1 粉碎原理及技術設備

1.1 粉碎原理
粉碎 是用機械力的方法來克服固體物料內部凝聚力達到使之破碎的單元操作 ? 。 超微粉碎技術是利用各種特殊的粉碎設備，對物料進行碾磨、沖擊、剪切等，將粒徑在 3 mm 以上的物料粉碎至粒徑為 10—25μm 以下的微細顆粒，從而使產品具有界面活性，呈現出特殊功能的過程。與傳統的粉碎、破碎、碾碎等加工技術相比，超微粉碎產品的粒度更加微小。

1.2 加工設備
超微粒粉碎設備按其作用原理可分為氣流式和機械式兩大類。氣流式粉碎設備是利用轉子線速度所產生的超高速氣流，將產品加速到超高速氣流中，轉子上設置若干交錯排列的、能產生變速渦流的小室，形成高頻振動，使產品的運動方向和速度瞬間產生劇烈變化，促使產品顆粒間急促撞擊、摩擦，從而達到粉碎的目的。與普通機械式超微粉碎相比，氣流粉碎可將產品粉碎得很細，粒度分布范圍很窄，即粒度更均勻。又因為氣體在噴嘴處膨脹可降溫，粉碎過程不產生熱量，所以粉碎溫升很低。這一特性對于低熔點和熱敏性物料的超微粉碎特別重要。其缺點是能耗大，一般認為要高出其他粉碎方法數倍 。機械式又分為球磨機、沖擊式微粉碎機、膠體磨和超聲波粉碎機 4 類。高頻超聲波是由超聲波發生器和換能器產生的。超聲波在待處理的物料中引起超聲空化效應，由于超聲波傳播時產生疏密區，而負壓可在介質中產生許多空腔，這些空腔隨振動的高頻壓力變化而膨脹、爆炸，真空腔爆炸時能將物料震碎。同時由于超聲波在液體中傳播時產生劇烈的擾動作用，使顆粒產生很大的速度，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 物料的粉碎過程
目前，人們對粉碎機理的認識尚不徹底，通常認為物料受到不同粉碎力作用后，首先要產生相應的變形或應變，并以變形能的形式積蓄于物料內部。當局部積蓄的變形能超過某臨界植時，裂解就發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：一是裂解發生前的變形能，這部分能量與顆粒的體積有關；二是裂解發生后出現新表面所需的表面能，這部分能量與新出現的表面積的大小有關 到達臨界狀態 (未裂解) 的變形能隨顆粒體積的減小雨增大。這是因為顆粒越小，顆粒表面或內部存在缺陷可能性就越小，受力時顆粒內部應力分布比較均勻，這就使得小顆粒所需的臨界應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，由于物料的力學性質不同所需的臨界變形能也不同。物料受到應力作用時，在彈性極限力以下則發生彈性形變；當作用的力在彈性極限力以上則發生永久變形，直至應力達到屈服應力。在屈服應力以上，物料開始流動，經歷塑變區域直至達到破壞應力而斷裂。對于任何一個顆粒來說，都存在著一個臨界粉碎能量。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，最有效的粉碎機只利用不到 1 ％的能量去粉碎顆粒和產生表面。
大部分粉碎為變形粉碎，即通過施力，使顆粒變形，當變形量超過顆粒所能承受的極限時，顆粒就破碎。在上述常用的粉碎方法中，根據變形區域的大小 (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 ) ，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
方產生變形或應變。其實，物料的粉碎可以使用非變形或在很小的范圍內變形或應變的方法來粉碎，降低能耗。

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

在食品加工中的超微粉碎設備一般為膠磨機和氣流粉碎機。膠磨機是一種傳統方法，較為普遍使用。在粉碎工序中，95％～ 99％的機械能將轉化成熱量，故物料的升溫不可避免，熱敏食品易因此而變質、熔解、粘著，同時機器的粉碎能力也會降低。為此，在粉碎前或粉碎中應使用適當的冷卻方法，如在粉碎進行中加以冷凍、冷風、熱風、除濕、滅菌、微波脫毒、分級等過程，使物料達到加工要求。氣流粉碎機是目前較為先進的超微粉碎設備，它在加工中升溫低，尤其適用于熱敏性食品，但能耗大。

2. 超微粉碎技術在食品加工中的應用

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，具有很好的營養價值，但由于常規粉碎的纖維粒度大，影響食品的口感，而使消費者難于接受。通過對纖維的微粒化，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養。有些動植物體的不可食部分如骨、殼 ( 如蛋殼 ) 、蝦皮等也可通過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和脂肪、磷脂質、磷蛋白．能促進兒童大腦神經的發育，有健腦增智之功效。鮮骨中含有的骨膠原 ( 氨基酸 ) 、軟骨素等，有滋潤皮膚防衰老的作用。鮮骨中還含有維生素 A ,B等營養成分。鈣、鐵等在鮮骨中的含量也極高，如豬骨中含有復合磷酸鈣鹽、脂質和蛋白質等主要成分。一般將鮮骨煮、熬之后食用，實際上鮮骨的營養成分投有被人體吸收，造成資源浪費。利用氣流式超微粉碎技術將鮮骨多級粉碎加工成超細骨泥或經脫水制成骨粉．既能保持 95 ％以上的營養索，而且營養成分叉易被人體直接吸收利用，吸收率可達 90％以上。

骨是肉類食品廠的大宗副產品，大多低價出售處理，因此．將骨制成富鈣產品既具有營養意義，又具有經濟意義。另外，傳統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養成分，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、碳水化臺物、胡羅 素以及部分礦物質等都大量留存于茶渣中，大大地影響了茶葉的營養及保健功能。如果將茶葉在常溫、干燥狀態下制成粉茶，使粉體的粒徑小于 5Vm ，則茶葉的全部營養成分易被人體腸胃直接吸收，用水沖飲時成為溶液狀，無沉淀。

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

2.3 果蔬行業中的加工
蔬菜在低溫下磨成微膏粉，既保存了營養素，其纖維質也因微細化而使口感更佳。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，風味獨特，清香自然。可見，開發柿葉產品，可變廢為寶，前景廣闊。
利用超微粉碎對植物進行深加工的產品種類繁多，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

2.4.1 纖維食品
膳食纖維素被現代營養學界稱為“第七營養素”，它可作為食物填充劑或生理活性物質．是防治現代“文明病”和平衡膳食結構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重要措施。借助于現代超微粉碎技術．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。如無錫輕工大學最近開發的米糠膨化食品是一種很好的纖維食品，現正在進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，在近期內進入市場。

2.4.2 補鈣食品
動物骨、殼、皮等通過超微粉碎后得到的微粉屬有機鈣．比無機鈣容易被人體吸收、利用。這些有機鈣粉可以作為添加劑．制成高鈣高鐵的骨粉 ( 泥 ) 系列食品．具有獨到的營養保健功能，因此被人們譽為“21世紀的功能性食品”。當這些有機鈣粉 ( 包括珍珠粉 ) 的粒度小于5微米時，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 改變傳統工藝 ——改善食品品質、降低生產成本
超微粉碎可以使有些食品加工過程或工藝產生革命性的變化：如速溶茶生產，傳統的方法是通過萃取將茶葉中的有效成分提取出來，然后濃縮、干燥制得粉狀速溶茶。現在采用超微粉碎僅需一步工序便得到粉茶產品，既大大地簡化了生產工藝，又大大降低了生產成本。

2.5 其他食品行業

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小，表面態淀粉受到活化，將其填充或混配制成的食品具有優良的加工性能，且易于熟化，風味；大豆經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超微粉碎后制成高質量的豆沙、豆奶等產品。

2.5.2 調味品加工
作為一種新型的食品加工技術，超微粉碎可使傳統調味料 ( 主要是香辛料 ) 細碎成粒度均一、分散性好的優良超微顆粒。隨著粒徑的減小，其流動性、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久不散，因而超微粉調味品的香味和滋味非常濃郁、純正，入味效果也更佳，適于生產速溶、方便食品。

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

2.5.4 用于棒冰、雪糕類的生產
在棒冰、雪糕類生產中，為了起到穩定和填充作用，防止冰晶產生，保證固形物含量，一般需加進相當數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超微處理后再添加，制成的雪糕、棒冰的冰晶會明顯減少，穩定性顯著提高，口感細膩、柔和。

3. 總結
隨著現代食品工業的不斷發展，更多的新技術已經出現。目前，超微粉碎技術在食品加工中的應用還在一個起步的階段，隨著科技的發展和消費者對食品的高要求，超微粉碎技術的應用空間將會更為廣泛。超微粉碎技術已經成為一個研究的熱點，它與傳統的行業相交叉，衍生出許多新的學科，促進了相關領域的發展。在食品工業，超微粉碎技術與超高壓滅菌技術、膜分離技術、微膠囊技術、輻照技術、微波技術、冷凍干燥技術以及食品生物技術共同列為國際性食品加工新技術。因此，隨著超微粉體技術的成熟和發展，必將為動物資源的開發、應用提供更廣闊的前景。