蒸汽爆破技術在食品大分子物質改性中的研究概述

劉蕊琪,宋蓮軍,2*,沈玥,2,趙秋艷,2,喬明武,2

1(河南農業大學 食品科學技術學院,河南 鄭州,450002) 2(鄭州市大豆深加工重點試驗室,河南 鄭州,450002)

蒸汽爆破技術是近年來新興的一種綠色、高效、低能耗、不引入二次污染的經濟型物理-化學預處理方式,其原理是高溫高壓使通入的水變為蒸汽進入物料內部,減壓后,在熱反應和機械斷裂作用下,破壞物料內部緊密結合的鍵之間的相互連接、改變內容物的結構、促進內容物的水解等,從而促進有效成分的溶出,提高內容物之間的相互接觸。

蒸汽爆破由Mason在1927年最先應用于造紙紙漿行業[1],然后發現其在生物能源行業[2],即處理秸稈等木質纖維材料制備生物乙醇中也有較好的應用[3]。隨著該技術的發展與完善,之后在畜牧行業生物活性發酵飼料的開發[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]等行業都有較好的應用。蒸汽爆破技術也同樣適用于食品行業,尤其在食品中生物大分子改性方面的應用備受關注。本文就近年來蒸汽爆破技術在食品生物大分子物質,如蛋白質、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行綜述,對蒸汽爆破的原理、影響因素進行闡述,對其在食品領域的發展前景做出展望,以期為食品大分子物質資源的開發和改性提供理論參考。

1 蒸汽爆破技術的原理

蒸汽爆破技術是一種能在毫秒級實現蒸汽爆破的彈射式汽爆技術,其原理是原料在高溫、高壓的密閉環境下,被通入的水蒸氣潤脹,當瞬間釋放壓力時(0.008 75 s以內),原料體積迅速膨脹,細胞“爆破”,瞬間打破原料微觀結構,使細胞變成多孔結構。在此過程中,一些大分子物質轉變為小分子物質。蒸汽爆破處理過程可分為高溫蒸煮和瞬時減壓爆破兩個階段。在第一階段,原料在密閉的汽爆倉內與高溫的水蒸氣進行化學反應,高溫水蒸氣進入原料內部,降低其內部的連接強度和黏度。不同原料在此階段會發生不同反應,比如大部分半纖維素水解為單糖和低聚糖；木質素軟化并伴隨部分降解,從而破壞纖維素-半纖維素-木質素之間的相互連接[8]。在第二階段,由于瞬間釋壓,原料中的液體和水蒸氣介質同時發生絕熱膨脹,熱能轉化為機械能,膨脹的氣體以沖擊波的形式作用于原料使其內部結構發生剪切力變形、破裂,導致部分組分的物理結構發生改變或重組,從而對生物質進行了物理化學修飾。

影響蒸汽爆破的因素主要有：汽爆壓強、維壓時間、原料本身特性(蛋白質含量、水分含量、pH等)。蒸汽爆破可以根據原料特性和改性目的對機器的汽爆壓強和維壓時間進行修改,從而實現預期目標。如在提取糖類物質中,對于較堅硬的原料例如橡樹木材[9],需要高強度的蒸汽壓強和較長的維壓時間,才能夠使纖維素和木質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就可以將大分子轉變為小分子,使得較小的分子變為更易溶的糖。

2 蒸汽爆破在食品工業領域的研究現狀

蒸汽爆破在食品工業中的應用主要有組分改性、活性成分提取及分離純化、農副產品加工及副產物增值、食品中微生物控制[10]等(在食品工業領域的研究方向見圖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,蒸汽爆破可以使蛋白質和多糖內部結構發生變化,促進分子間的相互交聯、解聚和新官能團的形成,從而達到改變食品組分加工特性和功能特性的目的。

圖1 蒸汽爆破技術在食品工業領域的研究現狀

3 在食品大分子物質改性中的應用

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、高血壓、糖尿病、肥胖和某些胃腸道疾病的風險[11]。膳食纖維的生理功能與其理化性質密切相關,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發和利用,因此膳食纖維改性成為研究熱點之一。

蒸汽爆破處理可以促進膳食纖維不溶性組分向可溶性組分轉變；還可以通過改變膳食纖維的內部結構,進而改變膳食纖維的理化功能特性。HU等[12]將秋葵種子進行蒸汽爆破預處理(1.5 MPa,5 min),SDF的比例達到最大值6.50%；同樣,WANG等[13]用蒸汽爆破處理甘薯渣,SDF含量比對照提高了18.78%；WANG等[14]用蒸汽爆破聯合稀酸浸泡的方法對橙皮進行預處理,發現當橙皮在汽爆條件為0.8 MPa、7 min時,并結合0.8%稀酸浸泡時,SDF的含量從8.04%增加到33.74%；何曉琴等[15]對苦蕎麩皮進行汽爆處理,發現不溶性膳食纖維、纖維素、半纖維素、木質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、乳液穩定性和泡沫穩定性、熱穩定性等加工特性[16],增強與有毒陽離子(Pb2+,As3+和Cu2+)結合的能力、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的交聯結構,使表面明顯破裂疏松,尺寸減小,相對表面積增大,這些空間結構的改變使氫鍵形成增加,空間結構更大,從而利于水分子的保持,增加水和油的吸收；纖維素內部的部分氫鍵發生斷裂,形成游離羥基,并呈現疏松多層蜂窩式網狀結構,有利于有毒陽離子的吸附。例如,何曉琴等[18]用蒸汽爆破預處理苦蕎麩皮,發現SE-IDF的α-淀粉酶活性抑制能力、葡萄糖吸收能力和體外發酵能力顯著提高(P<0.05),差示掃描量熱分析表明SE-IDF峰值溫度提高了9.26 ℃,熱穩定性增強,這是由于汽爆處理使IDF中長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分解。

目前蒸汽爆破在膳食纖維改性方面應用最廣,能夠最大程度地將不溶性物質轉變為可溶性物質,使現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用于纖維強化食品或降血糖功能性食品中,來滿足不同人群的需求,為SDF的提取利用及保健食品開發提供理論參考,這也是未來研究的方向之一。

3.2 淀粉

抗消化淀粉是近幾年淀粉研究中的熱點,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處理技術可以降低淀粉分子鏈聚合度、增加結晶度、降低回升值,用于生產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]研究發現,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,淀粉分子量隨著蒸汽壓強和保壓時間的增加而降低。HU等[12]將黃秋葵種子進行汽爆處理后發現快速消化淀粉含量隨著蒸汽爆破強度的增加而降低,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],發現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,使其血糖指數預測在70以下(中等血糖指數食品),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,在蒸汽壓強為2.53 MPa時含量達到最大值為43%。這是由于汽爆使淀粉分子鏈發生斷裂,產生的短鏈片段易形成淀粉分子結晶結構,使得淀粉結晶層的結構特征逐漸增強,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,增強小麥淀粉的穩定性,降低糊化黏度與糊化焓值。隨著處理壓強的增大,小麥淀粉的老化焓值與相對結晶度先降低后升高,隨后形成致密的凝膠[22],這是因為小麥纖維經過汽爆處理后,分子鏈斷裂,增加了支鏈淀粉和暴露出來的直鏈淀粉之間的相互作用,穩定性增強[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產生低分子寡糖,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用和膳食纖維中的類似,都可以最大程度的將不溶性物質轉變為可溶,改變淀粉的結晶結構,有序轉變為無序[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,促進其在不同種類食品中潛在的應用價值。

3.3 功能性多糖

功能性多糖是廣泛存在于動植物及微生物中的重要生物大分子物質,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],這些功能都與其結構密切相關[26]。蒸汽爆破可以促進水溶性多糖和小分子多糖的溶出,改變功能性多糖的結構,可使其相關特性更適應功能性食品的研發和工業生產的需要。

蒸汽爆破通過破壞功能性多糖的結構和氫鍵,增加了多糖中葡萄糖、木糖與葡萄糖醛酸的相對含量[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。這是由于結構性多糖(例如半纖維素,果膠和纖維素的結晶區域)水解為單體糖和低聚糖,部分可溶性糖(如木糖)降解為小分子揮發性物質,增加了可溶性糖的含量。

由此可見,蒸汽爆破預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。但蒸汽爆破對多糖改性的機理、對結構的影響尚未清晰,對抗腫瘤、腸道菌群提高免疫力等生理活性尚未有人研究,其工業化應用也需要未來更多的研究和關注。

3.4 蛋白質

與其他蛋白質改性方法比較,蒸汽爆破改性具有處理時間短、能耗低、安全可靠、對產品營養性質影響小等顯著優點,已被證實是一種可以改善蛋白質提取和功能特性的有效方法。

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

蒸汽爆破還可以大大提高蛋白質的起泡能力和泡沫穩定性、乳化性、脂肪結合能力和乳化穩定性、持水性和持油性[35-37],其原理在于蛋白質發生了聚集體的解離和新聚集體的形成；蛋白質與糖類物質發生了共價鍵結合,形成了共價化合物即美拉德反應產物[38]；zeta電位顯示增加,改變蛋白質結構以及碳水化合物與蛋白質之間的共價偶聯,從而改善分離蛋白的功能特性[39]。

蒸汽爆破在蛋白質改性方面具有很大的優勢,極大地提高了蛋白質的理化性質和功能性質。目前蒸汽爆破對蛋白質的二級結構、分子質量、基團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、復雜基質的破壞和解離、蛋白質聚集體分離的機理,以及蒸汽爆破改性后蛋白質在食品工業中的應用,這將是未來著重研究的方向。

4 展望

近些年,蒸汽爆破技術在食品行業大分子物質改性中備受歡迎。但目前,蒸汽爆破應用于蛋白質改性領域較少,這主要是由于蛋白質的結構較復雜,易發生美拉德反應,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,但其機理并沒有研究清楚。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,但還未對其中木質素、纖維素、半纖維素的解離和轉化規律進行研究。

對蒸汽爆破技術在大分子物質改性中的發展做出以下展望：(1)研究蛋白質類物質產生焦糊味的原因和美拉德反應的機理,從而使蒸汽爆破能更好應用于蛋白質的改性。(2)深入探討蒸汽爆破技術對大分子物質改性后功能性質和加工特性改善的機理,并從分子以及結構的層次解釋其原因。(3)將蒸汽爆破改性后的物質應用范圍拓展,不僅是米面等食品,也可以應用于其他的乳、肉等蛋白質含量較高的食品中。(4)將蒸汽爆破和其他技術聯合使用以達到更好的效果,并且降低成本,為食品行業帶來經濟效益,創造更多的可能性。