蒸汽爆破預(yù)處理對沙棘果渣可溶性膳食纖維含量及性質(zhì)的影響

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）

沙棘為多年生落葉灌木或小喬木，是一種喜光、耐水、耐旱、生長性極好的小漿果植物，多為橘黃色或橘紅色，廣泛種植于歐亞的溫帶地區(qū)[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。沙棘的廣泛栽植不僅能夠防風(fēng)固沙、保持水土，有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，更重要的是由于其含有豐富的維生素、多糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、微量元素等營養(yǎng)成分以及黃酮類、甾體類化合物、原花青素、三萜烯類、鞣質(zhì)、5-羥色胺等生物活性物質(zhì)，具備藥食同源的特性，因此在保健品、食品等開發(fā)研究方面得到廣泛重視[3-5]。

沙棘果肉酸甜可口，果汁較多，且含有許多人體所需的營養(yǎng)素，沙棘果主要用于生產(chǎn)沙棘汁、沙棘糕、沙棘啤酒、沙棘果醬、沙棘冰激凌等食品和飲品[6]。沙棘果渣是沙棘果榨汁后的副產(chǎn)品，除了少部分被用作動物飼料外，大部分都被丟棄，經(jīng)細(xì)菌分解后腐爛產(chǎn)生難聞的氣味，不僅污染環(huán)境，更造成資源的極大的浪費，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)沙棘果渣仍含有大量的營養(yǎng)素包括蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、黃酮類等[7-8]，且無毒無害，具有潛在的藥用價值。因此沙棘果渣中總黃酮的提取和利用早已成為近年來研究和開發(fā)的熱點[9-10]。而邸俊龍等[11]研究發(fā)現(xiàn)沙棘果渣中含有接近50%膳食纖維，膳食纖維（dietary fiber，DF）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[12-13]。而膳食纖維中的可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）的含量多少是評價膳食纖維生理功能的一個重要指標(biāo)[14]。因此提升膳食纖維中SDF 的含量是提升膳食纖維品質(zhì)的關(guān)鍵。沙棘果渣也可作為高品質(zhì)的膳食纖維來源。

蒸汽爆破技術(shù)是1928年由W H Mason 發(fā)展起來的，采用160 ℃～260 ℃飽和水蒸汽加熱原料至一定的壓力下，作用時間為幾秒到幾分鐘，然后驟然減壓至大氣壓的預(yù)處理生物質(zhì)手段。蒸汽爆破的主要工作原理是將原料置于高溫、高壓的環(huán)境中，原料被過熱液體潤脹，蒸汽充滿孔隙，當(dāng)瞬間解除高壓時（毫秒級，0.008 75 s 以內(nèi)），原料空隙中的過熱液體迅速汽化，體積瞬間膨脹導(dǎo)致細(xì)胞“爆破”，細(xì)胞壁破裂形成多孔，小分子物質(zhì)從細(xì)胞內(nèi)釋放[15-17]。蒸汽爆破法因成本低、能耗少、無污染而備受研究者的青睞，廣泛應(yīng)用于低質(zhì)原料高效利用的預(yù)處理過程中[18-19]。由于其能使細(xì)胞壁破裂，近年來蒸汽爆破技術(shù)在食品加工中副產(chǎn)物的提取及再利用的應(yīng)用中也取得了一定的進(jìn)展，如Zhao 等[20]用蒸汽爆破預(yù)處理秸稈以提高秸稈中木糖醇的含量，Wang[21]等利用蒸汽爆破與酸浸提結(jié)合的技術(shù)處理橘子皮后，其中的可溶性膳食纖維顯著增加。而用蒸汽爆破處理沙棘果渣后，探討其膳食纖維中可溶性膳食纖維含量的變化卻鮮見報道。

本文利用響應(yīng)面優(yōu)化蒸汽爆破處理沙棘果渣的條件，并探討蒸汽爆破后的沙棘果渣中可溶性膳食纖維含量及物化性質(zhì)的變化，以期為開發(fā)高品質(zhì)的膳食纖維和合理利用沙棘果渣資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

沙棘果渣：鄭州頂津飲料有限公司；胰脂肪酶（300 000 U/g）、蛋白酶（200 000 U/g）、纖維素酶（3 000 U/g）：美國 Sigma 公司；無水乙醇、乙酸、乙酸鈉：均為國產(chǎn)分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

QBS-80 型蒸汽爆破工藝試驗臺：河南鶴壁正道重型機械廠；FW-100 高速萬能粉碎機、DZKW 恒溫震蕩水浴鍋：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；SIGMA3-30K 離心機：德國SIGMA 公司；ALPHA 2-4 LSC 真空冷凍干燥箱：德國CHRIST 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品準(zhǔn)備

將洗凈并烘干后的沙棘果渣，放入粉碎機中，粉碎 20 s，使粉碎后的沙棘果渣依次通過 20、40、60、80、100 目篩，分別收集目篩上的沙棘果渣粉。

1.3.2 蒸汽爆破預(yù)處理沙棘果渣

稱取300 g 沙棘果渣放入蒸汽爆破試驗臺的汽爆缸中，擰上活塞，設(shè)置一定的蒸汽爆破時間和壓力，高溫高壓的氣體從進(jìn)氣閥進(jìn)入到氣缸中，到達(dá)給定的時間后，進(jìn)氣閥門關(guān)閉，瞬間解壓（0.008 75 s），完成物料的爆破，收集爆破后的沙棘果渣，并在-20 ℃保存。

1.3.3 沙棘果渣可溶性膳食纖維（SDF）提取

將制備的沙棘果渣粉放入pH=4.6 的醋酸鹽緩沖溶液，依次加入胰脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶，45 ℃恒溫酶解30 min 后置于90 ℃水浴鍋5 min，得到的沙棘果渣酶解液進(jìn)行真空抽濾，收集濾液，向收集的濾液中加入4 倍體積的95%乙醇，靜置醇沉24 h，轉(zhuǎn)速5 000 r/min 條件下離心10 min，收集沉淀，真空干燥后所的粉末即為SDF。

1.3.4 響應(yīng)面試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)三因素三水平的Box-Behnken 的中心組合試驗設(shè)計原理，如表1所示，以蒸汽爆破后提取沙棘果渣中SDF 含量為響應(yīng)值（Y），以蒸汽爆破預(yù)處理時的蒸汽壓強（A）、維壓時間（B）、物料粒徑（C）為試驗因素，用響應(yīng)面法分析這3個因素對響應(yīng)值的影響，根據(jù)SDF 的含量優(yōu)化蒸汽爆破預(yù)處理的條件。

表1 響應(yīng)面試驗設(shè)計因素水平表Table 1 Analytical factors and levels of response surface methodology

1.3.5 沙棘果渣微觀結(jié)構(gòu)觀察

掃描電鏡分別觀察蒸汽爆破前后沙棘果渣顯微結(jié)構(gòu)。樣品經(jīng)過黏臺、噴金等步驟后，在加速電壓為12 kV 的條件下進(jìn)行觀察。

1.3.6 沙棘果渣SDF 物化性質(zhì)的測定

1.3.6.1 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，按1∶20（g/mL）比例加入去離子水，充分混勻，室溫下靜置8 h，5 000 r/min 離心 10 min，棄上清液，沉淀用濾紙吸干夠稱重[22]，質(zhì)量記為W1（g），SDF 的WHC，記為W（g/g）計算公式為：

1.3.6.2 膨脹力（swelling capacity，SWC）測定

取0.5 g SDF 樣品記為W，置于容量為10 mL 的量筒中，記錄 SDF 體積（mL），并記為 V1，后按 1∶15（g/mL）比例加入去離子水，充分混勻平衡后，于室溫下放置8 h[23]，記錄吸水后 SDF 體積（mL），并記為 V2，SDF 的SWC，記為 S（mL/g）計算公式為：

1.3.6.3 持油力（oil holding capacity，OHC）測定

取0.5 g SDF 樣品記為W，置于容量為10 mL 的量筒中，加入10 mL 的玉米油，振蕩搖勻，在室溫下靜置8 h，于5 000 r/min 條件下離心10 min，然后棄去上層油[24]，稱量殘渣質(zhì)量 W1，SDF 的 OHC，記為 O（g/g）計算公式為：

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面優(yōu)化蒸汽爆破處理沙棘果渣的條件

2.1.1 統(tǒng)計分析和模型擬合

在不同的自變量因素組合下的17 個響應(yīng)值（SDF的含量）見表2。

表2 響應(yīng)面分析設(shè)計及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface analysis

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次線性回歸擬合和顯著性及方差分析，用二階多項式方程表征因變量和響應(yīng)值，方程如下：Y=24.74+0.88A-0.53B-0.68C-3.94A2-4.28B2-1.92C2-1.05AB-1.83AC-0.015BC。對回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)曲面方差分析表Table 3 Analysis of response surface variance table

由表3 知，回歸模型 p＜0.000 1＜0.01 極顯著，失擬項p=0.724 7＞0.05 不顯著，回歸模型方程的回歸系數(shù)為R2=0.992，只有不到5%總變差沒有被模型概括，表明建立的模型能很好反映試驗數(shù)據(jù)，變異系數(shù)為0.24低于0.5，說明試驗值的可靠程度較高。沙棘果渣SDF含量回歸模型中一次項 A、B、C，二次項 A2、B2、C2，交互項AB、AC 均表現(xiàn)極顯著，交互項BC 不顯著，說明各個試驗因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系。

2.1.2 優(yōu)化蒸汽爆破預(yù)處理條件

響應(yīng)曲面圖坡度陡峭程度和等高線形狀可以反映各因素間交互作用強弱和影響程度大小。曲面坡度陡峭、等高線密集呈橢圓形表示兩因素交互影響大，而坡度平緩、等高線呈圓形則與之相反[25]。圖1 為蒸汽壓強、維壓時間和物料粒徑兩兩交互作用響應(yīng)面圖和等高線圖。

圖1 蒸汽壓強、維壓時間和物料粒徑兩兩交互作用響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.1 Response surface and contour plots of steam pressure，residence time and particle size

由圖1A、圖1B 可知，當(dāng)物料粒徑一定時，SDF 的含量隨著蒸氣壓強和維壓時間的增加先上升，當(dāng)達(dá)到一定水平時，緩慢下降。這表明在合適的壓力和時間下，蒸汽壓強充分進(jìn)入細(xì)胞中，細(xì)胞壁由于受到壓力被破壞，結(jié)構(gòu)變疏松，細(xì)胞內(nèi)被結(jié)合的SDF 被釋放出來，當(dāng)壓力和時間繼續(xù)增加時，高壓高溫條件下過長的維壓時間導(dǎo)致SDF 發(fā)生降解，且細(xì)胞內(nèi)部溶出的SDF 又重新聚合形成不溶性物質(zhì)[26]。由圖1C，圖1D 可知，當(dāng)維壓時間一定時，SDF 的含量隨著蒸氣壓強和物料粒徑的增加也出現(xiàn)先上升，當(dāng)達(dá)到一定水平時，再緩慢下降，這是因為在適當(dāng)?shù)膲毫土较?，物料比表面積增大，高壓蒸汽能充分進(jìn)入細(xì)胞[26]。而由圖1E、圖1F 知維壓時間和物料粒徑交互作用對SDF 的含量變化影響不大。

通過對二次多項式模型的回歸系數(shù)的顯著性分析得出，蒸汽爆破處理沙棘果渣最優(yōu)的條件為：蒸汽壓強2.01 MPa，維壓時間88 s，物料粒徑54.5 目。在此條件下，預(yù)測的SDF 含量為24.91%?？紤]到實際操作條件和樣品的實際粒徑，最優(yōu)條件修改為蒸汽壓強2.0 MPa，維壓時間88 s，物料粒徑60 目，在此條件下，沙棘果渣經(jīng)蒸汽爆破后，總SDF 的含量為（24.74±0.71）%，與預(yù)測值沒有顯著性差異，而未經(jīng)蒸汽爆破處理的沙棘果渣中的SDF 含量為（7.14±0.42）%，提高了246%。證明用響應(yīng)面優(yōu)化蒸汽爆破處理沙棘果渣的條件是可行的。

2.1.3 蒸汽爆破前后沙棘果渣微觀結(jié)構(gòu)的變化

蒸汽爆破前后沙棘果渣的掃描電鏡圖見圖2。

圖2 蒸汽爆破前后沙棘果渣的掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron microcopy（SEM）images of seabuckthorn fruit residue before and after steam explosion

由圖2 A 知，未經(jīng)蒸汽爆破的沙棘果渣SDF 表面光滑，質(zhì)地緊密，而蒸汽爆破后的沙棘果渣SDF 表面皺縮，卷曲，并有孔洞出現(xiàn)（圖2 B）。這是由于蒸汽爆破在泄壓過程，滲透到細(xì)胞內(nèi)及組織間的水蒸氣膨脹，并且高速瞬間釋放出來，巨大剪切力的存在使纖維發(fā)生機械斷裂[19，27]所致。

2.1.4 蒸汽爆破前后沙棘果渣SDF 物化性質(zhì)的變化蒸汽爆破對沙棘果渣SDF 物化特性（持水力、膨脹力和持油力）的影響如表4所示。

表4 蒸汽爆破對沙棘果渣SDF 物化指標(biāo)的影響Table 4 Effect of steam explosion on physicochemical properties of SDF from sea buckthorn fruit residue

蒸汽爆破后的SDF 持水力、膨脹力和持油力分別從（4.53±0.46）g/g、（3.24±0.37）mL/g 和（1.74±0.31）g/g提升到 （6.06±0.21）g/g 、（5.07±0.34）mL/g 和 （3.16±0.38）g/g。這是由于蒸汽爆破后沙棘果渣SDF 含量增加以及SDF 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和油分子[28]。

3 結(jié)論

將蒸汽爆破技術(shù)應(yīng)用到沙棘果渣可溶性膳食纖維的提取中，利用響應(yīng)面優(yōu)化蒸汽爆破處理條件（蒸汽壓強、維壓時間、物料粒徑），得出在最優(yōu)條件為：蒸汽壓強2.0 MPa，維壓時間88 s，物料粒徑60 目，在此條件下進(jìn)行蒸汽爆破處理，沙棘果渣中SDF 的含量為（24.74±0.71）%，比未經(jīng)蒸汽爆破的沙棘果渣SDF 的（7.14±0.42%）提高了246%。且蒸汽爆破后沙棘果渣SDF 理化性質(zhì)（持水力、膨脹力和持油力）都顯著提升。表明蒸汽爆破技術(shù)可用于提升沙棘果渣中SDF 含量及品質(zhì)，有助于開發(fā)沙棘果渣的再利用。