蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維品質及理化特性的影響

張 明1,馬 超1,吳茂玉1,王崇隊1,楊立風1,范 祺1,張博華1,孟曉峰1,賈洪玉

(1.中華全國供銷合作總社濟南果品研究院,山東濟南 250014; 2.山東農業(yè)工程學院,山東濟南 250100)

西蘭花(BrassicaoleaceaL. var.italica)又稱青花菜、綠菜花、意大利芥藍,屬十字花科蕓薹屬甘藍的一個變種,它原產于地中海東部沿岸,19 世紀末傳入中國。其富含蛋白質、維生素、礦物質、胡蘿卜素等多種營養(yǎng)元素,還含有多酚類、黃酮類等天然抗氧化組分,具有清除機體自由基、抗衰老等作用[1-2]。西蘭花中含有豐富的蘿卜硫素,研究表明西蘭花中的蘿卜硫素是同類蔬菜中抗癌、防癌效果最好的天然物質[3]。

西蘭花老莖是西蘭花在采摘、鮮食加工、速凍蔬菜加工等過程中產生的副產物,約占鮮重的30%～40%,經測定,每100 g西蘭花老莖粉中膳食纖維含量高達35%～40%,另外富含蛋白質、維生素、礦物質等多種營養(yǎng)組分,是一種非常有價值的副產物資源[4]。由于缺乏有效的加工技術,目前這種副產物資源除少部分作為肥料、飼料外,絕大部分被直接丟棄,不僅造成了資源的極大浪費,同時污染環(huán)境。

蒸汽爆破技術是1928年由Mason發(fā)展起來的,近年來在食品加工副產物的再利用領域中成為研究熱點。蒸汽爆破技術(汽爆)是將纖維質原料置于高壓蒸汽中維持一定時間,當瞬間解除高壓時,原料空隙中的過熱蒸汽迅速氣化、體積急劇膨脹而發(fā)生爆破。汽爆過程中,存在類酸性水解、熱降解、類機械斷裂、氫鍵破壞等作用,從而使不溶性膳食纖維(IDF)的緊密結構被破壞,轉化為可溶性膳食纖維(SDF)[5-6]。汽爆處理不添加化學物質,處理時間短、效率高、成本低、工藝簡單,是一種簡便易行、前景廣闊的膳食纖維品質改良技術[7-8]。李光磊等[9]研究了蒸汽爆破處理對秈米淀粉的影響,結果顯示蒸汽爆破可有效降解秈米淀粉分子鏈聚合度,增加淀粉結晶度。康芳芳等[10]研究了蒸汽爆破(SE)處理對豆渣膳食纖維組成及含量的影響,結果表明隨著汽爆強度增加,豆渣可溶性膳食纖維(SDF)含量呈上升趨勢,在1.5 MPa/30 s時達最大值36.28%;汽爆強度進一步增大,TDF和SDF含量都呈下降趨勢。目前蒸汽爆破技術對西蘭花老莖膳食纖維品質及理化特性影響的相關研究還未見報道。

本研究結合西蘭花老莖不溶性膳食纖維含量豐富特點,針對其可溶性膳食纖維含量低、理化特性差等突出問題,采用蒸汽爆破技術對其進行改性處理,以提高其可溶性膳食纖維含量及理化特性品質。重點開展了不同蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維品質及其理化特性影響的研究,為西蘭花老莖這一優(yōu)質副產物資源的高值利用提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

西蘭花老莖 日照市莒縣恒寶食品有限公司;魯花花生調和油 濟南銀座商城章丘店。

A6型多功能菜餡機 石家莊翔焱商貿有限公司;KQ-80蒸汽爆破試驗機 鶴壁正道啟寶生物科技有限公司;RXH-B-1熱風循環(huán)烘箱 江陰市宏達粉體設備有限公司;標準檢驗篩60目 浙江上虞市金鼎標準篩具廠;TGL-10B高速臺式離心機 上海安亭科學儀器廠;RH-600A高速粉碎機 永康市榮浩工貿有限公司;BT-9300H激光粒度分布儀 丹東百特儀器有限公司;WSC-S測色色差計 上海儀電物理光學儀器有限公司;MB23水分測定儀 奧豪斯儀器(上海)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 西蘭花老莖膳食纖維粉體制備 取新鮮西蘭花老莖,清洗,瀝干,采用菜餡機進行粗破碎,將物料用尼龍布包裹,放入帶孔鋼桶中進行壓榨處理,將殘渣轉移至熱風烘箱,60 ℃條件下干燥至物料水分含量10%以內,用高速粉碎機對干燥殘渣進行打粉,粉體過60目篩,篩下物即為西蘭花老莖膳食纖維粉,其不溶性膳食纖維含量在85%左右。

1.2.2 西蘭花老莖膳食纖維不同蒸汽爆破壓力處理 分取西蘭花老莖膳食纖維粉100 g,隔夜復水調整物料含水率至50%,依次設定蒸汽爆破壓力為0.5、1.0、1.5、1.8、2.0 MPa,蒸汽保壓時間為60 s,汽爆后物料置于60 ℃條件下干燥至物料水分含量10%以內,用高速粉碎機對干燥殘渣進行打粉,粉體過60目篩,即為測試樣品。以未經蒸汽爆破處理的西蘭花老莖膳食纖維粉為空白對照。

1.2.3 可溶/不溶性膳食纖維含量測定 參照GB5009.88-2014《食品中膳食纖維的測定》所述方法進行測定。

1.2.4 色澤測定 采用CIELAB 表色系統(tǒng)測定西蘭花老莖膳食纖維粉的L*、a*和b*值,其中L*代表明度指數(shù),從黑暗(L*=0)到明亮(L*=100)的變化;a*代表顏色從綠色(-a*)到紅色(+a*)的變化,b*代表顏色從藍色(-b*)到黃色(+b*)的變化。

1.2.5 粉體粒徑和比表面積分析 以異丁醇為沉降介質,運用激光粒度分布儀分析西蘭花老莖膳食纖維粉的粒徑分布和比表面積。

1.2.6 掃描電鏡(SEM)分析 將西蘭花老莖膳食纖維樣品于60 ℃烘箱中干燥至恒質量,然后采用濺射鍍膜法進行表面鍍金,對其進行電鏡掃描觀察拍照,得到不同倍數(shù)的掃描電鏡圖片。

1.2.7 粉體充填和壓縮成型性能指標測定

1.2.7.1 松密度測定 準確稱取5 g(m)粉體,將其小心轉入50 mL量筒中,水平方向輕搖量筒,使粉體上表面盡量平整,記錄此時粉體的體積V[11]。

粉體的松密度(g/mL)=m/V

1.2.7.2 堆積密度測定 分別稱取10 g膳食纖維粉體,移入50 mL量筒中,振實,直至量筒內物料體積不再變化,讀取物料體積,重復測量三次,取平均值[11]。

1.2.8 粉體水合能力測定

1.2.8.1 持水力測定 分別稱取1 g膳食纖維粉體,置于100 mL燒杯中,加入40 mL的蒸餾水,用磁力攪拌器慢速攪拌30 min,隨后將樣液轉入50 mL離心管中,在室溫下5000 r/min離心20 min,除去上清液,稱量沉淀質量[12]。

1.2.8.2 膨脹力測定 分別稱取1 g膳食纖維粉體,緩慢加入標有刻度的試管中,記錄干基體積(mL),加入10 mL蒸餾水,充分振蕩混勻,在室溫下靜置24 h,待粉體沉淀完全后,記錄沉淀體積(mL),按如下公式計算粉體膨脹力[12]。

1.2.9 粉體吸附能力測定

1.2.9.1 油脂吸附能力 分別稱取5 g膳食纖維粉體,置于50 mL離心管中,加入40 mL花生調和油,充分攪拌均勻后靜置30 min,以5000 r/min離心20 min,記錄上清油液體積,計算持油力[12]。

1.2.9.2 亞硝酸根吸附能力 亞硝酸根吸附能力參照文獻所述方法測定[13]。

根據研究方向的不同，補充進行項目開發(fā)的必要知識。導師團隊根據當年主題，面對不同專業(yè)的學生設立幾類課程，利用暑假或寒假集中教學，或者布置學生通過網絡課程進行自學。我們曾經開設的課程有元件焊接基礎、Arduino、STM32、C++與面向對象開發(fā)、OpenCV、Python 等。課程結束會安排一個作業(yè)作為考核。通過課程的學習，讓學生快速進入可以動手開發(fā)的狀態(tài)。另外，部分學生還會自學其它的軟件，例如學習ANSYS 用于仿真，學習ROS 系統(tǒng)用于機器人架構，等等。

1.2.10 DPPH自由基清除能力 分別稱取2 g膳食纖維粉體,加入30 mL體積分數(shù)70%的乙醇溶液,常溫下超聲處理30 min,5000 r/min離心5 min,上清液用于樣品測試。取2 mL樣品溶液,與2 mL 0.4 mmol/L的DPPH溶液充分混勻,避光靜置30 min,于517 nm處測吸光度A1。同理測定2 mL樣品溶液與2 mL無水乙醇充分混勻后的吸光度A2,2 mL蒸餾水與2 mL DPPH溶液充分混勻后的吸光度A0。以蒸餾水進行空白校正[14]。

DPPH自由基清除率(%)=(1-(A1-A2)/A0)×100

1.3 數(shù)據處理

表1 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維色澤的影響Table 1 Effect of steam explosion pressure on the color of dietary fiber of old stem in broccoli

注:同一行不同字母表示存在顯著性差異(P<0.05,n=3);表2同。

每組實驗重復2次,數(shù)據均采用Microcal Origin 8.0(Microcal Software,Inc.,Northampton USA)軟件進行數(shù)據處理,數(shù)據統(tǒng)計均采用SPSS 20.0進行ANOVA單因素方差分析和Ducan’s多重檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖可溶/不溶性膳食纖維含量的影響

2.1.1 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖可溶性膳食纖維含量的影響 圖1為不同蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖可溶性膳食纖維含量的影響。由圖1可知,同對照相比,經蒸汽爆破處理后,西蘭花老莖膳食纖維粉體的可溶性膳食纖維含量顯著提高,其中1.0 MPa處理組可溶性膳食纖維含量最高,達8.89%,較對照提高了2.5倍。1.5 MPa處理組增加幅度最低,較對照提高了1.4倍。其原因可能是隨著蒸汽爆破壓力的增加,西蘭花老莖膳食纖維結構變得疏松,一些與纖維結合的物質發(fā)生解聚,同時,大分子多糖發(fā)生降解,分子量降低,導致可溶性膳食纖維含量增多。當蒸汽爆破壓力強度過高時,西蘭花老莖可溶性膳食纖維被過度降解,生成了小分子單糖或低聚糖,測定時難以被乙醇沉淀,從而導致可溶性膳食纖維含量減少[10]。

圖1 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖 可溶性膳食纖維含量的影響Fig.1 Effect of steam explosion pressure on the content of soluble dietary fiber of old stem in broccoli注:不同小寫字母代表差異顯著, P<0.05;圖2、圖4～圖10同。

2.1.2 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖不溶性膳食纖維含量的影響 圖2為不同蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖不溶性膳食纖維含量的影響。由圖2可知,同對照相比,經蒸汽爆破處理后,西蘭花老莖膳食纖維粉體的不溶性膳食纖維含量顯著降低,且隨著蒸汽爆破壓力的升高,不溶性膳食纖維含量整體呈逐漸降低趨勢,其中1.8 MPa處理組不溶性膳食纖維含量降幅最大,較對照組降低了12.5%。

圖2 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖 不溶性膳食纖維含量的影響Fig.2 Effect of steam explosion pressure on the content of insoluble dietary fiber of old stem in broccoli

2.2 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維色澤的影響

表2 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維粒徑和比表面積的影響Table 2 Effect of steam explosion pressure on the specific surface area of dietary fiber of old stem in broccoli

西蘭花老莖膳食纖維粉呈淺黃色,略偏白。由表1可知,L*值大小依次為對照>0.5 MPa>1.0 MPa>1.8 MPa>1.5 MPa>2.0 MPa。從整體看,隨著蒸汽爆破壓力的增大,西蘭花老莖膳食纖維色澤逐漸變暗。a*值中蒸汽爆破處理組較對照組均偏紅,1.5 MPa處理組偏紅程度最大。b*值中蒸汽爆破處理組較對照組均偏黃,1.8 MPa處理組偏黃程度最大。由表1可以看出,西蘭花老莖膳食纖維經蒸汽爆破處理后粉體色澤偏暗、偏紅、偏黃。且隨著蒸汽爆破壓力的增大,粉體色澤逐漸變暗。可能是隨著蒸汽壓力的增加,在高壓高溫條件下,一些物理化學變化加速了纖維的降解。纖維降解產生的糖類與粉體中的某些物質產生美拉德反應和焦糖化反應,導致粉體色澤逐漸變暗[15]。綜上,若想獲得色澤較好的西蘭花老莖膳食纖維,蒸汽爆破壓力盡量控制在1.5 MPa以下。

2.3 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維粉體粒徑和比表面積的影響

D10、D50、D90分別表示粉體粒徑小于某一值時累計率為10%、50%、90%,其中D50為粒徑的中值,又稱中位徑或平均粒徑,最具代表性。不同蒸汽爆破壓力所得粉體的粒徑分析結果如表所示,由表2可知,5種粉體經相同粉碎處理后,粒徑差異明顯,D50大小依次為對照>2.0 MPa>1.8 MPa>0.5 MPa>1.0 MPa>1.5 MPa,同對照相比,經蒸汽爆破處理的粉體粒徑偏小,且1.0、1.5 MPa處理組顯著小于1.8、2.0 MPa處理組。跨度用于表征粉體粒度分布的寬度,跨度越大,粒度分布約分散。由表2可知,1.5、1.8和2.0 MPa處理組粉體最為分散,1.0 MPa處理組粉體跨度最小,粉體分布較均勻。同對照相比,蒸汽爆破處理可使粉體比表面積增大,其中1.5 MPa處理組最大,2.0 MPa處理組最小。可能是由于在1.8、2.0 MPa水蒸汽高壓條件下,處理溫度較高,纖維過度降解,發(fā)生焦糖化反應,使得組織緊密,較難粉碎。比表面積越大,粉體表面聚合力越強,適宜作為功能性食品原料吸附或包裹于食品表面[15]。

2.4 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維微觀結構的影響

圖3 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維微觀結構的影響Fig.3 Effect of steam explosion pressure on the microstructure of dietary fiber of old stem in broccoli 注:從上至下依次為對照、0.5、1.0、1.5、1.8、2.0 MPa 掃描電鏡微觀結構照片;左側放大500倍,右側放大5000倍。

2.5 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維充填和壓縮成型性能的影響

2.5.1 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維松密度的影響 松密度是反應粉體充填性的評價指標,在片劑和膠囊劑的裝填過程中具有重要意義,松密度越大越有利于粉末的充填。圖4為不同蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維松密度的影響。由圖4可知,同對照相比,經蒸汽爆破處理后松密度均不同程度提高,且在一定范圍內,隨著蒸汽爆破壓力的增大,松密度呈先升高后逐漸減小趨勢。在1.0 MPa處有最大值,為0.337 g/mL,更有利于作為膠囊劑等產品的充填原料[17]。

圖4 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維松密度的影響Fig.4 Effect of steam explosion pressure on the bulk density of dietary fiber of old stem in broccoli

2.5.2 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維堆積密度的影響 堆積密度影響壓片成型,研究表明,堆積密度越大,越有利于壓片成型。由圖5可知,同對照相比,經蒸汽爆破處理后堆積密度均不同程度減小,且在一定范圍內,隨著蒸汽爆破壓力的增大,堆積密度逐漸增大,在2.0 MPa處有最大值,為1.964 mL/g,更有利于壓片成型[18]。

圖5 蒸汽爆破壓力對西蘭花 老莖膳食纖維堆積密度的影響Fig.5 Effect of steam explosion pressure on the accumulation density of dietary fiber of old stem in broccoli

2.6 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維水合能力的影響

2.6.1 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維持水力的影響 圖6為不同蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維持水力的影響,由圖6可知,同對照相比,經蒸汽爆破處理后,西蘭花老莖膳食纖維的持水力均有不同程度降低,在一定范圍內,隨著蒸汽爆破壓力的升高,粉體持水力呈先降低后升高趨勢,在1.5 MPa處有最小值,為4.31 g/g。膳食纖維的持水力與物料的比表面積有關,也與多糖、蛋白質等形成的多孔性結構有關,這種結構通過氫鍵可以結合大量的水分子,經蒸汽爆破處理后可能導致其多孔結構被破壞,導致持水力下降。此外,蒸汽爆破處理后經熱風干燥長時間處理,物料表面變得緊實,也會影響其持水力[19]。

圖6 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維持水力的影響Fig.6 Effect of steam explosion pressure on the water holding capacity of dietary fiber of old stem in broccoli

2.6.2 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維膨脹力的影響 圖7為不同蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維膨脹力的影響。由圖7可知,同對照相比,經蒸汽爆破處理后,西蘭花老莖膳食纖維的膨脹力均有不同程度降低,在一定范圍內,隨著蒸汽爆破壓力的升高,粉體膨脹力整體呈逐漸降低趨勢,在0.5 MPa處有最大值,為3.56 mL/g,較對照降低11%。康芳芳研究了蒸汽爆破處理對豆渣理化特性的影響,結果發(fā)現(xiàn)隨著蒸汽爆破強度的增加,豆渣的膨脹力呈下降趨勢,可能是由于經蒸汽爆破處理,膳食纖維結構受到一定破壞,大分子物質減少,導致膨脹力降低,此外,由于汽爆處理后的物料采用熱風干燥處理,干燥時間較長,使得物料表面較為緊實,從而對其膨脹能力產生了負面影響,本研究結果與其基本一致[19]。

圖7 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維膨脹力的影響Fig.7 Effect of steam explosion pressure on the swelling of dietary fiber of old stem in broccoli

2.7 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維吸附能力的影響

2.7.1 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維持油力的影響 圖8為不同蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維持油力的影響。由圖8可知,同對照相比,經蒸汽爆破處理后,西蘭花老莖膳食纖維的持油力均有不同程度降低,在一定范圍內,隨著蒸汽爆破壓力的升高,粉體持油力呈逐漸升高趨勢,在0.5 MPa處有最小值,為1.46 g/g。在2.0 MPa處有最大值,為2.03 g/g。可能是由于經蒸汽爆破處理,物料原有的大分子網狀結構被破壞,對油脂的吸附束縛能力減弱,而隨著爆破強度的增大,產生的大量微小不規(guī)則空腔結構及小分子基團,使其比表面積增大,對油脂具有一定的吸附作用[19]。

圖8 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維持油力的影響Fig.8 Effect of steam explosion pressure on the oil-holding capacity of dietary fiber of old stem in broccoli

2.7.2 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維吸附亞硝酸根能力的影響 圖9為不同蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維亞硝酸根吸附量的影響。由圖9可知,同對照相比,經蒸汽爆破處理后,西蘭花老莖膳食纖維的亞硝酸根吸附量均有不同程度提高,且在一定范圍內,隨著蒸汽爆破壓力的升高,粉體亞硝酸根吸附量整體呈上升趨勢,在2.0 MPa處有最大值,為3.619 mg/g,較對照提高25.27%。這與程明明[20]的研究結果相一致,可能是因為蒸汽爆破處理使其結構發(fā)生變化,產生了許多不規(guī)則的立體空腔結構和活性基團,比表面積增大,對亞硝酸根的吸附能力增強。

圖9 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖 膳食纖維亞硝酸根吸附量的影響Fig.9 Effect of steam explosion pressure on the nitrite adsorption of dietary fiber of old stem in broccoli

2.8 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維DPPH自由基清除率的影響

圖10為不同蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖膳食纖維DPPH自由基清除率的影響。由圖10可知,同對照相比,經蒸汽爆破處理后,西蘭花老莖膳食纖維的DPPH自由基清除率均有不同程度提高,且在一定范圍內,隨著蒸汽爆破壓力的升高,粉體DPPH自由基清除率整體呈先上升后趨于平穩(wěn)趨勢,在1.8 MPa處有最大值,為95.89%,較對照提高約2倍。可能是因為經蒸汽爆破處理,產生許多小分子物質和活性基團,物料表面形成蜂巢狀不規(guī)則立體空腔結構,使其比表面積增大,作用位點增多,從而使其對DPPH自由基清除能力增強[20]。

圖10 蒸汽爆破壓力對西蘭花老莖 膳食纖維DPPH自由基清除率的影響Fig.10 Effect of steam explosion pressure on the DPPH free radical scavenging rate of dietary fiber of old stem in broccoli

3 結論

經0.5 MPa處理粉體的色澤最好,膨脹力最大,為3.56 mL/g,但持油力最小;經1.0 MPa處理粉體的可溶性膳食纖維含量最高,達8.89%,且松密度最大,達0.337 g/mL;經1.5 MPa處理粉體的比表面積最大,但可溶性膳食纖維含量和持水力最小;經1.8 MPa處理粉體的DPPH自由基清除能力最強,達95.89%,較對照提高約2倍;經2.0 MPa處理粉體的堆積密度、持油力和亞硝酸根吸附量最大,但色澤最差。

經0.5、1.5和1.8 MPa處理的粉體,膨脹力、比表面積或DPPH自由基清除能力等性能品質較好,適宜作為功能配料添加到食品中或吸附于食品表面,經1.0 MPa處理的粉體松密度較高,適宜膠囊劑等產品加工,經2.0 MPa處理的粉體壓片成型性較好,更利于片劑產品生產。

蒸汽爆破處理后物料干燥方式的選擇可能會對其理化特性產生影響,選擇適宜的干燥方式,保護經蒸汽爆破處理得到的良好理化特性不被破壞,將是下一步研究工作的重點。