蒸汽爆破對綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性的研究

王崇隊 ，張明，馬超，楊立風，范祺，張博華，孟曉峰，劉依平，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.山東農業工程學院，山東濟南 250100）

蘆筍（Asparagus officinalis L.）又名石刁柏，為百合科天門冬屬的草本植物，含有大量的膳食纖維、蛋白質和多種氨基酸、維生素和微量元素等營養成分及多糖、皂苷、黃酮等藥用成分，因此具有較高的營養價值[1]。藥理學研究表明，蘆筍提取物對高脂血癥[2]、糖尿病[3]、癌癥[4]等均有一定療效，具有較高的營養與藥用價值。我國蘆筍種植面積約1.5 萬hm2，年產量約180 萬t，占世界總量的60%。蘆筍廢棄物是指蘆筍速凍產品或罐頭產品加工后剩下的老莖等部分，約占鮮樣的40%。目前，蘆筍廢棄物被當作廢棄物料丟棄，這樣既浪費了資源，又對環境造成了污染[5-6]。膳食纖維是指不能被人體內源酶消化吸收的可食用植物細胞、多糖、木質素以及相關物質的總和[7]。膳食纖維對人體具有重要的生理功能，能有效地預防和減少心腦血管疾病、肥胖癥、心肌梗塞、冠心病、動脈硬化、糖尿病、高血壓、結腸炎、便秘及腸道癌等疾病的發生，被稱為繼水、碳水化合物、礦物質、維生素、蛋白質、脂肪之外的“第七大營養素”[8-10]。許多研究表明，膳食纖維的生理功能主要是由可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）表現出來的，膳食纖維中SDF 含量的多少是評價膳食纖維生理功能的一個重要指標[11]。

蒸汽爆破（簡稱汽爆）處理是在高壓密閉環境中，用過熱蒸汽將物料加熱到一定溫度，在一定壓力下保持數秒或數分鐘后瞬間泄壓，隨著壓力驟降、水分汽化，物料產生爆破效應的一種物理處理方法[12]。植物細胞中的纖維為木素所粘結，與高溫、高壓蒸汽作用下，纖維素結晶度提高，聚合度下降，半纖維素部分降解，木素軟化，橫向連結強度下降，甚至軟化可塑，當充滿壓力蒸汽的物料驟然減壓時，孔隙中的氣劇膨脹，產生“爆破”效果，可部分剝離木素，并將原料撕裂為細小纖維的技術即為蒸汽爆破技術，它主要是利用高溫高壓水蒸汽處理纖維原料，通過瞬間泄壓過程實現原料的組分分離和結構變化[13]。本研究主要選取料腔比、汽爆時間、汽爆壓力三個單因素樣品進行蒸汽爆破，測定不同條件下綠蘆筍SDF 的含量，并據此進行正交試驗確定綠蘆筍膳食纖維的最佳改性工藝，從而提高綠蘆筍廢棄物膳食纖維的利用率。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料

綠蘆筍老莖，山東恒寶食品集團有限公司提供。

1.1.2 試劑

α-高溫淀粉酶1 000 U/mL、蛋白酶5 000 U/mL、糖化酶1 000 U/mL，無水乙醇、乙酸、氫氧化鈉、異丁醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司提供。

1.1.3 儀器

QBS-80 型蒸汽爆破設備，鶴壁政道啟寶實業有限公司；SHA-B 雙功能水浴恒溫振蕩器，江蘇杰瑞爾電器有限公司；ME104 電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；T050002 電子天平，天津天馬衡基儀器有限公司；LXJ-11B 低速大容量多管離心機，上海安亭科學儀器廠；pHS-3C 型pH 計，上海儀電科學儀器有限公司；RHP-250A 高速多功能粉碎機，浙江永康市榮浩工貿有限公司；SHB-III 循環水式多用真空泵，BG2-240 電熱鼓風干燥箱，上海博訊醫療生物儀器股份有限公司；KDM 型調溫電熱套，山東鄄城華魯電熱儀器有限公司；TC-PⅡG型全自動測色色差計，北京光學儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

汽爆樣品工藝流程為綠蘆筍廢棄物→破碎去汁→蒸汽爆破→熱風烘干→超微粉碎。

綠蘆筍SDF 提取工藝流程為汽爆樣品→以1:40 比例加純化水→α-高溫淀粉酶水解→蛋白酶水解→糖化酶水解→離心→無水乙醇醇沉→抽濾→烘干。

1.2.2 操作要點

取蘆筍廢棄物，于破碎機中破碎，擠壓過濾，去掉濾液，取殘渣，進行蒸汽爆破，收集爆破樣品，采用熱風烘干（60 ℃烘干10 h），超微粉碎。樣品以1:40（g:L）比例加入純化水，并加入α-高溫淀粉酶。90 ℃酶解1 h，放涼至60 ℃，加蛋白酶，60 ℃酶解1 h，加乙酸滅活后，加糖化酶，60 ℃酶解1 h，放涼，離心，過濾，濾液加四倍體積無水乙醇醇沉，靜置一夜后，抽濾，濾渣烘干，稱量質量。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 測定方法

SDF 含量測定：參照《食品中膳食纖維的測定》（GB5009.88-2014）測定[14]。

水分含量測定：直接干燥法，參照GB/T 5009.3-2016食品中水分的測定[15]。

1.3.2 表觀指標

（1）色差

用CIELAB 表色系統測定綠蘆筍粉的L*、a*和b*值，其中L*代表明度指數，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[16]。

（2）粒度與比表面積

運用激光粒徑分布儀測定[17]。

1.3.3 水合能力

（1）持水力

分別稱取樣品2 份各1.000 g（m1），置于離心管中，加入30 mL 純化水，室溫過夜，隨后以5 000 r/min 條件離心20 min，棄去上清液，稱量沉淀質量（m2），計算公式見式（1）[5]。

（2）膨脹力

分別稱取樣品2 份各1.000 g（m，以純品計）于50 mL 具塞刻度試管中，鋪平，讀取干物料的體積（V1）。準確加入20 mL 純化水，振蕩均勻后，室溫過夜。讀取試管中物料體積（V2），計算公式見式（2）[18]。

（3）水溶性指數（WSI）

分別稱取樣品2 份各1.000 g（m0）于錐形瓶中，加入40 mL 純化水，于80 ℃恒溫振蕩提取30 min，冷卻后置于離心管中，以5 000 r/min 條件離心10 min，取上清液置于預先稱取質量的干燥燒杯（m1）中，先用酒精燈加熱除去絕大部分水分，然后在105 ℃溫度下干燥，將干燥好的樣品與燒杯稱質量（m2），計算公式見式（3）[19]。

1.3.4 吸附能力——持油力

分別稱取樣品各3.000 g（m1，以純品計），置于50 mL離心管中，邊振蕩邊緩慢加入花生調和油30 g，充分混勻后靜置30 min，隨后以5 000 r/min 條件離心20 min，稱取上清油質量m2，計算公式見式（4）[20]。

1.3.5 流動性和壓縮成型性

（1）休止角

將一漏斗垂直固定于鐵架臺上，漏斗最下端與水平面保持一定距離，取適量粉體，使其均勻通過玻璃漏斗自由落在平面上，直到粉體堆成的圓錐體的最高點碰觸到漏斗最下端為止，測量此時圓錐體直徑D，每個樣品重復測定5 次，計算公式見式（5）[21]。

其中：θ 為粉體的休止角，°；H 為漏斗最下端距離水平面的距離，cm；D 為粉體堆成的圓錐體的直徑，cm。

（2）滑動角

取一長方形光滑玻璃板，稱取樣品5.0 g，置于玻璃板中心處，固定玻璃板一側，緩慢抬起另一側，直至超過90%粉體滑落，標記此位置，此時玻璃板與水平面之間的夾角即為滑動角θ，每個樣品重復測定5 次[22]。

（3）堆積密度

分別稱取樣品15.0 g（m），轉入50 mL 量筒中，充分振實，直至量筒內粉體體積不再變化，讀取粉體體積（V），重復測定3 次，取平均值，計算公式見式（6）[23]。

（4）松密度

分別稱取樣品15.0 g（m），轉入50 mL 量筒中，使粉體保持松散狀態，直至量筒內粉體體積不再變化，讀取粉體體積（V），重復測定3 次，取平均值，計算公式見式（7）。

1.3.6 速溶性

（1）分散性

稱取樣品5.0 g 放于100 mL 燒杯中，然后加入25 ℃的純化水50 mL，以一定轉速在恒溫磁力攪拌器上攪拌，記錄從攪拌開始到粉塊全部分散所需要的時間（s）。

（2）潤濕性

這兩種彼此對立的評價都具有深刻的意義和說服力，但是，如果認為這就是僅有的評價方法，則不利于我們認同《琵琶記》的經典性。所謂經典，是能經受住各個時代的考量的作品，隨著新的研究理論不斷引進，我們能夠從新的角度豐富對《琵琶記》的認識。法國結構主義者格雷馬斯的符號學理論不失為一種解讀《琵琶記》的有效范式。

將25 ℃的純化水200 mL 置于250 mL 的燒杯中，稱取樣品0.5 g 均勻平鋪于水面上，測定從樣品加入至樣品完全沉降所需要的時間（s）。

（3）溶解性

精確稱量樣品5.0 g，置于50 mL 小燒杯中，加入純化水30 mL，室溫條件下以磁力攪拌器攪拌30 min，使樣品充分溶解。將溶液完全轉移至50 mL 容量瓶中，用純化水定容，充分搖勻。取該液15 mL，以3 000 r/min 離心10 min，取上清液，轉入稱量皿中，在水浴中加熱20 min，然后放入105 ℃干燥箱中烘干至質量恒定，計算公式見式（8）[24]。

式中：X 為試樣溶解度；m 為樣品質量，g；m1為稱量皿質量，g；m2為稱量皿和不溶物干燥后質量，g；B 為試樣水分含量，g。

1.4 蒸汽爆破單因素試驗

1.4.1 料腔比對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響

已知料腔體積為400 mL，分別選取綠蘆筍鮮渣100、200、300、400 mL 進行蒸汽爆破，即料腔比為1:4、1:2、3:4、1:1，爆破壓力為1.5 MPa，時間為150 s。收集，烘干，酶解提取測定SDF 含量。

1.4.2 蒸汽爆破時間對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響

爆破壓力為1.5 MPa，分別采取爆破時間30、90、150、210、270 s，對400 mL 鮮渣進行蒸汽爆破試驗。收集，烘干，酶解提取測定SDF 含量。

分別采取蒸汽爆破壓力0.5、1.0、1.5、2.0 MPa，時間為150 s，對400 mL 鮮渣進行蒸汽爆破試驗。收集，烘干，酶解提取測定SDF 含量。

1.5 正交優化試驗

在單因素試驗的基礎上，以蒸汽爆破壓力、時間、料腔比三個因素，采用L9(33)正交設計試驗，優化汽爆條件。

表1 蒸汽爆破提取綠蘆筍廢棄物膳食纖維正交試驗設計Table 1 Orthogonal design of extraction of dietary fiber

1.6 數據處理

數據均采用Microcal Origin 8.0 軟件作圖，采用SPSS 進行分析。

2 結果分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 料腔比對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響

圖1 顯示了料腔比對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響。由圖1 可以看出，隨著料腔比的上升，綠蘆筍廢棄物中SDF 含量呈現先升高后降低的趨勢，在料腔比為2:4時，SDF 含量達到最高值，為7.45%。這可能是因為隨著物料的增加，水蒸氣的膨脹力可以完全作用于物料中；而物料過多，物料之間的貼合度比較緊密，不適應蒸汽的溶脹，從而減弱蒸汽的作用，使得SDF 含量降低[25]。

2.1.2 汽爆時間對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響

圖2（見下頁）顯示了蒸汽爆破時間對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響，由圖2 可以看出，在一定范圍內，隨著蒸汽爆破時間的增加，SDF 含量不斷增加，蒸汽爆破90 s時，SDF 含量達最大值，為7.45%。隨后時間增加，SDF 含量減小。這可能是因為蒸汽爆破過程中，水蒸氣隨著時間的延長滲透到物料中越多，突然減壓時水蒸氣的膨脹力充分作用于物料中[25]；但蒸汽爆破時間不是越長越好，隨著蒸汽爆破時間的延長，物料中的大分子碳水化合物降解生成甲酸、乙酸等酸類、糠醛、芳香類化合物、脂肪酸類化合物和呋喃化合物[26]，所以SDF 含量降低。

2.1.3 蒸汽爆破壓力對綠蘆筍廢棄物SDF 含量的影響

從圖3 可以看出，在一定范圍內，隨著蒸汽爆破壓力的增加，SDF 含量呈先升后降的趨勢，蒸汽爆破壓力在1.0 MPa 時，SDF 含量達最大值，隨后壓力增大，SDF 含量減少。這可能是由于蒸汽壓力變大，突然減壓時水蒸氣的急劇膨脹作用導致不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber,IDF）中木質纖維素的糖苷鍵斷裂，形成小分子的還原糖，使得SDF 含量上升[25]。而隨著蒸汽壓力的變大，突然減壓時水蒸氣急速膨脹作用力過強，焦糖化反應加劇，組成SDF 的半乳甘露聚糖和木葡聚糖發生降解[27]，使得SDF含量降低。綜合考慮，選擇蒸汽爆破壓力為1.0 MPa。

2.2 正交試驗

根據單因素的試驗結果，設計正交試驗，試驗結果見表2。由表2 可知，試驗因素對SDF 含量影響的主次順序為A>B>C，即料腔比>汽爆時間>汽爆壓力。由k 值大小可知，優化組合為A3B1C2，即料腔比5:8、汽爆時間70 s、汽爆壓力1.0 MPa。經驗證，在此條件下，SDF 的含量為7.73%，比改性前提高92.5%。

表2 蒸汽爆破正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results of steam explosion

2.3 改性纖維的性質分析

2.3.1 綠蘆筍廢棄物膳食纖維蒸汽爆破改性前后表觀指標分析

（1）色差

表3 綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性前后色差分析Table 3 Color difference of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

由表3 看出，綠蘆筍鮮渣空白樣L*值高于優化樣品的，表明空白樣品比優化樣品偏亮，空白樣a*值低于優化樣品的，表明空白樣品比優化樣品偏綠，空白樣b*值低于優化樣品的，表明空白樣比優化樣偏藍。

（2）粒度與比表面積

由表4 可知，優化樣品的D10、D50、D90跨度數值均比空白樣品數值小，這表明優化后的粉質比空白樣品粉質細膩，制成粉質沖劑后更加利于沖泡均勻。優化樣品的比表面積大于空白樣品，比表面積越大，物料與其他物質的接觸面積越廣，表面聚合力和黏著力越大，可以作為功能性原料吸附在食品表面[29]，比表面積越大，吸附性能也越強，粉劑可與水等溶劑接觸更充分，制作成固體飲料口感更好。

表4 綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性前后粒度與比表面積分析Table 4 Particle size and specific surface area of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

2.3.2 水合性能

由表5 可知，優化后樣品的持水力低于爆破前空白樣的，這是因為膳食纖維的持水力不僅與比表面積有關，還與大分子物質之間的氫鍵結合水的能力有關，蒸汽爆破處理可能導致其化學鍵斷裂，結構組織被破壞，致使其持水力降低。改性后的膳食纖維是用烘箱60 ℃烘干處理10 h，由于時間過長致使纖維表面皺縮緊實，也會對持水力產生一定影響。

表5 還顯示優化樣品的膨脹力略低于空白樣品，在汽爆改性時受壓強影響，膳食纖維結構遭受一定程度的破壞，化學鍵斷裂，大分子結構減少，可能導致其膨脹力降低。優化后的物料水溶性指數明顯增高。WSI 是表征粉體可溶性物質含量和溶解性的重要指標，WSI 值越大，其可溶性物質含量越大，溶解性越好。爆破時部分不溶性物質在強壓的作用下結構被打破，性質發生改變，優化后樣品可溶性物質增多。

2.3.3 吸附性能

表6 綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性前后持油力分析Table 6 Oil holding capacity of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

由表6 可知，優化樣品的持油力數值高于空白樣品持油力，這表明優化樣品對油脂的束縛能力更強，意味著在食物的消化吸收過程中，優化后的樣品可吸附人體腸道中多余的油脂，減少腸道對油脂的吸收、利用和轉化，便于油脂排出體外，利于減肥。

2.3.4 流動性和壓縮成型性

表7 綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性前后流動性和壓縮成型性分析Table 7 Fluidity and compression formability of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

由表7 可知，優化樣品的休止角與滑動角均小于空白樣品，休止角和滑動角體現了粉體的流動性，粉體休止角越小，流動性越好，越容易制成顆粒劑、膠囊劑、片劑等制劑。爆破優化后樣品堆積密度與松密度均比空白樣大，研究表明，堆積密度越大，越有利于壓片成型，因此優化樣品粉體更利于壓片。相同質量下，優化樣品占據更大的空間，能增加飽腹感，可作為代餐粉。

2.3.5 速溶性

表8 綠蘆筍廢棄物膳食纖維改性前后速溶性分析Table 8 Instant solubility of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

由表8 可知，蒸汽爆破后優化樣品的分散性與潤濕性時間均短于空白樣品，溶解性相對于空白樣品有所提高，表明優化后樣品顆粒間有較大的排斥力，更容易溶于水，且粉體顆粒易實現穩定分散，并溶解均勻，可作為功能型飲料或粉狀沖劑進行大批量的工業生產。

3 結論

在蒸汽爆破對綠蘆筍可溶性膳食纖維改性的試驗過程中，汽爆料腔比、汽爆時間、汽爆壓力都對綠蘆筍鮮渣中SDF 含量有顯著影響，并且通過探究試驗后，得出了綠蘆筍SDF 的最佳改性工藝：汽爆料腔比為5:8，汽爆時間為70 s，汽爆壓力為1.0 MPa，物料粒度為超微粉，此時SDF 的含量最高，達到7.73%，比未改性前SDF 含量提高92.5%，其持水力為4.17 g/g，膨脹力為4.5 mL/g，與空白樣品對比略有下降，因為蒸汽爆破破壞了膳食纖維的結構，導致其化學鍵發生變化，持水力及膨脹力減弱。中位徑為10.39 μm，較未改性前數值小，表明改性后粉質更加細膩。改性后休止角為53.6°，滑動角為50°，均低于空白樣品，表明優化后粉體流動性更好。持油力為2 mL/g，水溶性指數為14.27%，堆積密度為0.43 g/ mL，松密度為0.29 g/mL，溶解度為91.63 g/100 g，比表面積為0.299 m2/g，與空白樣品對比，均有增加，表明優化后粉體對油脂束縛能力增強且溶解性更好，粉體與其他物質接觸面積更廣，在水中溶解更加充分，便于制成固體飲料，口感更好。

在對用此工藝提取的SDF 進行一系列水合性質、吸附性、速溶性、流動性和壓縮成型性的相關指標測定過程中，發現蒸汽爆破對綠蘆筍廢棄物改性工藝所得的產品各項指標能力較強，且品質較好，如此，為以后的大規模提取提供了理論依據，也為綠蘆筍下腳料的廢物再利用提供了思路。