田瀟凌，王曉曦*

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001）

“機械力化學(xué)”一詞在1919年首次由Ostwald提出，意為“機械能與化學(xué)能的耦合”[1]。當(dāng)機械力作用于固體材料時，不僅會使材料發(fā)生斷裂、形變、破碎等物理變化，而且會對材料的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和反應(yīng)活性產(chǎn)生影響。機械化學(xué)涉及固體化學(xué)、表面化學(xué)、有機化學(xué)、無機化學(xué)、材料科學(xué)等多個學(xué)科，是目前最活躍的研究領(lǐng)域之一[2]。

1 機械力化學(xué)概述

機械力化學(xué)是指由機械力作用引起的一類化學(xué)變化，它作為化學(xué)的一個分支，主要研究當(dāng)給固體物質(zhì)施加機械能時，固體的形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)等發(fā)生的變化，以及誘發(fā)物理化學(xué)反應(yīng)的基本原理和規(guī)律[3]。

1.1 機械力化學(xué)反應(yīng)

圖 1 機械力化學(xué)變化層次示意圖[5]Fig. 1 Hierarchy diagram of mechanochemical change[5]

物質(zhì)受到機械力（如研磨、壓縮、沖擊、摩擦、剪切、延伸等）作用而發(fā)生化學(xué)變化或者物理化學(xué)變化的反應(yīng)稱為機械力化學(xué)反應(yīng)[4]。這是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，機械力對物體最直觀的作用是物質(zhì)破碎、粒度減小，隨著對機械力化學(xué)機理研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)顆粒不斷細(xì)化還會引起更深層次的變化：分子水平上的結(jié)構(gòu)變化甚至原子水平上的鍵變化（圖1[5]）。在原子水平上，會發(fā)生化學(xué)鍵變化、構(gòu)象變化；在大分子水平上，會發(fā)生結(jié)構(gòu)鏈降解、基團脫落；在微觀結(jié)構(gòu)層面，會產(chǎn)生孔隙、空穴，發(fā)生破裂以及大范圍的彈性形變[6]。對于機械力引起的物質(zhì)變化，當(dāng)固體物質(zhì)受到機械力作用時，其本身會被不同程度的“激活”；若體系僅發(fā)生物理變化而其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)不變時，稱為機械激活；若物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或化學(xué)組成也同時發(fā)生了變化，則稱為化學(xué)激活[7]，具體作用類型及影響見表1。

表 1 機械力對物質(zhì)的作用類型及影響[7]Table 1 Types and influences of mechanical forces on materials[7]

在機械力化學(xué)的研究中，物理效應(yīng)主要為比表面積和顆粒粒徑的變化，粒狀固體物質(zhì)在被粉碎和研磨的過程中顆粒度會減小，比表面積增大，且顆粒堆積情況發(fā)生變化，密度也會有變化[8]。比較常見的是，咖啡豆經(jīng)研磨粉碎成為粉末，顆粒被持續(xù)研磨細(xì)化，比表面積增大，當(dāng)用熱水沖泡時，咖啡粉末比咖啡豆更加醇香。這是因為咖啡豆細(xì)化成粉后，比表面積增大，與熱水的接觸作用更充分。晶體物質(zhì)作為一種特殊結(jié)構(gòu)的固體，因經(jīng)受機械力作用而引起的結(jié)構(gòu)變化是比較復(fù)雜的。研究發(fā)現(xiàn)，石英在研磨過程中，無定形二氧化硅相對含量隨研磨時間的延長而持續(xù)增加，直至變化平緩，顯示出機械力作用對晶體結(jié)構(gòu)的影響。在對石膏塊的粉碎研究中發(fā)現(xiàn)，體系溫度處于100 ℃以下時，X射線衍射結(jié)果表明二水石膏隨研磨時間的延長逐步脫水為半水石膏[6,9]，這促使學(xué)者們開始對機械力引起的新物質(zhì)生成反應(yīng)進行探索。在這3 類作用中，物理效應(yīng)屬于機械激活，結(jié)晶狀態(tài)變化和化學(xué)變化屬于化學(xué)激活。此外，實際研究中還發(fā)現(xiàn)，粒徑減小和比表面積增大并不與粉磨時間成比例，且絕大多數(shù)固體物質(zhì)在粉磨初期，顆粒粒徑都迅速減小，比表面積增大，隨時間延長，粒徑減小趨勢減緩，直至幾乎不變，并發(fā)現(xiàn)有細(xì)小顆粒團聚的現(xiàn)象[10]，這就涉及機械力化學(xué)中的另一個現(xiàn)象，即機械粉碎平衡。

1.2 機械粉碎平衡

顆粒在機械壓力、摩擦力等作用下破碎成粉，再進一步細(xì)化會產(chǎn)生顆粒團聚，且顆粒越小、表面積越大，越容易團聚。當(dāng)細(xì)微顆粒發(fā)生團聚時，由于顆粒間的位移以及顆粒本身受力后的形變（多為彈性變形、晶格缺陷、局部無定形化等）所產(chǎn)生的自身應(yīng)力作用開始緩和，從而使機械力的破碎效果減小，即顆粒的粉碎過程與團聚過程達到相對平衡的狀態(tài)[11]。

粉碎平衡是動態(tài)的，當(dāng)粉碎達到平衡后，繼續(xù)進行粉碎，顆粒的粒度不再發(fā)生變化，但顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，如結(jié)晶結(jié)構(gòu)不斷被破壞，晶格無序度增大等[10]； 物料宏觀幾何層面幾乎無變化，但結(jié)構(gòu)的改變使其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，且內(nèi)能增加，反應(yīng)活性提高。

2 機械力化學(xué)理論

最初對于物體研磨粉碎過程中的化學(xué)變化，學(xué)者們認(rèn)為熱能是主要誘因，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)有些熱化學(xué) 難以進行的化學(xué)反應(yīng)也會在機械力作用下發(fā)生，這使得學(xué)者們意識到機械力化學(xué)是有別于熱力學(xué)的新領(lǐng)域。物質(zhì)的機械化學(xué)反應(yīng)與熱化學(xué)反應(yīng)相比具有不同的反應(yīng)機理，也可設(shè)定機械力作用條件使反應(yīng)沿常規(guī)條件下熱力學(xué)不可能發(fā)生的方向進行。可見，機械力對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響過程十分復(fù)雜，且其能量消耗和散失機理尚不明確，很難采用某一單個理論來描述，因而學(xué)術(shù)界尚未得出一種能充分、合理地定量解釋理論。因此，根據(jù)現(xiàn)有機械力化學(xué)理論研究，對目前使用較多的觀點進行整理，總結(jié)為以下4 個模型。

2.1 活化態(tài)熱力學(xué)模型

1943年，Hutting和Fricke提出固態(tài)物質(zhì)激活態(tài)的熱力學(xué)模型[12]，定義活性固體是一種熔點以下任何溫度在結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)上都很不穩(wěn)定的存在狀態(tài)，固體自由能和熵較高，而缺陷和位移等結(jié)構(gòu)變化會影響固體的反應(yīng)活性。物質(zhì)受到機械力作用時，在接觸點處或裂紋頂端會產(chǎn)生高度集中應(yīng)力，根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)、機械力作用狀態(tài)等有關(guān)條件，該應(yīng)力場可通過多種方式衰減，Semkal把這一模型應(yīng)用在機械力活化物質(zhì)中[12]。以研磨為例，高能球磨機粉碎晶體顆粒過程中，顆粒逐漸細(xì)化成粉，而粉末在不斷的碰撞、反復(fù)的擠壓中持續(xù)破碎又聚合，同時產(chǎn)生晶格缺陷、晶格畸變，并有一定程度的無定形化，這些現(xiàn)象不斷累積，當(dāng)顆粒更細(xì)微化時，物質(zhì)表面因化學(xué)鍵斷裂而產(chǎn)生不飽和鍵、自由離子和電子等，使晶體內(nèi)能增高，物質(zhì)反應(yīng)的平衡常數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)顯著增大，從而導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生與持續(xù)。

2.2 熱點模型

1964年，Bowden和Tabor提出了熱點模型 （圖2[10]），其認(rèn)為機械力化學(xué)反應(yīng)是在熱點（碰撞點的微小區(qū)域）進行的，熱點模型分布有表層、局部區(qū)域和整個區(qū)域3 種[12]。雖然球磨罐內(nèi)的溫度一般不超過70 ℃，但局部研磨、擠壓點的溫度要遠(yuǎn)高于70 ℃，甚至高達1300 K以上，局部作用點的升溫可能作為一個促進因素，能夠引起納米級物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，且在該位點處會產(chǎn)生局部高溫高壓，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使顆粒發(fā)生晶體缺陷、擴散以及原子重排。根據(jù)機械力對固體物質(zhì)的作用效應(yīng)，對機械力化學(xué)反應(yīng)原理有如下理論，以高能球磨研磨晶體顆粒為例，表面層的晶格畸變儲存部分能量，使表面能升高，活化能降低，活性增強。

圖 2 熱點模型分布示意圖[10]Fig. 2 Distribution diagram of activated point model[10]

2.3 摩擦等離子體模型

1967年，Thiessen提出了摩擦等離子體模型 （圖3[13]），物質(zhì)受到高速沖擊時，在顆粒接觸碰撞點會釋放大量能量，產(chǎn)生10000 K甚至更高的溫度，在一個極短的時間和極小的空間內(nèi)，使固體結(jié)構(gòu)遭到破壞，釋放出電子、離子，形成等離子區(qū)[12]。等離子區(qū)處于高能狀態(tài)，粒子分布不服從Boltzman分布，這種狀態(tài)壽命僅維持10-8～10-7s，隨后體系能量迅速下降并逐漸趨于平緩，最終部分能量以塑性變形的形式在固體中儲存起來。機械力作用時，高激發(fā)狀態(tài)誘發(fā)的等離子體產(chǎn)生的電子能量可以超過10 eV，遠(yuǎn)大于熱化學(xué)和光化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的電子能量（熱化學(xué)反應(yīng)中溫度高于1000 ℃時電子能量為4 eV，光化學(xué)中紫外電子的能量不高于6 eV），所以機械力化學(xué)可以發(fā)生常規(guī)條件下熱化學(xué)所不能發(fā)生的反應(yīng)[14]。

圖 3 摩擦等離子體模型[13]Fig. 3 Schematic diagram of frictional plasma block model[13]

2.4 機械力化學(xué)動力學(xué)模型

Urakaev等[15]采用非線性彈性塑性理論（Hertz理論）對各種研磨設(shè)備中物質(zhì)之間的沖擊作用進行研究，根據(jù)研究所得顆粒在粉碎裝置中碰撞摩擦相互作用時的溫度和壓力脈沖分布，探討了沖擊作用點緊鄰的接觸區(qū)內(nèi)局部溫度的高變化率結(jié)晶過程中納米顆粒形成和化學(xué)反應(yīng)的可能機理，給出了應(yīng)用廣義動力學(xué)方程計算磨機內(nèi)特定機械化學(xué)過程速率常數(shù)的各種實例，推導(dǎo)了物料撞擊粉碎和結(jié)晶動力學(xué)方程，并提出了動力學(xué)模型[15]，如下式所示。

式中：α為機械力化學(xué)引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；ω為磨機轉(zhuǎn)動頻率；N為磨機內(nèi)鋼球的數(shù)目；R/l為鋼球直徑與磨機直徑之比；X為鋼球及被研磨物料的性質(zhì)；K為反應(yīng)速率常數(shù)；τ為粉磨時間。

該模型揭示了機械力化學(xué)反應(yīng)進程及影響，并將時間變量提出，作為另一個函數(shù)。利用該模型分別對NaNO3+KCl＝KNO3+NaCl、BaCO3+WO3＝BaWO4+CO2↑、AgC2O4＝Ag+2CO2↑的反應(yīng)速率常數(shù)進行計算，并與實際實驗值對比，結(jié)果基本一致[16]。

3 機械力化學(xué)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

機械力化學(xué)的前期研究進展十分緩慢，分別在不同的技術(shù)方向和研究領(lǐng)域開展了不同目的的研究：Peters等[17]研發(fā)了一種基于機械力化學(xué)原理的可用于野外礦產(chǎn)勘探的分析工具；Takacs[18]探索了用機械力化學(xué)方法從煤中制備液體燃料的可行性；此外，研磨使物質(zhì)反應(yīng)活性增強的機械力化學(xué)過程等被著重研究[17]。上述研究都集中于各自領(lǐng)域，缺乏廣泛的交流和借鑒[19]。20世紀(jì) 60年代，前蘇聯(lián)和東歐相繼出現(xiàn)了一些具有共同目標(biāo)的機械力化學(xué)研究團體[17]，其提高了機械力化學(xué)的受關(guān)注程度和研究活躍度，也使其研究成果更加引人注目。機械力化學(xué)不但是一門化學(xué)學(xué)科，而且作為一種新的化學(xué)反應(yīng)方法和技術(shù)，在材料、化工、醫(yī)藥等行業(yè)開展了相關(guān)研究[20-22]。目前，機械力化學(xué)技術(shù)因具有提高粉末表面活性、降低反應(yīng)活化能等作用[23-24]、促進物體表面的離子擴散以及誘發(fā)低溫化學(xué)反應(yīng)等特點[25]，已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域（表2）。

表 2 機械力化學(xué)研究實例與應(yīng)用領(lǐng)域Table 2 Examples and applications of mechanochemical studies

機械化學(xué)合成通常是將固體物質(zhì)單獨或與少量溶劑一起研磨，長期以來一直用于不溶性無機材料的合成，而今已逐步發(fā)展為一種使用廣泛的高效分子合成方法。越來越多的研究讓人們認(rèn)識到，機械力化學(xué)不僅是一種“環(huán)境友好型”綠色化學(xué)手段，還是一種有效的探索、發(fā)現(xiàn)工具，給研究者們帶來意料之外的產(chǎn)物和新 收獲[33]。除表2中所列特征反應(yīng)外，Rak等[34]研究還發(fā)現(xiàn)，在碾磨中輔以封端劑，可以實現(xiàn)無溶劑合成尺寸在1～2 nm之間的單分散金屬納米顆粒，而在此前，單分散金屬納米顆粒的合成通常是在高度稀釋的情況下進行，以保持對顆粒生長和聚集的控制，這是機械力化學(xué)研究給金屬合成領(lǐng)域帶來的意外技術(shù)收獲。目前已報道的 有關(guān)機械力化學(xué)法合成的物質(zhì)多為無機材料[35-36]、納米級金屬材料[8,37]以及有機構(gòu)件材料[38-40]，如硅酸鹽、 鋁酸鹽礦物類、莫來石、鈮鋅酸鉛陶瓷、MTiO3超導(dǎo)材料、鐵酸鋅納米晶體、稀土永磁合金以及有機發(fā)光二極管、金屬有機骨架材料等。

機械力化學(xué)因其反應(yīng)過程綠色無污染且具有降解作用，為環(huán)保作出了貢獻（表2）。此外，在有機高分子聚合物的降解方面，也有很多實用的研究發(fā)現(xiàn)：丁金龍等[41-43]在國內(nèi)首先展開了對魔芋葡甘聚糖機械力化學(xué)效應(yīng)的研究，利用貝利超微粉碎機的強烈作用將魔芋葡甘聚糖細(xì)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)魔芋葡甘聚糖發(fā)生了機械力化學(xué)降解反應(yīng)，隨粉碎時間的延長，粒度逐步細(xì)化、分子質(zhì)量降低、溶膠黏度下降、葡甘聚糖含量降低，大量魔芋低聚糖生成。蔣林斌等[44]對機械研磨降解殼聚糖進行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)機械力足夠大時，殼聚糖顆粒內(nèi)部產(chǎn)生的瞬間應(yīng)力超過了殼聚糖顆粒本身所能承受的限額，從而導(dǎo)致顆粒破碎，產(chǎn)生機械力降解效應(yīng)。Liu Huan等[22]利用不同碾磨時間對玉米秸稈進行機械研磨，發(fā)現(xiàn)球磨不僅導(dǎo)致了交聯(lián)纖維素-半纖維素-木質(zhì)素復(fù)合物的解離 （圖4），還導(dǎo)致了胞壁聚合物尤其是碳水化合物的解聚。這一發(fā)現(xiàn)證實機械力化學(xué)降解不僅在廢物利用、污染物降解方面作用突出，還在聚合物解離方面有理想效果。

圖 4 玉米秸稈機械力降解示意圖[22]Fig. 4 Schematic diagram of mechanical degradation of corn straw[22]

機械力化學(xué)法改性主要通過粉碎、磨碎、摩擦等機械方法針對粉體材料進行有目的的表面改性，以滿足應(yīng)用需求。機械改性作用機理是通過機械力作用使物料晶格結(jié)構(gòu)及晶型發(fā)生變化，體系內(nèi)能增大，溫度升高，使粒子發(fā)生溶解和熱分解，產(chǎn)生游離基或離子，增強表面活性，促使物質(zhì)與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或相互附著，從而達到表面改性的目的，被認(rèn)為是一種極具應(yīng)用價值的高效改性方法。改性原理主要是利用物質(zhì)超細(xì)粉碎過程中機械力對物質(zhì)的表面激活作用（參考2.1節(jié)活化態(tài) 熱力學(xué)模型效果），使表面晶體結(jié)構(gòu)與物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而實現(xiàn)改性；其次也可利用機械力對物質(zhì)表面的激活作用和由此產(chǎn)生的離子或游離基（參考2.3節(jié)摩擦等離子體模型效果）引發(fā)單體烯烴類有機物聚合，或通過偶聯(lián)劑等表面改性劑的高附著而實現(xiàn)改性。機械力化學(xué)改性是一種集超細(xì)粉碎和表面改性于一體的高效改性方法，利用機械力作用使一些常態(tài)下不反應(yīng)的材料發(fā)生反應(yīng)，或使一些高分子、難破壞的材料產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，發(fā)生解離而易降解。

4 機械力化學(xué)谷物加工領(lǐng)域的相關(guān)研究

淀粉作為谷物的重要成分，化學(xué)性質(zhì)多與其各級結(jié)構(gòu)（圖5[45-46]）緊密聯(lián)系。20世紀(jì)30年代末期，Pulkki[47]研究了淀粉破碎程度與烘焙性能的關(guān)系，并解釋了淀粉顆粒與水吸附性、酶敏感性和染色吸附性的基本關(guān)系。Tamaki等[48-49]也運用球磨技術(shù)對玉米淀粉、馬鈴薯淀粉進行了破碎處理，通過各種現(xiàn)代分析儀器，對淀粉的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)進行了分析測試。黏度也是淀粉的一項重要特性指標(biāo)，Stark等[50]對小麥淀粉微細(xì)化后的黏度進行測試，發(fā)現(xiàn)其黏度減小，并且對破碎淀粉再進行微細(xì)化處理還可得到黏度更低的、冷水可溶的多糖類物質(zhì)。根據(jù)上述現(xiàn)象，可推斷在研磨過程中淀粉分子內(nèi)的糖苷鍵發(fā)生斷裂，從淀粉的碘色反應(yīng)結(jié)果也可得到相同的結(jié)論，所有樣品的碘值在微細(xì)化處理后均降低。淀粉特別是支鏈淀粉組分的機械力降解不僅使其在β-淀粉酶的作用下容易分解（降解程度約10%），這是由于機械力降解主要在對β-淀粉酶穩(wěn)定的α-1,6-糖苷鍵上，當(dāng)這些鍵被破壞時，之前對酶解作用不敏感的支化鏈段也將參加酶化反應(yīng)。機械力持續(xù)破碎的結(jié)果使得淀粉晶體經(jīng)歷從量變到質(zhì)變的過程，晶粒由大變小，并逐步產(chǎn)生晶格畸變與晶格缺陷，結(jié)晶度降低，甚至無定形化[51]。

張力田[52]研究發(fā)現(xiàn)可以利用機械力細(xì)化處理破壞淀粉結(jié)晶長鏈，使其分子結(jié)構(gòu)無序化從而改變熱塑性，便于降解。Austin等[53]研究發(fā)現(xiàn)機械力研磨可以使淀粉對酶的敏感性增強，并改變烘焙性質(zhì)。Evers等[54-55]研究不同機械力（不同球磨條件）作用于不同狀態(tài)小麥（不同硬度）的淀粉損傷情況，發(fā)現(xiàn)不同機械力、不同狀態(tài)小麥的損傷淀粉含量、淀粉提取率及消化率不同。聚合物力降解轉(zhuǎn)化使晶體無定形化、化學(xué)結(jié)構(gòu)改變，同時某些作用的穩(wěn)定性也發(fā)生變化，如引起物質(zhì)可塑性、溶解度的改變等，而這些現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在淀粉中，還出現(xiàn)在纖維素和蛋白質(zhì)中。

圖 5 谷物籽粒中淀粉的6 級結(jié)構(gòu)[45-46]Fig. 5 Six-level structures of starch in cereal grains[45-46]

利用機械力活化技術(shù)可以使谷物副產(chǎn)品理化性能發(fā)生很大程度的改善，如口感及人體吸收利用率顯著提高[56]。 一些谷物（小麥、燕麥、玉米、糠等）的外殼含有豐富的膳食纖維、維生素、微量元素等，具有很好的營養(yǎng)價值，但口感和消化率較差，借助機械力活化技術(shù)可以使食物纖維微細(xì)化，顯著改善其口感和利用率。

對于蛋白質(zhì)的機械力化學(xué)效應(yīng)，目前研究主要涉及蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)功能特性以及蛋白質(zhì)水解等方面。張慧等[57]對谷朊粉進行超微粉碎后發(fā)現(xiàn)，其面筋蛋白的起泡性、乳化性、持水性、持油性均有不同程度的提高，推測可能是由蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)發(fā)生機械力化學(xué)效應(yīng)而引起的。在剪切、摩擦、拉伸等作用下，蛋白質(zhì)間化學(xué)鍵的變化復(fù)雜（主要涉及S—S、S—C、C—C等），可能會引起小麥粉中游離氨基酸含量的上升，并釋放以—SH為代表的游離基團，在這一過程中需要重點考慮研磨壓力和溫度帶來的變化[57]。在對蛋白質(zhì)二硫鍵機械力斷裂機理的研究中發(fā)現(xiàn)，氧化還原微環(huán)境對蛋白質(zhì)二硫鍵鍵能影響是極其重要的；其中可及性、機械應(yīng)變和局部氧化還原電勢等因素決定主要的斷裂位置并作為斷裂機理的支撐[58]；研究同時觀察到在機械力化學(xué)作用下，蛋白質(zhì)酶促水解速率提高。Morel等[59]給出了剪切和溫度對面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響的通用模型，其認(rèn)為二硫鍵交換反應(yīng)是由于剪切作用中—SH取代了游離的硫醇基團。Chen Ding等[60]研究表明機械力處理（如球磨）肽和蛋白質(zhì)可以生成自由基，并使肽和蛋白質(zhì)分子質(zhì)量降低，同時伴隨有C—S鍵斷裂；此外，研究還顯示由于機械力降解使膠原及明膠在胃蛋白酶及胰蛋白酶作用下易于分解，深度研磨時，聚肽鏈構(gòu)象改變（部分生成環(huán)狀結(jié)構(gòu)及新的末端基），對酶作用的穩(wěn)定性增加。

5 小麥制粉現(xiàn)狀

小麥?zhǔn)鞘澜缱钪饕诩Z之一，小麥粉是面制主食的原料，其對面制食品的品質(zhì)具有重要影響。小麥制粉 技術(shù)是影響小麥粉品質(zhì)特性的關(guān)鍵因素之一，是一門具有較強生產(chǎn)實踐性的科學(xué)技術(shù)。

5.1 小麥制粉基本理論

小麥制粉是小麥籽粒受機械力作用，皮層和胚乳分離，后胚乳顆粒經(jīng)不斷地研磨篩理、粒度分級，最終成為不同粒度分布的細(xì)粉——各級小麥粉的過程。為了便于研究和生產(chǎn)管理，小麥制粉理論將不同技術(shù)參數(shù)配置（磨粉機的磨輥參數(shù)、高方篩的篩網(wǎng)參數(shù)等）的磨粉機、高方篩等裝置，按工藝要求分別命名為皮磨系統(tǒng)、渣磨系統(tǒng)、心磨系統(tǒng)和尾磨系統(tǒng)；將與系統(tǒng)相對應(yīng)、進入其中加工的物料分別稱為皮磨物料、渣磨物料、心磨物料和尾磨物料。傳統(tǒng)小麥制粉理論見圖6。

圖 6 傳統(tǒng)小麥制粉理論示意圖Fig. 6 Schematic diagram of traditional wheat milling theory

5.2 小麥制粉理論研究和實踐的困擾

行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為上述理論中小麥制粉過程屬于物理變化，即認(rèn)為整個制粉過程只是將小麥籽粒進行破碎、細(xì)化粉體的處理；并未涉及對胚乳組成成分蛋白、淀粉的化學(xué)作用效果，因此，認(rèn)為制粉過程僅對小麥粉的粒度造成直接影響，對其他品質(zhì)未構(gòu)成直接影響。

早期關(guān)于小麥粉品質(zhì)的研究以及實際的應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)，小麥粉粒度對品質(zhì)有較大影響，尤其是對小麥淀粉品質(zhì)的影響：分子層面上，表征小麥淀粉結(jié)晶的偏光十字部分消失即淀粉晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化；粉體特性上，吸水性發(fā)生顯著改變（吸水能力增加、持水能力下降等）。這會影響后續(xù)面制品的相關(guān)性質(zhì)：粒度過細(xì)的小麥粉加工的食品易發(fā)黏、成型性差、口感不佳、出品率低等。以上現(xiàn)象主要歸因于小麥（粉）經(jīng)研磨破碎出現(xiàn)淀粉損傷，從而造成系列影響。在一定范圍內(nèi)，機械力作用強度越大，粒度越小，損傷淀粉含量越高[61-62]；不同損傷淀粉含量對小麥粉品質(zhì)影響不同，損傷淀粉含量較高的小麥粉吸水性好，面團品質(zhì)較好，但由于損傷淀粉持水性差，會造成面制品品質(zhì)下降[63-64]。實際生產(chǎn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)損傷淀粉含量達到一定水平時，即使破碎會使粒度繼續(xù)減小，損傷淀粉的含量也不再增加。還有研究顯示，制粉后小麥粉粉體顆粒表面的化學(xué)組成不同：硬麥制粉后，粉體顆粒表面O＝C—OH、C—O—C、 C—NH3+基團分布較多；軟麥制粉后，粉體顆粒表面 O＝C—NH、C—NH2基團和含S基團分布較多，這些不同的基團也會對小麥粉的品質(zhì)產(chǎn)生影響[65]。此外，對于各粉路系統(tǒng)面粉和不同磨粉機加工的小麥粉品質(zhì)的研究，也還停留在粉碎后顆粒的粒度對小麥粉品質(zhì)的影響上[66-67]。顯然，小麥粉粒度及損傷淀粉含量并不能全面地解釋加工所得小麥粉品質(zhì)的差異原因，換句話說，淀粉損傷和粒度分布并不能完全解釋小麥從籽粒受機械力作用細(xì)化成為小麥粉過程中發(fā)生的品質(zhì)變化以及對面制品制作和食用品質(zhì)的影響，而小麥制粉過程也并不能簡單地被看作物理作用過程，機械力在其中的作用效果值得深究。

6 結(jié) 語

面制食品作為主食之一，相關(guān)制作方法對其原料小麥粉的質(zhì)量要求越來越高，對小麥粉品質(zhì)評價不僅應(yīng)關(guān)注其內(nèi)含物（蛋白質(zhì)、淀粉等）數(shù)量和質(zhì)量，也應(yīng)開始關(guān)注其形態(tài)、狀態(tài)等對品質(zhì)的影響，但是小麥制粉過程本身對小麥粉品質(zhì)產(chǎn)生的影響及機理尚不明晰。對機械處理后的材料顆粒結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)發(fā)生缺陷且缺陷分布主要取決于機械處理方式及強度，而缺陷的種類、程度和分布決定了該物質(zhì)的具體特性；機械處理提高了固體反應(yīng)活性，且隨著顆粒尺寸的減小，比表面積的增大，對反應(yīng)活性也有一定的增強。制粉過程中機械力對小麥籽粒和胚乳顆粒的作用效果，具備發(fā)生機械力化學(xué)作用的條件。

小麥粉是相當(dāng)獨特的，淀粉和蛋白質(zhì)作為其主要組成成分，二者的特性對小麥粉及面制品品質(zhì)的影響重大，已有的研究大多分別針對淀粉或蛋白質(zhì)進行，而現(xiàn)階段的機械力化學(xué)效應(yīng)對二者的混合體——小麥粉的研究較少，這也正體現(xiàn)出這一研究的必要性。根據(jù)機械力化學(xué)理論及活化態(tài)模型和熱點模型，對小麥制粉過程可能發(fā)生的機械力化學(xué)反應(yīng)進行推測：一方面，固體顆粒在受到機械力時，因為晶格產(chǎn)生缺陷或畸變，分散度增大（比表面積增大、新生表面產(chǎn)生）、表面能增加、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、產(chǎn)生原子基團或外激電子等，導(dǎo)致固體反應(yīng)活性明顯提高；另一方面，反復(fù)的機械力作用（破碎）可能引起顆粒分子結(jié)構(gòu)變化甚至結(jié)構(gòu)崩潰，同時生成低分子質(zhì)量物質(zhì)和基團；以上這些變化都會對顆粒品質(zhì)特性產(chǎn)生重大影響。借鑒等離子體模型，使用高能球磨機極限研磨小麥粉來研究相關(guān)的變化和現(xiàn)象，再驗證其一般性，確定了小麥粉中機械力化學(xué)作用的機理和實質(zhì)，可根據(jù)動力學(xué)模型對小麥制粉過程進行量化，以期達到對過程和成品的可控加工，這些都可作為機械力化學(xué)在小麥制粉中應(yīng)用的研究切入點，為解析其對小麥粉品質(zhì)的影響建立聯(lián)系。

研究不同機械力作用（作用方式及作用強度）對小麥制粉及小麥粉品質(zhì)的影響機理，科學(xué)解析機械力化學(xué)效應(yīng)對小麥粉品質(zhì)的影響，為打開制粉理論新思路、簡化制粉工藝和設(shè)備配置提供理論依據(jù)，對響應(yīng)國家糧油適度加工政策的技術(shù)推進具有積極意義。