蒸汽爆破对绿芦笋废弃物膳食纤维改性的研究

王崇队 ，张明，马超，杨立风，范祺，张博华，孟晓峰，刘依平，贾洪玉*

（1.中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南 250014；2.山东农业工程学院，山东济南 250100）

芦笋（Asparagus officinalis L.）又名石刁柏，为百合科天门冬属的草本植物，含有大量的膳食纤维、蛋白质和多种氨基酸、维生素和微量元素等营养成分及多糖、皂苷、黄酮等药用成分，因此具有较高的营养价值[1]。药理学研究表明，芦笋提取物对高脂血症[2]、糖尿病[3]、癌症[4]等均有一定疗效，具有较高的营养与药用价值。我国芦笋种植面积约1.5 万hm2，年产量约180 万t，占世界总量的60%。芦笋废弃物是指芦笋速冻产品或罐头产品加工后剩下的老茎等部分，约占鲜样的40%。目前，芦笋废弃物被当作废弃物料丢弃，这样既浪费了资源，又对环境造成了污染[5-6]。膳食纤维是指不能被人体内源酶消化吸收的可食用植物细胞、多糖、木质素以及相关物质的总和[7]。膳食纤维对人体具有重要的生理功能，能有效地预防和减少心脑血管疾病、肥胖症、心肌梗塞、冠心病、动脉硬化、糖尿病、高血压、结肠炎、便秘及肠道癌等疾病的发生，被称为继水、碳水化合物、矿物质、维生素、蛋白质、脂肪之外的“第七大营养素”[8-10]。许多研究表明，膳食纤维的生理功能主要是由可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）表现出来的，膳食纤维中SDF 含量的多少是评价膳食纤维生理功能的一个重要指标[11]。

蒸汽爆破（简称汽爆）处理是在高压密闭环境中，用过热蒸汽将物料加热到一定温度，在一定压力下保持数秒或数分钟后瞬间泄压，随着压力骤降、水分汽化，物料产生爆破效应的一种物理处理方法[12]。植物细胞中的纤维为木素所粘结，与高温、高压蒸汽作用下，纤维素结晶度提高，聚合度下降，半纤维素部分降解，木素软化，横向连结强度下降，甚至软化可塑，当充满压力蒸汽的物料骤然减压时，孔隙中的气剧膨胀，产生“爆破”效果，可部分剥离木素，并将原料撕裂为细小纤维的技术即为蒸汽爆破技术，它主要是利用高温高压水蒸汽处理纤维原料，通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化[13]。本研究主要选取料腔比、汽爆时间、汽爆压力三个单因素样品进行蒸汽爆破，测定不同条件下绿芦笋SDF 的含量，并据此进行正交试验确定绿芦笋膳食纤维的最佳改性工艺，从而提高绿芦笋废弃物膳食纤维的利用率。

1 材料与方法

1.1 原料与仪器

1.1.1 原料

绿芦笋老茎，山东恒宝食品集团有限公司提供。

1.1.2 试剂

α-高温淀粉酶1 000 U/mL、蛋白酶5 000 U/mL、糖化酶1 000 U/mL，无水乙醇、乙酸、氢氧化钠、异丁醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司提供。

1.1.3 仪器

QBS-80 型蒸汽爆破设备，鹤壁政道启宝实业有限公司；SHA-B 双功能水浴恒温振荡器，江苏杰瑞尔电器有限公司；ME104 电子天平，梅特勒-托利多仪器有限公司；T050002 电子天平，天津天马衡基仪器有限公司；LXJ-11B 低速大容量多管离心机，上海安亭科学仪器厂；pHS-3C 型pH 计，上海仪电科学仪器有限公司；RHP-250A 高速多功能粉碎机，浙江永康市荣浩工贸有限公司；SHB-III 循环水式多用真空泵，BG2-240 电热鼓风干燥箱，上海博讯医疗生物仪器股份有限公司；KDM 型调温电热套，山东鄄城华鲁电热仪器有限公司；TC-PⅡG型全自动测色色差计，北京光学仪器厂。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

汽爆样品工艺流程为绿芦笋废弃物→破碎去汁→蒸汽爆破→热风烘干→超微粉碎。

绿芦笋SDF 提取工艺流程为汽爆样品→以1:40 比例加纯化水→α-高温淀粉酶水解→蛋白酶水解→糖化酶水解→离心→无水乙醇醇沉→抽滤→烘干。

1.2.2 操作要点

取芦笋废弃物，于破碎机中破碎，挤压过滤，去掉滤液，取残渣，进行蒸汽爆破，收集爆破样品，采用热风烘干（60 ℃烘干10 h），超微粉碎。样品以1:40（g:L）比例加入纯化水，并加入α-高温淀粉酶。90 ℃酶解1 h，放凉至60 ℃，加蛋白酶，60 ℃酶解1 h，加乙酸灭活后，加糖化酶，60 ℃酶解1 h，放凉，离心，过滤，滤液加四倍体积无水乙醇醇沉，静置一夜后，抽滤，滤渣烘干，称量质量。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 测定方法

SDF 含量测定：参照《食品中膳食纤维的测定》（GB5009.88-2014）测定[14]。

水分含量测定：直接干燥法，参照GB/T 5009.3-2016食品中水分的测定[15]。

1.3.2 表观指标

（1）色差

用CIELAB 表色系统测定绿芦笋粉的L*、a*和b*值，其中L*代表明度指数，从黑暗（L*=0）到明亮（L*=100）的变化；a*代表颜色从绿色（-a*）到红色（+a*）的变化，b*代表颜色从蓝色（-b*）到黄色（+b*）的变化[16]。

（2）粒度与比表面积

运用激光粒径分布仪测定[17]。

1.3.3 水合能力

（1）持水力

分别称取样品2 份各1.000 g（m1），置于离心管中，加入30 mL 纯化水，室温过夜，随后以5 000 r/min 条件离心20 min，弃去上清液，称量沉淀质量（m2），计算公式见式（1）[5]。

（2）膨胀力

分别称取样品2 份各1.000 g（m，以纯品计）于50 mL 具塞刻度试管中，铺平，读取干物料的体积（V1）。准确加入20 mL 纯化水，振荡均匀后，室温过夜。读取试管中物料体积（V2），计算公式见式（2）[18]。

（3）水溶性指数（WSI）

分别称取样品2 份各1.000 g（m0）于锥形瓶中，加入40 mL 纯化水，于80 ℃恒温振荡提取30 min，冷却后置于离心管中，以5 000 r/min 条件离心10 min，取上清液置于预先称取质量的干燥烧杯（m1）中，先用酒精灯加热除去绝大部分水分，然后在105 ℃温度下干燥，将干燥好的样品与烧杯称质量（m2），计算公式见式（3）[19]。

1.3.4 吸附能力——持油力

分别称取样品各3.000 g（m1，以纯品计），置于50 mL离心管中，边振荡边缓慢加入花生调和油30 g，充分混匀后静置30 min，随后以5 000 r/min 条件离心20 min，称取上清油质量m2，计算公式见式（4）[20]。

1.3.5 流动性和压缩成型性

（1）休止角

将一漏斗垂直固定于铁架台上，漏斗最下端与水平面保持一定距离，取适量粉体，使其均匀通过玻璃漏斗自由落在平面上，直到粉体堆成的圆锥体的最高点碰触到漏斗最下端为止，测量此时圆锥体直径D，每个样品重复测定5 次，计算公式见式（5）[21]。

其中：θ 为粉体的休止角，°；H 为漏斗最下端距离水平面的距离，cm；D 为粉体堆成的圆锥体的直径，cm。

（2）滑动角

取一长方形光滑玻璃板，称取样品5.0 g，置于玻璃板中心处，固定玻璃板一侧，缓慢抬起另一侧，直至超过90%粉体滑落，标记此位置，此时玻璃板与水平面之间的夹角即为滑动角θ，每个样品重复测定5 次[22]。

（3）堆积密度

分别称取样品15.0 g（m），转入50 mL 量筒中，充分振实，直至量筒内粉体体积不再变化，读取粉体体积（V），重复测定3 次，取平均值，计算公式见式（6）[23]。

（4）松密度

分别称取样品15.0 g（m），转入50 mL 量筒中，使粉体保持松散状态，直至量筒内粉体体积不再变化，读取粉体体积（V），重复测定3 次，取平均值，计算公式见式（7）。

1.3.6 速溶性

（1）分散性

称取样品5.0 g 放于100 mL 烧杯中，然后加入25 ℃的纯化水50 mL，以一定转速在恒温磁力搅拌器上搅拌，记录从搅拌开始到粉块全部分散所需要的时间（s）。

（2）润湿性

这两种彼此对立的评价都具有深刻的意义和说服力，但是，如果认为这就是仅有的评价方法，则不利于我们认同《琵琶记》的经典性。所谓经典，是能经受住各个时代的考量的作品，随着新的研究理论不断引进，我们能够从新的角度丰富对《琵琶记》的认识。法国结构主义者格雷马斯的符号学理论不失为一种解读《琵琶记》的有效范式。

将25 ℃的纯化水200 mL 置于250 mL 的烧杯中，称取样品0.5 g 均匀平铺于水面上，测定从样品加入至样品完全沉降所需要的时间（s）。

（3）溶解性

精确称量样品5.0 g，置于50 mL 小烧杯中，加入纯化水30 mL，室温条件下以磁力搅拌器搅拌30 min，使样品充分溶解。将溶液完全转移至50 mL 容量瓶中，用纯化水定容，充分摇匀。取该液15 mL，以3 000 r/min 离心10 min，取上清液，转入称量皿中，在水浴中加热20 min，然后放入105 ℃干燥箱中烘干至质量恒定，计算公式见式（8）[24]。

式中：X 为试样溶解度；m 为样品质量，g；m1为称量皿质量，g；m2为称量皿和不溶物干燥后质量，g；B 为试样水分含量，g。

1.4 蒸汽爆破单因素试验

1.4.1 料腔比对绿芦笋废弃物SDF 含量的影响

已知料腔体积为400 mL，分别选取绿芦笋鲜渣100、200、300、400 mL 进行蒸汽爆破，即料腔比为1:4、1:2、3:4、1:1，爆破压力为1.5 MPa，时间为150 s。收集，烘干，酶解提取测定SDF 含量。

1.4.2 蒸汽爆破时间对绿芦笋废弃物SDF 含量的影响

爆破压力为1.5 MPa，分别采取爆破时间30、90、150、210、270 s，对400 mL 鲜渣进行蒸汽爆破试验。收集，烘干，酶解提取测定SDF 含量。

分别采取蒸汽爆破压力0.5、1.0、1.5、2.0 MPa，时间为150 s，对400 mL 鲜渣进行蒸汽爆破试验。收集，烘干，酶解提取测定SDF 含量。

1.5 正交优化试验

在单因素试验的基础上，以蒸汽爆破压力、时间、料腔比三个因素，采用L9(33)正交设计试验，优化汽爆条件。

表1 蒸汽爆破提取绿芦笋废弃物膳食纤维正交试验设计Table 1 Orthogonal design of extraction of dietary fiber

1.6 数据处理

数据均采用Microcal Origin 8.0 软件作图，采用SPSS 进行分析。

2 结果分析

2.1 单因素试验

2.1.1 料腔比对绿芦笋废弃物SDF 含量的影响

图1 显示了料腔比对绿芦笋废弃物SDF 含量的影响。由图1 可以看出，随着料腔比的上升，绿芦笋废弃物中SDF 含量呈现先升高后降低的趋势，在料腔比为2:4时，SDF 含量达到最高值，为7.45%。这可能是因为随着物料的增加，水蒸气的膨胀力可以完全作用于物料中；而物料过多，物料之间的贴合度比较紧密，不适应蒸汽的溶胀，从而减弱蒸汽的作用，使得SDF 含量降低[25]。

2.1.2 汽爆时间对绿芦笋废弃物SDF 含量的影响

图2（见下页）显示了蒸汽爆破时间对绿芦笋废弃物SDF 含量的影响，由图2 可以看出，在一定范围内，随着蒸汽爆破时间的增加，SDF 含量不断增加，蒸汽爆破90 s时，SDF 含量达最大值，为7.45%。随后时间增加，SDF 含量减小。这可能是因为蒸汽爆破过程中，水蒸气随着时间的延长渗透到物料中越多，突然减压时水蒸气的膨胀力充分作用于物料中[25]；但蒸汽爆破时间不是越长越好，随着蒸汽爆破时间的延长，物料中的大分子碳水化合物降解生成甲酸、乙酸等酸类、糠醛、芳香类化合物、脂肪酸类化合物和呋喃化合物[26]，所以SDF 含量降低。

2.1.3 蒸汽爆破压力对绿芦笋废弃物SDF 含量的影响

从图3 可以看出，在一定范围内，随着蒸汽爆破压力的增加，SDF 含量呈先升后降的趋势，蒸汽爆破压力在1.0 MPa 时，SDF 含量达最大值，随后压力增大，SDF 含量减少。这可能是由于蒸汽压力变大，突然减压时水蒸气的急剧膨胀作用导致不溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber,IDF）中木质纤维素的糖苷键断裂，形成小分子的还原糖，使得SDF 含量上升[25]。而随着蒸汽压力的变大，突然减压时水蒸气急速膨胀作用力过强，焦糖化反应加剧，组成SDF 的半乳甘露聚糖和木葡聚糖发生降解[27]，使得SDF含量降低。综合考虑，选择蒸汽爆破压力为1.0 MPa。

2.2 正交试验

根据单因素的试验结果，设计正交试验，试验结果见表2。由表2 可知，试验因素对SDF 含量影响的主次顺序为A>B>C，即料腔比>汽爆时间>汽爆压力。由k 值大小可知，优化组合为A3B1C2，即料腔比5:8、汽爆时间70 s、汽爆压力1.0 MPa。经验证，在此条件下，SDF 的含量为7.73%，比改性前提高92.5%。

表2 蒸汽爆破正交试验结果Table 2 Orthogonal test results of steam explosion

2.3 改性纤维的性质分析

2.3.1 绿芦笋废弃物膳食纤维蒸汽爆破改性前后表观指标分析

（1）色差

表3 绿芦笋废弃物膳食纤维改性前后色差分析Table 3 Color difference of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

由表3 看出，绿芦笋鲜渣空白样L*值高于优化样品的，表明空白样品比优化样品偏亮，空白样a*值低于优化样品的，表明空白样品比优化样品偏绿，空白样b*值低于优化样品的，表明空白样比优化样偏蓝。

（2）粒度与比表面积

由表4 可知，优化样品的D10、D50、D90跨度数值均比空白样品数值小，这表明优化后的粉质比空白样品粉质细腻，制成粉质冲剂后更加利于冲泡均匀。优化样品的比表面积大于空白样品，比表面积越大，物料与其他物质的接触面积越广，表面聚合力和黏着力越大，可以作为功能性原料吸附在食品表面[29]，比表面积越大，吸附性能也越强，粉剂可与水等溶剂接触更充分，制作成固体饮料口感更好。

表4 绿芦笋废弃物膳食纤维改性前后粒度与比表面积分析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，优化后样品的持水力低于爆破前空白样的，这是因为膳食纤维的持水力不仅与比表面积有关，还与大分子物质之间的氢键结合水的能力有关，蒸汽爆破处理可能导致其化学键断裂，结构组织被破坏，致使其持水力降低。改性后的膳食纤维是用烘箱60 ℃烘干处理10 h，由于时间过长致使纤维表面皱缩紧实，也会对持水力产生一定影响。

表5 还显示优化样品的膨胀力略低于空白样品，在汽爆改性时受压强影响，膳食纤维结构遭受一定程度的破坏，化学键断裂，大分子结构减少，可能导致其膨胀力降低。优化后的物料水溶性指数明显增高。WSI 是表征粉体可溶性物质含量和溶解性的重要指标，WSI 值越大，其可溶性物质含量越大，溶解性越好。爆破时部分不溶性物质在强压的作用下结构被打破，性质发生改变，优化后样品可溶性物质增多。

2.3.3 吸附性能

表6 绿芦笋废弃物膳食纤维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，优化样品的持油力数值高于空白样品持油力，这表明优化样品对油脂的束缚能力更强，意味着在食物的消化吸收过程中，优化后的样品可吸附人体肠道中多余的油脂，减少肠道对油脂的吸收、利用和转化，便于油脂排出体外，利于减肥。

2.3.4 流动性和压缩成型性

表7 绿芦笋废弃物膳食纤维改性前后流动性和压缩成型性分析Table 7 Fluidity and compression formability of green asparagus waste dietary fiber before and after modification

由表7 可知，优化样品的休止角与滑动角均小于空白样品，休止角和滑动角体现了粉体的流动性，粉体休止角越小，流动性越好，越容易制成颗粒剂、胶囊剂、片剂等制剂。爆破优化后样品堆积密度与松密度均比空白样大，研究表明，堆积密度越大，越有利于压片成型，因此优化样品粉体更利于压片。相同质量下，优化样品占据更大的空间，能增加饱腹感，可作为代餐粉。

2.3.5 速溶性

表8 绿芦笋废弃物膳食纤维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，蒸汽爆破后优化样品的分散性与润湿性时间均短于空白样品，溶解性相对于空白样品有所提高，表明优化后样品颗粒间有较大的排斥力，更容易溶于水，且粉体颗粒易实现稳定分散，并溶解均匀，可作为功能型饮料或粉状冲剂进行大批量的工业生产。

3 结论

在蒸汽爆破对绿芦笋可溶性膳食纤维改性的试验过程中，汽爆料腔比、汽爆时间、汽爆压力都对绿芦笋鲜渣中SDF 含量有显著影响，并且通过探究试验后，得出了绿芦笋SDF 的最佳改性工艺：汽爆料腔比为5:8，汽爆时间为70 s，汽爆压力为1.0 MPa，物料粒度为超微粉，此时SDF 的含量最高，达到7.73%，比未改性前SDF 含量提高92.5%，其持水力为4.17 g/g，膨胀力为4.5 mL/g，与空白样品对比略有下降，因为蒸汽爆破破坏了膳食纤维的结构，导致其化学键发生变化，持水力及膨胀力减弱。中位径为10.39 μm，较未改性前数值小，表明改性后粉质更加细腻。改性后休止角为53.6°，滑动角为50°，均低于空白样品，表明优化后粉体流动性更好。持油力为2 mL/g，水溶性指数为14.27%，堆积密度为0.43 g/ mL，松密度为0.29 g/mL，溶解度为91.63 g/100 g，比表面积为0.299 m2/g，与空白样品对比，均有增加，表明优化后粉体对油脂束缚能力增强且溶解性更好，粉体与其他物质接触面积更广，在水中溶解更加充分，便于制成固体饮料，口感更好。

在对用此工艺提取的SDF 进行一系列水合性质、吸附性、速溶性、流动性和压缩成型性的相关指标测定过程中，发现蒸汽爆破对绿芦笋废弃物改性工艺所得的产品各项指标能力较强，且品质较好，如此，为以后的大规模提取提供了理论依据，也为绿芦笋下脚料的废物再利用提供了思路。