蒸汽爆破預處理在農產品加工副產物綜合利用中的應用

何曉琴，李葦舟，李富華,2，趙吉春,2，明建,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

隨著食品工業快速發展，農產品精深加工日益精細，產生大量加工副產物，如稻殼、米糠、麩皮、薯渣、豆粕、豆渣、果皮、果渣等，這些副產物含有豐富的蛋白質、脂肪、膳食纖維和酚類化合物，具有較高的營養價值和經濟價值[1]。但由于副產物運輸儲存困難，口感粗糙，精深加工技術裝備水平落后，往往將其作為燃料、飼料低值化處理，或直接丟棄，不僅污染環境，還造成資源的極大浪費[2]。據統計，發達國家對農產品加工綜合利用率達到90%，而我國只有40%[3]。因此，對食品加工副產物進行綜合開發利用，對于促進我國農業生產以及農產品加工業的持續、快速、健康、穩步地發展具有重大意義。

從農產品加工副產物中提取生物活性物質，是提升副產物綜合附加值的重要手段之一。由于植物致密的細胞壁結構，以及纖維素和果膠物質形成復雜的基質，限制了溶質的可及性和溶解性，使得從植物細胞中提取生物活性化合物遇到了很大的阻力[4]。所以需要適宜的預處理來打破這種抗性、提高萃取效率。常用的方法有化學法、酶法、機械粉碎、微波處理、超聲波處理、擠壓處理和蒸汽爆破等[5]，其中蒸汽爆破技術是一種典型的物理-化學預處理方式，可以破壞纖維束之間的相互連接，打破植物生長過程形成的抗降解屏障，提高原料利用效率，具有作用時間短、耗能低、高效無污染及適應工業化等優點，被認為是生物質資源轉換最具發展前景的預處理方法[6]。該技術最初主要應用于木質纖維的處理，以提高酶和化學試劑對纖維素的可及性，如制漿、生物乙醇和動物飼料的生產，后來推廣到煙草加工、中草藥活性成分提取、城市垃圾處理等行業[7]。近年來，蒸汽爆破技術也逐漸被應用到農產品加工預處理中，主要包括農產品加工副產物中生物活性成分提取和大分子物質改性，展現出極好的效果。本文對近些年來國內外蒸汽爆破技術在農產品加工副產物綜合利用中的最新研究進展進行了綜述，全面闡述了蒸汽爆破原理，及其在植物活性成分提取、大分子改性等方面的應用，并對其應用前景進行展望，以期為蒸汽爆破技術在農副產品加工中原料預處理的有效應用提供一定的參考。

1 蒸汽爆破技術原理與設備

蒸汽爆破技術是一種能在毫秒級實現蒸汽爆破過程的彈射式汽爆技術，其主要工作原理是將原料置于高溫、高壓密閉容器內，原料被過熱液體(180～235 ℃)潤脹，蒸汽滲透到植物組織內部，當瞬間解除高壓時(0.008 75s以內)，內外壓力差使原料空隙中的高溫液體迅速汽化膨脹，導致細胞“爆破”，從而完成木質纖維原料的組分分離和結構變化[8]。

蒸汽爆破處理過程可分為高溫蒸煮和瞬時減壓爆炸兩個階段。第一個階段的基本原理是熱化學反應，類似于蒸汽預處理和其他熱預處理[9]，植物纖維原料在高壓、高溫和弱酸性條件下引發系列水熱反應，使大部分半纖維素水解為單糖和低聚糖，木質素發生軟化和部分降解，從而破壞纖維束之間的相互連接[10-11]。第二個階段近似于絕熱膨脹過程和熱能轉化為機械能的過程[12]，迅速膨脹的氣體以沖擊波方式作用于物料組織，使其在軟化條件下發生剪切力變形、破裂，導致部分組分的物理結構和再分配的改變，從而對生物質進行了物理和化學修飾，使纖維有目的的分離[13-14]。

蒸汽爆破技術設備主要是蒸汽爆破機，分間歇式(圖1-a)和連續式(圖1-b)兩種，可在毫秒級的范圍內將全部物料以炸散的形式懸在大氣空間，具有作用時間短、能量密度高且集中的優勢，可以從分子水平上打破大分子晶格，使物料分解[15]。

圖1 蒸汽爆破設備結構示意圖[15]Fig.1 Schematicdiagram of steam explosion equipment

2 蒸汽爆破技術在農副產品加工中的應用

2.1 在植物活性成分提取中的應用

細胞壁的阻礙作用是影響副產物中活性成分提取的關鍵，汽爆處理過程中強烈的瞬時熱能與其他作用力相結合，包括剪切、摩擦和撞擊作用，可以破壞纖維素-半纖維素-木質素之間的緊密連接，使木質素軟化、半纖維素部分水解，橫向連接強度下降，將原料撕裂為細小纖維，細胞壁表面產生裂縫和微孔，增加其比表面積和孔隙率[16-18](圖2)，促進小分子物質從細胞內釋放，提高提取效率，因此，在植物活性成分提取的過程中具有很好的效果。

a-未處理；b-汽爆后圖2 鹽膚木果實汽爆前后變化電鏡圖[18]Fig.2 Scanningelectron microcopy (SEM) images of (a) raw and (b) steam-exploded sumac fruits

2.1.1 促進麩皮酚類化合物提取

麩皮富含酚類化合物，主要以結合態形式與細胞壁結合，常規溶劑萃取難以將其最大限度提取出來[19-20]，汽爆處理可以有效破壞麩皮結構，促進多酚釋放，提高抗氧化活性。有研究表明，在215 ℃汽爆處理小麥麩皮120 s，可溶性游離酚酸(free phenolic acid, FPA)和可溶性共軛酚酸(combined phenolic acid, CPA)為處理前的39倍和7倍，大大提高了酚酸的提取率，且爆破處理后的FPA和CPA提取物抗氧化性能力顯著提高[21]，與GONG等[22]研究汽爆處理大麥麩皮的結果一致。同時表明蒸汽爆破處理可以使麥麩多酚的細胞抗氧化及抗增殖活性得到顯著改善[23]。NODA等[24]研究認為汽爆處理一方面促進了細胞內結合酚的釋放，還使木質素和半纖維素部分降解為低分子酚類物質和水溶性糖(如5-羥甲基糠醛)，這在一定程度上提高了抗氧化能力。

蒸汽爆破促進麩皮中多酚化合物的釋放機理包括兩個方面：(1)蒸汽爆破使物料細胞壁的結構被破壞，組織內各孔隙和比表面積增大，改善多酚化合物萃取過程中溶質-溶劑可及性和內部傳質速率[25]，加強了內部擴散作用，提取效率明顯提高[16]。(2)汽爆處理使結合酚與細胞破壁之間的氫鍵、共價鍵等遭到破壞，使得結合酚得到釋放[22,26]，同時水蒸汽會占據與纖維素結合的多酚羥基位點，使得多酚容易溶出[21](圖3)。

圖3 木質素-酚類物質-纖維素/半纖維素復合物在蒸汽爆破預處理條件下分解機制Fig.3 Decompositionmechanism of lignin-polyphenol-cellulose/hemicellulosecomposite under steam explosion pretreatment

與此同時，在高強度的蒸汽爆破條件下，由于生物質降解形成有機酸(如甲酸、乙酸和丙酸)，酚類物質很容易發生降解或聚合反應，容易導致產品變色。當汽爆壓力過大時，溫度升高易使阿魏酸進一步降解成小分子物質，如甲基、乙基、乙稀基愈創木酸和香蘭素等[27]。在高溫條件下，阿魏酸和對香豆酸會發生脫羧基反應，通過自由基中間體進一步聚合成二聚體[28]，因此，需根據不同原料選擇不同汽爆處理參數。

2.1.2 促進植物油脂的提取

研究發現，蒸汽爆破處理可以破壞種子細胞壁，使之形成裂縫和微孔結構，促進油脂的溶出和擴散，提高植物油脂的提取率，增加不飽和脂肪酸的含量和相關功能特性。在2.0 MPa、30 s條件下蒸汽爆破預處理亞麻籽，亞麻籽油提取率是未汽爆樣品的的1.17倍，其中亞麻酸的質量分數從77.41%增加到81.28%，且得到的亞麻籽油過氧化值、酸價均有所提高[29]。研究還發現，汽爆亞麻籽油的降血脂功能和抑制動脈粥樣硬化作用都得到提高，且隨著汽爆壓力、時間的增加降血脂效果越明顯[30]。CHEN等[18]利用蒸汽爆破技術對鹽膚木果實進行預處理，形成了鹽膚木果油、黃酮等一系列產品，為自然界中多經濟型野生植物資源的開發提供參考。

2.2 在大分子物質改性中的應用

蒸汽爆破不僅可以促進農產品加工副產物中有效成分的溶出，還可以使生物大分子物質發生機械斷裂和結構重排，達到生物大分子改性修飾的目的[9]。因此，蒸汽爆破技術也被用于大分子物質的改性修飾。

2.2.1 膳食纖維改性

膳食纖維(DF)被稱為人類必需的“第七營養素”，分為水溶性膳食纖維(soluble dietary fiber, SDF)和不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber, IDF)，由于SDF的親水性和對有益微生物的可用性，通常認為SDF在調節血脂、血糖，控制肥胖等方面有更好的作用[31]。然而，許多天然來源膳食纖維中SDF含量僅為3%～4%，難以達到高品質膳食纖維比例(10%)[32]，故需要通過適當的物理或化學手段對其進行改性處理，以增加SDF含量，提高其理化性質和生理活性。

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構，促進果膠、可溶性半纖維素等可溶性膳食纖維溶出；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，從而使其理化性質發生根本變化，轉化為可溶性膳食纖維[33, 9]，李倫等[34]進一步解釋為某些不溶性阿拉伯木聚糖之類的半纖維素及不溶性果膠類化合物發生熔融現象或部分斷裂，轉化成水溶性聚合物，從而提高了可溶性膳食纖維含量(圖4)。

圖4 蒸汽爆破對膳食纖維結構變化及組分分離示意圖Fig.4 Schematicdiagram of steam explosion on dietary fiber structure and component separation

研究發現，蒸汽爆破處理甘薯渣，SDF含量比對照提高了18.78%，持水力、持油力和膨脹力分別增加了40.64%、89.40%和37.79%[35]。汽爆結合擠壓處理豆渣可使其SDF含量從(2.6±0.3)%增加到(30.1±0.6)%，比對照高出約10倍(P<0.05)；汽爆可溶性膳食纖維可以顯著降低總膽固醇(TC)，低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)和甘油三酯(TG)的濃度，升高高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)濃度[36]。WANG等[37]將橘皮在8 g/L的H2SO4溶液中酸浸處理后，在0.8 MPa條件下爆破處理7 min，SDF含量從8.04%上升到33.74%，并對于3種有毒陽離子(Pb、As和Cu)表現出顯著的(P<0.05)的結合能力。

膳食纖維功能性質的變化與汽爆后膳食纖維的空間結構改變密切相關。通過掃描電鏡、X射線衍射和紅外光譜等多手段對汽爆前后膳食纖維形態結構和化學組成進行分析，表明未汽爆的膳食纖維整體呈團狀，大小均勻，表面相對光滑完整(圖5-A)，而汽爆處理后的膳食纖維表面褶皺，質地疏松，具有很多孔隙和坑洼，相對表面積增大(圖5-B)[35]，物料粒徑變小，SDF的交聯結構被破壞，短鏈SDF增多，這些空間結構的改變促進了SDF通過形成氫鍵和(或)偶極子為水分子的保持提供更多的空間，增加水和油的吸收，從而改善了其水溶性、持水性、持油性和膨脹力[38]。膳食纖維經汽爆處理后不僅比表面積增大，更多的基團也被暴露，纖維素內部的部分氫鍵發生斷裂，形成游離羥基，汽爆后SDF中糖醛酸含量顯著增加，這對多余的膽固醇和有毒陽離子吸附產生積極的貢獻[39]。

A-未汽爆樣品；B-在汽爆壓力為0.35 MPa條件下處理121 s樣品圖5 蒸汽爆破前后甘薯渣可溶性膳食纖維的掃描電鏡圖[35]Fig.5 Scanning electron microcopy (SEM) images of SDF from sweet potato residue

2.2.2 蛋白質改性

豆粕是大豆榨油后的副產物，含有45%～50%的蛋白質，是大豆蛋白的主要來源[40]，但由于豆粕加工過程中的高溫處理使蛋白質發生熱變性，導致功能特性變差，不利于蛋白質的溶出，造成資源浪費。蒸汽爆破是改善高溫豆粕中蛋白質提取的有效工具，不僅可以改善豆粕中蛋白質的結構，使蛋白質的聚集體發生解離后通過非二硫化物共價鍵形成新的高分子量蛋白質聚集體，還可以明顯提高豆粕中蛋白質的氮溶解指數，增強大豆蛋白重要的功能特性，包括溶解性、乳化性能、起泡性能和脂肪結合能力，使熱變性豆粕的蛋白質可以被再功能化用于食品工業。

ZHANG等[41]研究發現，在1.8 MPa、180 s和原料孔徑20～80目條件下汽爆處理高溫豆粕，可使蛋白質的氮溶解指數提高1.1倍，蛋白質提取率達到76.04%，接近低溫豆粕的蛋白質提取率，表明高密度蒸汽爆破使得豆粕中變性蛋白質的結構和物理化學性質發生了變化，導致蛋白質的親水性增強，更有利于蛋白質的溶出，這為高溫豆粕的開發與利用奠定了良好的理論基礎。此外，利用蒸汽爆破與稀酸浸泡協同處理豆粕蛋白質，結果顯示，酸浸和汽爆處理明顯改變了豆粕蛋白的三級結構，蛋白質的zeta電位明顯增加，這歸因于蛋白質結構和碳水化合物與蛋白質之間的共價偶聯的變化[42]。

2.2.3 淀粉改性

抗消化淀粉是近幾年來備受關注的功能型淀粉衍生物，通過改變淀粉分子的結構可以調節其消化性能[43]。蒸汽爆破處理可以降低淀粉分子鏈聚合度，增加結晶度，用于生產具有高度消化特性的淀粉。LI等[44]用蒸汽爆破處理甘薯淀粉發現，隨著汽爆強度增加，淀粉分子質量及分子鏈的聚合度降低，短鏈片段比例及淀粉結晶度增加，這與KOBAYASHI等[45]汽爆處理馬鈴薯淀粉的研究結果一致。李飛等[46]的研究發現汽爆可以提高甘薯抗消化淀粉含量，抗消化性為(18.24±1.1)%，可能是因為蒸汽爆破作用使淀粉分子的α-1,6糖苷鍵和α-1,4糖苷鍵部分破裂，產生更多的短鏈淀粉，增強淀粉結晶層的結構特征，而無定型片層的結構特征逐漸減弱[47]。

3 展望

蒸汽爆破處理只需要通入高溫高壓水蒸汽，不加其他任何化學成分物質，可以破壞木質纖維素間的連接，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副產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。但目前在食品物料預處理中的應用研究還較少，對許多成分的影響機制仍不清楚，主要原因是蒸汽爆破是一個復雜的物理化學過程，處理強度和處理的均勻度較難控制，易造成有效成分的降解和美拉德反應，對間歇處理設備及處理條件有較高的要求。今后發展的方向主要有以下幾點：(1)研究食品物料在汽爆處理過程中產生的副產物及其他營養成分的變化，進一步明確汽爆處理的食品安全性及綜合營養價值。(2)研究不同食品物料在蒸汽爆破處理過程的物理和化學變化機理，明確汽爆破處理中化學成分與其生物活性的構效關系，揭示蒸汽爆破處理食品物料生物活性變化分子機制。(3)完善大型化、自動化連續蒸汽爆破裝置及其控制技術；控制爆破條件以抑制有效成分的降解及色變，聯合多種預處理方法，探究更高效的蒸汽爆破組合工藝技術。(4)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，以發揮其作用，提高農副產品的附加值。