物理改性技术在食品加工副产物综合利用中的应用

周丽媛，唐晓珍，李宁阳，董玉秀，张慧

(山东农业大学，山东 泰安 271018)

食品工业的快速发展产生了大量的加工副产物，如果渣、果皮、米糠、豆粕、鱼骨等，这些副产物大多含有丰富的营养物质，具有较高的营养、经济价值。但由于副产物自身口感粗糙、加工特性较差，常被饲料化处理或丢弃，造成环境污染和资源浪费，为提高副产物的综合利用率，可对其进行改性处理，以改善物料的加工特性、理化特性、功能特性和食用品质，从而提高其利用范围和价值。物料改性加工方式主要分为物理改性、化学改性和生物改性。物理改性是指利用机械力、热能、高频振荡、物理场等手段对物料进行处理，主要包括挤压处理、高压处理、超声波处理、超细化处理和热处理。物理法相较化学、生物法而言具有无污染、工艺简单、成本较低等优势，在食品加工中深受青睐。本文对近年来国内外采用超微粉碎、挤压膨化、超高压、超声波技术在副产物改性中的应用进展进行了综述，以期为物理改性技术在食品加工副产物中的有效应用提供一定的参考。

1 超微粉碎技术

1.1 超微粉碎技术简介

超微粉碎技术是21世纪十大科学技术之一，是利用机械或流体动力方式克服物料内部凝聚力使之破碎。通过超微粉碎改善物料的物理状态、化学构成和理化性质，更好地提高物料加工品质，是一种良好的改性手段，根据物料载体种类不同分为干法粉碎和湿法粉碎。

1.2 超微粉碎在副产物中的应用

1.2.1 粮谷类副产物改性加工

粮谷类加工副产物在食品工业中占比较大，超微粉碎技术在副产物综合利用中得到广泛应用。Craeyveld等[1]研究球磨超微粉碎处理小麦麸皮后更利于人体吸收，其麸皮中水溶性阿拉伯木聚糖由4%提高到61%。程姣姣[2]探究豆渣改性工艺，经超微粉碎改性后豆渣色泽改善，呈现乳白色，颗粒光滑，阳离子交换能力、可溶性膳食纤维、溶解性均明显提高但持油力下降，面粉添加7.5%豆渣超微粉后，面条的咀嚼性、弹性均有改善。陈菊红等[3]研究湿法超微粉碎对马铃薯渣的改性和物理性质的影响，结果表明其粘度、膨胀力、持水力分别提高4083.3%、156.2%和31.4%。张媛等[4]研究超微粉碎脱脂小米糠抗氧化性提高，对益生菌乳酸菌、双歧杆菌具有增殖作用，并可减小对大肠杆菌的增殖，超微粉碎程度越大，益生作用越显著。张根生等[5]采用湿法超微粉碎对马铃薯渣不溶性膳食纤维进行改性，通过实验确定最佳改性条件为胶体磨齿间距8.00 μm、转速3000 r/min、时间5 min、料液比1∶60(m/V)，在此条件下不溶性膳食纤维溶解度达18.33%。王安建等[6]在超微粉碎改性玉米皮膳食纤维技术研究中得出当粉碎细度在160～200目时膳食纤维吸水性、吸油性和阳离子交换能力均有明显改善，且玉米皮中的水不溶性膳食纤维含量未见明显变化。满永刚[7]对制取大豆油所得豆皮进行改性，将超微粉碎豆皮膳食纤维粉添加到面包中，制作的高纤维面包口感和保健作用较好。

1.2.2 果蔬加工副产物改性加工

果渣、果皮、蔬菜渣含有大量功能活性成分，大量丢弃会造成环境污染和资源浪费。郭莉[8]研究表明超微粉碎脱苦锦橙皮渣总黄酮含量、持水力、持油力增加，水溶性和色度值增加4.19%和11.02%。于滨等[9]实验表明苦瓜渣经超微粉碎后其可溶性膳食纤维含量达17.20%，溶胀性为16.29 mL/g，可降低α-淀粉酶和α-糖苷酶的酶解，有效提高其纤维体外降血糖活性。程明明等[10]对比干法和湿法超微粉碎改性，研究发现西番莲果皮膳食纤维对脂肪酸、胆固醇、亚硝酸根离子和胆酸钠的吸附能力都有提高且湿法优于干法。张江宁等[11]研究超微粉碎对红枣渣理化性质影响，得出微细枣渣持水性、溶胀性增强，模拟胃环境吸附胆固醇能力强，对饱和油脂吸附能力强，高浓度可促进对胆酸钠的吸附。林丽静等[12，13]研究干法超微粉碎对菠萝皮渣和芒果皮理化特性的影响，发现随着超微粉碎时间的增加，菠萝皮渣和芒果皮粉体流动性均改善，持水力和持油力提高且多酚溶出量增加。杨远通[14]对猕猴桃渣进行改性处理，结果表明超微粉碎后其膳食纤维的比表面积和持水力显著提高、对NO2-、葡萄糖、镉离子和铅离子的吸附性均增强。王强等[15]研究改性柚皮膳食纤维对大鼠肌肉及血糖水平的影响，超微粉碎高剂量组使大鼠血糖、胰岛素和糖化血清蛋白水平分别降低66%、12.1%和47.5%，且C-肽和T-AOC水平也显著提高35.7%和51.9%，此改性结果对开发柚皮纤维食品、提高柚皮利用价值具有参考意义。贺磊等[16]证实油茶果壳经超微粉碎达500目时，易在木材胶黏剂中分散，比表面积增大，吸附性增强，可吸收木材胶黏剂中的游离甲醛，将超微粉碎后的果壳用于木材胶黏剂改性剂对脲醛树脂固化可能有促进作用，但也可能会影响酚醛树脂固化。

1.2.3 其他加工副产物改性加工

李学鹏等[17]研究鲽鱼骨超微细鱼骨泥的加工工艺，结果表明超微粉碎时按冰水与骨泥1∶5(W/V)粉碎2次，可获得100目的微细鱼骨泥，得率达60.57%，其蛋白质含量较高，脂肪含量较低，钙磷比接近2∶1，营养物质均衡。Gao等[18]研究球磨干磨、湿磨、高压气流式超微粉碎3种粉碎方式对小黄鱼头骨特性的影响，得出其体积密度、蛋白质溶解度、钙磷比均有提高，湿磨粉末吸水快，持油性、流动性好，干磨持水性最好且颗粒尺寸最小。陶学明[19]试验表明梭子蟹壳微粉具有高蛋白、低脂肪、无机物丰富的特点，蟹味面包最适添加量为2.0%，是一种良好的矿物补充剂和食品添加剂。车丽涛[20]研究得出副产物复合蛋白经过超微粉碎和磷酸加酶水解后可显著降低仔猪的腹泻率。

2 挤压膨化技术

2.1 挤压膨化技术简介

挤压膨化是采用高温短时处理和干燥技术对物料进行成型加工的创新技术。目前食品工业中应用广泛的主要是螺杆挤压机，分为单螺杆、双螺杆和多螺杆，挤压膨化可使物料的组织结构、外观及理化特性等发生改变，在改善产品适口性方面优势显著，具有原料利用率高、营养成分保持良好、耐储存、生产能力大等优点。

2.2 挤压膨化在副产物中的应用

2.2.1 果蔬加工副产物改性加工

焦妍津[21]对蓝莓果渣进行挤压膨化处理，研究表明经挤压膨化处理后蓝莓果渣中花青素、黄酮醇的含量分别达到了2.551，1.677 mg/g，制得的膨化产品水溶性指数为48.73%，易于人体消化吸收。陶姝颖等[22]研究酿酒葡萄皮渣的改性效果，得出挤压膨化有利于提高纤维的持水力、膨胀力及阳离子交换能力，但其抗氧化活性则显著降低。葛邦国等[23]研究挤压改性对苹果渣膳食纤维、果胶等含量的影响，证实挤压膨化改性后果胶含量增加146.81%，不溶性膳食纤维含量较原样减少31.42%，并得出最佳改性工艺条件为压力1.2 MPa、螺杆转速200 r/min、物料含水量30%、挤压温度130 ℃。牛伟伟[24]采用单螺杆挤压膨化机处理莲藕渣并与其他谷类、薯类物料复配生产膨化食品，挤压加工后物料的水溶性指数明显提高，更利于人体消化吸收。王聪等[25]研究杏鲍菇深加工剩余残渣的加压膨化改性，研究表明当残渣含水量25%、喂料速度29 Hz、挤压转速97 r/min、套筒温度103 ℃时其残渣可溶性膳食纤维较未处理前提高了46%，此改性方式大大提高了杏鲍菇深加工残渣的利用率。叶发银等[26]以番茄酱加工副产物番茄皮制得的膳食纤维为原料进行改性，研究得出经二氧化碳爆破挤压处理后，其纤维表面粗糙、结晶度下降、尺寸减小且水溶性纤维含量上升。李娜[27]研究欧李果渣膳食纤维改性工艺，研究表明在果渣水分添加量为40%，粒度为80目，挤出温度为140 ℃，螺杆转速为160 r/min的条件下可溶性膳食纤维含量达24.87%，且SDF的吸附性、水合性质及阳离子交换能力均有不同程度的提高，经挤压改性后果渣的理化性质得到改善。

2.2.2 粮谷类副产物改性加工

王旭[28]研究表明米糠经挤压膨化改性后，其铁离子还原能力以及DPPH自由基清除能力加强，可溶性固形物增多，米糠膳食纤维表面疏松，物化性质得到明显改善。王磊等[29]对花生壳可溶性膳食纤维进行改性，改性后SDF分子量减小，对金属离子铅、砷、铜的吸附性增强。谢怡斐[30]在改善豆渣食用品质研究中得出挤压膨化后豆渣的功能性有所改善，阳离子交换能力提高17.2%，膨胀力和粘度分别提高4.5%和12.9%。闫晓光[31]在挤压处理麦麸提取膳食纤维工艺及性质实验中得出经挤压处理后小麦麦麸可溶性膳食纤维含量较原麦麸提高了70%，持水性、持油性、膨胀性显著提高，挤压改性最佳工艺为温度140 ℃、挤压转速150 r/min、物料含水量20%。李昊阳[32]采用挤压膨化预处理辅助提取玉米皮多糖，研究表明双螺杆挤压膨化主要改变了玉米皮的物理结构和热化学性质，其孔隙率增加，增大了与溶剂的接触面积，改善了玉米皮降解的热稳定性，半纤维素和非结晶区的纤维素发生部分降解，玉米多糖基本结构无显著变化，酸性多糖热稳定性提高，中性多糖热稳定性下降，多糖得率增加且粗多糖抗氧化性提高，但纯化后多糖抗氧化性下降。胡光耀等[33]以红薯豆粕为原料生产膨化食品，得出最佳工艺配方为水分含量12%、机筒温度140 ℃、螺杆转速400 r/min、挤压机模口直径0.3 cm。经挤压膨化处理后豆粕的口感和理化性质得到改善，可提高其利用价值。

2.2.3 其他加工副产物改性加工

除果蔬、粮谷类副产物改性加工外，挤压膨化技术也被应用于茶叶、水产等其他加工副产物的改性。黄茂坤等[34]在铁观音茶梗的挤压膨化改性研究中得出改性后茶梗的可溶性膳食纤维含量、持水力、膨胀力、结合脂肪能力均有明显提高。袁根良等[35]研究表明挤压膨化改性茶渣的容重较小，产品酥脆，可溶性膳食纤维和可溶性蛋白含量增加10.11%和15.56%，且保留了茶香味。Shahmohammadi等[36]采用双螺杆挤压机对玉米渣和鱼肉混合处理，试验得出口感佳且贮藏稳定的膨化食品，改善了其营养特性。王博[37]对绿茶茶渣进行挤压膨化得出在物料含水量70%、喂料速度58 r/min、螺杆转速60 r/min、加工温度60 ℃条件下茶渣中没食子酸含量是原茶渣的4.06倍，在物料含水量70%、喂料速度106 r/min、螺杆转速120 r/min、加工温度20 ℃条件下茶渣中游离氨基酸总量可达1.98%，是原样的2.3倍，在物料含水量70%、喂料速度90 r/min、螺杆转速90 r/min、加工温度50 ℃条件下茶渣中粗纤维含量达15.12%。李莎等[38]对海带渣进行挤压膨化处理研究表明，挤压膨化后其吸油率、吸油速率、漂浮率和吸水率均提高且海带渣粒度为0.9 mm、玉米渣添加量为30%时效果最佳。肖丽凤等[39]对虾壳粉进行挤压膨化破壁研究，得出最佳膨化工艺为含水量24%、螺杆转速314 r/min、挤压温度120 ℃、供料速度116 r/min，处理后虾壳粉晶体破坏较明显，结晶度有较大程度下降。

3 超高压技术

3.1 超高压技术简介

超高压技术是兴起于19世纪末的食品加工高新技术之一，最先应用于食品杀菌。其原理是指利用100 MPa以上的压力，在常温或较低温度下对物料进行改性、糊化或变性，具有保持食品风味、营养、延长保质期的优点。

3.2 超高压在副产物改性中的应用

张馨月等[40]将咖啡渣膳食纤维进行超高压改性，研究证实改性后其生理活性持水性、膨胀性提高，提高率达33.77%和23.63%，为提高饱腹感的产品开发提供了新思路。林素丽[41]研究表明经100，200 MPa处理后米糠蛋白的溶解性明显改善，乳化性、起泡稳定性和最小凝胶浓度经超高压处理后显著改善，500 MPa时持水性和起泡性达最大值。李雁等[42]采用超高压对红薯渣进行改性,实验得出超高压对调节血糖、血脂能力改性条件：600 MPa,15 min,60 ℃；清除外源有害物质改性条件:100 MPa,10 min,42 ℃，可明显改善红薯渣的生理功能。王跃等[43]探究不同超高压处理时间对小麦麸皮性质的影响，结果表明在料水比1∶5、350 MPa压力下处理10 min，麦麸持水力为原料的1.28倍，保压处理15 min，麦麸膨胀力和可溶性膳食纤维含量为原料的1.68倍和1.56倍。钟先锋等[44]研究物理改性对燕麦麸皮不溶性膳食纤维理化特性的影响，分析得出超高压联合超声处理后其比表面积增加13.49倍，持油性、膨胀度、阳离子交换能力和粘度值显著增加，持水性减少了2.25倍，纤维粒度减少了2.8倍。胡晓平[45]对辣椒渣进行低温超高压改性，改性后膳食纤维提取率为72.3%，持水力、持油力、膨胀力提高，最佳改性条件为压力300 MPa、温度40 ℃、保压30 min。王丹丹[46]研究表明豆渣超高压改性后其持水力、膨胀力、可溶性膳食纤维含量较原样相比分别提高6.44%、10.54%、20.97%，改性后阳离子交换能力有所提高。

4 超声波技术在副产物改性中的应用

超声波是一种机械波和电磁波，通过与介质之间的相互作用形成空化、机械和热效应等，作为21世纪发展起来的高新技术，在食品工业中超声波技术被广泛应用于物料活性成分的辅助提取，经大量研究表明超声波对物料的功能性及理化特性有显著影响且具有作用温和、操作简便等优势，近年来逐渐应用于物料改性制备研究。黄六容等[47]探究改性方法对大蒜秸秆总膳食纤维功能特性的影响，结果表明超声得到的TDF持水性、持油性及膨胀力显著优于酶解和水浴法，且对葡萄糖吸附能力较高。马楠等[48]对米糠蛋白进行超声改性，研究证实超声处理可提高米糠蛋白的溶解性和乳化性，其最佳改性条件为米糠蛋白浓度3%、超声功率201 W、超声时间10 min和超声温度40 ℃。曹龙奎等[49]采用超声-微波法对小米糠膳食纤维进行改性，改性后小米糠可溶性膳食纤维对α-葡萄糖苷酶活性的抑制作用较强，相对分子质量变小。张雪绒等[50]研究香菇柄膳食纤维的超声改性，得出在超声时间35 min、温度50 ℃、料液比110 (g/mL)条件下其抗氧化活性有所改善，其中：其DPPH清除率和羟自由基清除率较改性前提高了147.95%和82.13%，结合水力为11.532 g/g，可溶性总糖含量达6.236 g/mL，明显改善其品质和理化特性。王丽波等[51]将南瓜籽多糖PSP-60经超声改性，结果表明超声可使多糖的生物活性如抗氧化活性发生改变，并使单糖发生转化。

5 结论与展望

综上所述可知，物理改性技术在食品加工副产物改性加工中效果显著。超微粉碎技术可使物料形成微细粉末，改善产品粗糙性，在提高物料水溶性、分散性、功能活性成分溶出度及功能特性等方面效果良好，且超微粉碎技术适合工业化生产，可为副产物改性及功能性产品的开发提供新方向，但想要达到良好的改性效果必须严格掌握粉碎粒度或时间，过度粉碎会造成物料颗粒过度微细、细胞群过度破碎，反而对油脂、水分的束缚能力下降，特别是在膳食纤维含量较高的物料中过度超微粉碎会造成膳食纤维组成成分发生变化，长链结构被破坏，导致膳食纤维良好的持油力、膨胀性和吸附性降低；挤压膨化和超高压技术对物料理化性质的影响较大，可使物料组织疏松，膨胀性改善，更利于人体消化吸收，且挤压膨化能够同时实现破碎、杀菌、膨化成型等一系列操作，生产效率高，但其处理温度较高会造成物料色泽加深，对需保持物料本身较浅色泽的产品开发产生不利影响，而超高压具有处理温度低、时间短、对物料色泽几乎没有影响的优势，可用于对颜色有严格要求的物料改性。超声波改性不仅可增加副产物中小分子物质的溶出量而且对物料功能活性的改善具有显著优势，但它同超高压技术一样虽改性效果良好但由于设备昂贵、成本高大多停留在实验室阶段，未实现规模化、工业化生产。

以上4种物理改性方式各有优缺点，为提高食品加工副产物的综合利用提供了一定的参考依据，未来可进一步明确各种改性方式针对不同种类物料的最佳改性条件；目前对食品加工副产物的改性研究主要集中于粮谷类和果蔬加工，未来可进一步向畜产、水产等加工副产物方面拓展；对于物料改性的机理研究较少，需充分研究其微观结构变化情况，将微观与宏观研究相结合，为物理改性技术提供更多理论依据。随着食品工业的迅速发展，绿色环保、操作简便、安全卫生的物理改性技术的应用将更加广泛。