蒸汽爆破技术在全谷物食品加工中的应用

田晓红， 谭 斌， 翟小童， 汪丽萍， 高 琨

(国家粮食和物资储备局科学研究院1，北京 100037) (江苏省现代粮食物流与安全协同创新中心2，南京 210023)

全谷物食品营养丰富，对居民的健康具有明显的改善作用。增加全谷物的食用，能够降低心脏病、脑卒中(中风)、2型糖尿病[1，2]、结肠直肠癌及全因死亡[3]的风险。但全谷物中皮层的存在，使得全谷物食品的口感粗糙、感观品质差，限制了消费者的食用。全谷物皮层的主要成分为纤维素和半纤维素，强度高、韧性强，纤维素本身的紧密结晶区结构和高纤维聚合度，使其在蒸煮过程中水溶液不易渗入纤维素结构内部对其进行熟化，影响了全谷物食品的口感和品质。应用现代食品加工新技术(如挤压膨化技术、超微粉碎技术、发芽技术、酶工程技术等)对全谷物进行科学合理的加工，改善其加工品质和食用品质成为研究的热点[4]。

蒸汽爆破技术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，是一种安全高效的纤维预处理新技术，广泛应用于木质纤维素原料的预处理[5]。它在食品领域起步比较晚，但近年来发展迅速，被证明是一种有效提高食品加工品质和营养品质的物理方法[6]。本文从蒸汽爆破的工作原理、蒸汽爆破过程中膳食纤维结构的改变、功能性营养成分的释放等方面进行分析，综述了蒸汽爆破技术在全谷物食品加工中的研究进展，探讨蒸汽爆破技术在全谷物食品领域的应用前景，以期为蒸汽爆破技术在食品工业生产中的应用提供参考。

1 蒸汽爆破技术的工作原理

蒸汽爆破技术是一种能在毫秒级(8.75 ms内)实现蒸汽爆破过程的弹射式蒸汽爆破技术。其原理是将原料置于密闭容器内，通入高温高压水蒸汽，原料被过热蒸汽(180～235 ℃)润胀，过热饱和蒸汽渗透到生物质内部，使原料空隙中充满蒸汽，然后瞬间解除高压，使得组织间隙中的过热蒸汽迅速汽化，体积急剧膨胀而发生爆破，细胞壁因此破裂而形成微孔，从分子水平上打破大分子晶格，从而完成纤维原料的组分分离和结构变化的过程[7]。通常包含原料复水、气相蒸煮、瞬间爆破、气固分离等过程，物料受到机械断裂、热降解、类酸水解、氢键破坏、结构重排等多个物理化学共同作用，使物料原料物理结构和化学成分在加工过程中发生较大变化[8]。

2 蒸汽爆破技术对全谷物麸皮理化特性的影响

2.1 颗粒度

麸皮、米糠等皮层颗粒度大小是影响全谷物食品品质最重要的因素之一[9]，它主要影响全谷物食品的加工品质、外观品质和食用品质。颗粒度能够决定麸皮颗粒的表面积，影响在全谷物食品制作过程中的吸水速率和糊化温度，也影响含面筋食品的网络结构[10]。戊聚糖是麦麸细胞壁中最主要的多糖成分，占麸皮质量的10%～26%。戊聚糖交联的程度是影响植物细胞壁韧性主要原因之一。常规的降低颗粒度的粉碎技术主要适用于以淀粉为主成分的原料，对膳食纤维含量丰富的皮层不适用。蒸汽爆破通过热化学作用和机械作用破坏纤维素的晶体结构，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，麦麸原料被分解成细小的纤维束，麦麸的韧性降低，更容易粉碎，使得粒径变小[11]；同时内部水汽瞬间爆破产生巨大的冲击力，能够破坏细胞壁结构，颗粒度大的麸皮占比下降，而颗粒度小的麸皮占比上升[12，13]。蒸汽爆破处理，使得麸皮的d(50)由420 μm降低至177 μm，d(90)从902 μm降低至410 μm[14]。

2.2 溶解性

膳食纤维是肠道菌群改变的主要推动力[15,16]，研究认为，水溶性膳食纤维发挥的生理特性要高于水不溶性膳食纤维[17]。水不溶性膳食纤维主要作用于肠道产生机械蠕动，在到达结肠后会产生粪便膨胀效应，吸水软化大便排出体外；而大多数水溶性膳食纤维可发挥生理代谢功能[18]。天然膳食纤维绝大多数属于不溶性膳食纤维，水溶性膳食纤维含量相对较少。因此，通过物理方法、化学方法和生物技术中的一种或几种联合使用来对膳食纤维改性处理，使水不溶性膳食纤维向水溶性膳食纤维的转化，从而改变膳食纤维的理化性质和生物活性，进而改善食品的品质[19]。

蒸汽爆破技术能够使小麦麸皮中的不溶性膳食纤维向水溶性膳食纤维转化，提高水溶性膳食纤维含量，提高麸皮的持水性、持油性、吸水膨胀性[20]，能显著提高苦荞麸皮、大豆粕和玉米皮中水溶膳食纤维的含量，且随着蒸汽爆破蒸煮强度的增加，呈先增加后减少的趋势，具体见表1。且随着蒸汽爆破强度的增加，使得低分子量多糖的比例增加，多糖的分子量范围变小。但随着蒸汽爆破强度的进一步增强，大分子的多糖呈现不同程度的降解或解聚，总膳食纤维和水溶性膳食纤维含量降低[24]。

表1 蒸汽爆破处理对谷物麸皮水溶性膳食纤维含量的影响

3 蒸汽爆破技术对功能性成分的影响

3.1 水溶性糖含量

蒸汽爆破技术可以有效提高谷物麸皮中水溶性糖含量(表2)。在蒸汽爆破过程中，纤维素和半纤维素被降解成寡糖、单糖、糠醛和羧甲基糠醛等水溶性糖[25]，但若蒸汽爆破压力太大或维压时间过长，这些水溶性糖会进一步降解成小分子羧酸(乙酰丙酸、乙酸等)或再次聚合[26]。蒸汽爆破蒸煮适用于改善谷物膳食纤维的结构和性质。同时，使原料细胞结构在分子水平上遭到破坏，通过酯键与阿拉伯木聚糖链接或以醚键与木质素链接的阿魏酸释放出来。但当蒸汽爆破压力过大时，由于降解作用和聚合作用，水溶性糖得率降低[27]。

表2 蒸汽爆破处理对谷物麸皮水溶性糖含量的影响

3.2 水溶性蛋白质

龚凌霄[30]比较了传统炒制、挤压膨化和蒸汽爆破3种预处理方法对青稞全谷物中游离氨基酸的影响，结果发现传统炒制法基本无影响，经挤压膨化处理后其中游离氨基酸质量分数增加了43.7%，而蒸汽爆破处理后其含量则提高了158.5%。蒸汽爆破可使小麦麸皮的水溶性蛋白质量分数由3.7%增至17.9%[28]；在1.8 MPa、180 s下，蒸汽爆破可使高温豆粕的氮溶解指数提高了1.1倍[32]；在2.3 MPa、210 s时可使米糠的氮溶解指数达到57.23%，比未处理的米糠提高了1.65倍[33]。

3.3 酚酸

从结构上看，植物酚酸主要包括苯甲酸衍生物和肉桂酸衍生物，小麦中常见的酚酸包括香草酸、丁香酸、绿原酸、对香豆酸和阿魏酸。其中最主要的是阿魏酸，占小麦总酚类物质的90%。阿魏酸是一种优良的自由基清除剂，具有较强的抗氧化能力，在预防癌症中发挥重要作用。游离的和共轭的酚酸只占一小部分，而大多数酚酸通过酯键和醚键与细胞壁组分如阿拉伯木聚糖和木质素结合，结合酚类物质占小麦酚类物质总量的90%以上，与游离酚相比，结合酚具有更高的抗氧化活性[27]。但麦麸致密细胞壁结构影响了细胞内和细胞壁中酚类物质的有效释放和功能活性的发挥。蒸汽爆破处理，不仅能够提高酚酸类物质含量，而且能够提高其抗氧化活性(见表3)。这是因为蒸汽爆破过程中，高温饱和蒸汽渗入到原料组织内部，在设定的高压下发生自水解反应，当瞬间泄压时，内部水汽瞬间爆破产生巨大的冲击力，酚与细胞壁之间的氢键、共价键等遭到破坏，部分酚类化合物得以被释放[34]，不溶性结合型酚酸从细胞壁中被释放出来[35]。

表3 蒸汽爆破处理对谷物麸皮酚酸含量的影响

3.4 抗营养因子

植酸盐是谷物籽粒糊粉层中的一种有机化合物，可与食物中的钙、铁、锌等多种金属阳离子和蛋白质形成不溶性复合物，从而抑制金属离子、蛋白质在肠道中的吸收利用[40]，是一种抗营养成分。蒸汽爆破处理可使麦麸中植酸盐水解率达到86.76%，这是因为高温高压破坏糊粉层细胞结构，半纤维素自水解生产酸类物质，使植酸盐暴露出来，并通过打破P—O—C键使磷酸盐生成低磷酸肌醇酯[41]。高粱单宁是高粱中的抗营养因子，它与蛋白质、金属离子或者多糖大分子生成复合物，从而阻碍机体对蛋白质、脂肪等营养物质的消化吸收，因此在食品加工过程中一般需降低单宁的含量[42]。与未处理的高粱相比，蒸汽爆破处理能够使高粱当中的单宁含量从11.27 mg/g降低到9.74 mg/g[43]。

4 蒸汽爆破技术对麸皮的微观结构和分子结构的影响

4.1 微观结构

蒸汽爆破处理会使麦麸的结构发生改变。原麸皮表面结构致密完整，经过蒸汽爆破处理的苦荞麸皮表面呈现疏松多层的蓬松结构，部分甚至呈现类似蜂巢状的多孔特征[22]。经过蒸汽爆破处理的小麦麸皮，使原麸皮的长条细杆状纤维卷曲断裂，膨化成絮状结构，且表面具有凹陷的小孔，颗粒度变小，比表面积和孔隙率增加，见图1[12]。蒸汽爆破处理使豆皮表面呈现类似的变化，使完整光滑的豆皮表面出现微小的孔洞[44]。在蒸汽爆破过程中，植物纤维中间的自由水在压力骤降时迅速汽化，体积急剧膨胀，产生类似于爆炸的效果，在物料表面形成孔洞结构，同时使纤维中的化学键断裂，原有的致密结构被破坏，结构变得松散。

图1 麦麸电镜显微结构

4.2 分子结构

膳食纤维是谷物和豆类种皮、细胞壁的主要组成成分，在蒸汽爆破过程中，种皮当中木质素的β-O-4酯键以及其他酸不稳定的化学键发生断裂而降解成为酸性低聚物及其他小分子物质，如香豆醇、苯乙稀、二羟基苯等；木质素、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，形成低聚糖和单糖等小分子的水溶性糖溶出[45]，水溶性膳食纤维含量增加，水溶膳食纤维的交联结构被破坏，短链水溶膳食纤维增多[29]；半纤维素具有热不稳定性，在蒸汽爆破水热的处理下，种皮当中的半纤维素和极少量的木质素发生降解，半纤维素的去除可显著降低半纤维素对纤维素酶解的抑制效应[46]。这些空间结构的改变促进了膳食纤维形成氢键和(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，从而改善了膳食纤维的水溶性、持水性、持油性和膨胀力；膳食纤维中更多的基团被暴露，可以吸附多余的胆固醇和有毒阳离子[47]。但若蒸汽爆破强度过大，如蒸汽爆破温度太高或维压时间过长，水解物将进一步降解成小分子羧酸或再次聚合[30]，蒸汽爆破对不同谷物的分子结构影响见表4。

表4 蒸汽爆破处理对谷物分子结构的影响

在谷物中，大多数酚酸通过氢键(酚类化合物的羟基和多糖糖苷键中的氧原子之间)、疏水作用或共价键(酯键或醚键)与蛋白质、糖类等结合[49]，以不溶性结合形式存在，只有一小部分以游离酚酸存在。阿魏酸是大多数谷物中最丰富的酚酸，而90%以上的阿魏酸，通过酯键与细胞壁组分(如纤维素、木质素、蛋白质等)通过共价键紧密结合[50]。蒸汽爆破技术能够使半纤维素/纤维素糖苷键(键A、B)发生水解，使木质素中的β-O-4酯键(键D)降解，或者降解了酚酸与木质素酯键的醚键，从而使大量结合态的酚类物质得以释放(见图2)[38]。

注：A、B为糖苷键；C为醚键；D为酯键。图2 蒸汽爆破处理造成麸皮中木质素-酚类-纤维素/半纤维素间可能断裂的化学键

5 蒸汽爆破技术对全谷物储藏性能的影响

全谷物含有胚芽，脂质含量丰富，在加工过程中脂质很容易被脂肪酶酶解生产脂肪酸，影响全谷物的储藏品质[51]。对脂肪酶进行钝化处理是抑制脂质氧化、延长全谷物保质期的有效策略。与常规蒸汽灭菌后麦麸的过氧化值显著增加相比，蒸汽爆破处理后麦麸的过氧化值无显著变化，且随着蒸汽爆破压力的增加，小麦麸皮的脂肪酶活性逐渐降低。经0.8 MPa蒸汽爆破处理5 min后，麸皮中的脂肪酶基本灭活，未检出过氧化物酶活性；在麦麸储藏期间，经过蒸汽爆破处理的麦麸脂肪酸值显著低于未处理的麦麸脂肪酸值，说明经过蒸汽爆破处理的小麦麸皮，脂质的氧化得到了有效抑制，蒸汽爆破是一种提高麦麸储藏性能的有效方法[29]。

6 蒸汽爆破技术对全谷物食品品质的影响

食品的加工品质和感官品质是食品进行消费食用的最重要品质之一。蒸汽爆破技术能够显著提高全谷物配料营养品质，但是在改善加工品质方面的研究还十分有限，蒸汽爆破处理麸皮后不能改善全谷物食品的加工品质和感官品质，会使全麦面包的质量下降，导致面包质量劣变的原因目前尚不明确，可能的原因是蒸汽爆破中的高温使得麸皮中的面筋蛋白变性，进而使面团中的面筋蛋白含量下降，最终导致面包品质降低。还原糖和氨基酸之间的美拉德反应也对面包的品质有消极的影响[14]。本课题组研究了蒸汽爆破处理整籽粒全谷物和杂豆，发现蒸汽爆破处理能够打破全谷物致密的皮层结构，在谷物表面形成水分通道，使得全谷物的蒸煮时间和质构硬度显著降低，口感显著提升。

7 展望

蒸汽爆破技术是一种新兴的全谷物加工技术，蒸汽爆破能够有效改善膳食纤维品质。目前研究主要集中在小麦麸皮、青稞麸皮、荞麦麸皮的改性，对其他谷物和豆类的研究还不足，例如糙米、燕麦、大麦、杂豆。蒸汽爆破处理后，在水和热的双重作用下，淀粉的糊化特性、理化特性必然会发生改变，但其具体的影响作用还有待进一步研究。麸皮经过蒸汽爆破处理后，理化品质和营养价值均有了显著提升，是否能利用蒸汽爆破改性后回填的方式制作全谷物粉，以及制备的全谷物粉的加工效果还有待进一步探索；全谷物中酶的活性比较高，限制了全谷物的货架期，现有研究表明蒸汽爆破能够有效降低麦麸中酶的活性，利用蒸汽爆破技术延长全谷物产品的保质期也是未来的探索方向。