1 粉碎原理及技術(shù)設(shè)備

1.1 粉碎原理
粉碎 是用機(jī)械力的方法來(lái)克服固體物料內(nèi)部凝聚力達(dá)到使之破碎的單元操作 ? 。 超微粉碎技術(shù)是利用各種特殊的粉碎設(shè)備，對(duì)物料進(jìn)行碾磨、沖擊、剪切等，將粒徑在 3 mm 以上的物料粉碎至粒徑為 10—25μm 以下的微細(xì)顆粒，從而使產(chǎn)品具有界面活性，呈現(xiàn)出特殊功能的過(guò)程。與傳統(tǒng)的粉碎、破碎、碾碎等加工技術(shù)相比，超微粉碎產(chǎn)品的粒度更加微小。

1.2 加工設(shè)備
超微粒粉碎設(shè)備按其作用原理可分為氣流式和機(jī)械式兩大類。氣流式粉碎設(shè)備是利用轉(zhuǎn)子線速度所產(chǎn)生的超高速氣流，將產(chǎn)品加速到超高速氣流中，轉(zhuǎn)子上設(shè)置若干交錯(cuò)排列的、能產(chǎn)生變速渦流的小室，形成高頻振動(dòng)，使產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)方向和速度瞬間產(chǎn)生劇烈變化，促使產(chǎn)品顆粒間急促撞擊、摩擦，從而達(dá)到粉碎的目的。與普通機(jī)械式超微粉碎相比，氣流粉碎可將產(chǎn)品粉碎得很細(xì)，粒度分布范圍很窄，即粒度更均勻。又因?yàn)闅怏w在噴嘴處膨脹可降溫，粉碎過(guò)程不產(chǎn)生熱量，所以粉碎溫升很低。這一特性對(duì)于低熔點(diǎn)和熱敏性物料的超微粉碎特別重要。其缺點(diǎn)是能耗大，一般認(rèn)為要高出其他粉碎方法數(shù)倍 。機(jī)械式又分為球磨機(jī)、沖擊式微粉碎機(jī)、膠體磨和超聲波粉碎機(jī) 4 類。高頻超聲波是由超聲波發(fā)生器和換能器產(chǎn)生的。超聲波在待處理的物料中引起超聲空化效應(yīng)，由于超聲波傳播時(shí)產(chǎn)生疏密區(qū)，而負(fù)壓可在介質(zhì)中產(chǎn)生許多空腔，這些空腔隨振動(dòng)的高頻壓力變化而膨脹、爆炸，真空腔爆炸時(shí)能將物料震碎。同時(shí)由于超聲波在液體中傳播時(shí)產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)作用，使顆粒產(chǎn)生很大的速度，從而相互碰撞或與容器碰撞而擊碎液體中的固體顆粒或生物組織。超聲粉碎后顆粒在 4μm 以下，而且粒度分布均勻。

1.3 物料的粉碎過(guò)程
目前，人們對(duì)粉碎機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不徹底，通常認(rèn)為物料受到不同粉碎力作用后，首先要產(chǎn)生相應(yīng)的變形或應(yīng)變，并以變形能的形式積蓄于物料內(nèi)部。當(dāng)局部積蓄的變形能超過(guò)某臨界植時(shí)，裂解就發(fā)生在脆弱的斷裂線上。從這一角度分析，粉碎至少需要兩方面的能量：一是裂解發(fā)生前的變形能，這部分能量與顆粒的體積有關(guān)；二是裂解發(fā)生后出現(xiàn)新表面所需的表面能，這部分能量與新出現(xiàn)的表面積的大小有關(guān) 到達(dá)臨界狀態(tài) (未裂解) 的變形能隨顆粒體積的減小雨增大。這是因?yàn)轭w粒越小，顆粒表面或內(nèi)部存在缺陷可能性就越小，受力時(shí)顆粒內(nèi)部應(yīng)力分布比較均勻，這就使得小顆粒所需的臨界應(yīng)力比大顆粒所需的大，因而消耗的變形能也較大。這就是粉碎操作為什么隨著粒度減小雨變得愈困難的原因。
在粒度相同的情況下，由于物料的力學(xué)性質(zhì)不同所需的臨界變形能也不同。物料受到應(yīng)力作用時(shí)，在彈性極限力以下則發(fā)生彈性形變；當(dāng)作用的力在彈性極限力以上則發(fā)生永久變形，直至應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力。在屈服應(yīng)力以上，物料開始流動(dòng)，經(jīng)歷塑變區(qū)域直至達(dá)到破壞應(yīng)力而斷裂。對(duì)于任何一個(gè)顆粒來(lái)說(shuō)，都存在著一個(gè)臨界粉碎能量。但粉碎條件純粹是偶然的，許多顆粒受到的沖擊力不足以使其粉碎，而是在一些特別有力的猛然沖擊下才粉碎的。因此，最有效的粉碎機(jī)只利用不到 1 ％的能量去粉碎顆粒和產(chǎn)生表面。
大部分粉碎為變形粉碎，即通過(guò)施力，使顆粒變形，當(dāng)變形量超過(guò)顆粒所能承受的極限時(shí)，顆粒就破碎。在上述常用的粉碎方法中，根據(jù)變形區(qū)域的大小 (與材料特性和所用的粉碎方法 —— 力的大小、作用面積及施力速度等有關(guān) ) ，可分為整體變形破碎、局部變形破碎和不變形破碎三種。
此外，由于變形需要消耗能量，變形越大，消耗能量越多，因此，理想的情況是只在要破壞的地
方產(chǎn)生變形或應(yīng)變。其實(shí)，物料的粉碎可以使用非變形或在很小的范圍內(nèi)變形或應(yīng)變的方法來(lái)粉碎，降低能耗。

1.4 超微粉碎設(shè)備的工作原理及性能
區(qū)別于普通粉碎，超微粉碎設(shè)備是利用轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的湍流，將物料加到該超高速氣流中。轉(zhuǎn)子上設(shè)立多極交錯(cuò)排列的若干小室能產(chǎn)生變速渦流，從而形成高頻振蕩，使物料的運(yùn)動(dòng)方向和速度瞬間產(chǎn)生劇烈變化，促使物料顆粒間急促摩擦、撞擊，經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)碰撞而裂解成微細(xì)粉，粒度可達(dá)1000Et/2． 54cm 或更高。超微粉加工設(shè)備還具有以下特性：
(1) 設(shè)備回流裝置，能將分選后的顆粒自動(dòng)返回渦流腔中再進(jìn)行粉碎；
(2) 有蒸發(fā)除水和冷熱風(fēng)干燥功能；
(3) 對(duì)熱敏性、芳香性的物料具有保鮮作用；
(4) 對(duì)于多纖維性、彈性、粘性物料也可處理到理想程度；
(5) 對(duì)設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的超聲波，有一定的滅菌作用。

在食品加工中的超微粉碎設(shè)備一般為膠磨機(jī)和氣流粉碎機(jī)。膠磨機(jī)是一種傳統(tǒng)方法，較為普遍使用。在粉碎工序中，95％～ 99％的機(jī)械能將轉(zhuǎn)化成熱量，故物料的升溫不可避免，熱敏食品易因此而變質(zhì)、熔解、粘著，同時(shí)機(jī)器的粉碎能力也會(huì)降低。為此，在粉碎前或粉碎中應(yīng)使用適當(dāng)?shù)睦鋮s方法，如在粉碎進(jìn)行中加以冷凍、冷風(fēng)、熱風(fēng)、除濕、滅菌、微波脫毒、分級(jí)等過(guò)程，使物料達(dá)到加工要求。氣流粉碎機(jī)是目前較為先進(jìn)的超微粉碎設(shè)備，它在加工中升溫低，尤其適用于熱敏性食品，但能耗大。

2. 超微粉碎技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用

2.1 有利于食物資源的充分利用
小麥麩皮、燕麥皮、玉米皮、玉米胚芽渣、豆皮、米糠、甜菜渣和甘蔗渣等，含有豐富維生素、微量元素等，具有很好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，但由于常規(guī)粉碎的纖維粒度大，影響食品的口感，而使消費(fèi)者難于接受。通過(guò)對(duì)纖維的微粒化，能顯著地改善纖維食品的口感和吸收性．從而使食物資源得到了充分的利用，而且豐富了食品的營(yíng)養(yǎng)。有些動(dòng)植物體的不可食部分如骨、殼 ( 如蛋殼 ) 、蝦皮等也可通過(guò)超微化而成為易被人體吸收、利用的鈣源和甲殼素。各種畜、禽鮮骨中含有豐富的蛋白質(zhì)和脂肪、磷脂質(zhì)、磷蛋白．能促進(jìn)兒童大腦神經(jīng)的發(fā)育，有健腦增智之功效。鮮骨中含有的骨膠原 ( 氨基酸 ) 、軟骨素等，有滋潤(rùn)皮膚防衰老的作用。鮮骨中還含有維生素 A ,B等營(yíng)養(yǎng)成分。鈣、鐵等在鮮骨中的含量也極高，如豬骨中含有復(fù)合磷酸鈣鹽、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等主要成分。一般將鮮骨煮、熬之后食用，實(shí)際上鮮骨的營(yíng)養(yǎng)成分投有被人體吸收，造成資源浪費(fèi)。利用氣流式超微粉碎技術(shù)將鮮骨多級(jí)粉碎加工成超細(xì)骨泥或經(jīng)脫水制成骨粉．既能保持 95 ％以上的營(yíng)養(yǎng)索，而且營(yíng)養(yǎng)成分叉易被人體直接吸收利用，吸收率可達(dá) 90％以上。

骨是肉類食品廠的大宗副產(chǎn)品，大多低價(jià)出售處理，因此．將骨制成富鈣產(chǎn)品既具有營(yíng)養(yǎng)意義，又具有經(jīng)濟(jì)意義。另外，傳統(tǒng)的飲茶方法是用開水沖泡茶葉，但是人體并投有完全吸收茶葉的全部營(yíng)養(yǎng)成分，一些不溶性或難溶的成分．諸如維生素 A 、K 、E 及絕大部分蛋白質(zhì)、碳水化臺(tái)物、胡羅 素以及部分礦物質(zhì)等都大量留存于茶渣中，大大地影響了茶葉的營(yíng)養(yǎng)及保健功能。如果將茶葉在常溫、干燥狀態(tài)下制成粉茶，使粉體的粒徑小于 5Vm ，則茶葉的全部營(yíng)養(yǎng)成分易被人體腸胃直接吸收，用水沖飲時(shí)成為溶液狀，無(wú)沉淀。

2.2 軟飲料行業(yè)中的加工
目前，利用氣流微粉碎技術(shù)已開發(fā)出的軟飲料有粉茶、豆類固體飲料和超微骨粉配制富鈣飲料等。茶文化在中國(guó)有著悠久的歷史，傳統(tǒng)的飲茶是用開水沖泡茶葉，但是人體并沒(méi)有大量吸收茶的營(yíng)養(yǎng)成分，大部分蛋白質(zhì)、碳水化合物及部分礦物質(zhì)、維生素等都存留于茶渣中。若將茶葉在常溫、干燥狀態(tài)下制成粉茶 ( 粒徑小于 5μm) ，可提高人體對(duì)其營(yíng)養(yǎng)成分的吸收率。將茶粉加到其他食品中，還可開發(fā)出新的茶制品。植物蛋白飲料是以富含蛋白質(zhì)的植物種子和果核為原料，經(jīng)浸泡、磨漿、均質(zhì)等操作制成的乳狀制品。磨漿時(shí)，可用膠磨機(jī)磨至粒徑 5μm ～ 8μm ，再均質(zhì)至 1μm-2μm 。在這樣的粒度下，蛋白質(zhì)固體顆粒、脂肪顆粒變小，從而防止了蛋白質(zhì)下沉和脂肪上浮。

2.3 果蔬行業(yè)中的加工
蔬菜在低溫下磨成微膏粉，既保存了營(yíng)養(yǎng)素，其纖維質(zhì)也因微細(xì)化而使口感更佳。例如，人們一般將其視為廢物的柿樹葉富含 Vc 、蘆丁、膽堿、黃酮甙、胡蘿卜素、多糖、氨基酸及多種微量元素，若經(jīng)超微粉碎加工成柿葉精粉，可作為食品添加劑制成面條、面包等各類柿葉保健食品，也可以制成柿葉保健茶。成人每日飲用柿葉茶 6g ，可獲取 Vc20 mg ，具有明顯的阻斷亞硝胺致癌物生成的作用。另外，柿葉茶不含咖啡堿，風(fēng)味獨(dú)特，清香自然。可見(jiàn)，開發(fā)柿葉產(chǎn)品，可變廢為寶，前景廣闊。
利用超微粉碎對(duì)植物進(jìn)行深加工的產(chǎn)品種類繁多，如枇杷葉粉、紅薯葉粉、桑葉粉、銀杏葉粉、豆類蛋白粉、茉莉花粉、月季花粉、甘草粉、脫水蔬菜粉、辣椒粉等。

2.4 新型功能食品或添加劑的開發(fā)

2.4.1 纖維食品
膳食纖維素被現(xiàn)代營(yíng)養(yǎng)學(xué)界稱為“第七營(yíng)養(yǎng)素”，它可作為食物填充劑或生理活性物質(zhì)．是防治現(xiàn)代“文明病”和平衡膳食結(jié)構(gòu)的重要功能性基料食品。因此，增加膳食纖維的攝人是提高人體健康的一項(xiàng)重要措施。借助于現(xiàn)代超微粉碎技術(shù)．使食物纖維微粒化，能顯著地改善纖維食品的口感和吸收性。如無(wú)錫輕工大學(xué)最近開發(fā)的米糠膨化食品是一種很好的纖維食品，現(xiàn)正在進(jìn)一步研究米糠的超微粉碎，旨在使米糠膨化食品人口即化，成為人們所喜歡的健康食品，在近期內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)。

2.4.2 補(bǔ)鈣食品
動(dòng)物骨、殼、皮等通過(guò)超微粉碎后得到的微粉屬有機(jī)鈣．比無(wú)機(jī)鈣容易被人體吸收、利用。這些有機(jī)鈣粉可以作為添加劑．制成高鈣高鐵的骨粉 ( 泥 ) 系列食品．具有獨(dú)到的營(yíng)養(yǎng)保健功能，因此被人們譽(yù)為“21世紀(jì)的功能性食品”。當(dāng)這些有機(jī)鈣粉 ( 包括珍珠粉 ) 的粒度小于5微米時(shí)，可用于某些缺鈣食品如豆奶等的富鈣。

2.4.3 甲殼素
將蟹殼、蝦皮、蛆、蛹等的超微粉末可用作保鮮劑、持水劑、抗氧化劑等，改性后還有其它許多功能特性。

2.4.4 改變傳統(tǒng)工藝 ——改善食品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本
超微粉碎可以使有些食品加工過(guò)程或工藝產(chǎn)生革命性的變化：如速溶茶生產(chǎn)，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)萃取將茶葉中的有效成分提取出來(lái)，然后濃縮、干燥制得粉狀速溶茶。現(xiàn)在采用超微粉碎僅需一步工序便得到粉茶產(chǎn)品，既大大地簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，又大大降低了生產(chǎn)成本。

2.5 其他食品行業(yè)

2.5.1 糧油加工
將超微粉碎的麥麩粉、大豆微粉等加到面粉中，可制成高纖維或高蛋白面粉；稻米、小麥等糧食類加工成超微米粉由于粒度細(xì)小，表面態(tài)淀粉受到活化，將其填充或混配制成的食品具有優(yōu)良的加工性能，且易于熟化，風(fēng)味；大豆經(jīng)超微粉碎后加工成豆奶粉，可以脫去腥味；綠豆、紅豆等其它豆類也可經(jīng)超微粉碎后制成高質(zhì)量的豆沙、豆奶等產(chǎn)品。

2.5.2 調(diào)味品加工
作為一種新型的食品加工技術(shù)，超微粉碎可使傳統(tǒng)調(diào)味料 ( 主要是香辛料 ) 細(xì)碎成粒度均一、分散性好的優(yōu)良超微顆粒。隨著粒徑的減小，其流動(dòng)性、溶解度和吸收率均有所增加，巨大孔隙率使得孔腔容納的香氣經(jīng)久不散，因而超微粉調(diào)味品的香味和滋味非常濃郁、純正，入味效果也更佳，適于生產(chǎn)速溶、方便食品。

2.5.3 冷食制品加工
在冷食業(yè)中應(yīng)用超微粉碎技術(shù)，不但能降低成本，增加花色品種，還為開發(fā)新冷食提供了新型原輔料。

2.5.4 用于棒冰、雪糕類的生產(chǎn)
在棒冰、雪糕類生產(chǎn)中，為了起到穩(wěn)定和填充作用，防止冰晶產(chǎn)生，保證固形物含量，一般需加進(jìn)相當(dāng)數(shù)量的糯米粉和玉米淀粉，但效果卻常是冰晶較多，口感粗糙。如果將糯米粉和玉米淀粉經(jīng)超微處理后再添加，制成的雪糕、棒冰的冰晶會(huì)明顯減少，穩(wěn)定性顯著提高，口感細(xì)膩、柔和。

3. 總結(jié)
隨著現(xiàn)代食品工業(yè)的不斷發(fā)展，更多的新技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。目前，超微粉碎技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用還在一個(gè)起步的階段，隨著科技的發(fā)展和消費(fèi)者對(duì)食品的高要求，超微粉碎技術(shù)的應(yīng)用空間將會(huì)更為廣泛。超微粉碎技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)，它與傳統(tǒng)的行業(yè)相交叉，衍生出許多新的學(xué)科，促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。在食品工業(yè)，超微粉碎技術(shù)與超高壓滅菌技術(shù)、膜分離技術(shù)、微膠囊技術(shù)、輻照技術(shù)、微波技術(shù)、冷凍干燥技術(shù)以及食品生物技術(shù)共同列為國(guó)際性食品加工新技術(shù)。因此，隨著超微粉體技術(shù)的成熟和發(fā)展，必將為動(dòng)物資源的開發(fā)、應(yīng)用提供更廣闊的前景。