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在食品行业中超微粉碎技术的应用

在食品行业中超微粉碎技术的应用
2021-01-22
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作者:埃尔派
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1 粉碎原理及技术设备

1.1 粉碎原理
粉碎 是用机械力的方法来克服固体物料内部凝聚力达到使之破碎的单元操作   。 超微粉碎技术是利用各种特殊的粉碎设备,对物料进行碾磨、冲击、剪切等,将粒径在 3 mm 以上的物料粉碎至粒径为 10—25µm 以下的微细颗粒,从而使产品具有界面活性,呈现出特殊功能的过程。与传统的粉碎、破碎、碾碎等加工技术相比,超微粉碎产品的粒度更加微小。

1.2 加工设备
超微粒粉碎设备按其作用原理可分为气流式和机械式两大类。气流式粉碎设备是利用转子线速度所产生的超高速气流,将产品加速到超高速气流中,转子上设置若干交错排列的、能产生变速涡流的小室,形成高频振动,使产品的运动方向和速度瞬间产生剧烈变化,促使产品颗粒间急促撞击、摩擦,从而达到粉碎的目的。与普通机械式超微粉碎相比,气流粉碎可将产品粉碎得很细,粒度分布范围很窄,即粒度更均匀。又因为气体在喷嘴处膨胀可降温,粉碎过程不产生热量,所以粉碎温升很低。这一特性对于低熔点和热敏性物料的超微粉碎特别重要。其缺点是能耗大,一般认为要高出其他粉碎方法数倍 。机械式又分为球磨机、冲击式微粉碎机、胶体磨和超声波粉碎机 4 类。高频超声波是由超声波发生器和换能器产生的。超声波在待处理的物料中引起超声空化效应,由于超声波传播时产生疏密区,而负压可在介质中产生许多空腔,这些空腔随振动的高频压力变化而膨胀、爆炸,真空腔爆炸时能将物料震碎。同时由于超声波在液体中传播时产生剧烈的扰动作用,使颗粒产生很大的速度,从而相互碰撞或与容器碰撞而击碎液体中的固体颗粒或生物组织。超声粉碎后颗粒在 4µm 以下,而且粒度分布均匀。

1.3 物料的粉碎过程
目前,人们对粉碎机理的认识尚不彻底,通常认为物料受到不同粉碎力作用后,首先要产生相应的变形或应变,并以变形能的形式积蓄于物料内部。当局部积蓄的变形能超过某临界植时,裂解就发生在脆弱的断裂线上。从这一角度分析,粉碎至少需要两方面的能量:一是裂解发生前的变形能,这部分能量与颗粒的体积有关;二是裂解发生后出现新表面所需的表面能,这部分能量与新出现的表面积的大小有关 到达临界状态 (未裂解) 的变形能随颗粒体积的减小雨增大。这是因为颗粒越小,颗粒表面或内部存在缺陷可能性就越小,受力时颗粒内部应力分布比较均匀,这就使得小颗粒所需的临界应力比大颗粒所需的大,因而消耗的变形能也较大。这就是粉碎操作为什么随着粒度减小雨变得愈困难的原因。
在粒度相同的情况下,由于物料的力学性质不同所需的临界变形能也不同。物料受到应力作用时,在弹性极限力以下则发生弹性形变;当作用的力在弹性极限力以上则发生永久变形,直至应力达到屈服应力。在屈服应力以上,物料开始流动,经历塑变区域直至达到破坏应力而断裂。对于任何一个颗粒来说,都存在着一个临界粉碎能量。但粉碎条件纯粹是偶然的,许多颗粒受到的冲击力不足以使其粉碎,而是在一些特别有力的猛然冲击下才粉碎的。因此,最有效的粉碎机只利用不到 1 %的能量去粉碎颗粒和产生表面。
大部分粉碎为变形粉碎,即通过施力,使颗粒变形,当变形量超过颗粒所能承受的极限时,颗粒就破碎。在上述常用的粉碎方法中,根据变形区域的大小 (与材料特性和所用的粉碎方法 —— 力的大小、作用面积及施力速度等有关 ) ,可分为整体变形破碎、局部变形破碎和不变形破碎三种。
此外,由于变形需要消耗能量,变形越大,消耗能量越多,因此,理想的情况是只在要破坏的地
方产生变形或应变。其实,物料的粉碎可以使用非变形或在很小的范围内变形或应变的方法来粉碎,降低能耗。

1.4 超微粉碎设备的工作原理及性能
区别于普通粉碎,超微粉碎设备是利用转子高速旋转所产生的湍流,将物料加到该超高速气流中。转子上设立多极交错排列的若干小室能产生变速涡流,从而形成高频振荡,使物料的运动方向和速度瞬间产生剧烈变化,促使物料颗粒间急促摩擦、撞击,经过多次的反复碰撞而裂解成微细粉,粒度可达1000Et/2. 54cm 或更高。超微粉加工设备还具有以下特性:
(1) 设备回流装置,能将分选后的颗粒自动返回涡流腔中再进行粉碎;
(2) 有蒸发除水和冷热风干燥功能;
(3) 对热敏性、芳香性的物料具有保鲜作用;
(4) 对于多纤维性、弹性、粘性物料也可处理到理想程度;
(5) 对设备运行中产生的超声波,有一定的灭菌作用。

在食品加工中的超微粉碎设备一般为胶磨机和气流粉碎机。胶磨机是一种传统方法,较为普遍使用。在粉碎工序中,95%~ 99%的机械能将转化成热量,故物料的升温不可避免,热敏食品易因此而变质、熔解、粘着,同时机器的粉碎能力也会降低。为此,在粉碎前或粉碎中应使用适当的冷却方法,如在粉碎进行中加以冷冻、冷风、热风、除湿、灭菌、微波脱毒、分级等过程,使物料达到加工要求。气流粉碎机是目前较为先进的超微粉碎设备,它在加工中升温低,尤其适用于热敏性食品,但能耗大。

2. 超微粉碎技术在食品加工中的应用

2.1 有利于食物资源的充分利用
小麦麸皮、燕麦皮、玉米皮、玉米胚芽渣、豆皮、米糠、甜菜渣和甘蔗渣等,含有丰富维生素、微量元素等,具有很好的营养价值,但由于常规粉碎的纤维粒度大,影响食品的口感,而使消费者难于接受。通过对纤维的微粒化,能显著地改善纤维食品的口感和吸收性.从而使食物资源得到了充分的利用,而且丰富了食品的营养。有些动植物体的不可食部分如骨、壳 ( 如蛋壳 ) 、虾皮等也可通过超微化而成为易被人体吸收、利用的钙源和甲壳素。各种畜、禽鲜骨中含有丰富的蛋白质和脂肪、磷脂质、磷蛋白.能促进儿童大脑神经的发育,有健脑增智之功效。鲜骨中含有的骨胶原 ( 氨基酸 ) 、软骨素等,有滋润皮肤防衰老的作用。鲜骨中还含有维生素 A ,B等营养成分。钙、铁等在鲜骨中的含量也极高,如猪骨中含有复合磷酸钙盐、脂质和蛋白质等主要成分。一般将鲜骨煮、熬之后食用,实际上鲜骨的营养成分投有被人体吸收,造成资源浪费。利用气流式超微粉碎技术将鲜骨多级粉碎加工成超细骨泥或经脱水制成骨粉.既能保持 95 %以上的营养索,而且营养成分叉易被人体直接吸收利用,吸收率可达 90%以上。

骨是肉类食品厂的大宗副产品,大多低价出售处理,因此.将骨制成富钙产品既具有营养意义,又具有经济意义。另外,传统的饮茶方法是用开水冲泡茶叶,但是人体并投有完全吸收茶叶的全部营养成分,一些不溶性或难溶的成分.诸如维生素 A 、K 、E 及绝大部分蛋白质、碳水化台物、胡罗 素以及部分矿物质等都大量留存于茶渣中,大大地影响了茶叶的营养及保健功能。如果将茶叶在常温、干燥状态下制成粉茶,使粉体的粒径小于 5Vm ,则茶叶的全部营养成分易被人体肠胃直接吸收,用水冲饮时成为溶液状,无沉淀。

2.2 软饮料行业中的加工
目前,利用气流微粉碎技术已开发出的软饮料有粉茶、豆类固体饮料和超微骨粉配制富钙饮料等。茶文化在中国有着悠久的历史,传统的饮茶是用开水冲泡茶叶,但是人体并没有大量吸收茶的营养成分,大部分蛋白质、碳水化合物及部分矿物质、维生素等都存留于茶渣中。若将茶叶在常温、干燥状态下制成粉茶 ( 粒径小于 5µm) ,可提高人体对其营养成分的吸收率。将茶粉加到其他食品中,还可开发出新的茶制品。植物蛋白饮料是以富含蛋白质的植物种子和果核为原料,经浸泡、磨浆、均质等操作制成的乳状制品。磨浆时,可用胶磨机磨至粒径 5µm ~ 8µm ,再均质至 1µm-2µm 。在这样的粒度下,蛋白质固体颗粒、脂肪颗粒变小,从而防止了蛋白质下沉和脂肪上浮。

2.3 果蔬行业中的加工
蔬菜在低温下磨成微膏粉,既保存了营养素,其纤维质也因微细化而使口感更佳。例如,人们一般将其视为废物的柿树叶富含 Vc 、芦丁、胆碱、黄酮甙、胡萝卜素、多糖、氨基酸及多种微量元素,若经超微粉碎加工成柿叶精粉,可作为食品添加剂制成面条、面包等各类柿叶保健食品,也可以制成柿叶保健茶。成人每日饮用柿叶茶 6g ,可获取 Vc20 mg ,具有明显的阻断亚硝胺致癌物生成的作用。另外,柿叶茶不含咖啡碱,风味独特,清香自然。可见,开发柿叶产品,可变废为宝,前景广阔。
利用超微粉碎对植物进行深加工的产品种类繁多,如枇杷叶粉、红薯叶粉、桑叶粉、银杏叶粉、豆类蛋白粉、茉莉花粉、月季花粉、甘草粉、脱水蔬菜粉、辣椒粉等。

2.4 新型功能食品或添加剂的开发

2.4.1 纤维食品
膳食纤维素被现代营养学界称为“第七营养素”,它可作为食物填充剂或生理活性物质.是防治现代“文明病”和平衡膳食结构的重要功能性基料食品。因此,增加膳食纤维的摄人是提高人体健康的一项重要措施。借助于现代超微粉碎技术.使食物纤维微粒化,能显著地改善纤维食品的口感和吸收性。如无锡轻工大学最近开发的米糠膨化食品是一种很好的纤维食品,现正在进一步研究米糠的超微粉碎,旨在使米糠膨化食品人口即化,成为人们所喜欢的健康食品,在近期内进入市场。

2.4.2 补钙食品
动物骨、壳、皮等通过超微粉碎后得到的微粉属有机钙.比无机钙容易被人体吸收、利用。这些有机钙粉可以作为添加剂.制成高钙高铁的骨粉 ( 泥 ) 系列食品.具有独到的营养保健功能,因此被人们誉为“21世纪的功能性食品”。当这些有机钙粉 ( 包括珍珠粉 ) 的粒度小于5微米时,可用于某些缺钙食品如豆奶等的富钙。

2.4.3 甲壳素
将蟹壳、虾皮、蛆、蛹等的超微粉末可用作保鲜剂、持水剂、抗氧化剂等,改性后还有其它许多功能特性。

2.4.4 改变传统工艺 ——改善食品品质、降低生产成本
超微粉碎可以使有些食品加工过程或工艺产生革命性的变化:如速溶茶生产,传统的方法是通过萃取将茶叶中的有效成分提取出来,然后浓缩、干燥制得粉状速溶茶。现在采用超微粉碎仅需一步工序便得到粉茶产品,既大大地简化了生产工艺,又大大降低了生产成本。

2.5 其他食品行业

2.5.1 粮油加工
将超微粉碎的麦麸粉、大豆微粉等加到面粉中,可制成高纤维或高蛋白面粉;稻米、小麦等粮食类加工成超微米粉由于粒度细小,表面态淀粉受到活化,将其填充或混配制成的食品具有优良的加工性能,且易于熟化,风味;大豆经超微粉碎后加工成豆奶粉,可以脱去腥味;绿豆、红豆等其它豆类也可经超微粉碎后制成高质量的豆沙、豆奶等产品。

2.5.2 调味品加工
作为一种新型的食品加工技术,超微粉碎可使传统调味料 ( 主要是香辛料 ) 细碎成粒度均一、分散性好的优良超微颗粒。随着粒径的减小,其流动性、溶解度和吸收率均有所增加,巨大孔隙率使得孔腔容纳的香气经久不散,因而超微粉调味品的香味和滋味非常浓郁、纯正,入味效果也更佳,适于生产速溶、方便食品。

2.5.3 冷食制品加工
在冷食业中应用超微粉碎技术,不但能降低成本,增加花色品种,还为开发新冷食提供了新型原辅料。

2.5.4 用于棒冰、雪糕类的生产
在棒冰、雪糕类生产中,为了起到稳定和填充作用,防止冰晶产生,保证固形物含量,一般需加进相当数量的糯米粉和玉米淀粉,但效果却常是冰晶较多,口感粗糙。如果将糯米粉和玉米淀粉经超微处理后再添加,制成的雪糕、棒冰的冰晶会明显减少,稳定性显著提高,口感细腻、柔和。

3. 总结
随着现代食品工业的不断发展,更多的新技术已经出现。目前,超微粉碎技术在食品加工中的应用还在一个起步的阶段,随着科技的发展和消费者对食品的高要求,超微粉碎技术的应用空间将会更为广泛。超微粉碎技术已经成为一个研究的热点,它与传统的行业相交叉,衍生出许多新的学科,促进了相关领域的发展。在食品工业,超微粉碎技术与超高压灭菌技术、膜分离技术、微胶囊技术、辐照技术、微波技术、冷冻干燥技术以及食品生物技术共同列为国际性食品加工新技术。因此,随着超微粉体技术的成熟和发展,必将为动物资源的开发、应用提供更广阔的前景。

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