蒸汽爆破技术在食品原料预处理中的 应用研究进展

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(北京工商大学,北京市食品添加剂工程技术研究中心, 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京 100048)

食品在加工过程中往往需要对原料进行预处理,从而令其性状更适宜加工并促使其中的营养成分或活性物质更大程度地释放出来。原料预处理方法主要包括物理法、化学法和酶法三大类[1]。化学法虽成本较低,但存在副反应多、化学试剂污染等缺点;酶法相对而言反应条件温和、安全无毒,但在有些情况下成本较高,不利于工业化生产;物理法具有操作简单、用时短、处理量大、无化学试剂污染等优点,在食品原料处理方面具有较好的应用前景,如超高压技术、挤压膨化技术等均有广泛的应用。蒸汽爆破技术是一种新兴的物理预处理方法,该技术已广泛应用于木质纤维素的处理,近些年才开始应用于食品领域。本文综述了蒸汽爆破技术在改善食品原料中各成分结构与性质方面的作用,以期为该技术在食品领域的进一步应用提供参考。

1 蒸汽爆破技术概述

蒸汽爆破技术出现已有80多年历史,最早是由美国学者W.H.Mason发展起来的,并将其用于制浆过程,经过人们对蒸汽爆破制浆工艺的不断研究,目前其在造纸领域已达到工业化程度[2]。随着蒸汽爆破技术的发展,此项技术被广泛应用于木质原料中纤维成分的降解,破坏细胞结构,提高纤维素对酶的接触机率,有助于其糖化发酵制备燃料酒精[3]。此外,蒸汽爆破技术还应用于动物饲料加工等方面,Viola等[4]的实验表明,适宜强度的蒸汽爆破可提高小麦秸秆的消化率。

蒸汽爆破技术的工作原理是将原料置于高温高压环境中,利用过热饱和蒸汽对物料进行处理,使原料孔隙中充满蒸汽,然后瞬间解除高压(毫秒级,0.00875 s内),使得组织间隙中的过热蒸汽迅速汽化,体积急剧膨胀而发生爆破,细胞壁因此破裂而形成微孔,从而使小分子物质从细胞中释放出来[5]。处理过程主要分为两个阶段:汽相蒸煮阶段和爆破阶段[2]。第一阶段物料在高温、高压蒸汽下蒸煮,蒸汽渗入物料内的空隙,经过一段时间的作用,使部分物料发生类酸性水解和热降解反应。纤维连接强度下降,为后一阶段的爆破提供选择性的机械分离。第二阶段为爆破阶段,此阶段接近绝热膨胀过程和热能转化为机械能的过程。渗入物料内的高温蒸汽和由物料内的液态水汽化形成的蒸汽以气流的方式瞬间释放,物料的细胞壁结构受到破坏,软化的物料产生剪切变形运动并发生分离[6]。爆破过程中,纤维发生一定程度的机械断裂,包括纤维素大分子中的键断裂、纤维素内部氢键的断裂以及无定形区的破坏及部分结晶区的破坏,因此达到对原料的物理结构和化学组成进行重构的效果[7]。

2 食品中蒸汽爆破技术研究进展

蒸汽爆破技术在食品领域虽然起步较晚,但近年来发展迅速,优势突出,工业化应用前景广阔,主要可用于提高食品原料中营养成分的溶出率和提取率、促进食品原料中功能因子的释放和转化、改变食品原料中组分的分子构象和理化性质等方面。

2.1 提高食品原料中营养成分的溶出率和提取率

2.1.1 提高膳食纤维得率 膳食纤维在保持消化系统健康方面有着重要的作用,且具有预防肥胖、增强免疫力等作用[8]。研究发现,适宜强度的蒸汽爆破可提高一些食品原料中膳食纤维的含量。王田林[9]利用蒸汽爆破技术对甘薯渣膳食纤维进行改性,结果显示,蒸汽爆破将甘薯渣的可溶性膳食纤维含量提高了3.16倍,并且没有改变甘薯渣中的蛋白质、脂肪等其他营养成分的含量。Wang等[10]将蒸汽爆破与硫酸浸泡处理相结合以提取桔皮中的可溶性膳食纤维,表明增加蒸汽爆破处理后比单独稀酸浸泡处理的桔皮可溶性膳食纤维提取率显著提高。Aktas-Akyildiz等[11]将蒸汽爆破技术用于处理麦麸,使麦麸中的可溶性阿拉伯木聚糖含量从0.75%增加到2.06%,蒸汽爆破也使酶解后的麦麸可溶性阿拉伯木聚糖含量由3.01%增加至9.14%,这可能是由于蒸汽爆破处理使麦麸细胞壁组分被分解,使底物更容易与酶接触。孙俊良等[12]将蒸汽爆破技术用于苹果渣中果胶的提取,在最佳工艺条件下,蒸汽爆破处理后的果胶得率与未处理样品相比提高了10.96%;康芳芳[13]的研究显示,在蒸汽压强为0.5、1.0 MPa下,豆渣可溶性膳食纤维含量随汽爆时间的增加而增加。在0.5 MPa时,可溶性膳食纤维的含量由维压时间30 s的5.19%升高到120 s的14.10%;1.0 MPa下由24.12%升高到34.51%。而在较高压强下(1.5、2.0 MPa),随汽爆时间的增加,可溶性膳食纤维的含量降低。汽爆强度过大可能使形成可溶性膳食纤维的多糖被过度降解,导致其含量降低。范丽等[14]和周玉恒等[15]的研究则证实,蒸汽爆破处理能促进玉米芯和甘蔗叶中低聚木糖的释放,如果对汽爆原料同时进行定向酶解还可进一步提高低聚木糖得率,表明蒸汽爆破可有效改变原料的内部结构,利于与酶的接触。李飞[16]用蒸汽爆破技术处理甘薯淀粉,用于抗消化甘薯淀粉的制备,结果表明,当蒸汽爆破压力为2.0 MPa时,抗消化淀粉含量最高,达到13.9%,比未经蒸汽爆破处理的淀粉制备的抗消化淀粉含量升高6.5%,但如果压力继续升高,则会使抗消化淀粉含量下降。

2.1.2 增加油脂提取率 植物油中的不饱和脂肪酸具有保护血管、抗动脉硬化等作用[17],传统的油脂提取方法如蒸煮法、压榨法等劳动强度大,且出油率低,造成资源的浪费[18],蒸汽爆破作为一种新兴的绿色高效的预处理技术,其在油脂提取方面的应用也逐渐被研究。易军鹏等[19]用蒸汽爆破处理亚麻籽油,并分析其脂肪酸组成,以评估其对油脂得率、脂肪酸组成等方面的影响,研究结果显示,在适宜条件下,经蒸汽爆破处理后,亚麻籽表面变得粗糙,结构被严重破坏,较优工艺下亚麻籽油得率为43.88%,是未经处理亚麻籽油得率的1.17倍,且油中亚麻酸含量从未经处理的77.41%增加到81.28%。Ni等[20]将蒸汽爆破技术用于玉米胚芽中油脂的提取,发现游离油产率从76.33%提高到88.51%,同时残留油含量在水相和沉积物相中分别下降了2.88%和9.35%,如果将其与稀酸浸渍相结合,还可进一步提高游离油产量。

2.1.3 增加蛋白质提取率 蛋白质和氨基酸是人体所需的重要营养素。豆粕中约含有45%～50%的蛋白质,但高温豆粕中的蛋白质由于经高温处理发生了变性,溶解性较低,不利于提取,张燕鹏等[21]将蒸汽爆破技术用于处理高温豆粕,使其中变性蛋白质的结构和理化性质发生改变,从而增强蛋白质亲水性,氮溶解指数为39.03%,与未经汽爆处理的样品相比增加了1.1倍,因而提高了蛋白质的提取率。龚凌霄[22]比较了传统炒制、挤压膨化和蒸汽爆破三种预处理方法对青稞全谷物中游离氨基酸的影响,结果发现传统炒制法基本无影响,经挤压膨化后其中游离氨基酸含量增加了43.7%,而蒸汽爆破后其含量则提高了158.5%。

2.1.4 提高其他营养素的溶出率 花粉营养成分丰富,且具有治疗贫血、糖尿病等医疗保健功能,但其外壁坚硬,耐酸、碱及消化系统酶的作用,影响花粉中的营养物质在人体中的消化吸收,需要进行破壁处理使其营养成分释放出来[23]。倪辉等[24]采用蒸汽爆破技术处理花粉破壁,促使花粉中营养成分溶出率超过86%,尤其是维生素A、维生素C和粗脂肪溶出率显著增加,同时细菌总数和大肠菌群及霉菌总数显著减少。

由此可见,蒸汽爆破技术将高温水蒸气渗入原料内部空隙及植物细胞间,当压力骤然释放时,内部水汽急剧膨胀迫使细胞壁破裂,使得原料内部组织结构被破坏,空隙间比表面积迅速增加,溶剂提取时传质阻力大大减少,因此在提高食品原料中营养成分的溶出率和提取率方面有着明显的优势,具有替代传统水解方法的强大潜力。上述研究也发现,汽爆压力、汽爆温度、维压时间以及浸润溶剂(水、酸、碱溶液)等是影响蒸汽爆破效果的主要因素,建议在实际操作中,应根据原料的大小和湿度选择最适宜的汽爆条件。

2.2 促进食品原料中功能因子的释放和转化

我国物种丰富,很多植物不仅营养价值高而且含有多种功能成分,但它们往往外壳质地粗粝,结构紧致,影响了功能因子的释放。在蒸汽爆破过程中,存在着类似热降解、酸水解、类机械断裂、氢键破坏和结构重排等协同作用[6]。无疑,蒸汽爆破技术也可在促进食品原料中功能因子的释放和转化方面发挥重要的作用。

2.2.1 促进功能成分的释放 黄酮类物质具有抗氧化、抗心脑血管疾病等生理功能。张棋等[25]对粉葛进行蒸汽爆破处理,发现经蒸汽爆破处理后,粉葛中总黄酮提取量显著增加,且在较低压力条件下(1.0 MPa),总黄酮提取量随维压时间的延长而增加。靳羽慧等[26]将蒸汽爆破用于豆渣,研究了蒸汽爆破处理对豆渣中大豆异黄酮的影响,结果表明,经蒸汽爆破处理后,豆渣中6种大豆异黄酮如大豆苷、大豆苷元、黄豆黄苷、黄豆黄素、染料木苷、染料木素含量均有显著增高。原义涛等[27]采用蒸汽爆破技术对麻黄原草进行处理,发现麻黄素的提取率增加了2倍。

蒸汽爆破处理对植物原料中的可溶性酚含量的影响吸引了研究者们的关注。Chen等[28]发现,对麦麸进行蒸汽爆破处理后,不仅麦麸可溶性酚含量增加,而且麦麸的抗氧化活性也有所提高,例如在0.8 mg/mL的样品浓度下,汽爆样品对DPPH、ABTS自由基的清除活性为84.17%和50.27%,而未处理样品对二者的清除活性仅为30.60%和10.88%。Gong等[29]报道,麦麸中总可溶性酚含量及总抗氧化能力均随蒸汽爆破强度的增加而增加,在220 ℃蒸汽爆破处理120 s后,总可溶性酚含量比未处理样品高约9倍,且总可溶性酚含量与总抗氧化能力呈高度正相关,表明蒸汽爆破后大麦麸皮提取物总抗氧化能力的增加至少部分是由于可溶性酚含量的增加。Liu等[30]的研究结果与Gong等[29]的报道一致,而且Liu等还发现蒸汽爆破不仅提高了麦麸中总可溶性酚的得率,其中可溶性游离酚酸和可溶性共轭酚酸的含量均分别比未蒸爆样品增加了39倍和7倍,尤其是对阿魏酸的释放促进非常显著。张瑞婷[31]对蒸汽爆破后麦麸的酚酸组成进行分析,结果显示,蒸汽爆破后麦麸游离酚酸中香草酸、丁香酸、4-香豆酸、阿魏酸四种主要酚酸含量均有明显提高,可溶酯化酚酸中4-香豆酸和阿魏酸含量显著提高。蒸汽爆破处理后能够增加可溶性酚类物质的得率也在Sasapalmata叶[32]和橄榄枝[33]等原料中得到证实。

龚凌霄[22]将蒸汽爆破技术引入青稞麸皮综合利用的预处理,发现该技术能有效水解醚键和酯键,使麸皮中结合态的酚类物质游离出来,将总可溶性酚酸含量提高9.83倍,其中游离型和结合型阿魏酸的得率分别增加了59.0倍和8.45倍,游离型和结合型对香豆酸的得率分别增加了47.6倍和7.25倍。该作者还进一步将蒸汽爆破技术应用于青稞全谷物的加工,结果表明,该技术能促进黄酮(得率可提高30.5%)和酚类物质(得率可提高6.4%),特别是能有效促进阿魏酸的释放,其含量是挤压膨化处理试样的2.3倍,是未处理试样的3倍以上。

2.2.2 促进功能因子的转化 除了有利于原料中功能成分的释放外,蒸汽爆破还能促进功能成分的结构转化。黄酮在植物体内通常以糖苷形式存在,少部分以游离态的苷元形式存在。而有研究证实,只有苷元型异黄酮才能被人体直接消化吸收,其他类型的异黄酮需去除糖基后才能被吸收[34-35]。Chen等[36]将蒸汽爆破技术用于漆树果实中黄酮类物质的提取,通过高效液相色谱分析显示,漆树果实中主要的黄酮类化合物槲皮苷(槲皮素-3-O-鼠李糖苷)在蒸汽爆破过程中被去糖基转化为活性更高的槲皮素。

2.3 改变食品原料中组分的分子构象和理化性质

2.3.1 改变原料理化性质 研究发现,蒸汽爆破技术不仅促使食品原料中物质更多地释放,还可改变一些组分的分子构象,进而改善原料的加工性能及其产品的生理功能。例如,Wang等[10]将桔皮经蒸汽爆破和硫酸浸泡结合处理后,桔皮中的水溶性膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力、乳化稳定性和泡沫稳定性等理化性质均有所提高。王田林[9]的研究也证实,蒸汽爆破后从甘薯渣中提取的可溶性膳食纤维的持油力、持水力、吸水膨胀力等都变得更好。良好的持水力和膨胀力等能增加焙烤食品的保水性和柔软性,并有助于促进肠道蠕动,维持胃肠健康[37]。

2.3.2 改变原料分子结构 李光磊等[38]将蒸汽爆破技术应用于处理籼米淀粉,并分析处理后淀粉的分子结构,发现经处理后,籼米淀粉长链、短链以及中间级分的分子量均有较大程度的降低。随着汽爆压力和时间的增加,长链淀粉比例下降,短链淀粉比例增加,且汽爆处理后的籼米淀粉分子链聚合度降低,结晶度增加。Li等研究[39]表明,蒸汽爆破预处理同样可有效地降低红薯淀粉分子链的聚合度并提高其结晶度。张燕鹏等[40]通过采用凝胶电泳对蛋白质结构进行观察发现,经蒸汽爆破处理后高温豆粕蛋白质中的聚集体发生解离并有新聚集体生成,蛋白质与糖类发生了共价结合,促进了豆粕中美拉德反应的进行,且美拉德反应的程度与汽爆强度有关。这些改变将可为开发新型食品、改善传统食品提供一种新的手段。

3 展望

综上所述,蒸汽爆破技术是近年来发展迅速的食品原料预处理方式,其以高温蒸汽渗入植物原料组织内部,充注可爆发的压缩汽体能,并使其瞬时爆炸,从而达到从分子水平上打破大分子晶格的效果,促进组织内营养物质和功能成分的释放,同时重构部分组分的物理结构令其更有利于加工。与其它预处理方法相比,蒸汽爆破显著降低能耗和成本,减少有害化学物质的产生,处理效率高、效果好。但目前的研究还只局限于对植物类原料进行处理,该技术对海产品加工副产物或肉类剩余物等动物性原料的处理是否具有同样有效的作用仍未见有报道。此外,当前大多相关研究尚停留在考察蒸汽爆破预处理效果这一阶段,其对食品原料中营养组成、功能成分、理化性质和加工性能的影响规律及作用机制更值得深入探索。随着蒸汽爆破技术在食品加工领域的进一步发展,必将表现出更强大的生命力。