蒸汽爆破技術(shù)應用現(xiàn)狀研究

張博華，馬超，張明，楊立風，孟曉峰，吳茂玉

（中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，山東濟南 250014）

蒸汽爆破技術(shù)（簡稱“汽爆”）是近年來發(fā)展迅速的一種預處理方法。將原料用蒸汽加熱至180～235 益，維持壓力一段時間，再突然釋壓，產(chǎn)生二次蒸汽，體積猛增，在機械力的作用下，將固體物料結(jié)構(gòu)破壞，實現(xiàn)物料改性等[1]。蒸汽爆破技術(shù)最早于1928 年由美國學者W.H.Mason 發(fā)明，使用7～8 MPa 的飽和水蒸汽作為介質(zhì)進行蒸汽爆破，為間歇式生產(chǎn)，主要用于人造纖維板的生產(chǎn)，因壓力過高難以推廣[2]。從20 世紀70 年代開始，該技術(shù)又重新得到重視，被廣泛用于動物飼料的生產(chǎn)和從木材纖維中提取乙醇和特殊化學品[2]。1980 年以后，該技術(shù)得到快速發(fā)展，應用領域逐步擴大，連續(xù)蒸汽爆破法生產(chǎn)技術(shù)及設備得到長足發(fā)展，如加拿大Stake Technology 公司開發(fā)的連續(xù)蒸汽爆破法工藝及設備，產(chǎn)生許多專利，并在制漿廢液用于生產(chǎn)動物飼料技術(shù)方面也有了深入的研究[3]。國內(nèi)蒸汽爆破用于處理纖維原料起步較晚，但發(fā)展較快。早期的研究基本針對間歇式的蒸汽爆破裝置與工藝，探索了溫度、壓力、保壓時間等因素對蒸汽爆破效果的影響等[4]。

蒸汽爆破處理需要通入高溫高壓水蒸汽，不再增加其他任何化學成分物質(zhì)，可以破壞木質(zhì)纖維素間的連接，不僅促進食品物料中活性成分的釋放，還可以對大分子物質(zhì)進行改性修飾，增強相應的功能特性，提高提取效率，在植物纖維的高效分離和生物質(zhì)副產(chǎn)物處理等領域有顯著的效果，是一種更安全、高效的預處理新技術(shù)[2]。本文綜述了蒸汽爆破技術(shù)原理與裝備，及其在谷物加工、中藥加工提取以及果蔬廢棄物改性等方面的應用，以期為加強蒸汽爆破技術(shù)在現(xiàn)實中的應用提供參考。

1 汽爆技術(shù)的主要物化變化

1.1 熱降解及類酸性水解作用

汽爆處理中，蒸汽在高壓的作用下溫度升高至200 益以上，部分填充到物料內(nèi)部空隙，甚至滲透到細胞壁里，部分纖維素降解產(chǎn)生醋酸，高溫和弱酸共同作用促進了纖維素的進一步降解，使小分子物質(zhì)更易溶出、纖維束疏松。

1.2 類機械斷裂作用

在壓力瞬間降低時，滲入纖維內(nèi)部的熱蒸汽以氣流的方式從相對封閉的孔隙中瞬間釋放出來。物料中原有的液態(tài)水暴沸迅速膨脹。此時形成的沖擊力使纖維素等大分子中的化學鍵和氫鍵發(fā)生斷裂、還原端基增加。同時無定形區(qū)和部分結(jié)晶區(qū)也發(fā)生一定程度的破壞。

1.3 氫鍵的破壞與重排

在高溫高壓條件下，纖維素內(nèi)部的一些氫鍵發(fā)生斷裂，游離出羥基與水蒸汽重新形成氫鍵。汽爆處理后物料被迅速冷卻至室溫，大部分斷裂的氫鍵無法重組。氫鍵的變化提高了纖維素鏈的可動性，使其更易向有序結(jié)構(gòu)變化[5]。

2 蒸汽爆破技術(shù)的應用

2.1 蒸汽爆破技術(shù)在果蔬加工中的應用

蒸汽爆破技術(shù)對果蔬前處理有重要意義，能使果蔬中的膳食纖維改性，提高了可溶性膳食纖維的得率，同時增加了果蔬中其他功能因子的溶出率。蒸汽爆破的瞬間、機械作用的高溫高壓及水蒸汽的急速膨脹作用，可以破壞細胞壁形成多孔結(jié)構(gòu)，促進果蔬中果膠、可溶性半纖維素等可溶性膳食纖維的溶出；還可以使纖維素、不溶性半纖維素等難溶大分子聚合物的糖苷鍵斷裂形成小分子的還原糖溶出，從而使其理化性質(zhì)發(fā)生根本變化，轉(zhuǎn)化為可溶性膳食纖維。汽爆技術(shù)可提高果蔬中果膠的得率、酯化度、乳化活性、乳化穩(wěn)定性，為果膠生產(chǎn)提供理論及實踐依據(jù)。張磊[6]引入蒸汽爆破技術(shù)，替代傳統(tǒng)的細胞破碎技術(shù)處理龍須菜，一步將藻膽蛋白、瓊膠分離，分別進行提取，解決了常規(guī)方法處理藻膽蛋白、瓊膠得率較低的問題。該試驗還發(fā)現(xiàn)加熱溫度150 益、保壓時間15 s、裝料比80%、處理0.5 h，最終提膠率為32%，藻膽蛋白純度為4.06。通過改進提取方式，從而達到綜合提取的目的，減少了堿及其它試劑的使用，降低了環(huán)境污染，提高了龍須菜的利用價值。

此外，通過蒸汽爆破處理部分果蔬物料時，還可以使其增香，獲得更好的口感。黃群等[7]優(yōu)化了采用蒸汽爆破技術(shù)加工檳榔的工藝，結(jié)果表明：在30 益泡籽10 h 后，采用蒸汽壓力0.25 MPa、保壓3 min 的蒸汽爆破工藝，可獲得感官評分最好的檳榔，同時蒸汽爆破技術(shù)處理檳榔，能增加檳榔的咸味、鮮味，降低苦味，能有效增加檳榔芳香成分、有機硫化物、醇類和短鏈烷烴的含量，降低無機硫化物和氮氧化合物含量，對優(yōu)化檳榔加工工藝具有積極的作用。

2.2 蒸汽爆破在廢棄物改性中的應用

許多果蔬廢棄物是廉價的可再生資源，如玉米芯、蘆筍下腳料等。但由于技術(shù)的限制，利用率較低，許多農(nóng)產(chǎn)品加工過程中產(chǎn)生大量副產(chǎn)物難以進一步利用，蒸汽爆破改性技術(shù)為秸稈、麥草、木屑、煙梗等廢棄物資源的再利用提供了新的思路。

目前有不少研究者對蒸汽爆破在植物纖維預處理方面的應用進行了嘗試。如陳洪章等[8]用汽爆麥秸桿作原料，通過正交試驗設計優(yōu)化固態(tài)發(fā)酵條件，明顯縮短了生物作用周期，且使木質(zhì)素降解率為60%。王堃等[9]在汽爆壓力1.6 MPa，維壓時間5 min 條件下，將爆破后的物料進行酶解，使酶解糖化率達92%。張連慧等[10]采用低壓蒸汽爆破技術(shù)處理麥秸稈中的木質(zhì)素，發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破后麥秸稈木質(zhì)素結(jié)構(gòu)受到破壞，纖維素發(fā)生斷裂，出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)。羅鵬等[11]用蒸汽爆破法預處理麥草，結(jié)果表明，在210 益保壓8 min 條件下，纖維分離程度最佳。孫君社等[12]提出蒸汽爆破預處理是秸稈制取乙醇的關鍵，并且通過試驗發(fā)現(xiàn)影響蒸汽爆破的因素有保溫時間、溫度（壓力）、材料顆粒大小和水分含量等。余先純等[13]以蒸汽爆破處理技術(shù)預處理鋸木屑催化制備糠醛，分別研究處理溫度、爆破壓力、預處理時間等因素對糠醛得率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蒸汽爆破預處理可以有效促進鋸木屑的降解，提高糠醛得率，并優(yōu)化得出最佳處理工藝條件。經(jīng)過蒸汽爆破處理后易使纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分離，原因是切斷了它們彼此之間的氫鍵，破壞了晶體結(jié)構(gòu)，降低了聚合度。蒸汽爆破技術(shù)就是通過環(huán)保、有效的方法分離果蔬廢棄物中的半纖維素。目前，蒸汽爆破技術(shù)廣泛應用于廢棄物預處理領域。宋光富等[14]對煙梗蒸汽爆破處理4～5 次，每次保壓20 s，研究了不同壓力對煙梗纖維結(jié)構(gòu)及成分的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破使細胞壁撕裂并出現(xiàn)斷裂，細胞間隙減小，細胞器等物質(zhì)降低，煙梗纖維結(jié)構(gòu)明顯疏松。劉鵬濤等[15]在1.4～2.2 MPa 壓力下維壓4～8 min，每批次爆破500 g 的絕干楊木木片，并采用化學預處理進行了對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)物料結(jié)晶指數(shù)與葡萄糖轉(zhuǎn)化率提高，且效果好于有機溶劑預處理。

2.3 蒸汽爆破在谷物糧食加工中的應用

雖然汽爆技術(shù)發(fā)展了近90 年，但是這種技術(shù)多用于木質(zhì)纖維素的處理，在雜糧粉處理乃至整個糧食產(chǎn)業(yè)上的應用不常見，目前汽爆技術(shù)在谷物糧食方面的應用主要集中在對功能性成分的改變上。汽爆技術(shù)在汽爆時對物料產(chǎn)生高溫高壓作用，這是汽爆技術(shù)本身最明顯的本質(zhì)特征。汽爆以后，物料自身的結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。李光磊等[16]研究發(fā)現(xiàn)五谷雜糧中含有許多對人體有利的功能因子，具有抗腫瘤、抗心血管疾病以及防止糖尿病等功效，由于加工過程的不合理，導致這些營養(yǎng)物質(zhì)難以析出，若不經(jīng)精細化處理，這些物質(zhì)往往會因抗營養(yǎng)因子的存在而不能得到很好的吸收。經(jīng)過汽爆處理的谷物，抗營養(yǎng)因子被破壞，谷物的營養(yǎng)價值提高。田廣瑞等[17]研究發(fā)現(xiàn)，秈米經(jīng)過汽爆處理，樣品的含水量隨著汽爆時間和壓力的增大而增加，淀粉的分子量變小，醛基增多，分子鏈聚合度降低，淀粉的結(jié)晶度增加，從而更有利于人體的消化。經(jīng)過汽爆技術(shù)處理的玉米皮，其中水溶性膳食纖維的得率也明顯提高。此外，蒸汽爆破技術(shù)還對特色功能性食品的開發(fā)具有重要參考意義。龔凌霄[18]以青稞為原料進行汽爆處理，研究發(fā)現(xiàn)汽爆技術(shù)能有效地促進酚類物質(zhì)釋放，還能降低青稞全谷消化液中總可溶性糖含量、增加游離氨基酸含量。此外，他還將汽爆后的青稞做成飼料飼喂大白鼠，以精制小麥粉作為對照，通過試驗發(fā)現(xiàn)汽爆后的青稞全粉對大白鼠脂代謝紊亂有明顯的改善作用。

蒸汽爆破技術(shù)具有方便快捷、清潔無污染、能耗低等優(yōu)點，在雜糧粉的前處理上將發(fā)揮重要的作用，也為特色功能性食品的開發(fā)提供新思路。但在高溫、高壓、高濕的過程中雜糧粉會發(fā)生一系列復雜的物理、化學變化，伴隨有糊化、蛋白質(zhì)變性、分子間化學鍵斷裂、物料結(jié)構(gòu)細化和一些特定成分轉(zhuǎn)化降解等，如一些黃酮類物質(zhì)和酚酸類物質(zhì)的降解，需在今后的研究中加以解決。

2.4 蒸汽爆破在中藥加工提取中的應用

中藥含有豐富的生物活性物質(zhì)，傳統(tǒng)的加工模式難以適應現(xiàn)代中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求。在中藥提取的過程中，由于細胞壁的阻礙作用，導致細胞中的活性成分難以通過細胞壁滲透到提取溶劑中，因此應用新技術(shù)將中藥細胞壁破壞，成為中藥開發(fā)的重點。蒸汽爆破技術(shù)可以使中藥原料在一定壓強和高溫水蒸汽條件下蒸煮，淀粉、半纖維素等部分水解生成可溶性糖，復合胞間層的木質(zhì)素軟化和部分降解，細胞壁在蒸汽作用下破碎。

蒸汽爆破技術(shù)在中藥提取、去糖苷化、中藥炮制、中藥脫毒和中藥原料的綜合利用方面已經(jīng)取得良好進展，這將成為汽爆技術(shù)與中藥資源利用成功結(jié)合的開端。未來將中藥藥效物質(zhì)基礎和作用機理研究與汽爆過程有機結(jié)合，通過汽爆處理使中藥復方或單方中的藥效物質(zhì)產(chǎn)生新的變化，提高藥效價值，開發(fā)新型中藥，具有良好的前景。蒸汽爆破可以促進中藥藥用成分的提取，張棋等[19]將粉葛進行蒸汽爆破處理，并采用紫外分光光度計表征汽爆前后總黃酮的變化。結(jié)果顯示，經(jīng)過汽爆處理后總黃酮的提取量是未經(jīng)汽爆處理樣品的2.3 倍；并且汽爆以后有效成分的抗氧化活性顯著提高。蒸汽爆破后的廢渣也可以進一步利用，成為肥料，實現(xiàn)原料的高值利用。陳合等[20]以汽爆處理后的黃姜樣品為材料，加入糖化酶和纖維素酶，將發(fā)酵后的剩余物進行二次汽爆處理。且原料中淀粉和纖維素經(jīng)過發(fā)酵得到乙醇，可以作為燃料，提取后剩余的殘渣可用作肥料，實現(xiàn)了廢物的全部利用，避免了環(huán)境污染。蒸汽爆破技術(shù)與發(fā)酵技術(shù)耦合，可以轉(zhuǎn)化中藥中的有效成分。陳洪章等[21]將汽爆方法與固態(tài)發(fā)酵耦合，優(yōu)化得到了將虎杖原料中的白藜蘆醇苷完全轉(zhuǎn)化為白藜蘆醇的工藝路線，即對虎杖原料進行汽爆處理，部分白藜蘆醇苷糖苷鍵斷裂轉(zhuǎn)化成了白藜蘆醇，汽爆處理后的物料用綠色木酶固態(tài)發(fā)酵進一步轉(zhuǎn)化，白藜蘆醇苷完全轉(zhuǎn)化為白藜蘆醇。

蒸汽爆破技術(shù)也可以對中藥脫毒。用其處理中藥材，可以通過短時間高溫使中藥材中烏頭堿等有毒物質(zhì)降解而達到脫毒的效果，解決了傳統(tǒng)炮制過程難以完全脫毒的弊端，使過程簡化，避免了水漂過程中有效成分的流失。

3 小結(jié)

綜上所述，蒸汽爆破技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一種食品原料預處理方式，以高溫蒸汽滲入植物原料組織內(nèi)部，充注可爆發(fā)的壓縮氣體，并使其瞬時爆炸，從而達到從分子水平上打破大分子晶格的效果，促進組織內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)和功能成分的釋放，同時重構(gòu)部分組分的物理結(jié)構(gòu)，使其更有利于加工來實現(xiàn)膳食纖維改性、淀粉改性和蛋白質(zhì)改性。

事實上，當前大多研究都僅停留在考察蒸汽爆破預處理效果這一階段，對許多成分影響機制還不明確，主要原因是蒸汽爆破過程中進行著許多物理和化學變化，由于處理的強度和處理的均勻度難以控制，且溫度壓力較高，容易發(fā)生水解和美拉德反應。同時，進一步探究如何將爆破處理得到的有效成分應用到食品和藥品中，其對食品原料中營養(yǎng)組成、功能成分、理化性質(zhì)和加工性能的影響規(guī)律及作用機制更值得深入探索。隨著蒸汽爆破技術(shù)在食品加工領域的進一步發(fā)展，必將表現(xiàn)出更強大的生命力[15]。