蒸汽爆破對沙棘果渣可溶性膳食纖維性質(zhì)影響

白曉州，張鎰飛

（鄭州旅游職業(yè)學(xué)院烹飪食品系，河南鄭州450000）

膳食纖維（dietary fiber，DF）是指不被人體消化吸收的以多糖類為主體的高分子物質(zhì)的總稱。根據(jù)其溶解性的不同，可以分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）、不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）。膳食纖維可以預(yù)防和治療許多疾病如冠心病、結(jié)腸癌、肥胖癥、糖尿病等，也是低熱量、低膽固醇健康食品的重要原料之一[1-2]。我國是沙棘資源最豐富的國家，主要種植于我國的西部地區(qū)，總面積可達(dá)1 800萬畝。沙棘不僅作為沙棘汁的原料而且能夠防風(fēng)固沙、保持水土，有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)[3-4]。沙棘汁的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量廢渣，經(jīng)微生物分解極易腐爛，嚴(yán)重污染環(huán)境。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)沙棘果渣中仍舊含有超過50%的膳食纖維，從其中提取膳食纖維可以增加產(chǎn)品附加值，提高經(jīng)濟(jì)效益。研究表明，膳食纖維中SDF的含量比重超過10%時為高品質(zhì)膳食纖維[5]。因此國內(nèi)外研究者通過物理或者化學(xué)手段提高膳食纖維中SDF的含量，以提高其應(yīng)用價值[5-6]。

蒸汽爆破（簡稱：汽爆，steam explosion，SE）技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一種預(yù)處理方法，主要功能是破壞生物質(zhì)的細(xì)胞壁物質(zhì)，分離或降解纖維成分和木質(zhì)素，其主要工作機(jī)理是將原料置于一定的高溫、高壓的環(huán)境中，原料被過熱液體潤脹，孔隙中充滿蒸汽，當(dāng)瞬間（毫秒級）解除高壓時，原料孔隙中的過熱液體迅速氣化，體積急劇膨脹而使細(xì)胞“爆破”，從而實現(xiàn)原料的組分離散和結(jié)構(gòu)改變[8]。其在處理過程只需要高溫蒸汽，不添加化學(xué)物質(zhì)，即可使物料發(fā)生物理改性，因而被認(rèn)為是未來實現(xiàn)生物煉制發(fā)展的重要途徑。蒸汽爆破在木質(zhì)纖維原料制備燃料乙醇、秸稈的厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣等方面技術(shù)已相當(dāng)成熟[9-10]。由于其能使細(xì)胞壁破裂，近年來蒸汽爆破在食品加工中副產(chǎn)物的再利用的應(yīng)用中也取得了一定的進(jìn)展。如張燕鵬等應(yīng)用蒸汽爆破輔助提取高溫豆粕中的蛋白質(zhì)[11]，石敏等應(yīng)用蒸汽爆破技術(shù)作為預(yù)處理方法提取靈芝有效成分[12]，李光磊等研究了蒸汽爆破處理對秈米淀粉理化性質(zhì)的改變[13]。

本試驗首次利用蒸汽爆破技術(shù)處理沙棘果渣，旨在提升沙棘果渣中SDF含量，并探究蒸汽爆破對沙棘果渣SDF物化和功能性質(zhì)的影響，為拓展沙棘果渣膳食纖維在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用提供一種技術(shù)途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

沙棘果渣：黑龍江省大慶森陽果蔬食品科技有限公司；纖維素酶（4 000 U/g）：北京索萊寶科技有限公司；石油醚、無水乙醇：均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

QBS-80型汽爆工藝試驗臺：河南鶴壁正道重型機(jī)械廠；FW-100高速萬能粉碎機(jī)、DZKW恒溫震蕩水浴鍋：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；FA124電子天平：上海舜宇恒平科學(xué)有限公司；PHS-3C實驗室PH計：上海盛磁儀器有限公司；101-3ABS型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：北京市永光明醫(yī)療器械廠；SIGMA3-30K離心機(jī)：德國SIGMA公司；ALPHA 2-4 LSC真空冷凍干燥箱：德國CHRIST公司；S-570型掃描電鏡：日本日立公司；粉末X-射線衍射儀6000、IRTracer-100型傅立葉變換紅外光譜儀：日本島津公司；DSC 3500 Sirius型差示掃描量熱儀：德國耐馳儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的處理

將沙棘果渣置于粉碎機(jī)中粉碎1 min后，依次通過粒徑為 20、40、60、80、100目的目篩，分別收集后備用。

1.3.2 蒸汽爆破處理方法

把定量的沙棘果渣置于汽爆缸中，蓋上蓋子，將高溫飽和蒸汽注入汽爆缸，設(shè)定缸內(nèi)壓力為（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa），設(shè)定維壓時間為（60、120、180、240、300 s），維壓結(jié)束后打開氣動閥門（打開時間約為0.008 75 s）瞬間泄壓的同時完成物料的爆破[14]，收集腔內(nèi)噴出的沙棘果渣。

1.3.3 沙棘果渣SDF制備工藝流程[15]

操作要點：向樣品中加入4倍體積的石油醚，室溫下攪拌2h，以除去樣品中脂肪，過濾收集殘渣加入70%的無水乙醇，放置80℃水浴鍋中水浴1 h，以除去游離的單糖，過濾收集的殘渣即為脫脂脫糖的果渣。纖維素液酶解：配制一定pH=4.6的醋酸鹽緩沖溶液作為反應(yīng)體系，果渣與反應(yīng)體系以一定比例混合，加入適量（mL/100 g底物）的纖維素酶原液，在搖床轉(zhuǎn)速100 r/min的條件下進(jìn)行酶解反應(yīng)。

1.3.4 沙棘果渣SDF物化特性的測定

1.3.4.1 持水力（water holding capacity，WHC）測定

取0.5 g SDF樣品記為W（g），置于離心管中，加入10mL去離子水，充分混勻，室溫下靜置24h，5000r/min離心10 min，棄上清液，沉淀用濾紙吸干夠稱重，質(zhì)量記為W1（g），SDF的WHC（g/g）計算公式為[16]：

1.3.4.2 膨脹力（swelling capacity，SWC）測定

取0.5 g SDF樣品記為W（g），置于10 mL的量筒中，讀取SDF體積（mL），并記為V1，加入5 mL去離子水，充分混勻平衡后，于室溫下放置24 h，記錄吸水后SDF 體積（mL），并記為 V2，SDF 的 SWC（mL/g）計算公式為[17]：

1.3.4.3 持油力（oil holding capacity，OHC）測定

取0.5 g SDF樣品記為W（g），置于10 mL的量筒中，加入5 mL的玉米油，振蕩搖勻，于室溫靜置2 h，5 000 r/min條件下離心10 min，棄去上層油，稱量殘渣質(zhì)量W1（g），SDF的OHC（g/g）計算公式為[16]：

1.3.5 沙棘果渣SDF功能特性的測定

1.3.5.1 葡萄糖的吸收能力（glucose absorption capacity，GAC）

取0.5 g SDF樣品記為W（g），置于燒杯中，加入100 mL葡萄糖溶液（C為100 mmol/mL），于37℃振蕩水浴鍋中反應(yīng)8 h，10 000 g離心10 min，收集上清液稀釋100倍后，用SGD-V全自動還原糖測定儀測得上清液中葡萄糖濃度為 C1（mmol/L）。SDF 的 GAC（mmol/g）計算公式為[18]：

1.3.5.2 陽離子交換能力（cationexchange capacity，CEC）的測定

取0.5 g SDF樣品記為W（g），置于容量為100 mL燒杯中，加入0.1 mol/L的HCl溶液15 mL，在37℃下靜置24 h，過濾殘渣并用蒸餾水洗滌，直至用10%的AgNO3溶液鑒定不出現(xiàn)白色沉淀，證明氯離子已除去，將殘渣轉(zhuǎn)移到三角瓶中，加入15%氯化鈉溶液100mL，置于磁力攪拌器上攪拌30 min，加入酚酞溶液作為指示劑，用0.1 mol/L的NaOH溶液進(jìn)行滴定至淡紅色為終點，消耗的NaOH溶液記為V1（mL）。用蒸餾水代替HCl溶液作空白試驗，消耗的NaOH溶液記為V2（mL）。SDF陽離子交換能力（mmol/g）測定的公式為[19]：

1.3.5.3 α-淀粉酶的抑制能力（inhibition ability of alpha amylase，α-AAIR）

α-淀粉酶的抑制能力測定參照Chen等[20]方法進(jìn)行，0.5 g SDF和4 mg α-淀粉酶加入到25 mL的馬鈴薯淀粉溶液（4 g/100 mL中，37℃條件酶解反應(yīng)2 h，6 000 r/min離心15 min，測定上清液中葡萄糖含量N1（mmol/L），不加SDF為對照試驗，將對照試驗中上清液中葡萄糖含量記為N2（mmol/L），SDF的α-淀粉酶活性抑制能力（%）計算公式如下：

1.3.5.4 胰脂肪酶的抑制能力（inhibition ability of pancreatic lipase，PLAIR）

胰脂肪酶的抑制能力測定參照Chen等[20]方法進(jìn)行，0.5 g SDF、10 mL 橄欖油、50 mL 0.1mol/L 磷酸鈉溶液（pH7.2）和10 mL胰脂肪酶充分混合，放入37℃的水浴鍋中恒溫水浴1 h，將混合液放入90℃的水浴鍋中水浴10 min以終止反應(yīng)，釋放的游離脂肪酸的量用0.05mol/L的NaOH溶液滴定，以不加SDF作為對照組，試驗組和對照組消耗NaOH溶液體積分別為V1（mL）和V2（mL），SDF的胰脂肪酶的抑制能力（%）計算公式如下：

1.3.6 沙棘果渣SDF傅里葉紅外光譜分析

SDF粉末和KBr粉末以1∶100的質(zhì)量比研磨均勻，在 400 cm-1～4 000 cm-1進(jìn)行掃描。

1.3.7 沙棘果渣SDF掃描電鏡觀察（scanning electron microscope，SEM）

掃描電鏡分別觀察蒸汽爆破前后SDF的顯微結(jié)構(gòu)。樣品經(jīng)過粘臺、噴金等步驟后，在加速電壓為20 kV的條件下進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 探究蒸汽爆破處理沙棘果渣的蒸汽壓強、維壓時間和物料粒度對沙棘果渣SDF得率的影響

蒸汽爆破預(yù)處理的條件（蒸汽壓強、維壓時間和物料粒度）對沙棘果SDF得率的影響如圖1所示，首先，設(shè)置蒸汽壓強為0.9 MPa、維壓時間240 s，沙棘果渣的粒徑從20目～100目進(jìn)行蒸汽爆破處理，由圖1A可知，沙棘果渣SDF得率（干物質(zhì)）在其粒徑為60目時達(dá)到最大值（19.44±0.55）%，這可能是由于合適的粒徑能和高壓水蒸氣緊密結(jié)合，實現(xiàn)物料和水蒸氣充分混合。接著，選取粒徑為60目的沙棘果渣，維壓時間為 240 s，蒸汽壓強設(shè)置為 0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa，由圖1B可知，SDF得率由最開始的（6.68±0.53）%（蒸汽壓強為 0 MPa）提升到最大值（21.37±0.37）%（壓強為1.2 MPa），當(dāng)蒸汽壓強高于1.2 MPa時，壓力過大使沙棘果渣發(fā)生焦糖化反應(yīng)，SDF中的半乳甘露聚糖和木葡聚糖發(fā)生降解，SDF得率降低[21-22]，隨后，設(shè)置蒸汽壓力為1.2 MPa、物料粒徑選擇60目的果渣，維壓時間分別選著 60、120、180、240、300 s進(jìn)行蒸汽爆破處理，如圖1C所示，當(dāng)維壓時間為180 s時，SDF得率最大為（24.71±0.67）%，是未經(jīng)蒸汽爆破處理的果渣SDF得率（4.37±0.44）%的 5.65倍。Talebnia等[23]的研究也表明蒸汽壓強、維壓時間和物料粒徑是影響蒸汽爆破效率的重要因素。

圖1 蒸汽爆破時的蒸汽壓強、維壓時間和物料粒度對沙棘果渣SDF得率的影響Fig.1 Effect of steam pressure，residence time and particle size of SE on the yield of SDF

2.2 蒸汽爆破對沙棘果渣SDF物化特性影響

經(jīng)過蒸汽爆破的外界作用力后，IDF中纖維高聚物的連接鍵斷裂，使大分子向小分子方向裂解，同時物料的表面積增大，從而提高了膳食纖維的水合性質(zhì)。蒸汽爆破前后對沙棘果渣SDF物化指標(biāo)的影響見表1。

表1 蒸汽爆破對沙棘果渣SDF物化指標(biāo)的影響Table 1 Effect of steam explosion on physicochemical properties of SDF from seabuckthorn pomace

由表1可知，蒸汽爆破后的沙棘果渣SDF（steam explosion-soluble dietary fiber，SE-SDF），其持水力、膨脹力和持油力為8.36 g/g、4.17 mL/g和3.06g/g是未經(jīng)蒸汽爆破處理的沙棘果渣SDF（original-soluble dietary fiber，O-SDF）2.43、2.04、2.48 倍，這是因為蒸汽爆破后沙棘果渣膳食纖維中的SDF含量增加以及膳食纖維表面呈現(xiàn)凹凸不平的多孔狀，表面積增大，能吸附大量的水分子或者油分子[24]，SDF的持水力、持油力和膨脹力對人類的健康起著重要作用，可以吸收脂肪，增加飽腹感，增強腸道的蠕動[16]，由此表明蒸汽爆破后的沙棘果渣粉可以作為高膳食纖維食品的很好的原材料。

2.3 蒸汽爆破對沙棘果渣SDF功能特性影響

蒸汽爆破對沙棘果渣SDF功能特性影響見表2。

表2 蒸汽爆破對沙棘果渣SDF功能特性指標(biāo)的影響Table 2 Effect of steam explosion on functional properties of SDF from seabuckthorn pomace

由表2可知，蒸汽爆破后的沙棘果渣SDF葡萄糖的吸收能力，陽離子的交換能力，α-淀粉酶的抑制能力和胰脂肪酶的抑制能力分別達(dá)到9.14 mmol/g、0.94 mmol/g、40.13%和24.64%，是蒸汽爆破前SDF的 2.36、3.03、1.81、1.98 倍。蒸汽爆破后，沙棘果渣 SDF表面積和多孔的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加，使更多的淀粉、酶等大分子吸附在纖維網(wǎng)狀的表面，且離子結(jié)合位點暴露在膳食纖維分子的表面，在一定程度上增加了膳食纖維的交換能力[25-26]。

2.4 沙棘果渣SDF傅里葉紅外光譜

O-SDF（1）和 SE-SDF（2）紅外光譜圖如圖 2 所示，蒸汽爆破后的SDF與未汽爆的SDF紅外光譜大致相似，說明蒸汽爆破未對SDF結(jié)構(gòu)造成顯著改變，均具有多糖的特征吸收峰。由圖2可知，兩者都在3 421 cm-1附近處出現(xiàn)的寬峰是O-H的伸縮振動峰；2 927 cm-1附近處是糖類甲基和亞甲基上C-H的伸縮振動峰；1 622 cm-1附近是COO-的不對稱伸縮振動峰，表示樣品中含有糖醛酸；1 417 cm-1附近的吸收峰為C-H變角振動吸收峰；1 107 cm-1附近處的吸收峰為C-O-C彎曲振動峰，表明樣品中含有吡喃糖[27-28]。

圖2 蒸汽爆破前后沙棘果渣SDF的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.2 The FI-IR spectra of SDF from untreated and treated seabuckthorn pomace

2.5 沙棘果渣SDF掃描電鏡

圖3A和圖3B分別是為O-SDF和SE-SDF放大1 000倍的掃描電鏡照片，由圖3A和圖3B比較得出，O-SDF表面相對平坦且光滑，而SE-SDF（圖3B）表面出現(xiàn)褶皺，許多孔洞出現(xiàn)在表面，致使其表面積增大，吸附更多的水分子和油分子，這也從微觀結(jié)構(gòu)上給蒸汽爆破后沙棘果渣SDF的一些物化特性指標(biāo)升高提供了依據(jù)。

圖3 沙棘果渣SDF電鏡圖片F(xiàn)ig.3 Scanning electron microcopy（SEM）images of seabuckthorn pomace SDF

3 結(jié)論

本試驗以沙棘果渣為原料，采用蒸汽爆破技術(shù)處理沙棘果渣以提高其SDF含量，在選擇蒸汽壓強為0.9 MPa、維壓時間180 s和物料粒徑60目的條件下，SDF的得率可達(dá)24.71%，是未經(jīng)蒸汽爆破沙棘果渣SDF的5.5倍，此外蒸汽爆破后的SDF的物化和功能指標(biāo)也顯著提升，紅外光譜表明SDF的官能團(tuán)位置并沒有發(fā)生改變，蒸汽爆破對SDF的結(jié)構(gòu)基本沒有破壞，掃描電鏡結(jié)果顯示蒸汽爆破后的SDF表面變得褶皺，并出現(xiàn)許多孔洞。沙棘果渣經(jīng)過蒸汽爆破后，由于不可溶性膳食纖維中的部分木質(zhì)纖維素的糖苷鍵斷裂，水溶性的聚合物增多，小分子含量增大，游離的羧基和羥基曾多，較好的改善了其物化功能，為后期沙棘果渣的進(jìn)一步研究和再利用打下基礎(chǔ)。