蒸汽爆破對綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性的研究

王崇隊 ，張明，馬超，楊立風，范祺，張博華，孟曉峰，劉依平，賈洪玉*

（1.中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，山東濟南 250014；2.山東農(nóng)業(yè)工程學院，山東濟南 250100）

蘆筍（Asparagus officinalis L.）又名石刁柏，為百合科天門冬屬的草本植物，含有大量的膳食纖維、蛋白質(zhì)和多種氨基酸、維生素和微量元素等營養(yǎng)成分及多糖、皂苷、黃酮等藥用成分，因此具有較高的營養(yǎng)價值[1]。藥理學研究表明，蘆筍提取物對高脂血癥[2]、糖尿病[3]、癌癥[4]等均有一定療效，具有較高的營養(yǎng)與藥用價值。我國蘆筍種植面積約1.5 萬hm2，年產(chǎn)量約180 萬t，占世界總量的60%。蘆筍廢棄物是指蘆筍速凍產(chǎn)品或罐頭產(chǎn)品加工后剩下的老莖等部分，約占鮮樣的40%。目前，蘆筍廢棄物被當作廢棄物料丟棄，這樣既浪費了資源，又對環(huán)境造成了污染[5-6]。膳食纖維是指不能被人體內(nèi)源酶消化吸收的可食用植物細胞、多糖、木質(zhì)素以及相關(guān)物質(zhì)的總和[7]。膳食纖維對人體具有重要的生理功能，能有效地預防和減少心腦血管疾病、肥胖癥、心肌梗塞、冠心病、動脈硬化、糖尿病、高血壓、結(jié)腸炎、便秘及腸道癌等疾病的發(fā)生，被稱為繼水、碳水化合物、礦物質(zhì)、維生素、蛋白質(zhì)、脂肪之外的“第七大營養(yǎng)素”[8-10]。許多研究表明，膳食纖維的生理功能主要是由可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）表現(xiàn)出來的，膳食纖維中SDF 含量的多少是評價膳食纖維生理功能的一個重要指標[11]。

蒸汽爆破（簡稱汽爆）處理是在高壓密閉環(huán)境中，用過熱蒸汽將物料加熱到一定溫度，在一定壓力下保持數(shù)秒或數(shù)分鐘后瞬間泄壓，隨著壓力驟降、水分汽化，物料產(chǎn)生爆破效應的一種物理處理方法[12]。植物細胞中的纖維為木素所粘結(jié)，與高溫、高壓蒸汽作用下，纖維素結(jié)晶度提高，聚合度下降，半纖維素部分降解，木素軟化，橫向連結(jié)強度下降，甚至軟化可塑，當充滿壓力蒸汽的物料驟然減壓時，孔隙中的氣劇膨脹，產(chǎn)生“爆破”效果，可部分剝離木素，并將原料撕裂為細小纖維的技術(shù)即為蒸汽爆破技術(shù)，它主要是利用高溫高壓水蒸汽處理纖維原料，通過瞬間泄壓過程實現(xiàn)原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化[13]。本研究主要選取料腔比、汽爆時間、汽爆壓力三個單因素樣品進行蒸汽爆破，測定不同條件下綠蘆筍SDF 的含量，并據(jù)此進行正交試驗確定綠蘆筍膳食纖維的最佳改性工藝，從而提高綠蘆筍廢棄物膳食纖維的利用率。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料

綠蘆筍老莖，山東恒寶食品集團有限公司提供。

1.1.2 試劑

α-高溫淀粉酶1 000 U/mL、蛋白酶5 000 U/mL、糖化酶1 000 U/mL，無水乙醇、乙酸、氫氧化鈉、異丁醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司提供。

1.1.3 儀器

QBS-80 型蒸汽爆破設(shè)備，鶴壁政道啟寶實業(yè)有限公司；SHA-B 雙功能水浴恒溫振蕩器，江蘇杰瑞爾電器有限公司；ME104 電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；T050002 電子天平，天津天馬衡基儀器有限公司；LXJ-11B 低速大容量多管離心機，上海安亭科學儀器廠；pHS-3C 型pH 計，上海儀電科學儀器有限公司；RHP-250A 高速多功能粉碎機，浙江永康市榮浩工貿(mào)有限公司；SHB-III 循環(huán)水式多用真空泵，BG2-240 電熱鼓風干燥箱，上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司；KDM 型調(diào)溫電熱套，山東鄄城華魯電熱儀器有限公司；TC-PⅡG型全自動測色色差計，北京光學儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

汽爆樣品工藝流程為綠蘆筍廢棄物→破碎去汁→蒸汽爆破→熱風烘干→超微粉碎。

綠蘆筍SDF 提取工藝流程為汽爆樣品→以1:40 比例加純化水→α-高溫淀粉酶水解→蛋白酶水解→糖化酶水解→離心→無水乙醇醇沉→抽濾→烘干。

1.2.2 操作要點

取蘆筍廢棄物，于破碎機中破碎，擠壓過濾，去掉濾液，取殘渣，進行蒸汽爆破，收集爆破樣品，采用熱風烘干（60 ℃烘干10 h），超微粉碎。樣品以1:40（g:L）比例加入純化水，并加入α-高溫淀粉酶。90 ℃酶解1 h，放涼至60 ℃，加蛋白酶，60 ℃酶解1 h，加乙酸滅活后，加糖化酶，60 ℃酶解1 h，放涼，離心，過濾，濾液加四倍體積無水乙醇醇沉，靜置一夜后，抽濾，濾渣烘干，稱量質(zhì)量。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 測定方法

SDF 含量測定：參照《食品中膳食纖維的測定》（GB5009.88-2014）測定[14]。

水分含量測定：直接干燥法，參照GB/T 5009.3-2016食品中水分的測定[15]。

1.3.2 表觀指標

（1）色差

用CIELAB 表色系統(tǒng)測定綠蘆筍粉的L*、a*和b*值，其中L*代表明度指數(shù)，從黑暗（L*=0）到明亮（L*=100）的變化；a*代表顏色從綠色（-a*）到紅色（+a*）的變化，b*代表顏色從藍色（-b*）到黃色（+b*）的變化[16]。

（2）粒度與比表面積

運用激光粒徑分布儀測定[17]。

1.3.3 水合能力

（1）持水力

分別稱取樣品2 份各1.000 g（m1），置于離心管中，加入30 mL 純化水，室溫過夜，隨后以5 000 r/min 條件離心20 min，棄去上清液，稱量沉淀質(zhì)量（m2），計算公式見式（1）[5]。

（2）膨脹力

分別稱取樣品2 份各1.000 g（m，以純品計）于50 mL 具塞刻度試管中，鋪平，讀取干物料的體積（V1）。準確加入20 mL 純化水，振蕩均勻后，室溫過夜。讀取試管中物料體積（V2），計算公式見式（2）[18]。

（3）水溶性指數(shù)（WSI）

分別稱取樣品2 份各1.000 g（m0）于錐形瓶中，加入40 mL 純化水，于80 ℃恒溫振蕩提取30 min，冷卻后置于離心管中，以5 000 r/min 條件離心10 min，取上清液置于預先稱取質(zhì)量的干燥燒杯（m1）中，先用酒精燈加熱除去絕大部分水分，然后在105 ℃溫度下干燥，將干燥好的樣品與燒杯稱質(zhì)量（m2），計算公式見式（3）[19]。

1.3.4 吸附能力——持油力

分別稱取樣品各3.000 g（m1，以純品計），置于50 mL離心管中，邊振蕩邊緩慢加入花生調(diào)和油30 g，充分混勻后靜置30 min，隨后以5 000 r/min 條件離心20 min，稱取上清油質(zhì)量m2，計算公式見式（4）[20]。

1.3.5 流動性和壓縮成型性

（1）休止角

將一漏斗垂直固定于鐵架臺上，漏斗最下端與水平面保持一定距離，取適量粉體，使其均勻通過玻璃漏斗自由落在平面上，直到粉體堆成的圓錐體的最高點碰觸到漏斗最下端為止，測量此時圓錐體直徑D，每個樣品重復測定5 次，計算公式見式（5）[21]。

其中：θ 為粉體的休止角，°；H 為漏斗最下端距離水平面的距離，cm；D 為粉體堆成的圓錐體的直徑，cm。

（2）滑動角

取一長方形光滑玻璃板，稱取樣品5.0 g，置于玻璃板中心處，固定玻璃板一側(cè)，緩慢抬起另一側(cè)，直至超過90%粉體滑落，標記此位置，此時玻璃板與水平面之間的夾角即為滑動角θ，每個樣品重復測定5 次[22]。

（3）堆積密度

分別稱取樣品15.0 g（m），轉(zhuǎn)入50 mL 量筒中，充分振實，直至量筒內(nèi)粉體體積不再變化，讀取粉體體積（V），重復測定3 次，取平均值，計算公式見式（6）[23]。

（4）松密度

分別稱取樣品15.0 g（m），轉(zhuǎn)入50 mL 量筒中，使粉體保持松散狀態(tài)，直至量筒內(nèi)粉體體積不再變化，讀取粉體體積（V），重復測定3 次，取平均值，計算公式見式（7）。

1.3.6 速溶性

（1）分散性

稱取樣品5.0 g 放于100 mL 燒杯中，然后加入25 ℃的純化水50 mL，以一定轉(zhuǎn)速在恒溫磁力攪拌器上攪拌，記錄從攪拌開始到粉塊全部分散所需要的時間（s）。

（2）潤濕性

這兩種彼此對立的評價都具有深刻的意義和說服力，但是，如果認為這就是僅有的評價方法，則不利于我們認同《琵琶記》的經(jīng)典性。所謂經(jīng)典，是能經(jīng)受住各個時代的考量的作品，隨著新的研究理論不斷引進，我們能夠從新的角度豐富對《琵琶記》的認識。法國結(jié)構(gòu)主義者格雷馬斯的符號學理論不失為一種解讀《琵琶記》的有效范式。

將25 ℃的純化水200 mL 置于250 mL 的燒杯中，稱取樣品0.5 g 均勻平鋪于水面上，測定從樣品加入至樣品完全沉降所需要的時間（s）。

（3）溶解性

精確稱量樣品5.0 g，置于50 mL 小燒杯中，加入純化水30 mL，室溫條件下以磁力攪拌器攪拌30 min，使樣品充分溶解。將溶液完全轉(zhuǎn)移至50 mL 容量瓶中，用純化水定容，充分搖勻。取該液15 mL，以3 000 r/min 離心10 min，取上清液，轉(zhuǎn)入稱量皿中，在水浴中加熱20 min，然后放入105 ℃干燥箱中烘干至質(zhì)量恒定，計算公式見式（8）[24]。

式中：X 為試樣溶解度；m 為樣品質(zhì)量，g；m1為稱量皿質(zhì)量，g；m2為稱量皿和不溶物干燥后質(zhì)量，g；B 為試樣水分含量，g。

1.4 蒸汽爆破單因素試驗

1.4.1 料腔比對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響

已知料腔體積為400 mL，分別選取綠蘆筍鮮渣100、200、300、400 mL 進行蒸汽爆破，即料腔比為1:4、1:2、3:4、1:1，爆破壓力為1.5 MPa，時間為150 s。收集，烘干，酶解提取測定SDF 含量。

1.4.2 蒸汽爆破時間對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響

爆破壓力為1.5 MPa，分別采取爆破時間30、90、150、210、270 s，對400 mL 鮮渣進行蒸汽爆破試驗。收集，烘干，酶解提取測定SDF 含量。

分別采取蒸汽爆破壓力0.5、1.0、1.5、2.0 MPa，時間為150 s，對400 mL 鮮渣進行蒸汽爆破試驗。收集，烘干，酶解提取測定SDF 含量。

1.5 正交優(yōu)化試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以蒸汽爆破壓力、時間、料腔比三個因素，采用L9(33)正交設(shè)計試驗，優(yōu)化汽爆條件。

表1 蒸汽爆破提取綠蘆筍廢棄物膳食纖維正交試驗設(shè)計Table 1 Orthogonal design of extraction of dietary fiber

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均采用Microcal Origin 8.0 軟件作圖，采用SPSS 進行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 料腔比對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響

圖1 顯示了料腔比對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響。由圖1 可以看出，隨著料腔比的上升，綠蘆筍廢棄物中SDF 含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在料腔比為2:4時，SDF 含量達到最高值，為7.45%。這可能是因為隨著物料的增加，水蒸氣的膨脹力可以完全作用于物料中；而物料過多，物料之間的貼合度比較緊密，不適應蒸汽的溶脹，從而減弱蒸汽的作用，使得SDF 含量降低[25]。

2.1.2 汽爆時間對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響

圖2（見下頁）顯示了蒸汽爆破時間對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響，由圖2 可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著蒸汽爆破時間的增加，SDF 含量不斷增加，蒸汽爆破90 s時，SDF 含量達最大值，為7.45%。隨后時間增加，SDF 含量減小。這可能是因為蒸汽爆破過程中，水蒸氣隨著時間的延長滲透到物料中越多，突然減壓時水蒸氣的膨脹力充分作用于物料中[25]；但蒸汽爆破時間不是越長越好，隨著蒸汽爆破時間的延長，物料中的大分子碳水化合物降解生成甲酸、乙酸等酸類、糠醛、芳香類化合物、脂肪酸類化合物和呋喃化合物[26]，所以SDF 含量降低。

2.1.3 蒸汽爆破壓力對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響

從圖3 可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著蒸汽爆破壓力的增加，SDF 含量呈先升后降的趨勢，蒸汽爆破壓力在1.0 MPa 時，SDF 含量達最大值，隨后壓力增大，SDF 含量減少。這可能是由于蒸汽壓力變大，突然減壓時水蒸氣的急劇膨脹作用導致不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber,IDF）中木質(zhì)纖維素的糖苷鍵斷裂，形成小分子的還原糖，使得SDF 含量上升[25]。而隨著蒸汽壓力的變大，突然減壓時水蒸氣急速膨脹作用力過強，焦糖化反應加劇，組成SDF 的半乳甘露聚糖和木葡聚糖發(fā)生降解[27]，使得SDF含量降低。綜合考慮，選擇蒸汽爆破壓力為1.0 MPa。

2.2 正交試驗

根據(jù)單因素的試驗結(jié)果，設(shè)計正交試驗，試驗結(jié)果見表2。由表2 可知，試驗因素對SDF 含量影響的主次順序為A>B>C，即料腔比>汽爆時間>汽爆壓力。由k 值大小可知，優(yōu)化組合為A3B1C2，即料腔比5:8、汽爆時間70 s、汽爆壓力1.0 MPa。經(jīng)驗證，在此條件下，SDF 的含量為7.73%，比改性前提高92.5%。

表2 蒸汽爆破正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test results of steam explosion

2.3 改性纖維的性質(zhì)分析

2.3.1 綠蘆筍廢棄物膳食纖維蒸汽爆破改性前后表觀指標分析

（1）色差

表3 綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性前后色差分析Table 3 Color difference of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

由表3 看出，綠蘆筍鮮渣空白樣L*值高于優(yōu)化樣品的，表明空白樣品比優(yōu)化樣品偏亮，空白樣a*值低于優(yōu)化樣品的，表明空白樣品比優(yōu)化樣品偏綠，空白樣b*值低于優(yōu)化樣品的，表明空白樣比優(yōu)化樣偏藍。

（2）粒度與比表面積

由表4 可知，優(yōu)化樣品的D10、D50、D90跨度數(shù)值均比空白樣品數(shù)值小，這表明優(yōu)化后的粉質(zhì)比空白樣品粉質(zhì)細膩，制成粉質(zhì)沖劑后更加利于沖泡均勻。優(yōu)化樣品的比表面積大于空白樣品，比表面積越大，物料與其他物質(zhì)的接觸面積越廣，表面聚合力和黏著力越大，可以作為功能性原料吸附在食品表面[29]，比表面積越大，吸附性能也越強，粉劑可與水等溶劑接觸更充分，制作成固體飲料口感更好。

表4 綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性前后粒度與比表面積分析Table 4 Particle size and specific surface area of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

2.3.2 水合性能

由表5 可知，優(yōu)化后樣品的持水力低于爆破前空白樣的，這是因為膳食纖維的持水力不僅與比表面積有關(guān)，還與大分子物質(zhì)之間的氫鍵結(jié)合水的能力有關(guān)，蒸汽爆破處理可能導致其化學鍵斷裂，結(jié)構(gòu)組織被破壞，致使其持水力降低。改性后的膳食纖維是用烘箱60 ℃烘干處理10 h，由于時間過長致使纖維表面皺縮緊實，也會對持水力產(chǎn)生一定影響。

表5 還顯示優(yōu)化樣品的膨脹力略低于空白樣品，在汽爆改性時受壓強影響，膳食纖維結(jié)構(gòu)遭受一定程度的破壞，化學鍵斷裂，大分子結(jié)構(gòu)減少，可能導致其膨脹力降低。優(yōu)化后的物料水溶性指數(shù)明顯增高。WSI 是表征粉體可溶性物質(zhì)含量和溶解性的重要指標，WSI 值越大，其可溶性物質(zhì)含量越大，溶解性越好。爆破時部分不溶性物質(zhì)在強壓的作用下結(jié)構(gòu)被打破，性質(zhì)發(fā)生改變，優(yōu)化后樣品可溶性物質(zhì)增多。

2.3.3 吸附性能

表6 綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性前后持油力分析Table 6 Oil holding capacity of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

由表6 可知，優(yōu)化樣品的持油力數(shù)值高于空白樣品持油力，這表明優(yōu)化樣品對油脂的束縛能力更強，意味著在食物的消化吸收過程中，優(yōu)化后的樣品可吸附人體腸道中多余的油脂，減少腸道對油脂的吸收、利用和轉(zhuǎn)化，便于油脂排出體外，利于減肥。

2.3.4 流動性和壓縮成型性

表7 綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性前后流動性和壓縮成型性分析Table 7 Fluidity and compression formability of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

由表7 可知，優(yōu)化樣品的休止角與滑動角均小于空白樣品，休止角和滑動角體現(xiàn)了粉體的流動性，粉體休止角越小，流動性越好，越容易制成顆粒劑、膠囊劑、片劑等制劑。爆破優(yōu)化后樣品堆積密度與松密度均比空白樣大，研究表明，堆積密度越大，越有利于壓片成型，因此優(yōu)化樣品粉體更利于壓片。相同質(zhì)量下，優(yōu)化樣品占據(jù)更大的空間，能增加飽腹感，可作為代餐粉。

2.3.5 速溶性

表8 綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性前后速溶性分析Table 8 Instant solubility of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

由表8 可知，蒸汽爆破后優(yōu)化樣品的分散性與潤濕性時間均短于空白樣品，溶解性相對于空白樣品有所提高，表明優(yōu)化后樣品顆粒間有較大的排斥力，更容易溶于水，且粉體顆粒易實現(xiàn)穩(wěn)定分散，并溶解均勻，可作為功能型飲料或粉狀沖劑進行大批量的工業(yè)生產(chǎn)。

3 結(jié)論

在蒸汽爆破對綠蘆筍可溶性膳食纖維改性的試驗過程中，汽爆料腔比、汽爆時間、汽爆壓力都對綠蘆筍鮮渣中SDF 含量有顯著影響，并且通過探究試驗后，得出了綠蘆筍SDF 的最佳改性工藝：汽爆料腔比為5:8，汽爆時間為70 s，汽爆壓力為1.0 MPa，物料粒度為超微粉，此時SDF 的含量最高，達到7.73%，比未改性前SDF 含量提高92.5%，其持水力為4.17 g/g，膨脹力為4.5 mL/g，與空白樣品對比略有下降，因為蒸汽爆破破壞了膳食纖維的結(jié)構(gòu)，導致其化學鍵發(fā)生變化，持水力及膨脹力減弱。中位徑為10.39 μm，較未改性前數(shù)值小，表明改性后粉質(zhì)更加細膩。改性后休止角為53.6°，滑動角為50°，均低于空白樣品，表明優(yōu)化后粉體流動性更好。持油力為2 mL/g，水溶性指數(shù)為14.27%，堆積密度為0.43 g/ mL，松密度為0.29 g/mL，溶解度為91.63 g/100 g，比表面積為0.299 m2/g，與空白樣品對比，均有增加，表明優(yōu)化后粉體對油脂束縛能力增強且溶解性更好，粉體與其他物質(zhì)接觸面積更廣，在水中溶解更加充分，便于制成固體飲料，口感更好。

在對用此工藝提取的SDF 進行一系列水合性質(zhì)、吸附性、速溶性、流動性和壓縮成型性的相關(guān)指標測定過程中，發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破對綠蘆筍廢棄物改性工藝所得的產(chǎn)品各項指標能力較強，且品質(zhì)較好，如此，為以后的大規(guī)模提取提供了理論依據(jù)，也為綠蘆筍下腳料的廢物再利用提供了思路。