蒸汽爆破技術(shù)在食品大分子物質(zhì)改性中的研究概述

劉蕊琪,宋蓮軍,2*,沈玥,2,趙秋艷,2,喬明武,2

1(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州,450002) 2(鄭州市大豆深加工重點(diǎn)試驗(yàn)室,河南 鄭州,450002)

蒸汽爆破技術(shù)是近年來(lái)新興的一種綠色、高效、低能耗、不引入二次污染的經(jīng)濟(jì)型物理-化學(xué)預(yù)處理方式,其原理是高溫高壓使通入的水變?yōu)檎羝M(jìn)入物料內(nèi)部,減壓后,在熱反應(yīng)和機(jī)械斷裂作用下,破壞物料內(nèi)部緊密結(jié)合的鍵之間的相互連接、改變內(nèi)容物的結(jié)構(gòu)、促進(jìn)內(nèi)容物的水解等,從而促進(jìn)有效成分的溶出,提高內(nèi)容物之間的相互接觸。

蒸汽爆破由Mason在1927年最先應(yīng)用于造紙紙漿行業(yè)[1],然后發(fā)現(xiàn)其在生物能源行業(yè)[2],即處理秸稈等木質(zhì)纖維材料制備生物乙醇中也有較好的應(yīng)用[3]。隨著該技術(shù)的發(fā)展與完善,之后在畜牧行業(yè)生物活性發(fā)酵飼料的開(kāi)發(fā)[4]、城市垃圾污泥除臭[5]、煙草加工[6]、中草藥活性成分提取[7]等行業(yè)都有較好的應(yīng)用。蒸汽爆破技術(shù)也同樣適用于食品行業(yè),尤其在食品中生物大分子改性方面的應(yīng)用備受關(guān)注。本文就近年來(lái)蒸汽爆破技術(shù)在食品生物大分子物質(zhì),如蛋白質(zhì)、多糖、淀粉、膳食纖維的改性方面,及由改性引起的功能特性和加工特性的變化進(jìn)行綜述,對(duì)蒸汽爆破的原理、影響因素進(jìn)行闡述,對(duì)其在食品領(lǐng)域的發(fā)展前景做出展望,以期為食品大分子物質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)和改性提供理論參考。

1 蒸汽爆破技術(shù)的原理

蒸汽爆破技術(shù)是一種能在毫秒級(jí)實(shí)現(xiàn)蒸汽爆破的彈射式汽爆技術(shù),其原理是原料在高溫、高壓的密閉環(huán)境下,被通入的水蒸氣潤(rùn)脹,當(dāng)瞬間釋放壓力時(shí)(0.008 75 s以內(nèi)),原料體積迅速膨脹,細(xì)胞“爆破”,瞬間打破原料微觀結(jié)構(gòu),使細(xì)胞變成多孔結(jié)構(gòu)。在此過(guò)程中,一些大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿游镔|(zhì)。蒸汽爆破處理過(guò)程可分為高溫蒸煮和瞬時(shí)減壓爆破兩個(gè)階段。在第一階段,原料在密閉的汽爆倉(cāng)內(nèi)與高溫的水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),高溫水蒸氣進(jìn)入原料內(nèi)部,降低其內(nèi)部的連接強(qiáng)度和黏度。不同原料在此階段會(huì)發(fā)生不同反應(yīng),比如大部分半纖維素水解為單糖和低聚糖；木質(zhì)素軟化并伴隨部分降解,從而破壞纖維素-半纖維素-木質(zhì)素之間的相互連接[8]。在第二階段,由于瞬間釋壓,原料中的液體和水蒸氣介質(zhì)同時(shí)發(fā)生絕熱膨脹,熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,膨脹的氣體以沖擊波的形式作用于原料使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切力變形、破裂,導(dǎo)致部分組分的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或重組,從而對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行了物理化學(xué)修飾。

影響蒸汽爆破的因素主要有：汽爆壓強(qiáng)、維壓時(shí)間、原料本身特性(蛋白質(zhì)含量、水分含量、pH等)。蒸汽爆破可以根據(jù)原料特性和改性目的對(duì)機(jī)器的汽爆壓強(qiáng)和維壓時(shí)間進(jìn)行修改,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。如在提取糖類物質(zhì)中,對(duì)于較堅(jiān)硬的原料例如橡樹(shù)木材[9],需要高強(qiáng)度的蒸汽壓強(qiáng)和較長(zhǎng)的維壓時(shí)間,才能夠使纖維素和木質(zhì)素部分在蒸汽爆破的剪切力和壓力作用下分離；相比之下提取可溶性糖只需要較低的蒸汽壓強(qiáng)就可以將大分子轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿?使得較小的分子變?yōu)楦兹艿奶恰?/p>

2 蒸汽爆破在食品工業(yè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

蒸汽爆破在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要有組分改性、活性成分提取及分離純化、農(nóng)副產(chǎn)品加工及副產(chǎn)物增值、食品中微生物控制[10]等(在食品工業(yè)領(lǐng)域的研究方向見(jiàn)圖1)。其中,研究最多的是大分子改性及由此引起的原料功能特性和加工特性的變化。目前蒸汽爆破在食品大分子改性方面研究最多的是糖類和蛋白質(zhì),蒸汽爆破可以使蛋白質(zhì)和多糖內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,促進(jìn)分子間的相互交聯(lián)、解聚和新官能團(tuán)的形成,從而達(dá)到改變食品組分加工特性和功能特性的目的。

圖1 蒸汽爆破技術(shù)在食品工業(yè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

3 在食品大分子物質(zhì)改性中的應(yīng)用

3.1 膳食纖維

膳食纖維由碳水化合物聚合物和非碳水化合物的混合物組成。大量研究證明,膳食纖維攝入可顯著降低患冠心病、中風(fēng)、高血壓、糖尿病、肥胖和某些胃腸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)[11]。膳食纖維的生理功能與其理化性質(zhì)密切相關(guān),然而不少天然膳食纖維的一些特性尚存在缺陷,如口感粗糙、持水力和膨脹力差、生理活性更強(qiáng)的可溶性膳食纖維(soluble dietary diber,SDF)含量低等,限制了膳食纖維資源的開(kāi)發(fā)和利用,因此膳食纖維改性成為研究熱點(diǎn)之一。

蒸汽爆破處理可以促進(jìn)膳食纖維不溶性組分向可溶性組分轉(zhuǎn)變；還可以通過(guò)改變膳食纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu),進(jìn)而改變膳食纖維的理化功能特性。HU等[12]將秋葵種子進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理(1.5 MPa,5 min),SDF的比例達(dá)到最大值6.50%；同樣,WANG等[13]用蒸汽爆破處理甘薯渣,SDF含量比對(duì)照提高了18.78%；WANG等[14]用蒸汽爆破聯(lián)合稀酸浸泡的方法對(duì)橙皮進(jìn)行預(yù)處理,發(fā)現(xiàn)當(dāng)橙皮在汽爆條件為0.8 MPa、7 min時(shí),并結(jié)合0.8%稀酸浸泡時(shí),SDF的含量從8.04%增加到33.74%；何曉琴等[15]對(duì)苦蕎麩皮進(jìn)行汽爆處理,發(fā)現(xiàn)不溶性膳食纖維、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及果膠含量顯著降低,SDF、可溶性糖、還原糖及總糖含量顯著提高。研究表明蒸汽爆破可破壞原料的細(xì)胞壁,形成明顯的空洞和空隙,將不溶性半纖維素和纖維素水解為可溶性成分,包括低聚糖、單糖和降解產(chǎn)物,從而提高了SDF的含量。

汽爆處理不僅可以提高SDF的含量,還能提高膳食纖維的水溶性、持水能力、持油能力、溶脹能力、乳化活性、乳液穩(wěn)定性和泡沫穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等加工特性[16],增強(qiáng)與有毒陽(yáng)離子(Pb2+,As3+和Cu2+)結(jié)合的能力、α-淀粉酶活性抑制能力及葡萄糖吸收能力等[17]功能特性。其原理在于汽爆破壞SDF的交聯(lián)結(jié)構(gòu),使表面明顯破裂疏松,尺寸減小,相對(duì)表面積增大,這些空間結(jié)構(gòu)的改變使氫鍵形成增加,空間結(jié)構(gòu)更大,從而利于水分子的保持,增加水和油的吸收；纖維素內(nèi)部的部分氫鍵發(fā)生斷裂,形成游離羥基,并呈現(xiàn)疏松多層蜂窩式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有利于有毒陽(yáng)離子的吸附。例如,何曉琴等[18]用蒸汽爆破預(yù)處理苦蕎麩皮,發(fā)現(xiàn)SE-IDF的α-淀粉酶活性抑制能力、葡萄糖吸收能力和體外發(fā)酵能力顯著提高(P<0.05),差示掃描量熱分析表明SE-IDF峰值溫度提高了9.26 ℃,熱穩(wěn)定性增強(qiáng),這是由于汽爆處理使IDF中長(zhǎng)鏈膳食纖維含量減少,而短鏈膳食纖維增多,含有更多的氫鍵鏈接,從而需要更高的能量來(lái)分解。

目前蒸汽爆破在膳食纖維改性方面應(yīng)用最廣,能夠最大程度地將不溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄晕镔|(zhì),使現(xiàn)有原料的功能特性和加工特性得到改善。將改性后的膳食纖維應(yīng)用于纖維強(qiáng)化食品或降血糖功能性食品中,來(lái)滿足不同人群的需求,為SDF的提取利用及保健食品開(kāi)發(fā)提供理論參考,這也是未來(lái)研究的方向之一。

3.2 淀粉

抗消化淀粉是近幾年淀粉研究中的熱點(diǎn),是指不被健康人體小腸所吸收及其分解物的總稱。蒸汽爆破作為一種物理預(yù)處理技術(shù)可以降低淀粉分子鏈聚合度、增加結(jié)晶度、降低回升值,用于生產(chǎn)具有較好效果的抗消化淀粉和加工特性良好的小麥淀粉。

LI等[19]研究發(fā)現(xiàn),蒸汽爆破處理紅薯淀粉,可使支鏈淀粉的峰面積比從84.39%降低到65.16%,使直鏈淀粉的峰面積比從15.61%增加到34.84%；同時(shí),淀粉分子量隨著蒸汽壓強(qiáng)和保壓時(shí)間的增加而降低。HU等[12]將黃秋葵種子進(jìn)行汽爆處理后發(fā)現(xiàn)快速消化淀粉含量隨著蒸汽爆破強(qiáng)度的增加而降低,而緩慢消化淀粉和抗性淀粉含量分別從36.91%和2.50%增加到40.92%%和9.06%；用蒸汽爆破處理甘薯淀粉[19],發(fā)現(xiàn)隨著蒸汽爆破處理壓力的增大,抗消化淀粉含量明顯增加,粒徑也顯著增大,使其血糖指數(shù)預(yù)測(cè)在70以下(中等血糖指數(shù)食品),糖尿病患者可食用；KOBAYASHI等[20]研究表明,水溶性淀粉的含量隨著蒸汽壓力的增加而增加,在蒸汽壓強(qiáng)為2.53 MPa時(shí)含量達(dá)到最大值為43%。這是由于汽爆使淀粉分子鏈發(fā)生斷裂,產(chǎn)生的短鏈片段易形成淀粉分子結(jié)晶結(jié)構(gòu),使得淀粉結(jié)晶層的結(jié)構(gòu)特征逐漸增強(qiáng),增加了抗性淀粉的含量[21]。

蒸汽爆破還可以顯著降低小麥淀粉的回生值,增強(qiáng)小麥淀粉的穩(wěn)定性,降低糊化黏度與糊化焓值。隨著處理壓強(qiáng)的增大,小麥淀粉的老化焓值與相對(duì)結(jié)晶度先降低后升高,隨后形成致密的凝膠[22],這是因?yàn)樾←溊w維經(jīng)過(guò)汽爆處理后,分子鏈斷裂,增加了支鏈淀粉和暴露出來(lái)的直鏈淀粉之間的相互作用,穩(wěn)定性增強(qiáng)[23]。KOBAYASHI等[20]研究表明,蒸汽爆破處理后的淀粉溶液的黏度和pH隨著蒸汽壓力的增加而降低。這是由于淀粉的水解會(huì)產(chǎn)生低分子寡糖,并降解形成了甲酸和乙酰丙酸所致。

蒸汽爆破在淀粉改性中的應(yīng)用和膳食纖維中的類似,都可以最大程度的將不溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇?改變淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu),有序轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序[24],增加了淀粉的抗消化特性。除了將改性后的淀粉添加到小麥制品中,未來(lái)還可以將其添加到肉制品中,提高其凝膠性和抗消化性,促進(jìn)其在不同種類食品中潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3.3 功能性多糖

功能性多糖是廣泛存在于動(dòng)植物及微生物中的重要生物大分子物質(zhì),并具有抗氧化、抗腫瘤、抗輻射、抗衰老、提高免疫力等多種活性[25],這些功能都與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[26]。蒸汽爆破可以促進(jìn)水溶性多糖和小分子多糖的溶出,改變功能性多糖的結(jié)構(gòu),可使其相關(guān)特性更適應(yīng)功能性食品的研發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)的需要。

蒸汽爆破通過(guò)破壞功能性多糖的結(jié)構(gòu)和氫鍵,增加了多糖中葡萄糖、木糖與葡萄糖醛酸的相對(duì)含量[27-28]。SUI等[29]用蒸汽爆破處理茶渣,使可溶性糖的提取率增加了74.8%；PAN等[30]從蒸汽爆破后的太子參中提取的多糖含量的為39.32%,是未蒸汽爆破的1.41倍。這是由于結(jié)構(gòu)性多糖(例如半纖維素,果膠和纖維素的結(jié)晶區(qū)域)水解為單體糖和低聚糖,部分可溶性糖(如木糖)降解為小分子揮發(fā)性物質(zhì),增加了可溶性糖的含量。

由此可見(jiàn),蒸汽爆破預(yù)處理可以提高多糖的提取率,并且很大程度改善了持水力、持油力、抗氧化能力等。但蒸汽爆破對(duì)多糖改性的機(jī)理、對(duì)結(jié)構(gòu)的影響尚未清晰,對(duì)抗腫瘤、腸道菌群提高免疫力等生理活性尚未有人研究,其工業(yè)化應(yīng)用也需要未來(lái)更多的研究和關(guān)注。

3.4 蛋白質(zhì)

與其他蛋白質(zhì)改性方法比較,蒸汽爆破改性具有處理時(shí)間短、能耗低、安全可靠、對(duì)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)性質(zhì)影響小等顯著優(yōu)點(diǎn),已被證實(shí)是一種可以改善蛋白質(zhì)提取和功能特性的有效方法。

蒸汽爆破預(yù)處理可以提高蛋白質(zhì)的提取率。ZHANG等[34]利用蒸汽爆破技術(shù)從大豆中提取蛋白質(zhì),在汽爆壓強(qiáng)為1.8 MPa、維壓時(shí)間為180 s時(shí),蛋白質(zhì)的提取率從50.50%提高到65.66%；張燕鵬等[35]將蒸汽爆破應(yīng)用于提取豆粕蛋白,提取率達(dá)到76.04%；那治國(guó)等[36]利用蒸汽爆破處理米糠粕使蛋白質(zhì)的提取率增至65.60%；和ZHANG等[37]的研究一致,經(jīng)蒸汽爆破處理得到的油茶籽蛋白提取率達(dá)71.01%。這是由于蒸汽爆破可以破壞蛋白質(zhì)分子間的相互作用,改變蛋白質(zhì)的亞基,從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)解聚,分子量分布更廣泛,蛋白質(zhì)分子之間形成非二硫鍵,增加了蛋白質(zhì)提取率。

蒸汽爆破還可以大大提高蛋白質(zhì)的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性、乳化性、脂肪結(jié)合能力和乳化穩(wěn)定性、持水性和持油性[35-37],其原理在于蛋白質(zhì)發(fā)生了聚集體的解離和新聚集體的形成；蛋白質(zhì)與糖類物質(zhì)發(fā)生了共價(jià)鍵結(jié)合,形成了共價(jià)化合物即美拉德反應(yīng)產(chǎn)物[38]；zeta電位顯示增加,改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及碳水化合物與蛋白質(zhì)之間的共價(jià)偶聯(lián),從而改善分離蛋白的功能特性[39]。

蒸汽爆破在蛋白質(zhì)改性方面具有很大的優(yōu)勢(shì),極大地提高了蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和功能性質(zhì)。目前蒸汽爆破對(duì)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)、分子質(zhì)量、基團(tuán)間相互作用的影響已有不少研究,但都還未能解釋清楚其中的美拉德反應(yīng)、復(fù)雜基質(zhì)的破壞和解離、蛋白質(zhì)聚集體分離的機(jī)理,以及蒸汽爆破改性后蛋白質(zhì)在食品工業(yè)中的應(yīng)用,這將是未來(lái)著重研究的方向。

4 展望

近些年,蒸汽爆破技術(shù)在食品行業(yè)大分子物質(zhì)改性中備受歡迎。但目前,蒸汽爆破應(yīng)用于蛋白質(zhì)改性領(lǐng)域較少,這主要是由于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,易發(fā)生美拉德反應(yīng),影響功能特性和加工特性。另外,蒸汽爆破可以改善原料的加工特性和功能特性,但其機(jī)理并沒(méi)有研究清楚。如蒸汽爆破提高了多糖的抑菌性和抗氧化性,但其規(guī)律和原因尚未闡明；蒸汽爆破能夠提高可溶性膳食纖維的得率,但還未對(duì)其中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素的解離和轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行研究。

對(duì)蒸汽爆破技術(shù)在大分子物質(zhì)改性中的發(fā)展做出以下展望：(1)研究蛋白質(zhì)類物質(zhì)產(chǎn)生焦糊味的原因和美拉德反應(yīng)的機(jī)理,從而使蒸汽爆破能更好應(yīng)用于蛋白質(zhì)的改性。(2)深入探討蒸汽爆破技術(shù)對(duì)大分子物質(zhì)改性后功能性質(zhì)和加工特性改善的機(jī)理,并從分子以及結(jié)構(gòu)的層次解釋其原因。(3)將蒸汽爆破改性后的物質(zhì)應(yīng)用范圍拓展,不僅是米面等食品,也可以應(yīng)用于其他的乳、肉等蛋白質(zhì)含量較高的食品中。(4)將蒸汽爆破和其他技術(shù)聯(lián)合使用以達(dá)到更好的效果,并且降低成本,為食品行業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益,創(chuàng)造更多的可能性。