蒸汽爆破技术在食品大分子物质改性中的研究概述

刘蕊琪,宋莲军,2*,沈玥,2,赵秋艳,2,乔明武,2

1(河南农业大学 食品科学技术学院,河南 郑州,450002) 2(郑州市大豆深加工重点试验室,河南 郑州,450002)

蒸汽爆破技术是近年来新兴的一种绿色、高效、低能耗、不引入二次污染的经济型物理-化学预处理方式,其原理是高温高压使通入的水变为蒸汽进入物料内部,减压后,在热反应和机械断裂作用下,破坏物料内部紧密结合的键之间的相互连接、改变内容物的结构、促进内容物的水解等,从而促进有效成分的溶出,提高内容物之间的相互接触。

蒸汽爆破由Mason在1927年最先应用于造纸纸浆行业[1],然后发现其在生物能源行业[2],即处理秸秆等木质纤维材料制备生物乙醇中也有较好的应用[3]。随着该技术的发展与完善,之后在畜牧行业生物活性发酵饲料的开发[4]、城市垃圾污泥除臭[5]、烟草加工[6]、中草药活性成分提取[7]等行业都有较好的应用。蒸汽爆破技术也同样适用于食品行业,尤其在食品中生物大分子改性方面的应用备受关注。本文就近年来蒸汽爆破技术在食品生物大分子物质,如蛋白质、多糖、淀粉、膳食纤维的改性方面,及由改性引起的功能特性和加工特性的变化进行综述,对蒸汽爆破的原理、影响因素进行阐述,对其在食品领域的发展前景做出展望,以期为食品大分子物质资源的开发和改性提供理论参考。

1 蒸汽爆破技术的原理

蒸汽爆破技术是一种能在毫秒级实现蒸汽爆破的弹射式汽爆技术,其原理是原料在高温、高压的密闭环境下,被通入的水蒸气润胀,当瞬间释放压力时(0.008 75 s以内),原料体积迅速膨胀,细胞“爆破”,瞬间打破原料微观结构,使细胞变成多孔结构。在此过程中,一些大分子物质转变为小分子物质。蒸汽爆破处理过程可分为高温蒸煮和瞬时减压爆破两个阶段。在第一阶段,原料在密闭的汽爆仓内与高温的水蒸气进行化学反应,高温水蒸气进入原料内部,降低其内部的连接强度和黏度。不同原料在此阶段会发生不同反应,比如大部分半纤维素水解为单糖和低聚糖；木质素软化并伴随部分降解,从而破坏纤维素-半纤维素-木质素之间的相互连接[8]。在第二阶段,由于瞬间释压,原料中的液体和水蒸气介质同时发生绝热膨胀,热能转化为机械能,膨胀的气体以冲击波的形式作用于原料使其内部结构发生剪切力变形、破裂,导致部分组分的物理结构发生改变或重组,从而对生物质进行了物理化学修饰。

影响蒸汽爆破的因素主要有：汽爆压强、维压时间、原料本身特性(蛋白质含量、水分含量、pH等)。蒸汽爆破可以根据原料特性和改性目的对机器的汽爆压强和维压时间进行修改,从而实现预期目标。如在提取糖类物质中,对于较坚硬的原料例如橡树木材[9],需要高强度的蒸汽压强和较长的维压时间,才能够使纤维素和木质素部分在蒸汽爆破的剪切力和压力作用下分离；相比之下提取可溶性糖只需要较低的蒸汽压强就可以将大分子转变为小分子,使得较小的分子变为更易溶的糖。

2 蒸汽爆破在食品工业领域的研究现状

蒸汽爆破在食品工业中的应用主要有组分改性、活性成分提取及分离纯化、农副产品加工及副产物增值、食品中微生物控制[10]等(在食品工业领域的研究方向见图1)。其中,研究最多的是大分子改性及由此引起的原料功能特性和加工特性的变化。目前蒸汽爆破在食品大分子改性方面研究最多的是糖类和蛋白质,蒸汽爆破可以使蛋白质和多糖内部结构发生变化,促进分子间的相互交联、解聚和新官能团的形成,从而达到改变食品组分加工特性和功能特性的目的。

图1 蒸汽爆破技术在食品工业领域的研究现状

3 在食品大分子物质改性中的应用

3.1 膳食纤维

膳食纤维由碳水化合物聚合物和非碳水化合物的混合物组成。大量研究证明,膳食纤维摄入可显著降低患冠心病、中风、高血压、糖尿病、肥胖和某些胃肠道疾病的风险[11]。膳食纤维的生理功能与其理化性质密切相关,然而不少天然膳食纤维的一些特性尚存在缺陷,如口感粗糙、持水力和膨胀力差、生理活性更强的可溶性膳食纤维(soluble dietary diber,SDF)含量低等,限制了膳食纤维资源的开发和利用,因此膳食纤维改性成为研究热点之一。

蒸汽爆破处理可以促进膳食纤维不溶性组分向可溶性组分转变；还可以通过改变膳食纤维的内部结构,进而改变膳食纤维的理化功能特性。HU等[12]将秋葵种子进行蒸汽爆破预处理(1.5 MPa,5 min),SDF的比例达到最大值6.50%；同样,WANG等[13]用蒸汽爆破处理甘薯渣,SDF含量比对照提高了18.78%；WANG等[14]用蒸汽爆破联合稀酸浸泡的方法对橙皮进行预处理,发现当橙皮在汽爆条件为0.8 MPa、7 min时,并结合0.8%稀酸浸泡时,SDF的含量从8.04%增加到33.74%；何晓琴等[15]对苦荞麸皮进行汽爆处理,发现不溶性膳食纤维、纤维素、半纤维素、木质素及果胶含量显著降低,SDF、可溶性糖、还原糖及总糖含量显著提高。研究表明蒸汽爆破可破坏原料的细胞壁,形成明显的空洞和空隙,将不溶性半纤维素和纤维素水解为可溶性成分,包括低聚糖、单糖和降解产物,从而提高了SDF的含量。

汽爆处理不仅可以提高SDF的含量,还能提高膳食纤维的水溶性、持水能力、持油能力、溶胀能力、乳化活性、乳液稳定性和泡沫稳定性、热稳定性等加工特性[16],增强与有毒阳离子(Pb2+,As3+和Cu2+)结合的能力、α-淀粉酶活性抑制能力及葡萄糖吸收能力等[17]功能特性。其原理在于汽爆破坏SDF的交联结构,使表面明显破裂疏松,尺寸减小,相对表面积增大,这些空间结构的改变使氢键形成增加,空间结构更大,从而利于水分子的保持,增加水和油的吸收；纤维素内部的部分氢键发生断裂,形成游离羟基,并呈现疏松多层蜂窝式网状结构,有利于有毒阳离子的吸附。例如,何晓琴等[18]用蒸汽爆破预处理苦荞麸皮,发现SE-IDF的α-淀粉酶活性抑制能力、葡萄糖吸收能力和体外发酵能力显著提高(P<0.05),差示扫描量热分析表明SE-IDF峰值温度提高了9.26 ℃,热稳定性增强,这是由于汽爆处理使IDF中长链膳食纤维含量减少,而短链膳食纤维增多,含有更多的氢键链接,从而需要更高的能量来分解。

目前蒸汽爆破在膳食纤维改性方面应用最广,能够最大程度地将不溶性物质转变为可溶性物质,使现有原料的功能特性和加工特性得到改善。将改性后的膳食纤维应用于纤维强化食品或降血糖功能性食品中,来满足不同人群的需求,为SDF的提取利用及保健食品开发提供理论参考,这也是未来研究的方向之一。

3.2 淀粉

抗消化淀粉是近几年淀粉研究中的热点,是指不被健康人体小肠所吸收及其分解物的总称。蒸汽爆破作为一种物理预处理技术可以降低淀粉分子链聚合度、增加结晶度、降低回升值,用于生产具有较好效果的抗消化淀粉和加工特性良好的小麦淀粉。

LI等[19]研究发现,蒸汽爆破处理红薯淀粉,可使支链淀粉的峰面积比从84.39%降低到65.16%,使直链淀粉的峰面积比从15.61%增加到34.84%；同时,淀粉分子量随着蒸汽压强和保压时间的增加而降低。HU等[12]将黄秋葵种子进行汽爆处理后发现快速消化淀粉含量随着蒸汽爆破强度的增加而降低,而缓慢消化淀粉和抗性淀粉含量分别从36.91%和2.50%增加到40.92%%和9.06%；用蒸汽爆破处理甘薯淀粉[19],发现随着蒸汽爆破处理压力的增大,抗消化淀粉含量明显增加,粒径也显著增大,使其血糖指数预测在70以下(中等血糖指数食品),糖尿病患者可食用；KOBAYASHI等[20]研究表明,水溶性淀粉的含量随着蒸汽压力的增加而增加,在蒸汽压强为2.53 MPa时含量达到最大值为43%。这是由于汽爆使淀粉分子链发生断裂,产生的短链片段易形成淀粉分子结晶结构,使得淀粉结晶层的结构特征逐渐增强,增加了抗性淀粉的含量[21]。

蒸汽爆破还可以显著降低小麦淀粉的回生值,增强小麦淀粉的稳定性,降低糊化黏度与糊化焓值。随着处理压强的增大,小麦淀粉的老化焓值与相对结晶度先降低后升高,随后形成致密的凝胶[22],这是因为小麦纤维经过汽爆处理后,分子链断裂,增加了支链淀粉和暴露出来的直链淀粉之间的相互作用,稳定性增强[23]。KOBAYASHI等[20]研究表明,蒸汽爆破处理后的淀粉溶液的黏度和pH随着蒸汽压力的增加而降低。这是由于淀粉的水解会产生低分子寡糖,并降解形成了甲酸和乙酰丙酸所致。

蒸汽爆破在淀粉改性中的应用和膳食纤维中的类似,都可以最大程度的将不溶性物质转变为可溶,改变淀粉的结晶结构,有序转变为无序[24],增加了淀粉的抗消化特性。除了将改性后的淀粉添加到小麦制品中,未来还可以将其添加到肉制品中,提高其凝胶性和抗消化性,促进其在不同种类食品中潜在的应用价值。

3.3 功能性多糖

功能性多糖是广泛存在于动植物及微生物中的重要生物大分子物质,并具有抗氧化、抗肿瘤、抗辐射、抗衰老、提高免疫力等多种活性[25],这些功能都与其结构密切相关[26]。蒸汽爆破可以促进水溶性多糖和小分子多糖的溶出,改变功能性多糖的结构,可使其相关特性更适应功能性食品的研发和工业生产的需要。

蒸汽爆破通过破坏功能性多糖的结构和氢键,增加了多糖中葡萄糖、木糖与葡萄糖醛酸的相对含量[27-28]。SUI等[29]用蒸汽爆破处理茶渣,使可溶性糖的提取率增加了74.8%；PAN等[30]从蒸汽爆破后的太子参中提取的多糖含量的为39.32%,是未蒸汽爆破的1.41倍。这是由于结构性多糖(例如半纤维素,果胶和纤维素的结晶区域)水解为单体糖和低聚糖,部分可溶性糖(如木糖)降解为小分子挥发性物质,增加了可溶性糖的含量。

由此可见,蒸汽爆破预处理可以提高多糖的提取率,并且很大程度改善了持水力、持油力、抗氧化能力等。但蒸汽爆破对多糖改性的机理、对结构的影响尚未清晰,对抗肿瘤、肠道菌群提高免疫力等生理活性尚未有人研究,其工业化应用也需要未来更多的研究和关注。

3.4 蛋白质

与其他蛋白质改性方法比较,蒸汽爆破改性具有处理时间短、能耗低、安全可靠、对产品营养性质影响小等显著优点,已被证实是一种可以改善蛋白质提取和功能特性的有效方法。

蒸汽爆破预处理可以提高蛋白质的提取率。ZHANG等[34]利用蒸汽爆破技术从大豆中提取蛋白质,在汽爆压强为1.8 MPa、维压时间为180 s时,蛋白质的提取率从50.50%提高到65.66%；张燕鹏等[35]将蒸汽爆破应用于提取豆粕蛋白,提取率达到76.04%；那治国等[36]利用蒸汽爆破处理米糠粕使蛋白质的提取率增至65.60%；和ZHANG等[37]的研究一致,经蒸汽爆破处理得到的油茶籽蛋白提取率达71.01%。这是由于蒸汽爆破可以破坏蛋白质分子间的相互作用,改变蛋白质的亚基,从而导致蛋白质解聚,分子量分布更广泛,蛋白质分子之间形成非二硫键,增加了蛋白质提取率。

蒸汽爆破还可以大大提高蛋白质的起泡能力和泡沫稳定性、乳化性、脂肪结合能力和乳化稳定性、持水性和持油性[35-37],其原理在于蛋白质发生了聚集体的解离和新聚集体的形成；蛋白质与糖类物质发生了共价键结合,形成了共价化合物即美拉德反应产物[38]；zeta电位显示增加,改变蛋白质结构以及碳水化合物与蛋白质之间的共价偶联,从而改善分离蛋白的功能特性[39]。

蒸汽爆破在蛋白质改性方面具有很大的优势,极大地提高了蛋白质的理化性质和功能性质。目前蒸汽爆破对蛋白质的二级结构、分子质量、基团间相互作用的影响已有不少研究,但都还未能解释清楚其中的美拉德反应、复杂基质的破坏和解离、蛋白质聚集体分离的机理,以及蒸汽爆破改性后蛋白质在食品工业中的应用,这将是未来着重研究的方向。

4 展望

近些年,蒸汽爆破技术在食品行业大分子物质改性中备受欢迎。但目前,蒸汽爆破应用于蛋白质改性领域较少,这主要是由于蛋白质的结构较复杂,易发生美拉德反应,影响功能特性和加工特性。另外,蒸汽爆破可以改善原料的加工特性和功能特性,但其机理并没有研究清楚。如蒸汽爆破提高了多糖的抑菌性和抗氧化性,但其规律和原因尚未阐明；蒸汽爆破能够提高可溶性膳食纤维的得率,但还未对其中木质素、纤维素、半纤维素的解离和转化规律进行研究。

对蒸汽爆破技术在大分子物质改性中的发展做出以下展望：(1)研究蛋白质类物质产生焦糊味的原因和美拉德反应的机理,从而使蒸汽爆破能更好应用于蛋白质的改性。(2)深入探讨蒸汽爆破技术对大分子物质改性后功能性质和加工特性改善的机理,并从分子以及结构的层次解释其原因。(3)将蒸汽爆破改性后的物质应用范围拓展,不仅是米面等食品,也可以应用于其他的乳、肉等蛋白质含量较高的食品中。(4)将蒸汽爆破和其他技术联合使用以达到更好的效果,并且降低成本,为食品行业带来经济效益,创造更多的可能性。