蒸汽爆破技术应用现状研究

张博华，马超，张明，杨立风，孟晓峰，吴茂玉

（中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南 250014）

蒸汽爆破技术（简称“汽爆”）是近年来发展迅速的一种预处理方法。将原料用蒸汽加热至180～235 益，维持压力一段时间，再突然释压，产生二次蒸汽，体积猛增，在机械力的作用下，将固体物料结构破坏，实现物料改性等[1]。蒸汽爆破技术最早于1928 年由美国学者W.H.Mason 发明，使用7～8 MPa 的饱和水蒸汽作为介质进行蒸汽爆破，为间歇式生产，主要用于人造纤维板的生产，因压力过高难以推广[2]。从20 世纪70 年代开始，该技术又重新得到重视，被广泛用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取乙醇和特殊化学品[2]。1980 年以后，该技术得到快速发展，应用领域逐步扩大，连续蒸汽爆破法生产技术及设备得到长足发展，如加拿大Stake Technology 公司开发的连续蒸汽爆破法工艺及设备，产生许多专利，并在制浆废液用于生产动物饲料技术方面也有了深入的研究[3]。国内蒸汽爆破用于处理纤维原料起步较晚，但发展较快。早期的研究基本针对间歇式的蒸汽爆破装置与工艺，探索了温度、压力、保压时间等因素对蒸汽爆破效果的影响等[4]。

蒸汽爆破处理需要通入高温高压水蒸汽，不再增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[2]。本文综述了蒸汽爆破技术原理与装备，及其在谷物加工、中药加工提取以及果蔬废弃物改性等方面的应用，以期为加强蒸汽爆破技术在现实中的应用提供参考。

1 汽爆技术的主要物化变化

1.1 热降解及类酸性水解作用

汽爆处理中，蒸汽在高压的作用下温度升高至200 益以上，部分填充到物料内部空隙，甚至渗透到细胞壁里，部分纤维素降解产生醋酸，高温和弱酸共同作用促进了纤维素的进一步降解，使小分子物质更易溶出、纤维束疏松。

1.2 类机械断裂作用

在压力瞬间降低时，渗入纤维内部的热蒸汽以气流的方式从相对封闭的孔隙中瞬间释放出来。物料中原有的液态水暴沸迅速膨胀。此时形成的冲击力使纤维素等大分子中的化学键和氢键发生断裂、还原端基增加。同时无定形区和部分结晶区也发生一定程度的破坏。

1.3 氢键的破坏与重排

在高温高压条件下，纤维素内部的一些氢键发生断裂，游离出羟基与水蒸汽重新形成氢键。汽爆处理后物料被迅速冷却至室温，大部分断裂的氢键无法重组。氢键的变化提高了纤维素链的可动性，使其更易向有序结构变化[5]。

2 蒸汽爆破技术的应用

2.1 蒸汽爆破技术在果蔬加工中的应用

蒸汽爆破技术对果蔬前处理有重要意义，能使果蔬中的膳食纤维改性，提高了可溶性膳食纤维的得率，同时增加了果蔬中其他功能因子的溶出率。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，促进果蔬中果胶、可溶性半纤维素等可溶性膳食纤维的溶出；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。汽爆技术可提高果蔬中果胶的得率、酯化度、乳化活性、乳化稳定性，为果胶生产提供理论及实践依据。张磊[6]引入蒸汽爆破技术，替代传统的细胞破碎技术处理龙须菜，一步将藻胆蛋白、琼胶分离，分别进行提取，解决了常规方法处理藻胆蛋白、琼胶得率较低的问题。该试验还发现加热温度150 益、保压时间15 s、装料比80%、处理0.5 h，最终提胶率为32%，藻胆蛋白纯度为4.06。通过改进提取方式，从而达到综合提取的目的，减少了碱及其它试剂的使用，降低了环境污染，提高了龙须菜的利用价值。

此外，通过蒸汽爆破处理部分果蔬物料时，还可以使其增香，获得更好的口感。黄群等[7]优化了采用蒸汽爆破技术加工槟榔的工艺，结果表明：在30 益泡籽10 h 后，采用蒸汽压力0.25 MPa、保压3 min 的蒸汽爆破工艺，可获得感官评分最好的槟榔，同时蒸汽爆破技术处理槟榔，能增加槟榔的咸味、鲜味，降低苦味，能有效增加槟榔芳香成分、有机硫化物、醇类和短链烷烃的含量，降低无机硫化物和氮氧化合物含量，对优化槟榔加工工艺具有积极的作用。

2.2 蒸汽爆破在废弃物改性中的应用

许多果蔬废弃物是廉价的可再生资源，如玉米芯、芦笋下脚料等。但由于技术的限制，利用率较低，许多农产品加工过程中产生大量副产物难以进一步利用，蒸汽爆破改性技术为秸秆、麦草、木屑、烟梗等废弃物资源的再利用提供了新的思路。

目前有不少研究者对蒸汽爆破在植物纤维预处理方面的应用进行了尝试。如陈洪章等[8]用汽爆麦秸杆作原料，通过正交试验设计优化固态发酵条件，明显缩短了生物作用周期，且使木质素降解率为60%。王堃等[9]在汽爆压力1.6 MPa，维压时间5 min 条件下，将爆破后的物料进行酶解，使酶解糖化率达92%。张连慧等[10]采用低压蒸汽爆破技术处理麦秸秆中的木质素，发现蒸汽爆破后麦秸秆木质素结构受到破坏，纤维素发生断裂，出现多孔结构。罗鹏等[11]用蒸汽爆破法预处理麦草，结果表明，在210 益保压8 min 条件下，纤维分离程度最佳。孙君社等[12]提出蒸汽爆破预处理是秸秆制取乙醇的关键，并且通过试验发现影响蒸汽爆破的因素有保温时间、温度（压力）、材料颗粒大小和水分含量等。余先纯等[13]以蒸汽爆破处理技术预处理锯木屑催化制备糠醛，分别研究处理温度、爆破压力、预处理时间等因素对糠醛得率的影响，结果发现，蒸汽爆破预处理可以有效促进锯木屑的降解，提高糠醛得率，并优化得出最佳处理工艺条件。经过蒸汽爆破处理后易使纤维素、半纤维素、木质素分离，原因是切断了它们彼此之间的氢键，破坏了晶体结构，降低了聚合度。蒸汽爆破技术就是通过环保、有效的方法分离果蔬废弃物中的半纤维素。目前，蒸汽爆破技术广泛应用于废弃物预处理领域。宋光富等[14]对烟梗蒸汽爆破处理4～5 次，每次保压20 s，研究了不同压力对烟梗纤维结构及成分的影响，结果发现蒸汽爆破使细胞壁撕裂并出现断裂，细胞间隙减小，细胞器等物质降低，烟梗纤维结构明显疏松。刘鹏涛等[15]在1.4～2.2 MPa 压力下维压4～8 min，每批次爆破500 g 的绝干杨木木片，并采用化学预处理进行了对比研究，结果发现物料结晶指数与葡萄糖转化率提高，且效果好于有机溶剂预处理。

2.3 蒸汽爆破在谷物粮食加工中的应用

虽然汽爆技术发展了近90 年，但是这种技术多用于木质纤维素的处理，在杂粮粉处理乃至整个粮食产业上的应用不常见，目前汽爆技术在谷物粮食方面的应用主要集中在对功能性成分的改变上。汽爆技术在汽爆时对物料产生高温高压作用，这是汽爆技术本身最明显的本质特征。汽爆以后，物料自身的结构发生显著变化。李光磊等[16]研究发现五谷杂粮中含有许多对人体有利的功能因子，具有抗肿瘤、抗心血管疾病以及防止糖尿病等功效，由于加工过程的不合理，导致这些营养物质难以析出，若不经精细化处理，这些物质往往会因抗营养因子的存在而不能得到很好的吸收。经过汽爆处理的谷物，抗营养因子被破坏，谷物的营养价值提高。田广瑞等[17]研究发现，籼米经过汽爆处理，样品的含水量随着汽爆时间和压力的增大而增加，淀粉的分子量变小，醛基增多，分子链聚合度降低，淀粉的结晶度增加，从而更有利于人体的消化。经过汽爆技术处理的玉米皮，其中水溶性膳食纤维的得率也明显提高。此外，蒸汽爆破技术还对特色功能性食品的开发具有重要参考意义。龚凌霄[18]以青稞为原料进行汽爆处理，研究发现汽爆技术能有效地促进酚类物质释放，还能降低青稞全谷消化液中总可溶性糖含量、增加游离氨基酸含量。此外，他还将汽爆后的青稞做成饲料饲喂大白鼠，以精制小麦粉作为对照，通过试验发现汽爆后的青稞全粉对大白鼠脂代谢紊乱有明显的改善作用。

蒸汽爆破技术具有方便快捷、清洁无污染、能耗低等优点，在杂粮粉的前处理上将发挥重要的作用，也为特色功能性食品的开发提供新思路。但在高温、高压、高湿的过程中杂粮粉会发生一系列复杂的物理、化学变化，伴随有糊化、蛋白质变性、分子间化学键断裂、物料结构细化和一些特定成分转化降解等，如一些黄酮类物质和酚酸类物质的降解，需在今后的研究中加以解决。

2.4 蒸汽爆破在中药加工提取中的应用

中药含有丰富的生物活性物质，传统的加工模式难以适应现代中药产业的发展要求。在中药提取的过程中，由于细胞壁的阻碍作用，导致细胞中的活性成分难以通过细胞壁渗透到提取溶剂中，因此应用新技术将中药细胞壁破坏，成为中药开发的重点。蒸汽爆破技术可以使中药原料在一定压强和高温水蒸汽条件下蒸煮，淀粉、半纤维素等部分水解生成可溶性糖，复合胞间层的木质素软化和部分降解，细胞壁在蒸汽作用下破碎。

蒸汽爆破技术在中药提取、去糖苷化、中药炮制、中药脱毒和中药原料的综合利用方面已经取得良好进展，这将成为汽爆技术与中药资源利用成功结合的开端。未来将中药药效物质基础和作用机理研究与汽爆过程有机结合，通过汽爆处理使中药复方或单方中的药效物质产生新的变化，提高药效价值，开发新型中药，具有良好的前景。蒸汽爆破可以促进中药药用成分的提取，张棋等[19]将粉葛进行蒸汽爆破处理，并采用紫外分光光度计表征汽爆前后总黄酮的变化。结果显示，经过汽爆处理后总黄酮的提取量是未经汽爆处理样品的2.3 倍；并且汽爆以后有效成分的抗氧化活性显著提高。蒸汽爆破后的废渣也可以进一步利用，成为肥料，实现原料的高值利用。陈合等[20]以汽爆处理后的黄姜样品为材料，加入糖化酶和纤维素酶，将发酵后的剩余物进行二次汽爆处理。且原料中淀粉和纤维素经过发酵得到乙醇，可以作为燃料，提取后剩余的残渣可用作肥料，实现了废物的全部利用，避免了环境污染。蒸汽爆破技术与发酵技术耦合，可以转化中药中的有效成分。陈洪章等[21]将汽爆方法与固态发酵耦合，优化得到了将虎杖原料中的白藜芦醇苷完全转化为白藜芦醇的工艺路线，即对虎杖原料进行汽爆处理，部分白藜芦醇苷糖苷键断裂转化成了白藜芦醇，汽爆处理后的物料用绿色木酶固态发酵进一步转化，白藜芦醇苷完全转化为白藜芦醇。

蒸汽爆破技术也可以对中药脱毒。用其处理中药材，可以通过短时间高温使中药材中乌头碱等有毒物质降解而达到脱毒的效果，解决了传统炮制过程难以完全脱毒的弊端，使过程简化，避免了水漂过程中有效成分的流失。

3 小结

综上所述，蒸汽爆破技术是近年来发展迅速的一种食品原料预处理方式，以高温蒸汽渗入植物原料组织内部，充注可爆发的压缩气体，并使其瞬时爆炸，从而达到从分子水平上打破大分子晶格的效果，促进组织内营养物质和功能成分的释放，同时重构部分组分的物理结构，使其更有利于加工来实现膳食纤维改性、淀粉改性和蛋白质改性。

事实上，当前大多研究都仅停留在考察蒸汽爆破预处理效果这一阶段，对许多成分影响机制还不明确，主要原因是蒸汽爆破过程中进行着许多物理和化学变化，由于处理的强度和处理的均匀度难以控制，且温度压力较高，容易发生水解和美拉德反应。同时，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，其对食品原料中营养组成、功能成分、理化性质和加工性能的影响规律及作用机制更值得深入探索。随着蒸汽爆破技术在食品加工领域的进一步发展，必将表现出更强大的生命力[15]。