超声速气流粉碎制备超细白桦茸

左金，刘刚，杜宁，林俊，郭秋亭，范长海

中国空气动力研究与发展中心（绵阳 621000）

桦褐孔菌（Inonotus obliquus）又名桦树菇、西伯利亚灵芝，学名为白桦茸。在外文资料中，其学名常以Inonotus obliquus（Fr.）Pilat出现[1]。桦褐孔菌是一种极其珍贵的药用真菌，属多孔菌科褐卧孔菌属，是一种生长在寒带的木腐菌。桦褐孔菌菌核呈现瘤状、无柄，外表黑色或黑褐色，内部黄褐色，老后表面深裂，很硬，干时脆。野生桦褐孔菌生于白桦、银桦等树的活立木的树皮下或砍伐后树木的枯干上。2005年，国家食品药品监督管理局[2005]2002号《真菌类保健食品申报和审评规定（试行）》将白桦茸列入可用于保健食品的真菌名单，这样白松茸就成了名副其实的“药食”兼用食品。桦褐孔菌中含有丰富的多糖物质，是其主要的活性物质[2]。有研究表明桦褐孔菌多糖具有抗肿瘤、抗氧化、降血糖和血脂以及调节免疫等生物活性[3]。

白桦茸原料的显微结构呈细长纤维状，人体很难吸收，因此只有将其超微破壁处理，其中的营养成分才更易被人体吸收。目前针对食品及中草药的破壁方法主要是采用震动机械破法、研磨机械破壁和低温气流破壁法，震动机械破壁法和研磨机械破壁法在破壁的同时极易造成营养成分的损失和杂质的参入，而低温气流破壁法则能够保持原有的活性、颜色、成分不变。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

白桦茸原料来自俄罗斯西伯利亚，平均大小3～5 cm，水分含量约为11%。

自制风冷干燥设备；自制CP-20型超微气流粉碎分级机；LS-POP（Ⅵ）激光粒度分析仪，珠海欧美克科技有限公司生产；SPA-300HV扫描探针显微镜，日本日立公司。

1.2 试验方法

1.2.1 白桦茸的预处理

取1 kg白桦茸原料，在50 ℃以下风冷干燥至水分7%左右，将干燥后的白桦茸原料加入万能粉碎机中粉碎至80目。

1.2.2 制备超细白桦茸

CP-20型超微气流粉碎分级机是由进气体、金属软管、超声速喷管、粉碎室、二次进风口、料斗、分级室、分级叶轮、电动机、旋风收集器、收集罐、控制柜、平台车、工业吸尘器等部分组成，其结构见图1。

开启CP-20型超微气流粉碎分级机，设定其运行工作参数：粉碎压力0.8 MPa，耗气量1.0 m3/min，分级机转速2 880 r/min。将80目的白桦茸粗颗粒通过料斗送入粉碎室内，压缩空气由进气体通过金属软管进入安装在粉碎室腔壁同一平面内的3个超声速喷管并建立超声速流场，悬浮于粉碎室的白桦茸粉体被超声速喷管气流加速，带向交汇点而被碰撞粉碎。

经粉碎的白桦茸粉体随上升的气流一起运动至粉碎室上部的一定高度，粗颗粒失速后在重力作用下，沿内壁面回落到粉碎室下部。细粉随上升气流和二次进风口加入的气流一起运动到上部的分级室，在分级叶轮产生的强制涡流场内，粗颗粒在离心力作用下被抛向筒壁附近，并随失速粗粉一起回落到粉碎室下部再次粉碎，而符合细度要求的超微粉则通过分级叶轮中的叶片缝隙输送至旋风收集器中的收集罐，作为产品收集，少量超细粉则由工业吸尘器作进一步气固分离，净化的空气由工业吸尘器排出。

图1 CP-20型超微气流粉碎分级机结构示意图

1.2.3 粉末形貌观察

分别取适量白桦茸原料和超细粉，铺于电镜铜台上，喷金镀膜后置电镜下观察、摄影、测量、描绘。

1.2.4 粒度测定

取白桦茸超细粉，利用LS-POP（Ⅵ）激光粒度分析仪进行粒径测定。

2 结果与分析

2.1 粉末形貌电镜观察结果

采用超声速气流粉碎的关键是白桦茸细胞是否破壁，白桦茸原料细胞呈细长纤维状，长度达100 μm以上，白桦茸超细粉细胞完全破裂，没有完整的细胞组织，形成较多的细胞碎片，其平均粒径小于5 μm，说明白桦茸经超微粉碎使细胞破壁率和破壁程度加大，加速了营养和功效成分的溶出。白桦茸原料的电镜照片见图2，白桦茸超细粉的电镜照片见图3。

2.2 粒径分布

经激光粒度分析仪测定，白桦茸超细粉粒径为0.2～11 μm，最大为13 μm，可见白桦茸经超声速气流粉碎，粒度明显减小，达到了超细的效果，同时粒径分布区域变窄，粒径范围相对集中，分布集中在2.27～6.99 μm之间，平均粒径D50为4.51 μm。对于颗粒粒径来说，分布区域越窄，则颗粒的理化性质越接近[4]。白桦茸超细粉体的粒度测试报告见图4。

图2 白桦茸原料的电镜照片

图3 白桦茸超细粉的电镜照片

图4 白桦茸超细粉体的粒度测试报告

2.3 气流粉碎的特点

气流粉碎是利用高速气流（300～500 m/s）或过热蒸汽（300～400 ℃）的能量，使颗粒相互冲击、碰撞、摩擦而实现超细粉碎，其被广泛应用于化工、非金属矿的超细粉碎。产品细度通常可达1～5 μm，并具有粒度分布窄、颗粒表面光滑、颗粒形状规整、纯度高、活性大、分散性好等特点。由于粉碎过程中压缩气体绝热膨胀产生焦耳-汤姆逊降温效应，因而还适用于低熔点、热敏性物料的超细粉碎[5]。

其工作原理是：将无油的压缩空气通过拉瓦尔喷管加速成亚音速或超音速气流，喷出的射流带动物料作高速运动，使物料受到碰撞、摩擦剪切而粉碎。被粉碎的物料随气流至分级区进行分级，达到粒度要求的物料由收集器收集下来，而未达粒度要求的物料再返回粉碎室继续粉碎，直至达到要求的粒度并所被捕集[6]。

根据超声速气流粉碎原理，其工艺具有如下重要特征[7-11]：

1) 耐热敏性。由于压缩空气在喷嘴处绝热膨胀会使系统温度降低，所以整个粉碎空间是低温环境，颗粒的粉碎是在低温瞬间完成的，从而避免了某些物质在粉碎过程中因产生的热量而破坏其化学成分的现象发生，尤其适用于热敏性物料的粉碎。

2) 物理性。气流粉碎纯粹是物理行为，既没有其它物质掺入其中，又没有高温下的化学反应，因而保持物料的原有天然性质。

3) 无污染性。因为超声速气流粉碎技术是根据物料的自磨原理而实现对物料的粉碎，粉碎的动力是空气。粉碎腔体对产品污染极少，粉碎是在负压状态下进行的，颗粒在粉碎过程中不发生任何泄漏。只要空气经过净化，就不会造成新的污染源。

4) 精度高。通过调节分级机的转速和系统负压等参数，可以控制产品粒径分布在很小的范围内，并且分级机的调整是完全独立的，对一些有特殊要求的中药材加工十分有利。

3 结论与讨论

传统的植物粉碎一般颗粒大小约100 μm，而超声速气流则能粉碎到几微米。试验结果表明，利用气流粉碎机对白桦茸进行超微粉碎，在电子显微镜下观察到细胞均已破壁，且粒度大小比较均匀，白桦茸原料长达100 μm以上的纤维状细胞被打碎至平均粒径4.51 μm，且粒径范围相对集中，细胞完全破裂，由于颗粒的微细化，其表面积和孔隙率增加，使其具有独特的理化性能，如良好的分散性、吸附性、溶解性和化学活性等，全部营养成分易被人体肠胃直接吸收，从而提高了其利用率。

白桦茸的超微粉碎是以细胞破壁为目的的粉碎作业，由于超声速气流的低温效应，其粉碎过程对原料中原有的营养成分影响较小，制备出的粉体均匀性好，避免了传统的机械粉碎方法带来的营养流失和加工污染，完整保留了白桦茸的全部营养，提高了白桦茸的营养保健功能。

白桦茸经微粉化后食用更方便，可以直接作为功能性食品，也可以与其他食品一起开发成各种滋补品和保健品，促进其多元化发展。