蒸汽爆破技術(shù)在食品原料預(yù)處理中的 應(yīng)用研究進(jìn)展

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(北京工商大學(xué),北京市食品添加劑工程技術(shù)研究中心, 北京食品營(yíng)養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心,北京 100048)

食品在加工過程中往往需要對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理,從而令其性狀更適宜加工并促使其中的營(yíng)養(yǎng)成分或活性物質(zhì)更大程度地釋放出來。原料預(yù)處理方法主要包括物理法、化學(xué)法和酶法三大類[1]?；瘜W(xué)法雖成本較低,但存在副反應(yīng)多、化學(xué)試劑污染等缺點(diǎn);酶法相對(duì)而言反應(yīng)條件溫和、安全無毒,但在有些情況下成本較高,不利于工業(yè)化生產(chǎn);物理法具有操作簡(jiǎn)單、用時(shí)短、處理量大、無化學(xué)試劑污染等優(yōu)點(diǎn),在食品原料處理方面具有較好的應(yīng)用前景,如超高壓技術(shù)、擠壓膨化技術(shù)等均有廣泛的應(yīng)用。蒸汽爆破技術(shù)是一種新興的物理預(yù)處理方法,該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于木質(zhì)纖維素的處理,近些年才開始應(yīng)用于食品領(lǐng)域。本文綜述了蒸汽爆破技術(shù)在改善食品原料中各成分結(jié)構(gòu)與性質(zhì)方面的作用,以期為該技術(shù)在食品領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 蒸汽爆破技術(shù)概述

蒸汽爆破技術(shù)出現(xiàn)已有80多年歷史,最早是由美國(guó)學(xué)者W.H.Mason發(fā)展起來的,并將其用于制漿過程,經(jīng)過人們對(duì)蒸汽爆破制漿工藝的不斷研究,目前其在造紙領(lǐng)域已達(dá)到工業(yè)化程度[2]。隨著蒸汽爆破技術(shù)的發(fā)展,此項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于木質(zhì)原料中纖維成分的降解,破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),提高纖維素對(duì)酶的接觸機(jī)率,有助于其糖化發(fā)酵制備燃料酒精[3]。此外,蒸汽爆破技術(shù)還應(yīng)用于動(dòng)物飼料加工等方面,Viola等[4]的實(shí)驗(yàn)表明,適宜強(qiáng)度的蒸汽爆破可提高小麥秸稈的消化率。

蒸汽爆破技術(shù)的工作原理是將原料置于高溫高壓環(huán)境中,利用過熱飽和蒸汽對(duì)物料進(jìn)行處理,使原料孔隙中充滿蒸汽,然后瞬間解除高壓(毫秒級(jí),0.00875 s內(nèi)),使得組織間隙中的過熱蒸汽迅速汽化,體積急劇膨脹而發(fā)生爆破,細(xì)胞壁因此破裂而形成微孔,從而使小分子物質(zhì)從細(xì)胞中釋放出來[5]。處理過程主要分為兩個(gè)階段:汽相蒸煮階段和爆破階段[2]。第一階段物料在高溫、高壓蒸汽下蒸煮,蒸汽滲入物料內(nèi)的空隙,經(jīng)過一段時(shí)間的作用,使部分物料發(fā)生類酸性水解和熱降解反應(yīng)。纖維連接強(qiáng)度下降,為后一階段的爆破提供選擇性的機(jī)械分離。第二階段為爆破階段,此階段接近絕熱膨脹過程和熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程。滲入物料內(nèi)的高溫蒸汽和由物料內(nèi)的液態(tài)水汽化形成的蒸汽以氣流的方式瞬間釋放,物料的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)受到破壞,軟化的物料產(chǎn)生剪切變形運(yùn)動(dòng)并發(fā)生分離[6]。爆破過程中,纖維發(fā)生一定程度的機(jī)械斷裂,包括纖維素大分子中的鍵斷裂、纖維素內(nèi)部氫鍵的斷裂以及無定形區(qū)的破壞及部分結(jié)晶區(qū)的破壞,因此達(dá)到對(duì)原料的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行重構(gòu)的效果[7]。

2 食品中蒸汽爆破技術(shù)研究進(jìn)展

蒸汽爆破技術(shù)在食品領(lǐng)域雖然起步較晚,但近年來發(fā)展迅速,優(yōu)勢(shì)突出,工業(yè)化應(yīng)用前景廣闊,主要可用于提高食品原料中營(yíng)養(yǎng)成分的溶出率和提取率、促進(jìn)食品原料中功能因子的釋放和轉(zhuǎn)化、改變食品原料中組分的分子構(gòu)象和理化性質(zhì)等方面。

2.1 提高食品原料中營(yíng)養(yǎng)成分的溶出率和提取率

2.1.1 提高膳食纖維得率 膳食纖維在保持消化系統(tǒng)健康方面有著重要的作用,且具有預(yù)防肥胖、增強(qiáng)免疫力等作用[8]。研究發(fā)現(xiàn),適宜強(qiáng)度的蒸汽爆破可提高一些食品原料中膳食纖維的含量。王田林[9]利用蒸汽爆破技術(shù)對(duì)甘薯渣膳食纖維進(jìn)行改性,結(jié)果顯示,蒸汽爆破將甘薯渣的可溶性膳食纖維含量提高了3.16倍,并且沒有改變甘薯渣中的蛋白質(zhì)、脂肪等其他營(yíng)養(yǎng)成分的含量。Wang等[10]將蒸汽爆破與硫酸浸泡處理相結(jié)合以提取桔皮中的可溶性膳食纖維,表明增加蒸汽爆破處理后比單獨(dú)稀酸浸泡處理的桔皮可溶性膳食纖維提取率顯著提高。Aktas-Akyildiz等[11]將蒸汽爆破技術(shù)用于處理麥麩,使麥麩中的可溶性阿拉伯木聚糖含量從0.75%增加到2.06%,蒸汽爆破也使酶解后的麥麩可溶性阿拉伯木聚糖含量由3.01%增加至9.14%,這可能是由于蒸汽爆破處理使麥麩細(xì)胞壁組分被分解,使底物更容易與酶接觸。孫俊良等[12]將蒸汽爆破技術(shù)用于蘋果渣中果膠的提取,在最佳工藝條件下,蒸汽爆破處理后的果膠得率與未處理樣品相比提高了10.96%;康芳芳[13]的研究顯示,在蒸汽壓強(qiáng)為0.5、1.0 MPa下,豆渣可溶性膳食纖維含量隨汽爆時(shí)間的增加而增加。在0.5 MPa時(shí),可溶性膳食纖維的含量由維壓時(shí)間30 s的5.19%升高到120 s的14.10%;1.0 MPa下由24.12%升高到34.51%。而在較高壓強(qiáng)下(1.5、2.0 MPa),隨汽爆時(shí)間的增加,可溶性膳食纖維的含量降低。汽爆強(qiáng)度過大可能使形成可溶性膳食纖維的多糖被過度降解,導(dǎo)致其含量降低。范麗等[14]和周玉恒等[15]的研究則證實(shí),蒸汽爆破處理能促進(jìn)玉米芯和甘蔗葉中低聚木糖的釋放,如果對(duì)汽爆原料同時(shí)進(jìn)行定向酶解還可進(jìn)一步提高低聚木糖得率,表明蒸汽爆破可有效改變?cè)系膬?nèi)部結(jié)構(gòu),利于與酶的接觸。李飛[16]用蒸汽爆破技術(shù)處理甘薯淀粉,用于抗消化甘薯淀粉的制備,結(jié)果表明,當(dāng)蒸汽爆破壓力為2.0 MPa時(shí),抗消化淀粉含量最高,達(dá)到13.9%,比未經(jīng)蒸汽爆破處理的淀粉制備的抗消化淀粉含量升高6.5%,但如果壓力繼續(xù)升高,則會(huì)使抗消化淀粉含量下降。

2.1.2 增加油脂提取率 植物油中的不飽和脂肪酸具有保護(hù)血管、抗動(dòng)脈硬化等作用[17],傳統(tǒng)的油脂提取方法如蒸煮法、壓榨法等勞動(dòng)強(qiáng)度大,且出油率低,造成資源的浪費(fèi)[18],蒸汽爆破作為一種新興的綠色高效的預(yù)處理技術(shù),其在油脂提取方面的應(yīng)用也逐漸被研究。易軍鵬等[19]用蒸汽爆破處理亞麻籽油,并分析其脂肪酸組成,以評(píng)估其對(duì)油脂得率、脂肪酸組成等方面的影響,研究結(jié)果顯示,在適宜條件下,經(jīng)蒸汽爆破處理后,亞麻籽表面變得粗糙,結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞,較優(yōu)工藝下亞麻籽油得率為43.88%,是未經(jīng)處理亞麻籽油得率的1.17倍,且油中亞麻酸含量從未經(jīng)處理的77.41%增加到81.28%。Ni等[20]將蒸汽爆破技術(shù)用于玉米胚芽中油脂的提取,發(fā)現(xiàn)游離油產(chǎn)率從76.33%提高到88.51%,同時(shí)殘留油含量在水相和沉積物相中分別下降了2.88%和9.35%,如果將其與稀酸浸漬相結(jié)合,還可進(jìn)一步提高游離油產(chǎn)量。

2.1.3 增加蛋白質(zhì)提取率 蛋白質(zhì)和氨基酸是人體所需的重要營(yíng)養(yǎng)素。豆粕中約含有45%～50%的蛋白質(zhì),但高溫豆粕中的蛋白質(zhì)由于經(jīng)高溫處理發(fā)生了變性,溶解性較低,不利于提取,張燕鵬等[21]將蒸汽爆破技術(shù)用于處理高溫豆粕,使其中變性蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)發(fā)生改變,從而增強(qiáng)蛋白質(zhì)親水性,氮溶解指數(shù)為39.03%,與未經(jīng)汽爆處理的樣品相比增加了1.1倍,因而提高了蛋白質(zhì)的提取率。龔凌霄[22]比較了傳統(tǒng)炒制、擠壓膨化和蒸汽爆破三種預(yù)處理方法對(duì)青稞全谷物中游離氨基酸的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)炒制法基本無影響,經(jīng)擠壓膨化后其中游離氨基酸含量增加了43.7%,而蒸汽爆破后其含量則提高了158.5%。

2.1.4 提高其他營(yíng)養(yǎng)素的溶出率 花粉營(yíng)養(yǎng)成分豐富,且具有治療貧血、糖尿病等醫(yī)療保健功能,但其外壁堅(jiān)硬,耐酸、堿及消化系統(tǒng)酶的作用,影響花粉中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在人體中的消化吸收,需要進(jìn)行破壁處理使其營(yíng)養(yǎng)成分釋放出來[23]。倪輝等[24]采用蒸汽爆破技術(shù)處理花粉破壁,促使花粉中營(yíng)養(yǎng)成分溶出率超過86%,尤其是維生素A、維生素C和粗脂肪溶出率顯著增加,同時(shí)細(xì)菌總數(shù)和大腸菌群及霉菌總數(shù)顯著減少。

由此可見,蒸汽爆破技術(shù)將高溫水蒸氣滲入原料內(nèi)部空隙及植物細(xì)胞間,當(dāng)壓力驟然釋放時(shí),內(nèi)部水汽急劇膨脹迫使細(xì)胞壁破裂,使得原料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)被破壞,空隙間比表面積迅速增加,溶劑提取時(shí)傳質(zhì)阻力大大減少,因此在提高食品原料中營(yíng)養(yǎng)成分的溶出率和提取率方面有著明顯的優(yōu)勢(shì),具有替代傳統(tǒng)水解方法的強(qiáng)大潛力。上述研究也發(fā)現(xiàn),汽爆壓力、汽爆溫度、維壓時(shí)間以及浸潤(rùn)溶劑(水、酸、堿溶液)等是影響蒸汽爆破效果的主要因素,建議在實(shí)際操作中,應(yīng)根據(jù)原料的大小和濕度選擇最適宜的汽爆條件。

2.2 促進(jìn)食品原料中功能因子的釋放和轉(zhuǎn)化

我國(guó)物種豐富,很多植物不僅營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高而且含有多種功能成分,但它們往往外殼質(zhì)地粗糲,結(jié)構(gòu)緊致,影響了功能因子的釋放。在蒸汽爆破過程中,存在著類似熱降解、酸水解、類機(jī)械斷裂、氫鍵破壞和結(jié)構(gòu)重排等協(xié)同作用[6]。無疑,蒸汽爆破技術(shù)也可在促進(jìn)食品原料中功能因子的釋放和轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮重要的作用。

2.2.1 促進(jìn)功能成分的釋放 黃酮類物質(zhì)具有抗氧化、抗心腦血管疾病等生理功能。張棋等[25]對(duì)粉葛進(jìn)行蒸汽爆破處理,發(fā)現(xiàn)經(jīng)蒸汽爆破處理后,粉葛中總黃酮提取量顯著增加,且在較低壓力條件下(1.0 MPa),總黃酮提取量隨維壓時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。靳羽慧等[26]將蒸汽爆破用于豆渣,研究了蒸汽爆破處理對(duì)豆渣中大豆異黃酮的影響,結(jié)果表明,經(jīng)蒸汽爆破處理后,豆渣中6種大豆異黃酮如大豆苷、大豆苷元、黃豆黃苷、黃豆黃素、染料木苷、染料木素含量均有顯著增高。原義濤等[27]采用蒸汽爆破技術(shù)對(duì)麻黃原草進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)麻黃素的提取率增加了2倍。

蒸汽爆破處理對(duì)植物原料中的可溶性酚含量的影響吸引了研究者們的關(guān)注。Chen等[28]發(fā)現(xiàn),對(duì)麥麩進(jìn)行蒸汽爆破處理后,不僅麥麩可溶性酚含量增加,而且麥麩的抗氧化活性也有所提高,例如在0.8 mg/mL的樣品濃度下,汽爆樣品對(duì)DPPH、ABTS自由基的清除活性為84.17%和50.27%,而未處理樣品對(duì)二者的清除活性僅為30.60%和10.88%。Gong等[29]報(bào)道,麥麩中總可溶性酚含量及總抗氧化能力均隨蒸汽爆破強(qiáng)度的增加而增加,在220 ℃蒸汽爆破處理120 s后,總可溶性酚含量比未處理樣品高約9倍,且總可溶性酚含量與總抗氧化能力呈高度正相關(guān),表明蒸汽爆破后大麥麩皮提取物總抗氧化能力的增加至少部分是由于可溶性酚含量的增加。Liu等[30]的研究結(jié)果與Gong等[29]的報(bào)道一致,而且Liu等還發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破不僅提高了麥麩中總可溶性酚的得率,其中可溶性游離酚酸和可溶性共軛酚酸的含量均分別比未蒸爆樣品增加了39倍和7倍,尤其是對(duì)阿魏酸的釋放促進(jìn)非常顯著。張瑞婷[31]對(duì)蒸汽爆破后麥麩的酚酸組成進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,蒸汽爆破后麥麩游離酚酸中香草酸、丁香酸、4-香豆酸、阿魏酸四種主要酚酸含量均有明顯提高,可溶酯化酚酸中4-香豆酸和阿魏酸含量顯著提高。蒸汽爆破處理后能夠增加可溶性酚類物質(zhì)的得率也在Sasapalmata葉[32]和橄欖枝[33]等原料中得到證實(shí)。

龔凌霄[22]將蒸汽爆破技術(shù)引入青稞麩皮綜合利用的預(yù)處理,發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能有效水解醚鍵和酯鍵,使麩皮中結(jié)合態(tài)的酚類物質(zhì)游離出來,將總可溶性酚酸含量提高9.83倍,其中游離型和結(jié)合型阿魏酸的得率分別增加了59.0倍和8.45倍,游離型和結(jié)合型對(duì)香豆酸的得率分別增加了47.6倍和7.25倍。該作者還進(jìn)一步將蒸汽爆破技術(shù)應(yīng)用于青稞全谷物的加工,結(jié)果表明,該技術(shù)能促進(jìn)黃酮(得率可提高30.5%)和酚類物質(zhì)(得率可提高6.4%),特別是能有效促進(jìn)阿魏酸的釋放,其含量是擠壓膨化處理試樣的2.3倍,是未處理試樣的3倍以上。

2.2.2 促進(jìn)功能因子的轉(zhuǎn)化 除了有利于原料中功能成分的釋放外,蒸汽爆破還能促進(jìn)功能成分的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。黃酮在植物體內(nèi)通常以糖苷形式存在,少部分以游離態(tài)的苷元形式存在。而有研究證實(shí),只有苷元型異黃酮才能被人體直接消化吸收,其他類型的異黃酮需去除糖基后才能被吸收[34-35]。Chen等[36]將蒸汽爆破技術(shù)用于漆樹果實(shí)中黃酮類物質(zhì)的提取,通過高效液相色譜分析顯示,漆樹果實(shí)中主要的黃酮類化合物槲皮苷(槲皮素-3-O-鼠李糖苷)在蒸汽爆破過程中被去糖基轉(zhuǎn)化為活性更高的槲皮素。

2.3 改變食品原料中組分的分子構(gòu)象和理化性質(zhì)

2.3.1 改變?cè)侠砘再|(zhì) 研究發(fā)現(xiàn),蒸汽爆破技術(shù)不僅促使食品原料中物質(zhì)更多地釋放,還可改變一些組分的分子構(gòu)象,進(jìn)而改善原料的加工性能及其產(chǎn)品的生理功能。例如,Wang等[10]將桔皮經(jīng)蒸汽爆破和硫酸浸泡結(jié)合處理后,桔皮中的水溶性膳食纖維的持水力、持油力、膨脹力、乳化穩(wěn)定性和泡沫穩(wěn)定性等理化性質(zhì)均有所提高。王田林[9]的研究也證實(shí),蒸汽爆破后從甘薯渣中提取的可溶性膳食纖維的持油力、持水力、吸水膨脹力等都變得更好。良好的持水力和膨脹力等能增加焙烤食品的保水性和柔軟性,并有助于促進(jìn)腸道蠕動(dòng),維持胃腸健康[37]。

2.3.2 改變?cè)戏肿咏Y(jié)構(gòu) 李光磊等[38]將蒸汽爆破技術(shù)應(yīng)用于處理秈米淀粉,并分析處理后淀粉的分子結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后,秈米淀粉長(zhǎng)鏈、短鏈以及中間級(jí)分的分子量均有較大程度的降低。隨著汽爆壓力和時(shí)間的增加,長(zhǎng)鏈淀粉比例下降,短鏈淀粉比例增加,且汽爆處理后的秈米淀粉分子鏈聚合度降低,結(jié)晶度增加。Li等研究[39]表明,蒸汽爆破預(yù)處理同樣可有效地降低紅薯淀粉分子鏈的聚合度并提高其結(jié)晶度。張燕鵬等[40]通過采用凝膠電泳對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),經(jīng)蒸汽爆破處理后高溫豆粕蛋白質(zhì)中的聚集體發(fā)生解離并有新聚集體生成,蛋白質(zhì)與糖類發(fā)生了共價(jià)結(jié)合,促進(jìn)了豆粕中美拉德反應(yīng)的進(jìn)行,且美拉德反應(yīng)的程度與汽爆強(qiáng)度有關(guān)。這些改變將可為開發(fā)新型食品、改善傳統(tǒng)食品提供一種新的手段。

3 展望

綜上所述,蒸汽爆破技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的食品原料預(yù)處理方式,其以高溫蒸汽滲入植物原料組織內(nèi)部,充注可爆發(fā)的壓縮汽體能,并使其瞬時(shí)爆炸,從而達(dá)到從分子水平上打破大分子晶格的效果,促進(jìn)組織內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和功能成分的釋放,同時(shí)重構(gòu)部分組分的物理結(jié)構(gòu)令其更有利于加工。與其它預(yù)處理方法相比,蒸汽爆破顯著降低能耗和成本,減少有害化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生,處理效率高、效果好。但目前的研究還只局限于對(duì)植物類原料進(jìn)行處理,該技術(shù)對(duì)海產(chǎn)品加工副產(chǎn)物或肉類剩余物等動(dòng)物性原料的處理是否具有同樣有效的作用仍未見有報(bào)道。此外,當(dāng)前大多相關(guān)研究尚停留在考察蒸汽爆破預(yù)處理效果這一階段,其對(duì)食品原料中營(yíng)養(yǎng)組成、功能成分、理化性質(zhì)和加工性能的影響規(guī)律及作用機(jī)制更值得深入探索。隨著蒸汽爆破技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展,必將表現(xiàn)出更強(qiáng)大的生命力。