蒸汽爆破预处理在农产品加工副产物综合利用中的应用

何晓琴，李苇舟，李富华,2，赵吉春,2，明建,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(西南大学食品贮藏与物流研究中心，重庆，400715)

随着食品工业快速发展，农产品精深加工日益精细，产生大量加工副产物，如稻壳、米糠、麸皮、薯渣、豆粕、豆渣、果皮、果渣等，这些副产物含有丰富的蛋白质、脂肪、膳食纤维和酚类化合物，具有较高的营养价值和经济价值[1]。但由于副产物运输储存困难，口感粗糙，精深加工技术装备水平落后，往往将其作为燃料、饲料低值化处理，或直接丢弃，不仅污染环境，还造成资源的极大浪费[2]。据统计，发达国家对农产品加工综合利用率达到90%，而我国只有40%[3]。因此，对食品加工副产物进行综合开发利用，对于促进我国农业生产以及农产品加工业的持续、快速、健康、稳步地发展具有重大意义。

从农产品加工副产物中提取生物活性物质，是提升副产物综合附加值的重要手段之一。由于植物致密的细胞壁结构，以及纤维素和果胶物质形成复杂的基质，限制了溶质的可及性和溶解性，使得从植物细胞中提取生物活性化合物遇到了很大的阻力[4]。所以需要适宜的预处理来打破这种抗性、提高萃取效率。常用的方法有化学法、酶法、机械粉碎、微波处理、超声波处理、挤压处理和蒸汽爆破等[5]，其中蒸汽爆破技术是一种典型的物理-化学预处理方式，可以破坏纤维束之间的相互连接，打破植物生长过程形成的抗降解屏障，提高原料利用效率，具有作用时间短、耗能低、高效无污染及适应工业化等优点，被认为是生物质资源转换最具发展前景的预处理方法[6]。该技术最初主要应用于木质纤维的处理，以提高酶和化学试剂对纤维素的可及性，如制浆、生物乙醇和动物饲料的生产，后来推广到烟草加工、中草药活性成分提取、城市垃圾处理等行业[7]。近年来，蒸汽爆破技术也逐渐被应用到农产品加工预处理中，主要包括农产品加工副产物中生物活性成分提取和大分子物质改性，展现出极好的效果。本文对近些年来国内外蒸汽爆破技术在农产品加工副产物综合利用中的最新研究进展进行了综述，全面阐述了蒸汽爆破原理，及其在植物活性成分提取、大分子改性等方面的应用，并对其应用前景进行展望，以期为蒸汽爆破技术在农副产品加工中原料预处理的有效应用提供一定的参考。

1 蒸汽爆破技术原理与设备

蒸汽爆破技术是一种能在毫秒级实现蒸汽爆破过程的弹射式汽爆技术，其主要工作原理是将原料置于高温、高压密闭容器内，原料被过热液体(180～235 ℃)润胀，蒸汽渗透到植物组织内部，当瞬间解除高压时(0.008 75s以内)，内外压力差使原料空隙中的高温液体迅速汽化膨胀，导致细胞“爆破”，从而完成木质纤维原料的组分分离和结构变化[8]。

蒸汽爆破处理过程可分为高温蒸煮和瞬时减压爆炸两个阶段。第一个阶段的基本原理是热化学反应，类似于蒸汽预处理和其他热预处理[9]，植物纤维原料在高压、高温和弱酸性条件下引发系列水热反应，使大部分半纤维素水解为单糖和低聚糖，木质素发生软化和部分降解，从而破坏纤维束之间的相互连接[10-11]。第二个阶段近似于绝热膨胀过程和热能转化为机械能的过程[12]，迅速膨胀的气体以冲击波方式作用于物料组织，使其在软化条件下发生剪切力变形、破裂，导致部分组分的物理结构和再分配的改变，从而对生物质进行了物理和化学修饰，使纤维有目的的分离[13-14]。

蒸汽爆破技术设备主要是蒸汽爆破机，分间歇式(图1-a)和连续式(图1-b)两种，可在毫秒级的范围内将全部物料以炸散的形式悬在大气空间，具有作用时间短、能量密度高且集中的优势，可以从分子水平上打破大分子晶格，使物料分解[15]。

图1 蒸汽爆破设备结构示意图[15]Fig.1 Schematicdiagram of steam explosion equipment

2 蒸汽爆破技术在农副产品加工中的应用

2.1 在植物活性成分提取中的应用

细胞壁的阻碍作用是影响副产物中活性成分提取的关键，汽爆处理过程中强烈的瞬时热能与其他作用力相结合，包括剪切、摩擦和撞击作用，可以破坏纤维素-半纤维素-木质素之间的紧密连接，使木质素软化、半纤维素部分水解，横向连接强度下降，将原料撕裂为细小纤维，细胞壁表面产生裂缝和微孔，增加其比表面积和孔隙率[16-18](图2)，促进小分子物质从细胞内释放，提高提取效率，因此，在植物活性成分提取的过程中具有很好的效果。

a-未处理；b-汽爆后图2 盐肤木果实汽爆前后变化电镜图[18]Fig.2 Scanningelectron microcopy (SEM) images of (a) raw and (b) steam-exploded sumac fruits

2.1.1 促进麸皮酚类化合物提取

麸皮富含酚类化合物，主要以结合态形式与细胞壁结合，常规溶剂萃取难以将其最大限度提取出来[19-20]，汽爆处理可以有效破坏麸皮结构，促进多酚释放，提高抗氧化活性。有研究表明，在215 ℃汽爆处理小麦麸皮120 s，可溶性游离酚酸(free phenolic acid, FPA)和可溶性共轭酚酸(combined phenolic acid, CPA)为处理前的39倍和7倍，大大提高了酚酸的提取率，且爆破处理后的FPA和CPA提取物抗氧化性能力显著提高[21]，与GONG等[22]研究汽爆处理大麦麸皮的结果一致。同时表明蒸汽爆破处理可以使麦麸多酚的细胞抗氧化及抗增殖活性得到显著改善[23]。NODA等[24]研究认为汽爆处理一方面促进了细胞内结合酚的释放，还使木质素和半纤维素部分降解为低分子酚类物质和水溶性糖(如5-羟甲基糠醛)，这在一定程度上提高了抗氧化能力。

蒸汽爆破促进麸皮中多酚化合物的释放机理包括两个方面：(1)蒸汽爆破使物料细胞壁的结构被破坏，组织内各孔隙和比表面积增大，改善多酚化合物萃取过程中溶质-溶剂可及性和内部传质速率[25]，加强了内部扩散作用，提取效率明显提高[16]。(2)汽爆处理使结合酚与细胞破壁之间的氢键、共价键等遭到破坏，使得结合酚得到释放[22,26]，同时水蒸汽会占据与纤维素结合的多酚羟基位点，使得多酚容易溶出[21](图3)。

图3 木质素-酚类物质-纤维素/半纤维素复合物在蒸汽爆破预处理条件下分解机制Fig.3 Decompositionmechanism of lignin-polyphenol-cellulose/hemicellulosecomposite under steam explosion pretreatment

与此同时，在高强度的蒸汽爆破条件下，由于生物质降解形成有机酸(如甲酸、乙酸和丙酸)，酚类物质很容易发生降解或聚合反应，容易导致产品变色。当汽爆压力过大时，温度升高易使阿魏酸进一步降解成小分子物质，如甲基、乙基、乙稀基愈创木酸和香兰素等[27]。在高温条件下，阿魏酸和对香豆酸会发生脱羧基反应，通过自由基中间体进一步聚合成二聚体[28]，因此，需根据不同原料选择不同汽爆处理参数。

2.1.2 促进植物油脂的提取

研究发现，蒸汽爆破处理可以破坏种子细胞壁，使之形成裂缝和微孔结构，促进油脂的溶出和扩散，提高植物油脂的提取率，增加不饱和脂肪酸的含量和相关功能特性。在2.0 MPa、30 s条件下蒸汽爆破预处理亚麻籽，亚麻籽油提取率是未汽爆样品的的1.17倍，其中亚麻酸的质量分数从77.41%增加到81.28%，且得到的亚麻籽油过氧化值、酸价均有所提高[29]。研究还发现，汽爆亚麻籽油的降血脂功能和抑制动脉粥样硬化作用都得到提高，且随着汽爆压力、时间的增加降血脂效果越明显[30]。CHEN等[18]利用蒸汽爆破技术对盐肤木果实进行预处理，形成了盐肤木果油、黄酮等一系列产品，为自然界中多经济型野生植物资源的开发提供参考。

2.2 在大分子物质改性中的应用

蒸汽爆破不仅可以促进农产品加工副产物中有效成分的溶出，还可以使生物大分子物质发生机械断裂和结构重排，达到生物大分子改性修饰的目的[9]。因此，蒸汽爆破技术也被用于大分子物质的改性修饰。

2.2.1 膳食纤维改性

膳食纤维(DF)被称为人类必需的“第七营养素”，分为水溶性膳食纤维(soluble dietary fiber, SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber, IDF)，由于SDF的亲水性和对有益微生物的可用性，通常认为SDF在调节血脂、血糖，控制肥胖等方面有更好的作用[31]。然而，许多天然来源膳食纤维中SDF含量仅为3%～4%，难以达到高品质膳食纤维比例(10%)[32]，故需要通过适当的物理或化学手段对其进行改性处理，以增加SDF含量，提高其理化性质和生理活性。

蒸汽爆破的瞬间机械作用的高温高压及水蒸汽的急速膨胀作用，可以破坏细胞壁形成多孔结构，促进果胶、可溶性半纤维素等可溶性膳食纤维溶出；还可以使纤维素、不溶性半纤维素等难溶大分子聚合物的糖苷键断裂形成小分子的还原糖溶出，从而使其理化性质发生根本变化，转化为可溶性膳食纤维[33, 9]，李伦等[34]进一步解释为某些不溶性阿拉伯木聚糖之类的半纤维素及不溶性果胶类化合物发生熔融现象或部分断裂，转化成水溶性聚合物，从而提高了可溶性膳食纤维含量(图4)。

图4 蒸汽爆破对膳食纤维结构变化及组分分离示意图Fig.4 Schematicdiagram of steam explosion on dietary fiber structure and component separation

研究发现，蒸汽爆破处理甘薯渣，SDF含量比对照提高了18.78%，持水力、持油力和膨胀力分别增加了40.64%、89.40%和37.79%[35]。汽爆结合挤压处理豆渣可使其SDF含量从(2.6±0.3)%增加到(30.1±0.6)%，比对照高出约10倍(P<0.05)；汽爆可溶性膳食纤维可以显著降低总胆固醇(TC)，低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)和甘油三酯(TG)的浓度，升高高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)浓度[36]。WANG等[37]将橘皮在8 g/L的H2SO4溶液中酸浸处理后，在0.8 MPa条件下爆破处理7 min，SDF含量从8.04%上升到33.74%，并对于3种有毒阳离子(Pb、As和Cu)表现出显著的(P<0.05)的结合能力。

膳食纤维功能性质的变化与汽爆后膳食纤维的空间结构改变密切相关。通过扫描电镜、X射线衍射和红外光谱等多手段对汽爆前后膳食纤维形态结构和化学组成进行分析，表明未汽爆的膳食纤维整体呈团状，大小均匀，表面相对光滑完整(图5-A)，而汽爆处理后的膳食纤维表面褶皱，质地疏松，具有很多孔隙和坑洼，相对表面积增大(图5-B)[35]，物料粒径变小，SDF的交联结构被破坏，短链SDF增多，这些空间结构的改变促进了SDF通过形成氢键和(或)偶极子为水分子的保持提供更多的空间，增加水和油的吸收，从而改善了其水溶性、持水性、持油性和膨胀力[38]。膳食纤维经汽爆处理后不仅比表面积增大，更多的基团也被暴露，纤维素内部的部分氢键发生断裂，形成游离羟基，汽爆后SDF中糖醛酸含量显著增加，这对多余的胆固醇和有毒阳离子吸附产生积极的贡献[39]。

A-未汽爆样品；B-在汽爆压力为0.35 MPa条件下处理121 s样品图5 蒸汽爆破前后甘薯渣可溶性膳食纤维的扫描电镜图[35]Fig.5 Scanning electron microcopy (SEM) images of SDF from sweet potato residue

2.2.2 蛋白质改性

豆粕是大豆榨油后的副产物，含有45%～50%的蛋白质，是大豆蛋白的主要来源[40]，但由于豆粕加工过程中的高温处理使蛋白质发生热变性，导致功能特性变差，不利于蛋白质的溶出，造成资源浪费。蒸汽爆破是改善高温豆粕中蛋白质提取的有效工具，不仅可以改善豆粕中蛋白质的结构，使蛋白质的聚集体发生解离后通过非二硫化物共价键形成新的高分子量蛋白质聚集体，还可以明显提高豆粕中蛋白质的氮溶解指数，增强大豆蛋白重要的功能特性，包括溶解性、乳化性能、起泡性能和脂肪结合能力，使热变性豆粕的蛋白质可以被再功能化用于食品工业。

ZHANG等[41]研究发现，在1.8 MPa、180 s和原料孔径20～80目条件下汽爆处理高温豆粕，可使蛋白质的氮溶解指数提高1.1倍，蛋白质提取率达到76.04%，接近低温豆粕的蛋白质提取率，表明高密度蒸汽爆破使得豆粕中变性蛋白质的结构和物理化学性质发生了变化，导致蛋白质的亲水性增强，更有利于蛋白质的溶出，这为高温豆粕的开发与利用奠定了良好的理论基础。此外，利用蒸汽爆破与稀酸浸泡协同处理豆粕蛋白质，结果显示，酸浸和汽爆处理明显改变了豆粕蛋白的三级结构，蛋白质的zeta电位明显增加，这归因于蛋白质结构和碳水化合物与蛋白质之间的共价偶联的变化[42]。

2.2.3 淀粉改性

抗消化淀粉是近几年来备受关注的功能型淀粉衍生物，通过改变淀粉分子的结构可以调节其消化性能[43]。蒸汽爆破处理可以降低淀粉分子链聚合度，增加结晶度，用于生产具有高度消化特性的淀粉。LI等[44]用蒸汽爆破处理甘薯淀粉发现，随着汽爆强度增加，淀粉分子质量及分子链的聚合度降低，短链片段比例及淀粉结晶度增加，这与KOBAYASHI等[45]汽爆处理马铃薯淀粉的研究结果一致。李飞等[46]的研究发现汽爆可以提高甘薯抗消化淀粉含量，抗消化性为(18.24±1.1)%，可能是因为蒸汽爆破作用使淀粉分子的α-1,6糖苷键和α-1,4糖苷键部分破裂，产生更多的短链淀粉，增强淀粉结晶层的结构特征，而无定型片层的结构特征逐渐减弱[47]。

3 展望

蒸汽爆破处理只需要通入高温高压水蒸汽，不加其他任何化学成分物质，可以破坏木质纤维素间的连接，不仅促进食品物料中活性成分的释放，还可以对大分子物质进行改性修饰，增强相应的功能特性，提高提取效率，在植物纤维的高效分离和生物质副产物处理等领域有显著的效果，是一种更安全高效的预处理新技术。但目前在食品物料预处理中的应用研究还较少，对许多成分的影响机制仍不清楚，主要原因是蒸汽爆破是一个复杂的物理化学过程，处理强度和处理的均匀度较难控制，易造成有效成分的降解和美拉德反应，对间歇处理设备及处理条件有较高的要求。今后发展的方向主要有以下几点：(1)研究食品物料在汽爆处理过程中产生的副产物及其他营养成分的变化，进一步明确汽爆处理的食品安全性及综合营养价值。(2)研究不同食品物料在蒸汽爆破处理过程的物理和化学变化机理，明确汽爆破处理中化学成分与其生物活性的构效关系，揭示蒸汽爆破处理食品物料生物活性变化分子机制。(3)完善大型化、自动化连续蒸汽爆破装置及其控制技术；控制爆破条件以抑制有效成分的降解及色变，联合多种预处理方法，探究更高效的蒸汽爆破组合工艺技术。(4)进一步探究如何将爆破处理得到的有效成分应用到食品和药品中，以发挥其作用，提高农副产品的附加值。