蒸汽爆破技術的應用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

陳曉思,賀稚非,2,王澤富,許雄,李洪軍,2*

1(西南大學 食品科學學院,重慶 400716)2(重慶市特色食品工程技術研究中心,重慶 400716)

蒸汽爆破技術(steam explosion technology),簡稱“汽爆”,是一種綠色環(huán)保、高效、低能耗、經(jīng)濟的新型熱加工技術,同時也是一種不使用有毒化學物質、投資少的物理化學預處理方式[1-3]。最初的蒸汽爆破技術由MASON于1925年提出,用于生產(chǎn)纖維壓縮板[4]。通過蒸汽爆破過程中的熱反應和物理撕裂作用,纖維素晶體結構被破壞,半纖維素被降解,故蒸汽爆破技術自提出以來主要用于木質纖維素材料(如麥秸、玉米秸稈)的加工、改變纖維材料的結構、促進纖維素的水解等,提高了纖維素對化學試劑和酶的可獲得性[5-6]。

蒸汽爆破技術可以在較短的時間內有效破壞物料致密的結構,并改變其化學組成[7],近年來,蒸汽爆破技術的應用范圍不再局限于木質纖維素的處理、秸稈發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、對動物飼料進行加工等,其在食品領域作為一種有效的預處理加工方式而逐漸受到關注,可用于促進食品營養(yǎng)成分的溶出、對食品成分進行改性等,具有廣闊的發(fā)展前景[8-9]。本文對蒸汽爆破技術的原理、優(yōu)缺點、影響因素、發(fā)展歷史、在動植物原料中的應用現(xiàn)狀進行了綜述,并對其在食品領域的發(fā)展前景作出展望,以期為蒸汽爆破技術在食品工業(yè)中進一步應用提供一定的參考。

1 蒸汽爆破技術的原理、優(yōu)缺點及影響因素

1.1 蒸汽爆破技術的原理

蒸汽爆破技術是指將原料封閉于高溫高壓(160～260 ℃、0.69～4.83 MPa)的環(huán)境,過熱飽和水蒸氣在較高壓力的作用下強制進入食品原料,并填滿細胞孔隙,保溫保壓一段時間后,瞬間(0.008 75 s內)將壓力釋放至大氣壓,細胞中的過熱液體迅速汽化并向外做功,體積急速膨脹,細胞破裂形成多孔結構[10]。

蒸汽爆破處理技術主要分為2個過程：氣相的蒸煮過程和蒸汽降壓爆破過程[11-12]。第一階段,原料在高溫高壓水蒸氣的作用下發(fā)生熱化學反應,蒸汽進入原料內部,降低其內部的連接強度和黏度,有利于后續(xù)的機械性分離。不同的原料在此階段會發(fā)生不同的反應,對于木質纖維素材料,會發(fā)生半纖維素的酸性自水解作用,同時還會發(fā)生苷元物質的脫糖基作用[13-14]。第二階段,由于瞬間釋壓,原料中液體與水蒸氣介質同時發(fā)生絕熱膨脹,熱能轉化為機械能做功,膨脹的氣體以沖擊波的形式作用于軟化的原料使其變形,結構發(fā)生改變,并釋放出小分子物質[15-16]。

1.2 蒸汽爆破技術的優(yōu)缺點

蒸汽爆破技術是一個熱能轉化為機械能的過程,其優(yōu)點是有效打破了原料細胞中營養(yǎng)物質的抗提取屏障,有利于活性成分的提取、高分子物質降解為生物活性更強的小分子物質；同時,處理過程中使用的是水蒸氣,避免了化學處理的污染殘留,是食品領域中具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ念A處理技術[17],表1展示了蒸汽爆破技術與傳統(tǒng)熱壓技術(如高壓水蒸氣預處理等)的區(qū)別[4, 18-19]。然而,蒸汽爆破技術也存在一些缺點：蒸汽爆破的過程中由于基質組成較復雜,且反應處于高溫高壓下容易發(fā)生美拉德反應[20],處理過程中有可能產(chǎn)生新的副產(chǎn)物或造成目標產(chǎn)物的降解；同時,目前的設備難以實現(xiàn)既能瞬時(0.01 s內)彈射泄壓又能連續(xù)進料；此外,蒸汽爆破后的物體相對密度降低,體積有所增大。

表1 蒸汽爆破技術與傳統(tǒng)熱壓技術的區(qū)別Table 1 The difference between steam explosion technology and traditional technology of high temperature and pressure

1.3 蒸汽爆破技術的影響因素

影響汽爆處理效果的因素分為內因和外因,一般包括蒸汽壓力(溫度)、保壓時間、物料形態(tài)、物料含水量[21]。蒸汽爆破裂度因子logR0可由公式(1)[22]表示：

(1)

式中：t,保壓時間,min；T,蒸汽溫度,℃。

然而此公式只反映了汽爆中蒸煮過程的強度,而沒有體現(xiàn)爆的過程,在此基礎上,YU等[11]提出了爆破功率密度(explosion power density,EPD),來描述爆破階段的絕熱膨脹做功,EPD定義如公式(2)所示：

(2)

式中：ΔHs、ΔHl、ΔHm分別代表爆破過程中的蒸汽焓降(J)、液態(tài)水焓降(J)、固體物料焓降(J)；t,爆破時間,s；V,汽爆反應器的容積,m3。焓降的外在表現(xiàn)為物料噴出后溫度的變化,可以反映出熱功轉換量；爆破時間和汽爆反應器的容積是設備的固有參數(shù),與設備本身的結構有關[19]。由公式(2)可見,在爆破反應器容積一定時,爆破時間越短,焓降越大,爆破功率密度越大,熱能轉換為機械能的效率越高。裂度因子和爆

表2 處理因素對蒸汽爆破效果的影響Table 2 Effect of treatment factors on steam explosion

破功率密度共同表達了蒸汽爆破過程[4]。

2 發(fā)展歷史

早期的蒸汽爆破技術大多指的是熱噴放式蒸汽爆破技術和螺桿擠壓式蒸汽爆破技術[19,38]。熱噴放式蒸汽爆破技術是指將汽爆反應器下的閥門快速開啟,將蒸汽與物料一起噴入接收倉內的一種技術,物料噴出后溫度比較高,放氣時間可達數(shù)十秒,該技術最主要的缺點是爆破時功率密度不足,由于泄壓時間長導致先后放出的物料泄壓時所處的壓力不一致,存在“夾生”現(xiàn)象[39]。螺桿擠壓式蒸汽爆破技術是指利用螺桿向壓力倉進料,通過管壁和螺桿形成密封倉,當物料到達出料口的時候由于擠壓應力的消失導致此處壓力減小,物料發(fā)生膨脹,但是此技術在泄壓放料的時候也沒有短促的爆炸響聲,不具有“爆”的特征,功耗大且效果有限[4]。

由于以上技術泄壓時間長,熱能轉換為機械能做功的效率低,實際上沒有體現(xiàn)“爆”的過程。在此基礎上,瞬間彈射蒸汽爆破技術應運而生。此技術設備主要包含三大部分：蒸汽產(chǎn)生器、爆體、接收倉。其中爆體引入了一種活塞閥門驅動系統(tǒng),當保壓時間結束,活塞在拉爆氣缸的作用下,向下作爆出運動,解除爆體的密封狀態(tài),在毫秒內將物料和蒸汽一起彈射出來[4]。圖1和圖2分別展示了瞬間彈射蒸汽爆破裝置的結構及活塞爆破的過程。

圖1 瞬間彈射蒸汽爆破裝置示意圖[40]Fig.1 The structure diagram of instant catapult steam explosion

圖2 活塞爆破過程示意圖[4]Fig.2 The diagram of piston explosion process

與傳統(tǒng)的蒸汽爆破技術和熱水蒸煮相比,瞬間彈射蒸汽爆破技術的優(yōu)點為處理時間短、爆出速度快、出料溫度低、物料一致性好。

3 蒸汽爆破技術在食品中的應用

3.1 在植物性原料中的應用

3.1.1 對膳食纖維進行改性

膳食纖維按溶解性的不同可以分為水溶性膳食纖維與水不溶性膳食纖維,其中水溶性膳食纖維在調節(jié)代謝功能方面起著更為重要的作用,是衡量膳食纖維生理功能的重要指標,具有增強糖耐量、降低膽固醇等生理功能[41-43],因此通常需要對植物原料進行改性以提高水溶性膳食纖維的含量。蒸汽爆破處理打破了物料致密的機械結構,使組織變得松散,促進了可溶性膳食纖維的溶出[7]。WANG等[44]利用響應面優(yōu)化了蒸汽爆破技術提取甘薯渣中可溶性膳食纖維的工藝,結果顯示當蒸汽的壓力為0.35 MPa,保壓時間為121 s,顆粒度為60目時,甘薯渣中的可溶性膳食纖維含量為22.59%,比對照組增加18.78%,同時蒸汽爆破處理增加了可溶性膳食纖維的持水力、持油力與溶脹能力。LIANG等[45]發(fā)現(xiàn)蘋果渣經(jīng)蒸汽爆破處理后其水溶性膳食纖維表面變得粗糙、多孔、疏松,處理組的可溶性膳食纖維含量比對照組高4.76倍。WANG等[34]發(fā)現(xiàn)橘皮經(jīng)過酸浸泡-蒸汽爆破處理后,其可溶性膳食纖維對鉛、砷、銅3種有毒陽離子的結合能力明顯提高,與對照組相比,其可溶性膳食纖維分子質量更小、熱穩(wěn)定性更高。

3.1.2 促進多酚、黃酮類物質的提取

蒸汽爆破技術可以破壞細胞壁,使其形成多孔結構,由剛性有序的狀態(tài)變?yōu)榇植跓o序的狀態(tài),增加其比表面積以及溶劑的可達性,有利于游離酚類物質的溶出[46]；還可以通過破壞酚類化合物的羥基與多糖糖苷鍵氧原子形成的氫鍵、酚酸和多糖之間形成的酯鍵,釋放出結合酚類物質[47]。LI等[48]將苦蕎麩皮在1.5 MPa壓力下處理60 s后,其游離酚和結合酚的含量顯著增加,且結合酚的含量是對照組的2倍,蒸汽爆破處理還增強了苦蕎麩皮酚類物質抑制Caco-2和HepG2細胞增殖的能力。張棋等[49]將粉葛經(jīng)過蒸汽爆破處理后,總黃酮提取量是未經(jīng)處理粉葛的2.32倍,同時抗氧化活性得到顯著提高,清除DPPH自由基的半抑制濃度IC50值降低了67%。

3.1.3 對蛋白質進行改性

蒸汽爆破處理能使細胞壁表面形成蜂窩狀的立體網(wǎng)狀結構,使其表面碎片增加,變得柔軟多孔,傳質阻力降低,提高了原料的蛋白提取率,同時蒸汽爆破處理能誘導蛋白質構象改變,從而改善其功能特性[36]。張燕鵬[22]研究發(fā)現(xiàn)豆粕經(jīng)過1.8 MPa、180 s蒸汽爆破處理后,其蛋白質提取率從未處理的50.5%增加至65.7%。ZHANG等[50]發(fā)現(xiàn)山茶籽粕經(jīng)過蒸汽爆破處理后,利用堿法提取得到的蛋白質中α-螺旋、無規(guī)則卷曲、β-轉角含量下降,β-折疊含量上升,蛋白質的二級結構發(fā)生改變,其溶解性、起泡性、乳化性均高于未汽爆處理的蛋白質。

3.1.4 制備抗消化淀粉

抗消化淀粉(抗性淀粉)指的是不能在小腸中被消化吸收,但在結腸中能被微生物發(fā)酵而發(fā)揮有益生理作用的一類淀粉,具有降低血液中膽固醇含量、控制糖尿病、預防結腸癌等作用[51]。蒸汽爆破處理可使支鏈淀粉降解,生成較多分子鏈較短的直鏈淀粉,同時淀粉表面出現(xiàn)裂紋,表現(xiàn)出不規(guī)則的團塊狀,在經(jīng)過4 ℃低溫儲藏后,汽爆處理后的淀粉分子重排形成結構更緊密的重結晶碎片[52]。LI等[53]對甘薯渣抗性淀粉的制備工藝進行了響應面優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破壓力2.1 MPa,保壓時間56 s,壓熱處理時間26 min,所制備的抗性淀粉的抗消化性可達37.73%,紅外掃描光譜的結果顯示,沒有出現(xiàn)新的化學基團,表明所制備的抗性淀粉安全性較高。

3.1.5 促進油脂的提取

蒸汽爆破處理可以改變油料種子完整、規(guī)則、緊湊的結構,使其表面產(chǎn)生縫隙,降低其傳質阻力,提高產(chǎn)油率[54]。YU等[55]發(fā)現(xiàn)對亞麻籽進行蒸汽爆破處理后,其亞麻籽油得率顯著高于未處理組,榨出的亞麻油中的生育酚、植物甾醇、多酚和黃酮含量顯著增加,氧化穩(wěn)定性也增強,對其揮發(fā)性特征物質進行分析發(fā)現(xiàn),蒸汽爆破處理后其特征揮發(fā)性成分吡嗪的含量達到68.25%,具有濃厚的亞麻籽油的獨特香味,油品質量較好。

3.2 在動物性原料中的應用

世界人口的增長帶來肉類消費的劇增,然而大量的肉類消費將帶來羽毛、骨頭等副產(chǎn)物的增加。我國擁有豐富的羽毛資源,每年生產(chǎn)羽毛類副產(chǎn)物約70萬t,除去服裝紡織行業(yè)、飼料行業(yè)對羽毛的利用,還有約81%的羽毛被丟棄或焚燒,對環(huán)境造成了一定的污染[19]。羽毛中含有豐富的角蛋白,其含量可達90%左右,然而角蛋白質地堅硬,擁有穩(wěn)定的空間結構,分子鏈排列整齊,難溶于水,如果沒有經(jīng)過合適的處理,其生物利用率較低,只能被丟棄,經(jīng)濟價值低下且浪費嚴重[19, 56]。蒸汽爆破處理能破壞羽毛纖維緊密、規(guī)則的結構,削弱角蛋白各化學鍵能,形成新的非共價鍵,提高羽毛溶解率以及角蛋白得率,圖3展示了蒸汽爆破處理降解羽毛角蛋白的機制。ZHANG等[40]研究發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破處理能破壞鴨羽毛的纖維結構,隨著蒸汽壓力的增大,羽毛表面的孔隙增多,同時角蛋白的二硫鍵、β-折疊含量減少,羽毛的胃蛋白酶消化率增加,當蒸汽壓力為1.8 MPa, 保壓時間為1 min時,爆破處理后的羽毛胃蛋白酶消化率約為91%,比對照組高約9倍。

圖3 蒸汽爆破處理降解羽毛角蛋白機制示意圖[19]Fig.3 The schematic diagram of feather keratin degradation by steam explosion treatment

豬蹄殼也是一種富含角蛋白的肉類加工副產(chǎn)物,我國豬肉消費量巨大,每年產(chǎn)生約2.1萬t的豬蹄殼,然而由于豬蹄殼富含角蛋白,難以降解,其利用受到了很大的限制[57]。SHEN等[57]將豬蹄殼進行蒸汽爆破處理,在0.5～2.3 MPa的蒸汽壓力下保壓5～30 min,此時蒸汽的溫度可達155～225 ℃,豬蹄殼發(fā)生水解液化反應,生成水相產(chǎn)物,將其冷凍干燥制成酪蛋白胨替代物,并以此作為替代氮源制備微生物培養(yǎng)基,結果顯示,酵母菌和米曲霉在此培養(yǎng)基上的生長優(yōu)于在含有酪蛋白胨培養(yǎng)基上的生長。

骨頭是肉類生產(chǎn)加工的另一代表性副產(chǎn)物,我國骨頭資源豐富,但由于骨頭質地堅硬,其利用受到了限制,所以在進行深加工利用之前需要進行預處理,將其粉碎或者液化。蒸汽爆破處理能通過加壓使骨膠原蛋白變性、降解,使骨膠原蛋白形成的有序致密網(wǎng)狀結構被破壞,骨骼軟化易于破碎,同時,水蒸氣進入骨骼孔隙,在瞬間泄壓時蒸汽的熱能換為機械能做功,粉碎骨骼[35]。張舒晴等[35]對牛骨進行蒸汽爆破處理,發(fā)現(xiàn)隨著蒸汽壓力以及保壓時間的增加,固態(tài)牛骨的硬度逐漸下降,蛋白質含量顯著減少,其紅外光譜圖上的峰逐漸清晰,有機物和水的吸收峰逐漸減小,接近于羥磷灰石紅外光譜圖。而蒸汽爆破處理后的液態(tài)牛骨(可以過18目篩、直徑<1 mm的固體顆粒)粒徑隨汽爆壓力和保壓時間的增加逐漸減小,鈣釋放率隨之增加,蒸汽爆破處理后的牛骨既可以用于羥磷灰石的制備,又可以用于制作高鈣類食品。秦曉潔等[58]利用蒸汽爆破技術處理牦牛骨粉,結果顯示1.5 MPa、30 min條件處理后,牦牛骨粉比常規(guī)球磨法處理得到的樣品粒徑更小,蛋白質溶解度和鈣離子釋放度更高,汽爆處理得到的牦牛骨粉溶解性和穩(wěn)定性更優(yōu)。SHEN等[59]對雞胸軟骨進行蒸汽爆破預處理(1.4 MPa、120 s),隨后用木瓜蛋白酶進行酶解并通過膜分離得到硫酸軟骨素,結果顯示,汽爆處理后得到的硫酸軟骨素回收率和總得率最高,分別為92.15%、18.55%。

4 展望

蒸汽爆破技術以其綠色、高效、低能耗等優(yōu)點在食品領域逐步受到關注,然而由于蒸汽爆破技術最初用于造紙制漿以及木質纖維素的處理,其發(fā)展也一直圍繞植物性原料,同時,在瞬間彈射蒸汽爆破技術提出之前,傳統(tǒng)的汽爆技術保壓時間長,在高溫高壓下,動物性原料容易發(fā)生美拉德反應,且在處理過程中容易產(chǎn)生嚴重焦糊味,實用性不高,因此以往汽爆技術在動物性原料上的應用較少。近年來,隨著瞬間彈射蒸汽爆破技術的提出,物料的維壓時間縮短,同時可以實現(xiàn)0.01 s內的瞬時泄壓,熱功轉換效率高,爆出后物料溫度較低,約為60 ℃,產(chǎn)物沒有焦糊味,因此近年來汽爆技術開始應用在動物性原料,但研究數(shù)量相對較少。另一方面,汽爆技術對各種原料成分作用效果的機理研究還不夠深入,例如汽爆處理可以提高原料的抗氧化性,提高其DPPH自由基清除率等,促進其結合酚酸的解離,增加游離酚酸的含量,但結合酚酸的降解規(guī)律尚未闡明。汽爆處理能直接從雞骨原料制備獲得雞骨高湯,其工藝參數(shù)得到優(yōu)化,但還未對汽爆過程中雞骨組分的解離、降解、遷移規(guī)律進行研究。因此對蒸汽爆破技術的發(fā)展作出以下展望：增加對動物性原料的汽爆處理研究,以提高肉品生產(chǎn)過程中副產(chǎn)物的經(jīng)濟價值；深入探討蒸汽爆破技術對各種原料成分的作用機理,并從分子作用方式以及化學鍵的層次解釋其原因,揭示蒸汽爆破技術對各原料組分的作用規(guī)律；研究蒸汽爆破技術對相關有毒有害物質的降解作用,并探討其可能的機制；對蒸汽爆破技術處理過程中是否產(chǎn)生新的副產(chǎn)物進行研究；將蒸汽爆破技術與多種處理手段聯(lián)合運用,并研究是否存在協(xié)同作用；研制能夠處理大批次原料的蒸汽爆破裝備,提高機器的生產(chǎn)力,努力實現(xiàn)工業(yè)化的大規(guī)模應用。此外,應研究如何實現(xiàn)瞬時彈射泄壓的同時,完成自動連續(xù)進料。