蒸汽爆破对沙棘果渣可溶性膳食纤维性质影响

白晓州，张镒飞

（郑州旅游职业学院烹饪食品系，河南郑州450000）

膳食纤维（dietary fiber，DF）是指不被人体消化吸收的以多糖类为主体的高分子物质的总称。根据其溶解性的不同，可以分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）、不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）。膳食纤维可以预防和治疗许多疾病如冠心病、结肠癌、肥胖症、糖尿病等，也是低热量、低胆固醇健康食品的重要原料之一[1-2]。我国是沙棘资源最丰富的国家，主要种植于我国的西部地区，总面积可达1 800万亩。沙棘不仅作为沙棘汁的原料而且能够防风固沙、保持水土，有利于生态环境的保护[3-4]。沙棘汁的生产过程中产生了大量废渣，经微生物分解极易腐烂，严重污染环境。经研究发现沙棘果渣中仍旧含有超过50%的膳食纤维，从其中提取膳食纤维可以增加产品附加值，提高经济效益。研究表明，膳食纤维中SDF的含量比重超过10%时为高品质膳食纤维[5]。因此国内外研究者通过物理或者化学手段提高膳食纤维中SDF的含量，以提高其应用价值[5-6]。

蒸汽爆破（简称：汽爆，steam explosion，SE）技术是近年来迅速发展的一种预处理方法，主要功能是破坏生物质的细胞壁物质，分离或降解纤维成分和木质素，其主要工作机理是将原料置于一定的高温、高压的环境中，原料被过热液体润胀，孔隙中充满蒸汽，当瞬间（毫秒级）解除高压时，原料孔隙中的过热液体迅速气化，体积急剧膨胀而使细胞“爆破”，从而实现原料的组分离散和结构改变[8]。其在处理过程只需要高温蒸汽，不添加化学物质，即可使物料发生物理改性，因而被认为是未来实现生物炼制发展的重要途径。蒸汽爆破在木质纤维原料制备燃料乙醇、秸秆的厌氧发酵生产沼气等方面技术已相当成熟[9-10]。由于其能使细胞壁破裂，近年来蒸汽爆破在食品加工中副产物的再利用的应用中也取得了一定的进展。如张燕鹏等应用蒸汽爆破辅助提取高温豆粕中的蛋白质[11]，石敏等应用蒸汽爆破技术作为预处理方法提取灵芝有效成分[12]，李光磊等研究了蒸汽爆破处理对籼米淀粉理化性质的改变[13]。

本试验首次利用蒸汽爆破技术处理沙棘果渣，旨在提升沙棘果渣中SDF含量，并探究蒸汽爆破对沙棘果渣SDF物化和功能性质的影响，为拓展沙棘果渣膳食纤维在食品工业中广泛应用提供一种技术途径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

沙棘果渣：黑龙江省大庆森阳果蔬食品科技有限公司；纤维素酶（4 000 U/g）：北京索莱宝科技有限公司；石油醚、无水乙醇：均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

QBS-80型汽爆工艺试验台：河南鹤壁正道重型机械厂；FW-100高速万能粉碎机、DZKW恒温震荡水浴锅：北京中兴伟业仪器有限公司；FA124电子天平：上海舜宇恒平科学有限公司；PHS-3C实验室PH计：上海盛磁仪器有限公司；101-3ABS型电热恒温鼓风干燥箱：北京市永光明医疗器械厂；SIGMA3-30K离心机：德国SIGMA公司；ALPHA 2-4 LSC真空冷冻干燥箱：德国CHRIST公司；S-570型扫描电镜：日本日立公司；粉末X-射线衍射仪6000、IRTracer-100型傅立叶变换红外光谱仪：日本岛津公司；DSC 3500 Sirius型差示扫描量热仪：德国耐驰仪器公司。

1.3 方法

1.3.1 样品的处理

将沙棘果渣置于粉碎机中粉碎1 min后，依次通过粒径为 20、40、60、80、100目的目筛，分别收集后备用。

1.3.2 蒸汽爆破处理方法

把定量的沙棘果渣置于汽爆缸中，盖上盖子，将高温饱和蒸汽注入汽爆缸，设定缸内压力为（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa），设定维压时间为（60、120、180、240、300 s），维压结束后打开气动阀门（打开时间约为0.008 75 s）瞬间泄压的同时完成物料的爆破[14]，收集腔内喷出的沙棘果渣。

1.3.3 沙棘果渣SDF制备工艺流程[15]

操作要点：向样品中加入4倍体积的石油醚，室温下搅拌2h，以除去样品中脂肪，过滤收集残渣加入70%的无水乙醇，放置80℃水浴锅中水浴1 h，以除去游离的单糖，过滤收集的残渣即为脱脂脱糖的果渣。纤维素液酶解：配制一定pH=4.6的醋酸盐缓冲溶液作为反应体系，果渣与反应体系以一定比例混合，加入适量（mL/100 g底物）的纤维素酶原液，在摇床转速100 r/min的条件下进行酶解反应。

1.3.4 沙棘果渣SDF物化特性的测定

1.3.4.1 持水力（water holding capacity，WHC）测定

取0.5 g SDF样品记为W（g），置于离心管中，加入10mL去离子水，充分混匀，室温下静置24h，5000r/min离心10 min，弃上清液，沉淀用滤纸吸干够称重，质量记为W1（g），SDF的WHC（g/g）计算公式为[16]：

1.3.4.2 膨胀力（swelling capacity，SWC）测定

取0.5 g SDF样品记为W（g），置于10 mL的量筒中，读取SDF体积（mL），并记为V1，加入5 mL去离子水，充分混匀平衡后，于室温下放置24 h，记录吸水后SDF 体积（mL），并记为 V2，SDF 的 SWC（mL/g）计算公式为[17]：

1.3.4.3 持油力（oil holding capacity，OHC）测定

取0.5 g SDF样品记为W（g），置于10 mL的量筒中，加入5 mL的玉米油，振荡摇匀，于室温静置2 h，5 000 r/min条件下离心10 min，弃去上层油，称量残渣质量W1（g），SDF的OHC（g/g）计算公式为[16]：

1.3.5 沙棘果渣SDF功能特性的测定

1.3.5.1 葡萄糖的吸收能力（glucose absorption capacity，GAC）

取0.5 g SDF样品记为W（g），置于烧杯中，加入100 mL葡萄糖溶液（C为100 mmol/mL），于37℃振荡水浴锅中反应8 h，10 000 g离心10 min，收集上清液稀释100倍后，用SGD-V全自动还原糖测定仪测得上清液中葡萄糖浓度为 C1（mmol/L）。SDF 的 GAC（mmol/g）计算公式为[18]：

1.3.5.2 阳离子交换能力（cationexchange capacity，CEC）的测定

取0.5 g SDF样品记为W（g），置于容量为100 mL烧杯中，加入0.1 mol/L的HCl溶液15 mL，在37℃下静置24 h，过滤残渣并用蒸馏水洗涤，直至用10%的AgNO3溶液鉴定不出现白色沉淀，证明氯离子已除去，将残渣转移到三角瓶中，加入15%氯化钠溶液100mL，置于磁力搅拌器上搅拌30 min，加入酚酞溶液作为指示剂，用0.1 mol/L的NaOH溶液进行滴定至淡红色为终点，消耗的NaOH溶液记为V1（mL）。用蒸馏水代替HCl溶液作空白试验，消耗的NaOH溶液记为V2（mL）。SDF阳离子交换能力（mmol/g）测定的公式为[19]：

1.3.5.3 α-淀粉酶的抑制能力（inhibition ability of alpha amylase，α-AAIR）

α-淀粉酶的抑制能力测定参照Chen等[20]方法进行，0.5 g SDF和4 mg α-淀粉酶加入到25 mL的马铃薯淀粉溶液（4 g/100 mL中，37℃条件酶解反应2 h，6 000 r/min离心15 min，测定上清液中葡萄糖含量N1（mmol/L），不加SDF为对照试验，将对照试验中上清液中葡萄糖含量记为N2（mmol/L），SDF的α-淀粉酶活性抑制能力（%）计算公式如下：

1.3.5.4 胰脂肪酶的抑制能力（inhibition ability of pancreatic lipase，PLAIR）

胰脂肪酶的抑制能力测定参照Chen等[20]方法进行，0.5 g SDF、10 mL 橄榄油、50 mL 0.1mol/L 磷酸钠溶液（pH7.2）和10 mL胰脂肪酶充分混合，放入37℃的水浴锅中恒温水浴1 h，将混合液放入90℃的水浴锅中水浴10 min以终止反应，释放的游离脂肪酸的量用0.05mol/L的NaOH溶液滴定，以不加SDF作为对照组，试验组和对照组消耗NaOH溶液体积分别为V1（mL）和V2（mL），SDF的胰脂肪酶的抑制能力（%）计算公式如下：

1.3.6 沙棘果渣SDF傅里叶红外光谱分析

SDF粉末和KBr粉末以1∶100的质量比研磨均匀，在 400 cm-1～4 000 cm-1进行扫描。

1.3.7 沙棘果渣SDF扫描电镜观察（scanning electron microscope，SEM）

扫描电镜分别观察蒸汽爆破前后SDF的显微结构。样品经过粘台、喷金等步骤后，在加速电压为20 kV的条件下进行观察。

2 结果与分析

2.1 探究蒸汽爆破处理沙棘果渣的蒸汽压强、维压时间和物料粒度对沙棘果渣SDF得率的影响

蒸汽爆破预处理的条件（蒸汽压强、维压时间和物料粒度）对沙棘果SDF得率的影响如图1所示，首先，设置蒸汽压强为0.9 MPa、维压时间240 s，沙棘果渣的粒径从20目～100目进行蒸汽爆破处理，由图1A可知，沙棘果渣SDF得率（干物质）在其粒径为60目时达到最大值（19.44±0.55）%，这可能是由于合适的粒径能和高压水蒸气紧密结合，实现物料和水蒸气充分混合。接着，选取粒径为60目的沙棘果渣，维压时间为 240 s，蒸汽压强设置为 0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa，由图1B可知，SDF得率由最开始的（6.68±0.53）%（蒸汽压强为 0 MPa）提升到最大值（21.37±0.37）%（压强为1.2 MPa），当蒸汽压强高于1.2 MPa时，压力过大使沙棘果渣发生焦糖化反应，SDF中的半乳甘露聚糖和木葡聚糖发生降解，SDF得率降低[21-22]，随后，设置蒸汽压力为1.2 MPa、物料粒径选择60目的果渣，维压时间分别选着 60、120、180、240、300 s进行蒸汽爆破处理，如图1C所示，当维压时间为180 s时，SDF得率最大为（24.71±0.67）%，是未经蒸汽爆破处理的果渣SDF得率（4.37±0.44）%的 5.65倍。Talebnia等[23]的研究也表明蒸汽压强、维压时间和物料粒径是影响蒸汽爆破效率的重要因素。

图1 蒸汽爆破时的蒸汽压强、维压时间和物料粒度对沙棘果渣SDF得率的影响Fig.1 Effect of steam pressure，residence time and particle size of SE on the yield of SDF

2.2 蒸汽爆破对沙棘果渣SDF物化特性影响

经过蒸汽爆破的外界作用力后，IDF中纤维高聚物的连接键断裂，使大分子向小分子方向裂解，同时物料的表面积增大，从而提高了膳食纤维的水合性质。蒸汽爆破前后对沙棘果渣SDF物化指标的影响见表1。

表1 蒸汽爆破对沙棘果渣SDF物化指标的影响Table 1 Effect of steam explosion on physicochemical properties of SDF from seabuckthorn pomace

由表1可知，蒸汽爆破后的沙棘果渣SDF（steam explosion-soluble dietary fiber，SE-SDF），其持水力、膨胀力和持油力为8.36 g/g、4.17 mL/g和3.06g/g是未经蒸汽爆破处理的沙棘果渣SDF（original-soluble dietary fiber，O-SDF）2.43、2.04、2.48 倍，这是因为蒸汽爆破后沙棘果渣膳食纤维中的SDF含量增加以及膳食纤维表面呈现凹凸不平的多孔状，表面积增大，能吸附大量的水分子或者油分子[24]，SDF的持水力、持油力和膨胀力对人类的健康起着重要作用，可以吸收脂肪，增加饱腹感，增强肠道的蠕动[16]，由此表明蒸汽爆破后的沙棘果渣粉可以作为高膳食纤维食品的很好的原材料。

2.3 蒸汽爆破对沙棘果渣SDF功能特性影响

蒸汽爆破对沙棘果渣SDF功能特性影响见表2。

表2 蒸汽爆破对沙棘果渣SDF功能特性指标的影响Table 2 Effect of steam explosion on functional properties of SDF from seabuckthorn pomace

由表2可知，蒸汽爆破后的沙棘果渣SDF葡萄糖的吸收能力，阳离子的交换能力，α-淀粉酶的抑制能力和胰脂肪酶的抑制能力分别达到9.14 mmol/g、0.94 mmol/g、40.13%和24.64%，是蒸汽爆破前SDF的 2.36、3.03、1.81、1.98 倍。蒸汽爆破后，沙棘果渣 SDF表面积和多孔的纤维网状结构增加，使更多的淀粉、酶等大分子吸附在纤维网状的表面，且离子结合位点暴露在膳食纤维分子的表面，在一定程度上增加了膳食纤维的交换能力[25-26]。

2.4 沙棘果渣SDF傅里叶红外光谱

O-SDF（1）和 SE-SDF（2）红外光谱图如图 2 所示，蒸汽爆破后的SDF与未汽爆的SDF红外光谱大致相似，说明蒸汽爆破未对SDF结构造成显著改变，均具有多糖的特征吸收峰。由图2可知，两者都在3 421 cm-1附近处出现的宽峰是O-H的伸缩振动峰；2 927 cm-1附近处是糖类甲基和亚甲基上C-H的伸缩振动峰；1 622 cm-1附近是COO-的不对称伸缩振动峰，表示样品中含有糖醛酸；1 417 cm-1附近的吸收峰为C-H变角振动吸收峰；1 107 cm-1附近处的吸收峰为C-O-C弯曲振动峰，表明样品中含有吡喃糖[27-28]。

图2 蒸汽爆破前后沙棘果渣SDF的傅里叶变换红外光谱图Fig.2 The FI-IR spectra of SDF from untreated and treated seabuckthorn pomace

2.5 沙棘果渣SDF扫描电镜

图3A和图3B分别是为O-SDF和SE-SDF放大1 000倍的扫描电镜照片，由图3A和图3B比较得出，O-SDF表面相对平坦且光滑，而SE-SDF（图3B）表面出现褶皱，许多孔洞出现在表面，致使其表面积增大，吸附更多的水分子和油分子，这也从微观结构上给蒸汽爆破后沙棘果渣SDF的一些物化特性指标升高提供了依据。

图3 沙棘果渣SDF电镜图片Fig.3 Scanning electron microcopy（SEM）images of seabuckthorn pomace SDF

3 结论

本试验以沙棘果渣为原料，采用蒸汽爆破技术处理沙棘果渣以提高其SDF含量，在选择蒸汽压强为0.9 MPa、维压时间180 s和物料粒径60目的条件下，SDF的得率可达24.71%，是未经蒸汽爆破沙棘果渣SDF的5.5倍，此外蒸汽爆破后的SDF的物化和功能指标也显著提升，红外光谱表明SDF的官能团位置并没有发生改变，蒸汽爆破对SDF的结构基本没有破坏，扫描电镜结果显示蒸汽爆破后的SDF表面变得褶皱，并出现许多孔洞。沙棘果渣经过蒸汽爆破后，由于不可溶性膳食纤维中的部分木质纤维素的糖苷键断裂，水溶性的聚合物增多，小分子含量增大，游离的羧基和羟基曾多，较好的改善了其物化功能，为后期沙棘果渣的进一步研究和再利用打下基础。