糠、麦麸、糙米和白糯米五种谷物原料进行超细微粉碎和对豆浆、牛奶、糯米浆减菌实验发现，高压微通道射流技术可显著降低米糠和麸皮类等纤维含量高的难粉碎物料的粒径，且对糙米和糯米具有更佳的粉碎效果(平均粒径小于10 μm)。高压微通道射流技术的粉碎压力和处理循环次数与物料最终的平均粒径具有负相关关系。高压微通道射流技术是一种集成超细微粉碎和减菌作用的高效率、低能耗的平台技术。

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Ultra-finegrindingandbacteria-reducingofgrainbasedonthehigh-pressuremicrochannelfludizer

LI Juan,XU Xue-er,YU Pei-bin,YIN Ren-wen,GE Bin-quan,WANG Xin-yue,CHEN Zheng-xing*

(State Key Laboratory of Food Science & Technology,National Engineering Laboratory for Cereal Fermention Technology,School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Millet bran,rice bran,wheat bran,brown rice,sticky rice were wet pulverized by the high-pressure microchannel fludizer.The effects of raw material,pressure and cycle times on particle sizes of the samples were investigated.Effects of the high-pressure microchannel fludizer on the microbial reduction were also studied.The experimental results showed that the particle sizes of millet bran,rice bran,wheat bran,brown rice and sticky rice were reduced significantly after the high-pressure microchannel fludizer treatments.Especially,the particle size was remarkably reduced after the first cycle.The average particle diameterD50of brown rice and sticky rice was reduced to less than 10 μm after the high-pressure microchannel fludizer treatments.The results showed that the total number of microbial decreased by at least 80%,and the high-pressure microchannel fludizer played a role in bacteria-reducing.Therefore,the shelf-life of liquid products can be extended.

high-pressure microchannel fludizer; ultra-fine grinding of grain; bacteria reducing

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013880

博士，讲师(陈正行教授为通讯作者，E-mail：zxchen2007@126.com)。

国家自然科学基金(31501407)；江南大学自主科研计划青年基金项目(JUSRP11705)

2017-01-18，改回日期：2017-02-14