评估谷物和豆类的最佳湿法破碎方法

《Food and Bioproducts Processing》：Evaluating the optimal wet crushing methods for cereals and legumes

水稻、小麦、豆类的湿式粉碎方法分类及能量与颗粒分析 湿式粉碎能量与颗粒 水稻平面粉碎 小麦刀片粉碎 豆类刀片粉碎 颗粒数量差异 粉碎机制分析

　　

Yingying Ke | Lizhen Deng | Taotao Dai | Yihui Wang | Yinong Feng | Ruihong Liang | Wei Liu | Chengmei Liu | Jun Chen

中国江西省南昌市南昌大学食品科学与资源国家重点实验室，邮编330047

摘要

本研究首次将粉碎方法分为平面粉碎、刀片粉碎和球形粉碎三种类型，并探讨了不同湿法粉碎方法对大米、小麦作物和豆类作物在粉碎过程、能量消耗及颗粒数量方面的影响。高速摄像观察和微观结构分析表明：大米的粉碎过程表现为脆性断裂，裂纹主要产生在细胞之间；豆类作物也具有脆性，但无裂纹，其破碎与细胞壁的撕裂有关；小麦作物则表现出弹性-塑性特性，粉碎过程主要是细胞内部破裂。所有样品中，球形粉碎所需的能量最高，其次是刀片粉碎。平面粉碎得到的大米颗粒数量明显多于球形和刀片粉碎得到的颗粒数量，而豆类作物在不同粉碎方法下的颗粒数量没有显著差异。层次分析法的结果表明：大米适合采用平面粉碎方法，小麦作物和豆类作物则更适合采用刀片粉碎方法。这些研究结果为不同谷物和豆类作物的工业加工中粉碎技术的选择提供了参考。

引言

湿法研磨广泛应用于植物基饮料的生产以及从谷物和豆类中提取生物分子（Eze等人，2022年；Mishra等人，2023年）。常见的湿法研磨技术包括高速搅拌机研磨、胶体研磨、高压均质化、微流化等（Gao等人，2020年）。先前的研究表明，不同研磨技术制备的浆体在物理化学性质上存在差异。例如，通过高压均质化（Sivanandan等人，2010年）、胶体研磨（Kuo等人，2014年）和微流化（Li等人，2021年）制备的全豆奶的体积加权平均粒径（D[4,3]）分别为44.25 μm、26.60 μm和30.74 μm。目前，由于缺乏对比研究，食品加工中湿法研磨技术的选择往往基于经验。不同谷物和豆类（如大米、小麦、大豆和绿豆，Ke等人，2025年）的成分差异较大，这也影响了研磨技术的选择。因此，有必要研究适用于不同谷物和豆类的最佳湿法研磨技术。

已有部分研究比较了不同研磨技术对谷物粉末特性的影响（Baasandorj等人，2015年；Cappelli等人，2020年）。例如，Tian等人（2022年）发现球磨法制备的小麦粉粒径比冲击磨法制备的小麦粉更细。然而，不同研磨技术的可调参数和能量输入形式存在差异，直接比较各种研磨设备难以准确分析影响粉碎特性的机械因素。因此，分析不同研磨设备的工作原理至关重要。根据机械力的作用方式，粉碎方法通常可分为冲击式、压缩式、剪切式、摩擦式等。一些干法粉碎研究通过质地分析仪或自制加速装置比较了单一颗粒在不同机械力作用下的破碎行为（Chen等人，2021年；Han等人，2021a；Yang等人，2022年）。简化的粉碎过程有助于理解不同研磨技术之间的差异及其对颗粒破碎特性的影响。然而，压缩、剪切和磨损试验属于准静态试验，而冲击试验属于动态试验（Han等人，2021b；Shen等人，2023年）。这些试验无法使用同一设备进行，且各项试验的可调参数和能量输入形式也有所不同（Gong等人，2018年）。此外，实际研磨过程中往往涉及复杂的机械力（Gao等人，2020年），因此仅基于机械力也难以选择最适合不同谷物和豆类的研磨技术。

本研究提出了一种新的粉碎方法分类方式，依据材料与湿法研磨设备关键部件之间的接触方式，将粉碎方法分为平面粉碎、刀片粉碎和球形粉碎。具体来说，平面粉碎是指材料与研磨腔壁发生碰撞和摩擦而实现粉碎，例如胶体研磨、高压均质化和微流化（Guo等人，2020年；Maindarkar等人，2014年）；刀片粉碎是指材料通过刀片切割和碰撞而破碎，例如高速搅拌机（Wongjaikham等人，2021年）；胶体研磨和球磨属于球形粉碎，材料在球形介质的作用下受到冲击、挤压和剪切（Chen等人，2018年；Jiang等人，2023年）。本研究通过模拟平面粉碎、刀片粉碎和球形粉碎，探讨了不同谷物和豆类的最佳粉碎方法。

可以通过对单个颗粒施加静态载荷来预测其动态破坏行为（Han等人，2021a）。因此，本研究采用质地分析仪在水环境中进行单轴压缩试验来简化湿法粉碎过程。分别使用圆柱形探头、刀片探头和球形探头模拟平面粉碎、刀片粉碎和球形粉碎（图1）。本研究旨在同一测试平台上探讨不同湿法粉碎方法对13种谷物和豆类作物的破碎过程、颗粒形态、能量消耗及颗粒数量的影响，最终确定最适合不同谷物和豆类的湿法粉碎方法。同时，还对浸泡不同时间后的材料进行了干法粉碎实验，以明确水分对粉碎方法选择的影响。这些结果有助于指导实际生产中谷物和豆类研磨方法的选择及研磨设备的设计。

材料

本研究选取了4种大米（圆粒米、长粒米、粳米、糯米）、4种小麦作物（小麦、大麦、燕麦、荞麦）以及5种豆类（大豆、绿豆、峨眉豆、豌豆、黑豆）作为研究对象。样品均购自当地市场（中国江西省南昌市），所有样品均已去壳。基本成分的含量已在我们的前期研究中确定并公布（Ke等人，2025年）。所有谷物的水分含量

谷物和豆类的湿法粉碎过程

图3展示了不同粉碎方法下谷物和豆类的湿法粉碎过程。4种大米的所有3种湿法粉碎过程中，都出现了沿应力方向突然产生的裂纹（用橙色矩形标记），导致样品断裂（图3A）。裂纹最初主要发生在样品的短轴方向。随后，在湿法平面粉碎过程中产生了许多小碎片。

结论

本研究揭示了谷物和豆类的湿法粉碎过程。大米、小麦作物和豆类分别经历了细胞间脆性断裂、细胞内弹性-塑性破碎以及细胞壁的撕裂。更重要的是，本研究基于粉碎能量和颗粒数量评估了不同谷物和豆类的最佳湿法粉碎方法。大米的最佳湿法粉碎方法是平面粉碎，而小麦作物和豆类的最佳方法则是刀片粉碎。

作者贡献声明

Wei Liu：项目监督、概念设计。 Chengmei Liu：项目监督、资金筹集、概念设计。 Yinong Feng：写作、审稿与编辑。 Ruihong Liang：项目监督、概念设计。 Taotao Dai：写作、审稿与编辑。 Yihui Wang：写作、审稿与编辑。 Yingying Ke：写作、初稿撰写、方法设计、数据整理。 Lizhen Deng：写作、审稿与编辑、项目监督、资金筹集。 Jun Chen：写作、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号32160572和32372379）、国家重点实验室项目（20232BCD44005）以及江西省重点研发计划（20233BBF64001）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突。