豆浆机破壁率的测试方法研究

章为华 苗帅 邹坡 汪杰强

杭州九阳欧南多小家电有限公司 浙江杭州 310000

1 引言

破壁技术是近二十年发展起来的一种新型加工技术，主要通过物理、化学、生物等方法[1]将细胞壁打破，使细胞内各种有效成分得到充分的释放。关于破壁的研究，最早源于花粉、灵芝孢子粉等营养保健品，其中以灵芝孢子粉的研究最为成熟。灵芝孢子粉富含多糖、生物碱、萜类等多种药理活性成分，具有增强免疫、抗病毒、抗肿瘤等作用[1]。然而灵芝孢子粉有两层质地坚硬且耐酸碱的细胞壁，极大地阻碍了人体对孢子内活性成分的消化吸收。为提高灵芝孢子粉的利用率，人们进行了很多的探索，研究表明灵芝孢子粉经破壁处理后，有利于多糖、萜类等活性成分的提取[2]，这引起了科研工作者的重视，破壁相关的研究随后成为行业热点。随着破壁方法的不断发展，破壁技术在药物[3]、食品[4]等领域也得到了广泛的应用。

破壁豆浆机是在传统豆浆机基础上发展起来的新一代产品，该类产品利用超高速电机带动不锈钢刀片，直接打破食材的细胞壁，使营养成分得到更好的释放和吸收。破壁处理后的豆浆口感细腻顺滑，营养成分的利用率也得到了提升。市面上目前存在大量的破壁产品，价格差异较大。至于破壁效果如何，消费者不得而知，行业内也未建立统一的测试方法。因此，本文主要目的在于建立一个适用于各类豆浆机的破壁率检测方法，以期为制造商、消费者以及监管部门在评价豆浆机的破壁性能时提供参考。

2 现有破壁率测试方法及其在豆浆机上应用的可行性研究

文献报道的破壁率测试方法中，根据测试使用技术的不同，可分为显微观察计数法和化学分析法[5,6]。显微观察计数法是将破壁前后的样品，如灵芝孢子粉、花粉等，加入到合适的溶剂中制成浓度相同的均匀悬浮液，然后取样、制片，在显微镜下观察，记录破壁前后悬浮液中完整孢子或花粉的数量并以此计算细胞破壁率。由于花粉和孢子大多属于单细胞，在显微镜下易于观察计数，加上操作简便，该方法得到了较好的应用。对于一些复杂的样品，如超细粉碎后的中草药，可以通过观察一些显微特征物来计算破壁率[7]。化学分析法则通过测定破壁处理后样品中特征化学物质的释放量，并与该特征物质的总量进行对比来计算破壁率。在雨生红球藻孢子粉破壁率的测定中，李夜光等[8]发现二氯甲烷-正己烷混合溶剂可以提取破壁孢子的虾青素，却不能提取完整孢子的虾青素，而二甲亚砜可以将破壁孢子和完整孢子中的虾青素全部提取。利用这两种方法分别对同一个样品的虾青素进行提取、测定含量，即可计算出雨生红球藻孢子粉的破壁率。

参考这两种方法对豆浆机破壁率的测试进行了尝试。由于豆浆机在干打状态下不能工作，无法制备破壁样品，只能尝试从制备好的豆浆中直接取样观察。在显微镜的视野中确实可以看到完整的大豆细胞，但由于无法将破壁处理前大豆的单个细胞分离且分离过程中细胞不能受到损伤，也就无法计算一定质量或者一定体积中未破壁大豆的完整细胞数量，因而无法计算破壁率。我们对实验方案进行了调整，使用松花粉代替大豆，并加入一定量的水，在豆浆机上选择相应的功能键制备样品，破壁率测试结果如表1所示。

松花粉的细胞较小，直径约为30～40μm，受水的影响，高速旋转的刀片对松花粉的作用力有限，导致测试得出的破壁率小于10%，结果与豆浆机实际情况不符，因此该方法不适用于豆浆机破壁率的测试。

豆浆机工作时大豆子叶细胞在刀片作用下细胞壁被破坏，导致整个液体分散体系的平均粒径降低以及细胞内营养物质的释放。因此以蛋白质等物质的释放率作为参考，对豆浆机的破壁率进行评价有一定的可行性。选取多款豆浆机，按说明书要求制备豆浆样品，并参照Nik等[9]报道的方法，分别测试豆浆样品中可溶性蛋白和总蛋白的含量，并计算可溶性蛋白占总蛋白的比例，结果如表2所示。

理论上豆浆中的颗粒越小，说明粉碎效果越好，平均体积粒径的数值就低。从表2中可知，粒径越小时，可溶性蛋白含量并不是最高，可溶性蛋白的含量及占比与粒径数据没有相关性。原因在于可溶性蛋白含量受豆浆机制浆工艺影响较大，因此仅以可溶性蛋白的释放来评价豆浆机破壁率也不可行。

3 豆浆机破壁率测试新方法

通过上述分析，发现现有的破壁率测试方法都不适用于豆浆机破壁性能评价，需要建立新的评价方法。激光粒度仪通常用来测试颗粒的大小和分布，对豆浆进行粒度测试可以大致了解大豆的粉碎情况，如图1所示。大豆子叶细胞的直径约为70μm左右，对于粒度测试中平均直径小于70μm的颗粒定义为全破壁，颗粒中的营养物质全部释放；平均直径大于70μm的颗粒，其外部细胞被打破而内部细胞完好，定义为部分破壁，颗粒中的营养物质部分释放。

制浆过程中大豆被刀片粉碎成小颗粒分散在水中，充分浸泡后，可以近似地认为这些小颗粒在水中的密度是相同的。结合粒径分布图中的体积比，得出颗粒的质量比，再对部分破壁的颗粒进行蛋白质含量的测试，最终计算出大豆蛋白质的释放率，如式（1）、（2）、（3）所示，能较好地评价豆浆机破壁效果。

表1 松花粉作为实验负载时豆浆机的破壁率

表2 不同豆浆机制备豆浆的理化测试结果

表3 不同豆浆机的破壁率测试结果

表4 破壁率测试的稳定性

图1 豆浆粒径分布图

其中：

R——蛋白释放率（%）；

M——实验使用大豆中总的干物质质量（g）；

m——豆浆中所有颗粒的总质量（g）；

m0——豆浆中所有颗粒的总干物质质量（g）；

m1——部分破壁颗粒的总质量（g）；

m2——部分破壁颗粒的总干物质质量（g）；

A——部分破壁颗粒所占的体积比（%）；

w——豆浆中颗粒的平均含水率（%）；

w0——部分破壁颗粒的含水率（g/100g）；

P0——实验使用大豆的干基蛋白含量（g/100g）；

P——部分破壁颗粒的干基蛋白含量（g/100g）。

3.1 破壁率测试的具体步骤

式（1）、（2）、（3）推导出蛋白质释放率的近似计算公式，实际操作中引入微积分的思维方式，将部分破壁颗粒按粒径分成多个区间段，区间越多，数据的准确度越高。考虑到测试操作的便利性及工作量，共分为五个区间，蛋白质的释放率即为豆浆机的破壁率，具体操作过程如下：

（1）制浆：称取一定质量的干大豆，加水至刻度线，按说明书的要求制备豆浆样品；

（2）粒径测试：将制好的豆浆样品混匀后取样，按激光粒度仪的要求进行操作测试其粒径，得到豆浆样品的粒径分布图；

（3）筛网过滤：将80目（孔径约为200μm）、120目（孔径约为125μm）、150目（孔径约为100μm）、180目（孔径约为88μm）、200目（孔径约为74μm）这5个筛网依次叠在一起（80目在上，200目在下），并放置在三维正弦波振动筛分仪上。然后取500mL混合均匀的豆浆样品，通过振动筛分仪对豆浆样品进行过滤；

（4）滤渣的干基蛋白质含量测试：收集各个筛网上的滤渣，分别取1～5g样品，测试滤渣的含水率以及蛋白质含量，计算得出干基蛋白质含量，分别为P1、P2、P3、P4、P5；

（5）破壁率计算：根据所使用筛网的孔径大小，从激光粒度仪的操作软件上导出每个筛网上滤渣所占的体积比，计为A1、A2、A3、A4、A5。豆浆机的破壁率按公式（4）进行。

其中：

P0——实验使用大豆的干基蛋白质含量（g/100g）；

Ai——筛网i上滤渣所占的体积比（%）；

Pi——筛网i上滤渣的干基蛋白质含量（g/100g）。

3.2 破壁率测试可行性验证

按上述步骤对多款豆浆机进行测试，以验证方法的可行性。每款豆浆机均使用80g干大豆，加水至1100g，按说明书进行制浆，粒径和破壁率的测试结果如表3所示。

由表3数据可知，随着豆浆平均粒径的降低，破壁率升高，二者存在显著的相关性，线性相关系数为0.97。实验结果符合预期且具有区分性，说明该方法可以用来评价豆浆机的破壁率。

3.3 破壁率测试的稳定性

选取一款豆浆机，对其进行多次破壁率的测试，考察破壁率测试的稳定性，结果如表4所示。

在相同条件下不同时间进行的4次独立破壁实验，破壁率数据集中在70%附近，测试结果的相对标准偏差为0.47%，说明测试方法人为因素影响小，结果稳定性高。

4 结论

为解决豆浆机的破壁率测试问题，使用现有的破壁评价方法对其进行了可行性研究，结果表明文献所述的方法不适用于豆浆机。通过进一步的研究发现，豆浆粒径测试结合滤渣蛋白质测试，可以有效地解决该问题。

本文提出了一种测试豆浆机破壁率的方法，该方法对于市面上各式豆浆机均可使用，适用范围广；操作过程简单，人为因素影响小，结果的稳定性高。破壁率的测试结果与豆浆粒径有显著的相关性，且对于不同档次的豆浆机也有着明显的区分性。本研究结果不仅解决了破壁豆浆机破壁率的评价问题，对于引导消费、推进行业健康发展具有重要的现实意义。