微粉碎和超微粉碎

微粉碎和超微粉碎

超微粉碎是近20年迅速发展起来的一项高新技术，能把原材料加工成微米级甚至纳米级的微粉，已经在各行各业得到了广泛的应用。如：巧克力、膳食纤维、功能性食品物料等第一节关于粉碎的一般问题一、粉碎的定义粉碎：是用机械力或流体动力的方法来克服物料内部凝聚力使之破碎的单元操作。习惯上有时将大块物料分裂成小块物料的操作称为破碎；将小块物料分裂成细粉的操作称为磨碎或研磨，两者又统称粉碎。超微粉碎：利用机械或流体动力的方法克服固体内部凝聚力将物料加工粉碎至超微粉体大小的过程。一般将加工0.1-10μm超微粉体的粉碎技术称为超微粉碎。超微粉体是超微粉碎的最终产品，按大小超微粉体包括微米级、亚微米级和纳米级的微粒：微米级：粒径1～100μm的粉体亚微米级：0.1～1μm的粉体纳米级：0.001～0.1μm(1～100nm)。一般所指的超微粉体是指粒径小于25μm的粉体工业上所称的超微粉体为d97＜10μm的粉体。超微粉体颗粒的比表面积、表面能、孔隙率大，因此超微粉体具有独特的物理和化学性质，如良好的溶解性、分散性及吸附性等。

不可消化部分被加工成超微粉体后就可能被人体吸收。超微化食品具有很强的表面吸附力和亲和力，因此具有很好的固香性、分散性和溶解性，也容易为人体所吸收消化。

目前，日本、美国市场上销售的果味凉茶、冻干水果粉及超低温速冻龟鳖粉等食品都是应用超微粉碎技术加工而成的。国内从20世纪80年代开始也将此技术应用于花粉破壁。二、粉碎的分类根据被粉碎物料和成品粒度的大小，粉碎可分为：粗粉碎原料粒度在40～1500mm范围内，成品颗粒粒度约5～50mm；中粉碎原料粒度10～100mm，成品粒度5～10mm；微粉碎(细粉碎)原料粒度5～10mm，成品粒度100μm以下；超微粉碎原料粒度0.5～5mm，成品粒度在10μm以下。三、超微粉体的特性粉体物料最主要和最重要的质量指标之一是其粒度。超微粉体的特点：颗粒细微物料比表面积和孔隙率大幅度的增加具有独特的物理和化学性质，如良好的溶解性、分散性、吸附性、沉降速度、流变性、化学反应活性等，超微粉碎加工对食品物料性能的影响提高植物原料中有效成分的释放速度和释放量。超微粉碎的物料基本上无完整的细胞存在提高原料中有效成分的生物利用度。可溶性和不溶性成分的吸收率赋予产品细腻的口感。如巧克力、牛奶、植物蛋白饮料等提高产品的稳定性如巧克力、牛奶、植物蛋白饮料等改善原料的加工性能。如早籼米超微粉糊化温度、糊化液透光率和冻融稳定性降低；酶解速度、糊化液热稳定性、冲调性能、溶解度提高。经超微粉碎的食品在人体内的吸收较快、较充分。如：常规方式粉碎颗粒粒度大，造成三难（难释放、难吸附、难吸收），使营养成分或活性成分生物利用度降低。超微粉碎后，仅有极少量完整细胞存在，形成三易三高（易释放、易吸附、易吸收、释放速度高、释放量高、吸收率高）。四、超微粉碎技术在食品工业中的应用在食品应用中的分类：水果蔬菜类：桔子粉、苹果粉、梨粉、胡萝卜粉、南瓜粉、芹菜粉、菠菜粉等肉类：牛肉粉、鸡肉粉、猪肉粉、虾粉等香辛调味料类：姜粉、蒜粉、胡椒粉、辣椒粉、香菇粉等粮食淀粉类：糯米粉、玉米淀粉、黄豆粉、绿豆粉、红豆粉、麦麸粉、花生粉等营养强化类：骨粉、海带粉、胡萝卜粉、花粉等叶类：茶叶粉、桑叶粉、银杏叶粉、绞股兰粉等药食兼用中药材保健食品类：甘草类、菊花粉、陈皮粉、麦冬粉、杏仁粉、首乌粉、当归粉等四、超微粉碎或微粉碎的应用1、面粉

小麦经过超细粉碎后,

通过分级机将小麦中不同粒度的颗粒分离开来,从而使小麦中蛋白质发生“转移”和集中,生产出高、中、低三种蛋白含量的小麦,也可根据实际生产需要,生产蛋白含量不同的多种用途的产品,其中蛋白含量较高的强力粉可以配制面包粉;蛋白含量中等的中力粉可做饺子粉、面条粉、馒头粉;蛋白含量低的弱力粉可做饼干粉、蛋糕粉。该技术在小麦深加工中得到应用,将会减少我国专用粉的进口量,还可为专用粉的生产厂以及食品行业带来显著的经济效益。以高速打击为原理的冲击式粉碎机这种粉碎机利用围绕垂直轴高速旋转的转子对物料进行强烈冲击、碰撞和剪切。其特点是粉碎比大、运转稳定,适合于中软硬度物料的粉碎。小麦经过CH-300型机械冲击粉碎机粉碎,选择两种不同的加工工艺。1号工艺是冲击转子5000r/min,分级转子3000r/min,2号工艺是冲击转子7000r/min,分级转子5000r/min。

激光粒度仪测试粒度,测试数据见表1,两种试品的粒度微分分布见图1。超微粉碎或微粉碎的应用超微粉碎或微粉碎的应用如图所示,冲击转速越高,则粉碎的粉末越细,其粒度分布也逐渐集中,工艺2#的D10

达到3.48μm。超微粉碎或微粉碎的应用工艺1#和工艺2#的微分分布图的展宽度分别为:

1#:(D90-D10)/D50=1.6272#:(D90-D10)/D50=0.798

其相应的比表面积为0.72m2/g和1.17m2/g,2#样品超微小麦不但颗粒很细,而且粒度分布非常均匀,生物显微镜照片显示出超微粉碎后的形貌,如图2.超微粉碎或微粉碎的应用四、超微粉碎或微粉碎的应用

采用凯氏定氮法,分别测试了小麦原样、工艺1#样品和工艺2#样品的蛋白质、水份和灰份含量,结果见表2。小麦经高速粉碎后,总的水份减少。工艺2#的水份减少了47.1%。这与粉碎过程中物料与空气充分接触有关,在负压气流系统中,水份被大量蒸发。经过粉碎、分级后,小麦的蛋白质含量发生的变化。工艺1#加工的小麦的蛋白质含量约有减小,用工艺2#加工,当粒度D90

小于10μm后,蛋白质含量增加了一倍多。

在此粒度范围蛋白质大幅增加,可能是小麦在机械冲击粉碎室内将小麦进行强烈的撞击粉碎,使小麦中淀粉粒、蛋白质及类脂体等聚集而成的粒度较大的胚乳粒被再度粉碎,导致淀粉粒蛋白片相互分开,变成游离状态而且粒度更细的颗粒。当它们进入气流分级机时,由于淀粉的粒度、比重、悬浮速度比蛋白质的大,通过调节设备的风量控制阀门和气流速度的参数,将已粉碎的小麦,按粒度重新再分级,从而得到不同蛋白质含量的小麦。其中,先被分级出去的较细的粒度是含蛋白片较多、淀粉粒较少的高蛋白粉;余下的粒度较粗的小麦则含蛋白质较少,含淀粉粒较多。

利用机械冲击粉碎小麦效果良好,能使D90

达到10μm以下,平均粒径5.85μm,而且粒度分布均匀集中。超微小麦粉形貌规整、对称性好、分散性好。蛋白质发生重新分布,而蛋白质总的含量不变。超微化后小麦蛋白质重新分配这一特性,有益于根据小麦产品的不同要求作进一步的深加工。2、细胞破壁

花粉被誉为“完全营养品”,但是花粉具有坚韧的细胞壁，既影响营养物质的吸收，也影响提取时营养物质的释放，因此花粉的破壁十分重要。目前花粉破壁技术大体分为两类，发酵法和机械法,发酵法设备简单易行，破壁率可达90－95％，但时间长，速度慢。机械法又可分为湿法和干法两种，湿法破壁多采用胶体磨，此法破壁率只能达70－80％，而且给保存、包装、运输带来不便。干法破壁国内较多的是采用气流粉碎法，由于某些花粉的外壁有弹性，气流对撞的结果只能使外壁变形或向内塌陷，破壁效果不是很理想。在国外采用先将花粉低温冷冻再气流粉碎或者直接用冷冻惰性气体低温粉碎破壁,，此法破壁率可达90％以上，但这种方法设备昂贵，能耗较大，致使粉体成本大幅度提高。超微粉碎或微粉碎的应用

利用振动超微粉碎法粉碎茶花粉工艺过程将茶花粉在真空干燥箱中常温减压干燥12h，用粉碎机粗碎，60目标准筛，然后将粉体用振动超微粉碎机组进行超微粉碎，振动介质为不锈钢球，直径8mm，介质填充率80%，物料填充率100%，粉碎时间为20min。最后将所得花粉过320目标准筛。超微粉碎或微粉碎的应用显微形貌观测茶花粉呈比较规则的圆饼状，表面布满网状纹理，其直径约30um。在扫描电镜的视场中可以看到，经过振动超微碎，绝大部分花粉的结构都已经破坏,颗粒细胞外壁已经完全打开，内容物已全部释放出来。超微粉碎或微粉碎的应用超微粉碎或微粉碎的应用

粒径微分分布直方图可以看出，粉碎后花粉粒径比较均匀，基本呈正态分布，粒径主要集中分布在5-15um之间，其中位直径D50为8.22um，即有50%的粒子粒径小于8.22um，完整花粉粒子的直径在30um左右，如果认为粒径小于20um的花粉粒子细胞壁已经受到破坏，则此种花粉超微粉的破壁率为94%。超微粉碎或微粉碎的应用

茶花粉经过20min超微粉碎，粉体中位直径达8.22um，破壁率达95%左右，粉体色泽鲜，口感好，入口即化而无砂感。振动超微粉碎破壁技术为食品工业在现代技术条件下寻找理想有效的花粉破壁方法开辟了重要途径，此法与其他现有的方法比较，具有粉碎破壁率高，粉碎过程温升小40℃，对营养成分无破坏，简便易行能耗低，破壁后花粉干燥易于包装、存放和运输，生产速度快，易于工业规模生产等优点，是一项值得推广的花粉加工技术。玉米花粉破壁利用可调参数式行星球磨机对玉米花粉进行超微化。超微化破壁的最佳工艺参数为:转速476r/min,粉碎时间为1.2h,球料比为7,花粉含水率控制在5%以下。此时花粉颗粒直径小于8μm,花粉破壁率接近100%。超微粉碎或微粉碎的应用结构变化的显微观测：超微粉碎或微粉碎的应用

通过超微粉碎,使花粉颗粒直径达到8μm以下,并且粒度分布均匀合理,适于将其直接添加到花粉营养口服液以及化妆品等功能保健品当中,不会产生沉淀或有较粗颗粒感觉。3、纳米淀粉淀粉用机械方法破碎导致淀粉颗粒结构发生改变，从而使淀粉易于被酶作用。纳米级大米淀粉具有独特的理化特性，如良好的分散性、吸附性、溶解性，易被人体吸收消化等，可用于化妆品扑粉、照相纸粉末、造纸施胶、糖果糖衣和药片赋形剂等。糊化后的纳米级大米淀粉吸水快，质构柔滑似奶油，具有口感细腻、热量低、成本低等优点，是目前市场上最佳的奶油和黄油代用品，可以用于无奶油奶酪、低脂冰淇淋、无脂人造奶油、沙司和色拉调味料的生产。其应用前景广阔，经济效益可观。超微粉碎或微粉碎的应用

超高压均质是一个通过压力能的释放和高速运动使物料粉碎的过程。在超高压均质过程中，剧烈的处理条件如液体高速撞击、高剪切、空穴爆炸、高速振荡等作用可能会导致大分子结构的变化。通过超高压均质技术和超微粉碎制备纳米级大米淀粉。超微粉碎或微粉碎的应用超高压均质技术能有效地减小大米淀粉的颗粒粒度，将平均粒径由2800nm减小到350nm。超微粉碎或微粉碎的应用超高压均质后再超微粉碎能进一步减小大米淀粉的颗粒粒度，最小的平均粒度达到了74.8nm。超高压均质压力最适压力为120MPa。

随着粒度的减小，淀粉与水的结合能力增强，吸湿性能、溶解度和膨胀率明显提高，体现了纳米级大米淀粉的表面效应和小尺寸效应。利用纳米级大米淀粉的溶解性好、粒度小等性能，可能替代奶油用于低脂冰淇淋、低脂人造奶油及化装品、造纸等生产。3：贝壳类产品、畜骨粉加工贝壳中含有极其丰富的钙，在牡蛎的贝壳中，含钙量超过90％以上。利用超微粉碎技术，将牡蛎壳粉碎至很细小的粉粒，用物理方法促使粉粒的表面性质发生变化，可以达到牡蛎壳更好地被人体吸收利用的目的。此外来源于节肢动物的蟹壳、虾壳、虾皮等也可以采用超微粉碎的方法来进行粉碎得到超微粉末，用于补钙产品或其他用途。如采用工艺：壳类原料→清洗→干燥→初步粉碎→超微粉碎→产品超微骨粉采用工艺：鲜骨→清洗→破碎→粗碎→细碎→脱脂→超微粉碎→干燥灭菌→产品超微骨粉不仅Ca、P等矿质元素含量高，生物利用率高，而且蛋白质含量高、脂肪含量低4：膳食纤维的加工膳食纤维按其溶解的特性可分为水溶性纤维和水不溶性纤维两大类。水溶性纤维是指植物细胞壁内的贮存物质和分泌物，主要包括果胶、树胶、葡聚糖、瓜尔豆胶等；水不溶性纤维主要是细胞壁的组成成分，包括纤维素、半纤维素、木质素等。膳食纤维经过超微粉碎后持水力和膨胀力增加。不溶性膳食纤维的溶肠通便的能力增加，水溶性膳食纤维溶解性和分散性增加，品质、口感和吸收性能明显改善。制备膳食纤维的一般工艺（以甘蔗渣为例）：原料清理→粗粉碎→浸泡漂洗→脱除异味→漂白脱色→脱水干燥→微粉碎→功能活化→超微粉碎→膳食纤维超微粉备选原料：甘蔗渣、苹果渣、蔬菜渣等。5：巧克力的生产巧克力属于超微颗粒的多相分散体系，糖和可可作为分散相分散于油脂连续相内。巧克力一个重要的质构特征是口感特别细腻滑润，这主要取决于配料的粒度。A、巧克力的组成成分巧克力属于超微颗粒的多相分散体系，油脂在此体系内属于分散介质，是一种连续相。糖和可可以细小的质粒作为分散相分散于油脂连续相内，大部分可可、糖、乳干物质粒度在20～30μm之间。少量水分和空气在此体系内也是一种分散体。B、巧克力配料的粒度分析表明，配料的平均粒度在25μm左右且其中大部分质粒的粒径在15～20μm之间，吃起来就有很好的细腻滑润的口感特性。当平均粒度超过40μm时，就可明显感到粗糙感，这样巧克力的品质就明显变差。因此，超微粉碎技术在保证巧克力质构品质上发挥重要的作用。

C、巧克力的生产流程：可可豆→发酵和干燥处理→清理→焙炒→簸筛→初粉碎（初磨）→混合配料→精磨（超微粉碎）→精炼→调温→浇模→振模→硬化→脱模→包装→成品

D、可可豆的研磨可可豆肉是一种很难磨细的物质，豆肉大小不等。豆肉含有相当数量的纤维素和夹带进去的少量壳皮使物料磨细变得因难。因此，可可豆磨细一般分阶段进行。第一阶段可先将可可豆肉单独磨成初浆料，称为初粉碎，或称初磨。可供选择的初磨设备很多，前述的辊磨、盘磨、球磨机和胶体磨等都可使用。可可豆经初磨后，所得浆料颗粒的粒度一般在50～120μm之间。这种可可浆料根据生产需要可以压榨提取出部分可可脂，也可再补充些可可脂以调整浆料组成与百分比。之后与其它配料(如糖粉、卵磷脂和奶粉等)混合，再次研磨至巧克力所需要的精细程度，此过程称为精磨(超微粉碎)。精磨对于巧克力成品的品质特性有举足轻重的影响，是巧克力生产过程中最重要的单元操作之一。

在巧克力整个生产过程中，粉碎操作占据极其重要的地位。初磨和精磨均属于粉碎操作，特别是精磨(超微粉碎)对巧克力产品的质量起着举足轻重的作用。精磨时间通常持续16～22h。精炼虽不是粉碎操作，但也有轻微的粉碎作用，时间持续24～72h。6：调味料的生产对调味料的细微化可以在保证发挥风味的条件下减少用量。而且，超微粉碎后的调味料粒度细、分布窄、质量均匀、表面活性高、溶解性大、分散性好，其流动性、溶解速度和吸收率均有所增大，入味效果也得到改善，大大提高了其使用效果。调味品微粉的众多孔隙可以造成集合孔腔，吸收容纳的香气经久不散，这是重要的固香方法之一，因此超微粉调味品的香味和滋味更浓郁、突出。7：软饮料的生产利用超微粉碎技术，可开发出不同的软饮料，如速溶粉茶、豆类固体饮料、速溶豆精等。传统的饮茶方法是用开水冲泡茶叶，但是人体并没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、碳水化合物、胡萝卜素以及部分矿物质等，都大量留存于茶渣中，大大影响了茶叶的营养及保健功能。在速溶茶生产中，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、干燥制成粉状速溶茶。如果将茶叶在常温、干燥状态下采用超微粉碎仅需一步工序便可得到超微粉茶产品，大大简化了生产工序。超微茶粉就是用中低档茶鲜叶，经蒸汽杀青、烘干等工艺处理后，再超微粉碎成纯天然茶叶超微细粉。超微茶粉不仅可以直接冲饮，还可加入主料中制成茶面包、茶蛋糕、茶米粉、茶糖果、茶冰棋淋等食品，改“饮茶”为“食茶”。在牛奶生产过程中，利用均质机能使脂肪明显细化。若98％的脂肪球直径在2μm以下，则可达到优良的均质效果，口感好，易于消化。植物蛋白饮料是以富含蛋白质的植物种子和各种果核为原料，经浸泡、磨浆、均质等操作单元制成的乳状制品。磨浆时用胶体磨将颗粒磨至粒径为5～8μm，再均质为1～2μm。在这样的粒度下，可使蛋白质固体颗粒、脂肪颗粒变小，从而防止蛋白质下沉和脂肪上浮。第二节粉碎理论一、物料的力学性质硬度：在固体表面产生局部弹性变形所需的能量，有软、硬之分。是粉碎作业程序、选择设备类型和尺寸的主要依据。对于特别硬的物料用挤压和冲击比较有效。强度：物料抵抗塑变的能力，有强、弱之分。通常以物料破坏时单位面积上所受的力即N/m2或Pa来表示。按材料内部的均匀性和有否缺陷分为理论强度：指不含任何缺陷的完全均质材料的强度，它相当于原子、离子或分子间的结合力。实际强度：材料的实际强度往往远低于其理论强度，一般地，实测强度为理论强度的1/100-1/1000。脆性：从变形方面看，脆性反映了物料塑变区域的长短。有脆性和可塑性之分。对于脆性物料以劈裂、冲击为宜。韧性：是一种抵抗物料裂缝扩展能力的特性。韧性越大，则裂缝末端的应力集中就越容易得到缓解。对于韧性大的物料以研磨和剪切较好。

对于具体物料来讲，强度越大、硬度越高、韧性越大、脆性越小的物料，其破坏所需的变形能就越大，物料不容易粉碎和研磨。纤维含量高的物料，具有什么典型的力学性质？采用何种粉碎力适宜？二、粉碎力的种类和形式绝大多数固体物质都是借助于化学键将质点联系在一起的，因此其变形与破坏也必然与化学键的类型及其力学性质有密切关系。物料粉碎时所受到的作用力包括挤压力、冲击力和剪切力（摩擦力）

根据施力种类与方式的不同，物料粉碎的基本方法包括：压碎：物料受两平面间缓慢增加的压力作用，使之由弹性变形或塑性变形而至破裂粉碎。这种粉碎方式多用于脆性大块物料，具有韧性或塑性的物料，则可产生片状，例如轧制麦片、米片以及油料轧片等。劈碎：物料受楔状工具的作用而被分裂。多用于脆性物料的破碎。拆断（或剪碎）：被粉碎的物料两个工作面之间相当于承受集中载荷的两支点或多支点梁，当物料内的弯曲应力达到物料的弯曲强度极限时而被拆断。多用于硬、脆性大块物料的破碎，例如榨油残渣油饼的粉碎。磨碎：物料在两个研磨体之间受到摩擦、剪切作用而被磨削为细粒。是一种既有挤压又有剪切的复杂过程多用于小块物料或韧性物料的粉碎，如对辊磨粉的磨碎过程。冲击破碎：物料在瞬向受到外来的冲击力而被破碎。适用于质量较大的脆性物料，且从较大块的破碎到微细粉碎均可以使用，而且可以粉碎多种物料。最典型的锤式粉碎机在食品工业中用得很多。第三节超微粉碎的方法干法超微粉碎气流式高频振动式旋转球磨式转辊式湿法超微粉碎搅拌磨行星磨胶体磨均质机冷冻粉碎

利用物料在低温状态下的“低温脆性”，即物料随温度的降低，其硬度和脆性增加，而塑性和韧性降低。在一定温度下用一个很小的力就能将其粉碎。对含油脂、糖分、水分多的物料特别有效第四节粒度分布与测定粉体：就是大量固体粒子的集合系。它表示物质的一种存在状态，既不同于气体、液体，也不完全同于固体。粒径：是粉体最重要的物理性能，对粉体的比表面积、可压缩性、流动性和工艺性能有重要影响。一、粉体颗粒的粒度粒度：颗粒所占空间的线性尺寸。粒度的表示方法：等效粒度体积直径：某种颗粒所具有的体积用同样体积的球来与之相当，这种球的直径，就代表该颗粒的大小，即体积直径。

表面积直径：某种颗粒所具有的表面积用同样表面积的球来与之相当，这种球的直径，就代表该颗粒的大小，即表面积直径。Stoke’s直径：某种颗粒所具有的沉降速度用同样沉降速度的球来与之相当，这种球的直径，就代表该颗粒的大小，即Stoke’s直径。电阻直径：在相同条件下与实际颗粒产生相同电阻效果的球形颗粒的直径。库尔特法所测的粒径为电阻直径。二、粉体颗粒的粒度分布粒度分布：