超微粉碎技术在农产品加工中的应用

周维维，刘 帆，谢 曦，陈 玮，陈方琪，朱淑娴，刘东杰，王 琴

（1.仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东广州510225；2.仲恺广梅研究院，广东梅州514500；3.广东省岭南特色食品科学与技术重点实验室，广东广州510225）

0 引言

超微粉碎技术，是一项新型的精细粉碎加工技术，通过利用机械及流体作用力克服体内的凝聚力使物料破壁至粉碎，使粒径在3 mm以上的物料颗粒碎到10～25 μm的技术[1]。超微粉技术会显著改变粉体的持油力、膨胀度和流动性等理化特性，使得物料更加适应生产加工的需要[2]。同时，超微粉体技术加工形成的粉体微细化特性显著改变农产品营养物质的释放和生物利用度。近年来，已在动物饲料、食品、中药品、化妆品等领域应用广泛[1]。

1 超微粉碎技术意义及原理

目前，将超微粉碎生产技术划分的主要方式有两类，分别是化学合成法和机械粉碎法：化学合成法主要是使用化学药剂合成的方式，原料产量较低同时有较高的技术加工成本，技术应用范围限制；机械粉碎法的加工成本与化学合成方法相比稍低、产量更大，是目前制备超微破碎粉体的最主要粉碎方式，现已大规模应用在各类工业生产中[3]。超微粉碎还可以再细分为干法和湿法2种。

超微粉碎分类及原理见表1[4]。

表1 超微粉碎分类及原理

2 超微粉碎技术的特点

2.1 粉碎速度快，温度可控性好

超微粉碎技术的整个过程中基本不会产生过热情况，低温状态下也可以工作，是一种低温研磨技术[19]。微粉工艺过程持续时间短，大部分的含有生物活性化学成分基本不会被该过程带走，有利于制成所有必需的高品质微粉产品。超微粉碎技术可以根据不同物料的需要，采用中、低或者超低温粉碎，让物料的性质及加工要求达到所需的效果。符群等人[20]对薇菜超微粉建立体外消化吸收模型，分析超微粉后薇菜粉黄酮、多酚总量的生物利用率、释放量。结果表明，超微粉碎后薇菜粉体两者均有了显著提升，提高的量分别为总黄酮生物利用率6.09%和3.58%，总多酚生物利用率6.41%和6.72%，总黄酮释放量分别增加8.35±0.57 mg/g，7.27±0.74 mg/g；总多酚释放量分别增加3.44 mg±0.43 mg/g，3.67±0.44 mg/g。

2.2 粉体粒径小且分布均匀、改良物料理化性质、提高反应速度

由于超微粉碎技术在原料上使用的外力分布是很均匀的，得到的粉末粒径分布均匀。经过各种超微粉碎处理技术，物料的比重和表面积逐渐增大，当进行各种生物、化学反应时接触面积增大，溶解速度、反应速率等就被提高。例如，张洁等人[21]将这种超微粉技术广泛应用于我国食品工业中，在一定程度上大幅增加了食品粉体的比重和表面积，吸附性、溶解性等显著增大。Kurek W等人[22]研究发现，将燕麦纤维进行超微粉碎后添加到小麦粉面团中，超微粉碎程度与面团含水量和弹性呈正比。

超微粉碎技术节约生产时间、提高生产效率。向天勇等人[23]通过大量研究表明，当作物秸秆经超微粉后，该理化性质明显产生改变，植物纤维结构成分得以合理的利用，植物纤维在动物体内吸收减少，同时具有补充肠胃道营养素和提高肠胃道蠕动的作用，从而促进大便排出。营养素组成也比较科学合理，同时在饲料制造的过程中明显提高了饲料发酵效果。将骨头进行超微粉碎获得果粉后进行酶解，其酶解速率显著提高，钙的溶出率提高21%[24]。

2.3 节省加工原料，提高原料利用率

有些纤维化较大的物料不适合采用常规的粉碎方法，形成颗粒较大会造成原材料的大量浪费，而且大部分生产过程中还需要中间过程才能达到被利用的要求。超微粉碎技术生产的产品可以直接应用于生产过程中，适用于稀有珍贵的原料使用。

2.4 减少周围环境污染，提高加工物料质量

超微粉碎的整个加工过程是在封闭环境中进行的，在此加工过程中防止外界污染的同时也不会对外界造成污染。该技术适合运用在高标准环境要求下的食品及医疗保健品中。超微粉碎技术是一个物理加工过程，不会掺杂和混入其他物质，特别是在中草药的加工过程中天然性这个特性就会被保证，因此该技术保证了原料的天然性和安全性。

2.5 提高机体对营养成分的消化吸收

根据研究表明，经过超微粉碎之后的物料进入消化系统以后，其粒径非常小，在10～25 μm甚至以下，养分不会通过较长而复杂的途径后才释放出来，而且因为颗粒较小更易于被吸收到小肠内壁，从而提高了养分的排出速度，让原料有更充分的时间被吸收利用[3]。刘蕊等人[25]研究发现，葛根芩连汤在经过超微粉碎后，葛根素、红姜苷的含量较细粉前分别增加56.10%，41.73%，说明超微水平的粉碎技术可明显提高葛根素和红姜苷的溶出率。刘莹等人[26]对比超微粉与普通粉白芨之间的抗溃疡效应，根据研究结果得出，超微粉的抗溃疡效应明显较高，而且经超微水平粉碎后的白芨具有较优良的光吸收性、溶解度、生物学活性等，其主要活性成分被直接释放出来。消化性溃疡主要是由于疮疡在人体内不易干燥结痂、愈合后所产生的。使用了微粉化的白芨，接触面积增加，使得疮疡和药物进行更有效的接触，从而增强的医疗效果，提高白芨的药效作用。

3 超微粉碎技术研究现状

3.1 超微粉碎技术在不同领域中的应用

3.1.1 在食品中的应用

超微粉碎技术已被很多研究者重视，将其应用于更多新产品的开发，不断扩大食品原料加工的范围。虽然才问世不久，但在很多食品加工中都已被应用。

七大类食品超微粉见表2。

表2 七大类食品超微粉

超微粉碎技术的不断发展，促进了农产品加工技术的改进和创新。刘振春等人[27]将超微粉碎技术应用于花生与香米冰激凌的研发中，获得了口味美好、味道独特、营养丰富的产品。胥佳等人[28]利用超微粉碎技术对葡萄籽中主要营养物影响进行研究，结果证明超微粉碎处理后的籽中原花青素释放量及不饱和脂肪酸保留量均有提高，特别适合于在葡萄皮渣精深加工中的推广应用。傅茂润等人[29]将超微技术应用于糯米加工，大大改善了超细粉体特性与加工特征，并证明了由于糯米粉粒度的降低，粉状物料的溶解度明显提高，煳化过程温度降低，稳定性、酶解性、高持水能力、流动性等都获得了提高。当使用富含粗纤维的新鲜生姜经超微分离后即可获得10 μm以下的细颗粒时，纤维素的各种刚性和有序性的结构被有效破坏，粉体的化学结晶度和物理强度增强，其理化性能明显改变[30]。

正是由于超微粉碎技术在改变物料物性、提高有效物溶出率等方面有显著优势，超微粉碎产品作为食品原料被广泛应用到新型营养食品的开发中。利用微米级粒径吸水性、韧性好的特点，将纤维状农产品加工成超微粉体用于蛋糕[31]、饼干[32]的制作中。超微粉碎后粒径的表面积增大、溶解性增强，易于开发各种速溶性风味产品[33]。在水产品和畜牧产品的应用中，将含钙量高、不易破碎的海产品壳[34]和畜产品骨头[24]应用于高钙食品，如香肠、钙片的开发。

此外，超微粉碎在果蔬全果利用中有着独特的优势。水果在种植、鲜食及加工过程还会产生残次果、落果、果皮、果核（籽）等全产物，并且很多生物活性物质如黄酮类化合物多存在于果皮、果核中[35]，如不对其加以利用，势必造成资源的极大浪费。柚子课题组为逐步提高新鲜柚子皮、肉、瓤籽料的综合利用率，基于低温超微粉碎处理技术、真空冷冻干燥处理技术、水分迁移监控技术、低温生物脱苦技术等技术精准联合，建立了一套无差别化全果利用非热加工体系。未来会以岭南果蔬为原料，结合超微粉碎、冷冻干燥等物理技术和低温酶解等生物学技术，开发出一套果蔬原料的低温保质且无渣化加工技术体系，使果蔬原料加工能迎合“大健康”和“绿色加工”的需求，又能在企业中规模化开展，具有一定的创新性和实用性。

3.1.2 在中草药中的应用

在我国，可入药的植物有上千甚至上万种，但是其大部分有效成分存在于细胞壁内。草药超微粉碎研制技术主要是对普通粉碎研制技术，主要的研究目标任务为粉碎细胞间的相互粉碎，所追求的技术目标为粉碎细胞的均匀破壁率，既充实了中国传统超微中草药粉碎研究技术内涵，也将给传统中药的现代化生产、应用与研究带来新的生命力[3]。近年来，中医药界的研究热点集中于将超微粉碎技术运用于中药饮片改革，并成功克服了中、西医的精细化问题和低吸收率问题，从而具备了节省药材的同时可控制品质、方便食用的特点优势[36]。高晓慧等人[37]对比茯苓中药饮片的超微粉与传统的不同，结果显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。杜晓敏等人[38]对比了地黄超微粉和传统粉对于幼小的雄性小鼠成长过程和生殖系统的影响，在同样剂量的情况下，超微粉的药效影响更好。蔡光先等人[39]研究对比了白参的中药饮片超微粉和传统健脾功效之间的关系，研究成果证实超微粉可以降低药物剂量，而且药效作用是普通粉的2倍。药剂学家的研究结果表明，药物的溶解吸收与不同粒子表面积大小有关，粒径越小，接触的表面积越大，溶解性越好，药效也就越好[40]。近年来，超微粉碎技术在中草药领域的引入和发展使得该技术的各种优势慢慢地浮出水面，得到了消费者的重视，经过很多专家研究分析这即将会为相关的行业带来更好的经济效益和社会效益。

3.1.3 在化妆品中的应用

随着物质水平和生活质量水平逐步提高，人们不仅更加注重饮食营养，而且越来越来多的女性更加关注化妆品的安全性，甚至部分男性开始追求美，从而促进了化妆品产业的发展。许多化妆品中会使用到许多生物活性物质和中草药粉，不过由于传统的粉碎方法会造成该类化妆品在低温下难以溶入水中或难以被肌肤所吸收等问题，而将原料进行超微粉碎，则可以极大减少生物活性物质的水解温度，从而促进生物活性的发挥和维持[41]。

王奕[42]对一款凝胶面膜的配方进行改造，在原配方中加入经过超微粉碎后的绿茶粉，试验结果表明，新配方的面膜与皮肤之间的贴合度提高，且保湿度度也提高了。Rangam R等人[43]制成了粒度为1.5 μm的羊毛超微粉，结果表明超微粉的羊毛表面积比普通粉羊毛增大了700倍，且黏力极大增强，因此可以提高化妆品的品质性能。

3.2 超微粉碎技术存在的不足

超微粉技术是一项新型农产品加工技术，仍处于发展阶段，尚缺少相关技术标准、评价标准等，具体问题包括以下3个方面：

（1）超微粉技术中缺乏对粉体颗粒大小的测量与描述方法。因为原料特性如材料的机械性能、物质含水量等，以及超微粉碎工艺，再如时间、入磨粒度、物料填充率等的不同，导致了粉状物质粒子的不同形态和结构等特征差别较大，其中粉状物质粒度和群集特征的测量与定量研究尤为关键，这些特征主要涉及粉状物质粒子的尺寸分布、形态结构的均一性、组成成分等。目前，使用的方法主要包括筛分法、沉降法、激光法、显微镜法、扫描电镜法等，通过对各种方法的对比研究，确立细化颗粒的表征特性及其范围，创建适合不同农产品原料的测定方法和范围标准，可以指导超微粉碎加工工艺优化，实现高效率、低能耗下粒径的精准控制，证实了构建超微粉碎加工技术标准体系的必要。

（2）缺乏对农产品原料超微粉碎加工适应性评价。并不是所有农产品都适宜超微粉碎加工，也不是粉末越细越好。对于一些富含芳香性和具有挥发性的化学物质，超微粉碎过后的颗粒破壁率都比较高，就可能会直接造成一定的挥发性化学物质含量损失，尤其是那些含量比较少的化学成分。还有一些含淀粉含量高的农产品，采用超微粉碎技术释放大量淀粉后会影响其他有效成分的释放和吸收[44]。

（3）超微粉碎技术缺乏质量控制标准和营养安全评价。超微粉碎技术在中草药的应用中，人们常说是药三分毒，由于中草药成分中很多成分都是比较温和的，但是经过超微粉碎加工后使某些成分的含量增大，药性就会随之增大，故毒性反应可能会增强。华春玉[45]进行小鼠急性毒性反应与马钱子传统粉与微粉之间的试验，测定两者的半数致死量，发现使用的微粉粒径减小，可极大程度上增加其在体内的成分消化吸收，结果显示超微粉碎粉体的毒性大于传统粉体。还有一些宝贵的药材在经过超微粉碎过后较易发生出现细微颗粒变色的特殊现象，其原因是，水分平衡和某些物理性质都出现了改变导致颜色上的差别，如灵芝孢子粉在超微粉碎破壁之后色泽会加深。因此，要明确农产品前处理过程、物料含水量、超微粉碎环境、成分溶出变化等对超微粉碎产品质量的影响，建立标准化质量安全和营养评价体系。

4 结语

超微粉碎加工技术属于一门全新的跨领域技术。“超微等技术项目”被加入《2005年度科技型中小企业创新基金项目指南》，是国家重点资金扶持的中小型企业创新试点项目。在《鼓励外商投资高新技术产品目录》中，明确规定了“微粉碎、超微粉碎设备”归属于“农副产品贮藏、加工新技术产品及设备”中[41]，正逐渐被研究者和行业所重视。该技术具有适用范围比较广、增长速度快、工序操作简便、商品的附加值高、效益明显等优势，能提高食物的口味，增加营养溶出量和机体吸收率，可以研制新保健食品和添加剂，使资源合理化利用。超微粉碎技术可以联合冷冻干燥技术等干燥技术[46]、微射流瞬时高压[47]等新型加工技术应用在食品加工方面，能对食品或食品原料产生积极的影响[48]。

超微粉碎技术确实带来了很多便利和好处，但是同时也会存在一些不足[49]。不同农产品加工特性对超微粉碎技术的影响还有待研究，超微粉碎造成细胞级破碎而释放出大量物质安全性问题、活性物质的营养功效仍需进一步探索，清晰的概念、统一的检测方法、规范的生产工艺标准有待建立。超微粉碎加工技术在我国农产品饲料加工行业中的广泛应用刚刚开始起步，距离产业化、应用化还有一定差距，还需要相关成熟的标准来支持。相信在许多技术专家和业内学者的努力研究下，超微粉碎设备技术不断发展和创新，在有效促进我国相关科技产业持续发展壮大的同时也一定能为以后农产品和资源的综合开发及利用管理提供更加广阔的发展平台。