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超微粉碎对食品理化性质的影响

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摘要:超微粉碎技术可以明显增大食品原料的比表面积和表面能,同时小尺寸效应会赋予食品原料特异的理化特性、分子量分布及功能特性。近年来国内外学者对食品超微粉碎技术研究的理论深度逐渐加强,其在水产、粮油、软饮料、调味品加工等方面也更加广泛应用。该文对近年来超微粉碎对食品理化性质的影响进行综述,以期为此技术在食品加工中的应用提供参考。

关键词:超微粉碎技术;理化性质;结构功能;食品;研究进展

超微粉碎技术是指将直径3mm的物料粉碎至10μm~25μm的过程[1],超微粉体粉碎程度较普通粉体大,因此具有一定界面活性和较大的比表面积并且可以明显提高生物利用率。超微粉碎技术按其材料干湿程度可分为干法和湿法粉碎。对于固体颗粒材料,主要采用气流粉碎、球磨和胶体磨。对于液体材料,主要采用高压均质化、超声波均质化和微流化技术。由于超微粉碎颗粒尺寸的减小,微米和纳米技术大大提高了食品材料的物理化学性质和功能特性,使其具有优异的吸水性、溶胀度、吸附性等理化性质,从而提高了食品质量,在冶金、石油、化工、电子、轻工、食品、医药、国防、核技术、航空航天、环境、能源、新材料、信息等诸多生产加工领域得到了广泛应用。

1超微粉碎原理、特点及其分类

超微粉碎可达到细胞级粉碎,可对物料进行破壁粉碎。超微粉碎的时间,粉碎机的功率都对粉碎物料的粒度产生影响。当保持功率不变,粉碎时间延长时,物料的粒度逐渐减小。当物料粉碎达到一定程度后,其颗粒将很难再减小。同理时间不变粉碎机功率增加时,物料的粒度逐渐减小,当物料粉碎达到一定程度后其颗粒将很难再减小,直至达到平衡[2]。超微粉碎技术是机械力化学领域的一项高新技术,发展迅速。它广泛应用于超微粉体的制备中。超微粉碎技术是利用机械或流体力学方法克服固体的凝聚力,使其破碎的粉碎技术。材料的粒度可达到10μm以下,甚至达到1μm的超微粒级[3]。将颗粒尺寸减小到微米或超微米水平将导致材料的结构和表面积产生一些变化,这将产生散装材料所不具有的新优点,例如表面效应、体积效应、量子效应、宏观量子效应、光学效应、磁学效应、力学效应、化学和催化效应等[4-5]。经过超微粉碎的物料的理化性质和结构功能都有一定的改善,营养物质、微量元素等的溶出率也大大增加,有利于人体的消化吸收,提高产品的利用率。超微粉碎技术一般可以分为两大类:粒度在微米级的制备多采用物理粉碎法-颗粒从大到小的粉碎过程;对于纳米级粉体多采用化学合成法-颗粒从小到大的生成过程。对于超微粉体处理是提高超微粉体使用性能的关键,其中主要涉及分级、改性、包覆、干燥、提纯等过程。

2超微粉碎对食品理化性质的影响

2.1超微粉碎对食品有效成分溶出率的影响

2016年ChunhuaDa[6]采用超微粉碎技术和脉冲效应(pulsedmagneticfield,PMF)对棉籽中的棉籽酚(freegossypol,FG)进行提取处理,采用超微粉碎后棉籽FG溶出增加,进一步对棉籽进行PMF处理,其FG溶出率进一步增加,可达到83.39%。2017年LiJiang[7]通过超微粉碎,实现乌饭树树叶(V.bracteatumThunbleaves,VBTL)的均匀粒度分布。将VBTL粉碎成4种不同粒径的粉末,分别为:300μm~125μm、125μm~75μm、75μm~40μm和40μm。据观察,VBTL粉末的体积越小,体积密度越大,表面积越大,密度越大,休止角度也越大。水溶度指数、持水能力和总类黄酮素提取量随颗粒的减小而略有增加。差示扫描量热法显示,VBTL粒度为40μm时峰值温度最低;颗粒大小为125μm~300μm的粉末显示出最大的吸热焓。对VBTL超微粉性能的研究为乌饭树树叶在食品工业中的应用提供了依据。2018年AbuzarSM[8]利用超临界抗溶剂(supercriti-calcarbondioxideanti-solvent,SAS)工艺提高水溶性药物的溶解度和生物利用率。通过超微粉碎增加表面积来克服许多药物存在的水溶解度和生物利用率都很低的问题,超临界流体(supercriticalfluid,SCF)辅助粒子的形成,能在相对温和的条件下产生无溶剂的产品,与传统方法相比有许多优点。可以精确地控制其形态分布和水解能力。SAS技术的特点使其成为提高水溶性药物溶解度和生物利用率的理想技术。2018年CiccorittiR[9]研究超微粉碎加工谷物,以生产具有高营养价值的硬质小麦面粉。通过对4个硬质小麦品种进行监测,并对其中膳食纤维和酚类化合物的生物活性价值的差异进行监测,经超微粉碎后的小麦活性成分溶出率均增加。

2.2超微粉碎对食品堆积密度、休止角、滑角、流动性、持水性的影响

按不同干燥方法干燥的板栗粗粉经超微粉碎后,其堆积密度不同。板栗粗粉经超微粉碎后,随着粉碎机功率的增大,材料的颗粒尺寸减小,密度不断增加。这是由物料经超微粉碎后具有良好的均匀性,颗粒间隙小,物料之间接触面积更大造成的[10]。休止角和滑角是粉体流动性的重要指标。刘战永[11]对玫瑰进行超微粉碎,超微粉碎后材料的休止角和滑动角减小,说明超微粉碎后材料的流动性提高。超微粉体的静置角和滑移角随着超微粉碎功率的增加而减小。

结果表明,超微粉体的流动性随粒径的减小而增大。这可能是由于超微粉体的吸附和凝聚特性使表面聚合和吸附性能提高,从而使粉体更加均匀,难以分离。从工业生产的角度考虑,超微粉磨功率为25Hz,超微粉体的休止角降低到40°以下,可以满足生产和加工的流动性要求。陈如[12]对苹果粉进行超微粉碎后,苹果粉的粒径逐渐减小,粒径分布越来越均匀。与粗粉相比,苹果粉经不同时间超微粉碎后,其溶胀能力、水溶性、持水性和阳离子交换能力均增加,而体积密度降低。阳离子交换能力先增加,研磨时间超过10min后无明显变化。超微粉碎10min后开始出现团聚现象,随着超微粉碎时间的延长,团聚现象越来越严重。表明超微粉碎10min效果最好。经超微粉碎后糙米粉的水化特性是研究糙米粉理化特性的重要指标,能够反映淀粉在米粉中的糊化特性。不同超微粉碎强度处理的糙米粉,水溶性先升高后降低。糙米粉的吸水性和溶胀度随着超微粉碎强度的增加而增加,这可能与破损淀粉含量的增加和淀粉颗粒尺寸的减小有关。

受损淀粉能显著改善糙米的保水能力。粒径越小,糙米颗粒的表面积越大,与水分子的接触更为完整,淀粉颗粒结合得更紧密。糙米水溶性的变化可能与糙米中粗脂肪和粗纤维含量有关,淀粉和脂类在糊化过程中易形成复合物,易老化,影响糙米粉的水溶性[13]。超微粉碎后,茶粉的保水能力发生较大变化,与非超微粉碎的茶粉相比,茶粉的持水力经超微粉碎后有所改善,颗粒尺寸的减小,增加了颗粒面积,增加了持水力。但当齿轮磨间隙达到10μm后,持水力上升的幅度并不大,这是由于前者物料已经完全吸收了水分,水分达到饱和状态不再吸收水分[14]。采用胶体磨湿磨红枣得到红枣超微粉,与粗粉相比,红枣超微粉的持水力显著提高,由于颗粒尺寸的减小,颗粒的表面积大大增加,增加了持水能力。当超微粉碎机齿轮磨间隙达到10μm时,精制齿间隙减小,持水力增加的幅度并不大,这是因为磨粒在磨削到一定程度后,增加了表面积,由于毛细管已经完全吸收水分,所以持水力不再增大[15]。对甜杏仁进行超微粉碎,其吸湿率增加,随着粉碎时间的延长,吸湿率逐渐趋于平稳直至不变,随着颗粒尺寸的继续增加而吸湿率略有降低,这是由于粉末颗粒尺寸与比表面积成反比,当颗粒尺寸减小时,粉末与环境的接触面积增大,吸湿能力增强,更易受周围环境水分含量的影响,可见超微粉碎粉对粉末吸湿性能的影响是非常明显的[16]。

3超微粉碎对食品结构和功能的影响

目前,超微粉碎技术在国内外越来越多的运用于功能食品的生产中,如膳食纤维、脂肪代替品、多糖、黄酮类、多酚等。

3.1超微粉碎对食品抗氧化活性的影响

2017年RamachandraiahK[17]研究干燥和超微粉碎对芹菜茎的理化性质和抗氧化活性的影响,在50、75、100℃下,芹菜杆的超微粉碎平均粒径分别为48.8、10.5、7.2μm。体积密度随着粉体粒径的减小而增加。酚类化合物的提取率随着温度的升高而增加。铁螯合能力不受温度升高或颗粒大小的影响。在最高温度下,芹菜茎的微粉化具有最好的抗氧化活性。干燥和超微粉碎对主要的酚类结构没有很大的影响。郑慧[18]采用行星球磨机对苦荞麦麸皮进行超微粉碎,苦荞麦麸皮具有一定的阳离子交换、吸附重金属、清除NO2-、清除自由基等能力。超微粉碎后,其功能得到改善。与苦荞麦麸皮粗粉相比,苦荞麦粉的阳离子交换容量有所提高。

3.2超微粉碎对食品蛋白质结构和功能的影响

ChanchanSun[19]研究超微粉碎对浓缩乳清蛋白(wheyproteinconcentrate,WPC)的结构和物理化性质的影响,并对微粉蛋白(microparticulatedwheyprotein,MWP)的应用进行研究。WPC和MWP粒子的大小在超微粉碎后(p<0.05存在显著差异),与对照组相比,分别从62μm和15μm下降到15μm和9μm。经过超微粉碎后,乳清蛋白溶解度、蛋白质表面疏水性、含油率、发泡能力、发泡稳定性均有所提高并改变了物料热力学性质。周志峰[20]以脱脂蚕蛹为原料,利用磨球超微粉碎和超声波的物理作用对蚕蛹蛋白基本特性进行改良。经过超微粉碎处理后的蚕蛹蛋白巯基含量提高,导致肽链的伸展和亲水基团的暴露,这些变化可以提高蚕蛹蛋白的溶解性、起泡性、起泡稳定性和乳化稳定性。高云中等[21]研究超微粉碎对花生分离蛋白功能性质的影响,花生经超微粉碎后其分离蛋白的溶解性明显降低,主要原因是由于在超微粉碎的过程中,机器功率过大及剪切过程发热造成蛋白质变性,导致溶解性变差。吸水性及吸油性都呈现出先上升后下降的趋势,乳化稳定性有所提高。

3.3超微粉碎对食品膳食纤维结构和功能的影响

令博[22]对葡萄皮渣进行超微粉碎和挤压超微粉碎后,可溶性膳食纤维增加,不可溶性膳食纤维显著减少,其中采用挤压超微粉碎技术的可溶性膳食纤维含量增加较多。物料经过超微粉碎后其膨胀力、持水力和持油力明显降低,但其阳离子交换能力提高显著,对金属离子吸附能力无显著变化。陈红菊[23]采用湿法超微粉碎法对马铃薯渣进行粉碎。超微粉碎后,马铃薯渣膳食纤维颗粒之间孔隙明显增加,纤维颗粒的比表面积增大。水溶性纤维素的水溶性明显提高,不溶性纤维素可转化为可溶性组分。王安建等[24]对玉米皮进行了超微粉碎,对玉米皮中水不溶性膳食纤维改性进行研究。超微粉碎后的不可溶性膳食纤维的水溶性变化不明显,但其阳离子交换能力大大增加,将其粉碎粒度控制在160目~200目时,其持水力、吸水膨胀率、持油力均有明显改善,表明超微粉碎工艺完全可应用于玉米皮膳食纤维的理化性质改良。

3.4超微粉碎对食品药用功能的影响

BartolucciML等[25]对微粉化棕榈醇酰胺减少关节疼痛和胶质细胞活化进行了研究,评估超微粉碎棕榈醇酰胺(micronizedpalmitoylethanolamide,m-PEA)对胶质细胞活化和三叉神经超敏性的影响。完全弗式佐剂(completeFreund'sadjuvant,CFA)注射后,动物表现出颞颌关节(temporomandibularjoint,TMJ)水肿和外侧机械异位症,伴随着胶质纤维酸性蛋白(glialfibrillaryacidicprotein,GFAP)阳性的神经胶质细胞的强劲增长,以及在甘油三酯(triglyceride,TG)中激活的吞噬细胞,表明m-PEA具有抗高血脂症的功能。此外,m-PEA大大降低了TMJ损伤和疼痛的程度,并且通过调节TG的上升能够激活吞噬细胞。研究结果证实,m-PEA可以作为一种新的方法来治疗三叉神经敏感症的疼痛。BertoncelloKT[26]研究超微粉碎姜黄素的抗癫痫作用,将姜黄素进行超微粉碎处理,对姜黄素进行改性。超微粉碎的姜黄素表现出对癫痫发作抑制作用,减缓了幼虫和成年动物的癫痫发作。和未加工的姜黄素相比,微粉的姜黄素无论是对幼虫还是成年斑马鱼都减少了癫痫的发作频率,超微粉碎的姜黄素表现出类似于一种典型的抗癫痫药物的效果,减少了癫痫发作的发生率,减缓了癫痫发作的进程。

4超微粉碎在食品加工方面的应用

在果蔬加工过程中,会产生大量的果壳、果蔬渣,大部分废弃物被丢弃,造成农副产品的巨大浪费。通过超微粉碎将果皮和果核转化为食物,作为动物饲料、发酵柠檬酸和果胶的提取物,来保护环境,增加食物资源。低温下蔬菜粉碎成微糊粉,可以保存所有的营养物质,膳食纤维因超微粉碎而增加水溶性,使蔬菜的口感更好[27-28]。超微粉碎后,小麦粉、大豆粉、米粉的口感明显改善,更有利于人体吸收。小麦麸皮粉和大豆粉可以添加到面粉中制成高纤维或高蛋白面粉。它含有大量的纤维素和黄酮化合物。但普通的豆皮中含有大量的粗纤维无法直接被人体吸收利用,经过超微粉碎后,其性质发生了改变,不可溶纤维素(不能被人体吸收利用的膳食纤维)变为可溶性膳食纤维(可被人类体消化利用),增加了可食用的食物资源[26]。贝壳富含钙,例如含有90%以上钙的牡蛎壳。牡蛎壳通过超微粉碎技术粉碎后,其中的钙更容易被人体吸收。还可用超微粉碎技术对虾皮、蟹壳、鱼骨等进行粉碎,用于钙或钙制品的加工。中国茶文化源远流长,喝茶的传统方法是用开水泡茶,人体不能充分吸收和利用茶叶中的营养成分。

茶渣中残留着一些不溶性或不溶性成分(如维生素A、维生素K、维生素E、大多数蛋白质、碳水化合物、胡萝卜素、某些矿物质等)。它极大地削弱了茶叶的营养保健功能。如果茶叶在常温和干燥条件下制成粉末,且粉末的粒度小于5μm,则全部营养物将直接被肠胃吸收[29-34]。对茶叶进行湿式粉碎,随着粉碎的力度加大,茶粉的颗粒越小,其茶多酚的溶出率逐渐增大。超微粉碎技术作为一种新的食品加工方法,能够使传统工艺加工的香料和调味品更加优质。将香料和调味品超微粉碎形成聚集腔,可以固定香料原有风味,使其风味不易挥发。同时,传统的调味品经过超微粉碎后,其颗粒均匀、细腻、分散性好,使其香味更加浓郁,仅需少量便能起到的良好调味作用。当香料在材料中均匀分布时,肉眼无法观察到颗粒的存在,从而消除了产品中的黑斑。结果表明,随着香料粒径的减小,香料颗粒的流动性、溶解速率和吸收速率增加,风味效果提高[35]。

5结语

综上所述,超微粉碎技术在各个领域中应用广泛,具有广阔的应用前景。从新型食品资源开发来讲,利用超微粉碎技术可以开发新的食物资源:从环境保护方面来讲,食品加工过程中的果壳残渣等废弃物经过超微粉碎再加工,变为可食用的资源,更加节约环保。超微粉碎技术因涉及面广,技术成果实用性和普遍性较强,从而具有广泛的课题来源和转移成果的技术市场。但是目前超微粉碎技术仍待完善,需要在更高层次上和更大范围内与相关学科不断综合,共同提高。

作者:杨春瑜 柳双双 梁佳钰 车丹 王莹 王雨晴 单位:哈尔滨商业大学食品科学与工程省重点实验室

食品工业科技杂志责任编辑:陈老师    阅读:人次
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