揭示经循环磨粉碎干燥的农产品粉末的结构与性能关系

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Revealing the structure and property relationships of agricultural product powders subjected to circulating mill grinding drying

　　

摘要

循环磨粉碎干燥（CMGD）是一种新兴的机械加工技术，集成了超微粉碎和同步低温干燥功能。为阐明具有不同基质的农用粉末的结构-性能机制，选用三种代表性原料（青稞苗粉、雨生红球藻粉和紫薯粉）进行CMGD处理，并考察了其多尺度结构演变和功能变化。结果表明，经CMGD处理后，三种具有不同基质的粉末在氢键破坏和结晶无序化程度上表现出差异，同时呈现出基质特异性的微观结构重组模式。青稞苗粉中的纤维素微纤丝解离成疏松的纤维网络，其持油能力达到1.55 g/g，并表现出显著的剪切稀化行为。雨生红球藻的厚壁孢子发生脆性断裂，胞内可溶性物质大量释放，尽管其比表面积在三种样品中最低，但溶解度却最高（64.93%）。紫薯淀粉颗粒形成纳米孔和表面纳米颗粒，亲水基团充分暴露，显著改善了持水能力（3.64 g/g）和膨胀力（4.59 g/g）。FTIR和XRD证实紫薯粉中氢键破坏和无定形化程度最为严重，与其优异的吸水性能一致。TG-DSC揭示每种样品均呈现三阶段热分解特征，其分解行为由化学组成决定。本研究建立了机械改性农用粉末的半定量构效关系，验证了通过CMGD实现定向功能设计的可行性，并为农产品深加工和功能性配料开发提供了理论参考。

引言

农产品加工副产物和特色作物高值化利用是食品科学技术领域的重要研究方向（Zamani等，2026）。超微粉碎耦合干燥是一种高效的农产品改性与加工策略。通过减小粒径、增大比表面积并诱导结构无序化，该技术能够显著改善原料的理化性质，并进一步提升所得粉末的功能性能，包括溶解度、持水能力和生物活性物质释放能力（Gao等，2020；Zhao等，2020；Sun等，2025）。然而，传统粉碎和干燥设备如球磨机、气流磨和喷雾干燥器普遍存在热效应严重、能耗高和粒径分布宽等明显缺陷。这些局限性限制了它们在热敏性、高脂肪或富含生物活性成分的农产品原料中的应用（Gao等，2020；Zhang、Deng等，2026）。

循环磨粉碎干燥（CMGD）是一种新兴的机械加工技术，通过高速气流与块状物料的循环相互作用，实现高效超微粉碎和同步低温干燥。得益于其闭环气流系统和温和的加工温度，CMGD在处理热敏性农产品原料方面具有独特优势。作为一种创新性超微粉碎方法，它已在多个工业领域得到应用，但其对结构异质性强、化学组成复杂的农产品原料的改性效果仍鲜有研究。这类原料在食品加工中广泛存在，包括富含膳食纤维的谷物苗粉、富含色素和多糖的微藻粉，以及以淀粉和酚类化合物为主的块茎粉，而CMGD处理后其微观结构演变与宏观功能特性之间的关联尚未被系统阐明。

近年来，大量研究考察了超微粉碎对各种农产品原料体系的改性效果。Zhang等（2023）通过常规粉碎和添加剂辅助超微粉碎制备了六种白星花金龟（Protaetia brevitarsis）粉末，发现超微粉碎提高了蛋白质和总酚含量，并改善了粉末功能特性和挥发性化合物谱。Wang等（2022）比较了超微粉碎、高压、微波、高温蒸煮及其组合对豆渣的影响，揭示不同物理改性方法在理化性质和水分分布方面产生显著差异。Wu等（2012）确定了超微粉碎的最佳工艺条件，并证实粒径减小可改善粉末的流动性、溶解度、蛋白质溶解度、电导率和持水能力。Yu等（2024）采用两种工业化方法制备了四种超微蟋蟀粉，进一步验证了与常规研磨样品相比粉末性能的显著提升。综上所述，这些研究结果证实超微粉碎可通过调控粒径和表面特性来优化粉末功能。

据此，本研究提出以下科学假设：CMGD能够通过剪切、冲击和磨削的复合机械力，差异性破坏具有不同基质的农产品原料的多尺度结构，从而定向调控所得粉末的理化和功能特性。该假设同时认为，不同基质固有的结构差异将导致截然不同的机械响应模式和改性效果。为验证这一假设，选取三种具有典型结构基质的代表性农产品原料，即青稞苗粉、雨生红球藻粉和紫薯粉作为研究对象。本研究的主要目标是揭示CMGD处理下农产品粉末的多尺度结构演变规律，并阐明机械力-结构-功能之间的内在关联机制。本研究结果将阐明机械诱导的结构破坏和重组如何决定不同结构背景下粉末的最终功能特性，为循环磨技术在农产品深加工中的合理应用提供理论依据，并为开发具有目标功能的高附加值粉末配料提供科学指导。

章节片段

材料

青稞苗、雨生红球藻和紫薯均来源于中国云南省。青稞苗在苗期采收，经清洗、漂洗和过筛后备用。雨生红球藻经培养后以湿膏状收获。紫薯采收后经清洗、去皮、切片、研磨和过筛。三种原料在基质组成上差异显著：青稞苗富含膳食纤维

SEM分析

通过SEM在250×、500×、1000×和2000×放大倍数下对循环研磨后三种农产品粉末的形貌变化进行了表征，以揭示颗粒形状、表面特征和团聚行为的差异（图2）。

对于青稞苗粉（图2A），在低放大倍数（250×）下，物料转变为短棒状碎片和不规则片状，表面附着少量细粉。在中放大倍数（500×）下，纵向

结论

本研究系统考察了CMGD对三种具有不同基质的农产品粉末的微观结构、理化性质和功能特性的影响，并识别出农业生物质的三种典型机械响应模式。对于青稞苗粉，剪切力和冲击力优先破坏纤维素的非晶区，诱导微纤丝解聚和松散纤维网络形成，从而实现最高的

CRediT作者贡献声明

张俊：撰写-初稿、软件、方法学、调查、正式分析、概念化。 马凡文：撰写-审阅与编辑、软件、正式分析。 张卫鹏：撰写-审阅与编辑、监督、资源。 贾平：撰写-审阅与编辑、软件。 吕卫桥：撰写-审阅与编辑、方法学。 肖宏伟：撰写-审阅与编辑、监督、资源、资金获取、概念化。

未引用文献

Zhang等，2026

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究感谢国家重点研发计划（2024YFD2101404）的资助支持。

张俊|马凡文|张卫鹏|贾平|吕卫桥|肖宏伟

中国农业大学工学院农业工程系，北京 100083，中国