蒸汽爆破对膳食纤维的影响及应用研究进展

孙金淏，焦文雅，吴 超，于文龙，米 思，王向红

（河北农业大学食品科技学院，河北保定 071000）

膳食纤维是一种不能被人体消化吸收，也不能产生能量的多糖，曾被认为是一种“无营养物质”而长期得不到足够的重视，主要包含纤维素、抗性淀粉、果胶等[1-2]。随着营养学与其他科学的不断发展，人们逐渐关注到膳食纤维对人体具有多种健康功效，如减脂[3]、降血糖[4]、调节肠道微生物[5]、清除外源有害物质[6]、预防癌症[7]等。因此，有效提高膳食纤维的利用率对于产品领域的拓展和和功能性产品的开发具有重要意义。目前，蒸汽爆破技术在农作物及残渣资源加工利用领域得到广泛应用[8]，不仅能够提高农作物残渣资源利用率，还可以有效提高膳食纤维产量。

蒸汽爆破（Steam Explosion）技术是利用蒸汽瞬间释放原理实现的爆炸过程对原料进行预处理，其技术本质为：在高温高压条件下，以蒸汽分子作为介质，将渗入原料组织内部的蒸汽分子瞬间释放，改变原料内部结构变化，打断分子内部氢键，使其组分分离，促进活性成分的释放[9]（如图1 所示），对于纤维原料，高温会使纤维原料软化，削弱纤维素之间的粘连，通过瞬间释压，介质急速膨胀作用使纤维离解。蒸汽爆破技术对原料的严重程度取决于压力、温度、维压时间等，严重程度对其抗氧化能力、稳定性、感官品质都有很大影响。根据Arrhenius 定律公式（k=Ae-Ea/RT），压力与温度会有交互作用，当温度升高时，反应速率得到提升，从而缩短维压时间。蒸汽爆破严重程度上升到一定范围可以加速水热反应，促进可溶性膳食纤维的释放，提高碳水化合物的溶解度。温度、压力越高，蒸汽爆破的严重程度越强，从而达到分解原料的目的[10]。蒸汽爆破避免了化学处理的污染问题，节省原料预处理时间，又解决了原料中活性物质提取率低的问题，并适用于工业化，是从植物性原料提取生物活性物质最有前景的预处理技术之一。

图1 蒸汽爆破机组及爆破原理示意图Fig.1 Schematic diagram of steam explosion unit and blasting principle

式中：k 为速率常数；R 为摩尔气体常量；T 为热力学温度；Ea 为表观活化能；A 为频率因子。

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、功能性质等方面进行分析，并综述了近年来蒸汽爆破预处理对膳食纤维及功能性质的影响研究进展，探讨其在烘焙食品、制油工业、废弃资源中的应用，为膳食纤维的高效利用提供技术支持，为废弃物资源的开发和综合利用提供新的思路。

1 蒸汽爆破对膳食纤维含量的影响

Hugh Trowell 于1972 年首次提出了“膳食纤维”营养概念[11]。膳食纤维按溶解度可划分为可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber）和不溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber）。可溶性膳食纤维主要是植物细胞的储存物质和分泌物，此外还有部分微生物多糖和合成多糖，如低聚糖、果胶和部分半纤维素等，它能够调节肠道菌群的丰度，吸附脂肪、胆固醇等[12-13]。不溶性膳食纤维结构致密，紧凑，主要包括纤维素、半纤维素和木质素等，具有刺激肠道蠕动，增加粪便体积等作用[14]。

可溶性膳食纤维因其良好的水合性、可发酵性，能够与人体肠道中的有害物质结合，将其降解为有益于微生物的营养物质[15]，被认为是肠道微生物群营养的主要来源。有研究发现，在肠道环境中，厚壁菌等有益菌可以通过直接或者间接方式利用膳食纤维产生对人体有益的代谢物，促进产酸细菌和短链脂肪酸的生成[3,16]。此外，可溶性膳食纤维还具有良好的黏度、胶凝性、复溶性，使其更容易形成凝胶[17]。因其健康、无毒而被用作未来合成增稠剂的替代品，能够降低化学增稠剂对人体健康的不良影响，在食品、化妆品等领域拥有巨大潜力。

与可溶性膳食纤维相比，不溶性膳食纤维中的纤维素等成分，具有一定的抗生物降解，低水溶性等特性，因此更难以被人体吸收。不溶性膳食纤维通过调节脂质代谢相关基因的表达、脂代谢相关激素分泌、改变摄食者肠道微生物组成来调节摄食者的脂质代谢[18]。目前不溶性膳食纤维在降脂食品中应用广泛（如羽衣甘蓝粉、鹰嘴豆、燕麦麸皮[19-21]等），但食品中添加不溶性膳食纤维可能会对食品口感、质地、颜色及风味产生影响。因此，改善和提高不溶性膳食纤维在食品中的品质可能成为未来研究发展的方向。

1.1 蒸汽爆破对可溶性膳食纤维含量的影响

评价膳食纤维功能特性的一个重要指标是可溶性膳食纤维的含量。研究表明，总膳食纤维中可溶性膳食纤维含量达到10%以上时被认为是高品质膳食纤维[22]，具有良好的理化性质和功能性质。然而，许多天然来源膳食纤维中可溶性膳食纤维含量仅为3%～4%[23-24]，需要通过适当的物理或化学手段进行改性，以增加可溶性膳食纤维含量。因此提升膳食纤维中可溶性膳食纤维的含量是提升膳食纤维品质的关键[25]。

如表1 所示，蒸汽爆破技术对原料中可溶性膳食纤维含量有不同程度的增加，蒸汽爆破技术可以破坏细胞壁形成多孔结构，促使果胶、可溶性半纤维素等可溶性膳食纤维溶出。Liang 等[26]研究发现在适当的蒸汽爆破条件下，苹果渣中可溶性膳食纤维的含量显著提升，是未经处理的4.76 倍。这表明蒸汽爆破技术可以显著提高可溶性膳食纤维的提取量。不仅如此，当以0.35 MPa，121 s，60 目的蒸汽爆破条件处理甘薯渣时，甘薯渣可溶性膳食纤维含量达到22.59%±0.35%，比未处理时增加了18.78%[27]。Li等[28]通过蒸汽爆破处理豆渣，发现在压力为1.5 MPa，维压时间30 s 的条件下，可溶性膳食纤维含量比对照组增加了26 倍，而当蒸汽爆破强度过强时，可溶性膳食纤维含量有所下降，蒸汽爆破处理后可溶性膳食纤维含量整体呈现先上升后下降的趋势，刺梨果渣[29]，麦麸[30]也出现相同的结果。

表1 蒸汽爆破对膳食纤维含量的影响Table 1 Effect of steam explosion on dietary fiber content

1.2 蒸汽爆破对不溶性膳食纤维含量的影响

蒸汽爆破预处理使原料中不溶性纤维含量下降，在高温、高压条件下，由于水蒸气迅速膨胀，使不易溶解的纤维素、半纤维素等高分子物质发生糖苷键断裂，形成小分子片段的还原糖溶出，并转变为可溶性膳食纤维[35]。研究表明，蒸汽爆破后苦荞麸皮可溶性膳食纤维显著增加，并在1.2 MPa，90 s 达到最大值，相同条件下，不溶性膳食纤维比未经处理的含量降低6.01%。总膳食纤维含量无显著变化，在蒸汽爆破预处理过程中出现了部分不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维的转变[33]。在合适的条件下，蒸汽爆破技术能降低不溶性膳食纤维含量，崔潇文等[23]发现随蒸汽爆破预处理压力的增加，番茄皮渣不溶性膳食纤维含量与总膳食纤维含量显著降低，通过对单糖组成测定，蒸汽爆破技术可能使不溶性膳食纤维发生降解，纤维素被分解为可溶性片段。当施加更大的压力时，可溶性膳食纤维、不溶性膳食纤维及总膳食纤维含量均显著降低，且在高温高压的条件下，部分纤维素、半纤维素会发生降解，木质素重新排列并部分形成低聚物[36]。Zhao 等[37]对高粱秸秆进行蒸汽爆破预处理，结果表明，蒸汽爆破预处理降低了木质素的含量。当压力大于1.0 MPa 时，强大的剪切力使半纤维素开始暴露，随着压力的增加，不溶性膳食纤维发生降解。综上所述，蒸汽爆破预处理能降低纤维素、半纤维素和木质素的含量，从而可以降解一些不溶性膳食纤维含量较多的废弃原料（如玉米秸秆[38]、小麦秸秆[39]、甘蔗渣[40]等）。

2 蒸汽爆破对膳食纤维微观结构的影响

扫描电子显微镜和原子力显微镜通常被用来观察微结构，在高温高压的条件下，具有强渗流力的水蒸汽穿透植物原料内部细胞，爆炸减压会使大部分水蒸汽迅速膨胀，产生强大的剪切力，破坏植物原料原有致密结构，最后在蒸汽冲出时在表面形成孔隙[37,41]。Aruna 等[42]研究发现通过蒸汽爆破预处理的野生甘蔗表面积从17.939 m²/g 增加为55.541 m²/g，原料的孔隙体积和孔径分别从0.040 cc/g 和3.650 nm 增加到0.260 cc/g 和9.712 nm，说明蒸汽爆破预处理可以增大原料的比表面积，孔径，孔隙体积等。因此，结构孔隙率，包括孔径分布、总孔体积和平均孔径，是通过蒸汽爆破处理后原料中有效成分有利提取的重要因素[43]。Zhai 等[29]研究蒸汽爆破预处理对刺梨渣可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维的影响，结果如图2 所示，蒸汽爆破会使纤维的表面发生凸起，沟槽缝隙增大，表面部数目增多，从而部分降解木质素、纤维素和半纤维素，从而使纤维的大分子纤维暴露，水解纤维素、半纤维素和木质素的糖苷键，生成有机酸，分解为小分子物质[44]，导致微观结构发生明显变化。此外，其他研究人员对甘薯渣[45]、小麦麸皮[46]等原料进行蒸汽爆破处理，也形成了多孔、疏松、蜂窝状的孔洞，使其比表面积增大。由此可见，植物原料在高温高压瞬时释放的作用下，其膳食纤维微观结构发生明显的改变。

图2 蒸汽爆破技术对不溶性膳食纤维、可溶性膳食纤维的影响[29]Fig.2 Effect of steam explosion technology on insoluble dietary fiber,soluble dietary fiber[29]

3 蒸汽爆破对膳食纤维功能性质的影响

3.1 理化特性

工艺学性能主要包括持水能力（Water Holding Capacity）、持油能力（Oil Holding Capacity）和膨胀能力（Swelling Capacity），通过改性可以有效提高水溶性膳食纤维比例，提高溶解性，研究发现膳食纤维的理化性质高度依赖于其微观结构[47]。

持水能力对膳食纤维的开发和应用有重要影响[48]。高持水能力的膳食纤维可以锁定食品中更多的水分，减少脱水引起的收缩，从而提高产品质量，扩大食品原料在水溶性食品中的应用范围，并改善其生理功能。通过研究发现，蒸汽爆破处理的膳食纤维形貌随着材料比表面积和粗糙表面结构的增加而发生了变化，暴露了更多的水分子结合位点，从而提高了膳食纤维捕获水分子的能力[49]。此外，蒸汽爆破改性处理使不溶性膳食纤维内部具有更好的网络结构，使其具有更好的支撑效果，有利于保水[50]。对于持油能力，改性的膳食纤维形成了不均匀的表面，有更多的空隙和皱纹，比表面积增加，更有利于油分子的粘附，高OHC 的膳食纤维可以显著改善食物的感官特性，使高脂肪食物更稳定，有助于延长保质期[17]。Liang等[26]通过蒸汽爆破对苹果渣可溶性膳食纤维处理后提高了可溶性膳食纤维的持水、持油能力和膨胀能力，发现WHC 和OHC 的增加可能是由于蒸汽爆破处理后短链膳食纤维含量的增加，从而提高了其对水和油的吸收。而SC 的提高是蒸汽爆破处理引起膳食纤维表面积的增加造成的。但有研究发现，蒸汽爆破处理膳食纤维随着蒸汽爆破强度的增加，膨胀能力，油、水的保持能力下降，是因为过强的外作用力导致多孔结构遭到破坏，粒径变小，导致保持能力下降[26]，说明要针对不同的原料确定适当的蒸汽爆破条件。

3.2 功能活性

3.2.1 抗氧化性 天然原料中含有还原活性物质，其中多酚类物质、膳食纤维、黄酮类物质等均为植物中的抗氧化剂[51]。抗氧化能力可通过DPPH 自由基清除率、ABTS+自由基清除率以及FRAP 还原能力等来衡量。

抗氧化能力在很大程度上取决于纤维的分子量、结构、聚合度和单糖组成，通过蒸汽爆破处理的高原大麦麸皮可溶性膳食纤维拥有更强的自由基清除能力[52]。然而膳食纤维可以作为肠道远端结合酚类物质的载体，Zhang 等[53]通过在体外模拟胃肠道消化和结肠发酵的实验过程中发现，结合多酚从麦麸可溶性膳食纤维（SDF）中的释放特性和活性。结合多酚在结肠发酵中的生物可利用性是胃肠道消化阶段的7.42 倍。没食子酸、对羟基苯甲酸和香草酸是发酵6 h 后含量最高的多酚代谢产物。如图3 所示，在蒸汽爆破过程中，水蒸气渗透并立即高速释放，其中水分子可以用羟基取代多酚与纤维素之间的结合，破坏多酚与木质素之间的化学键，使多酚更容易溶解[54]。释放的酚类物质表现出较强的自由基清除活性，结合多酚和膳食纤维可能在维持健康的结肠环境中起到协同作用。

图3 蒸汽爆破技术对酚类物质的影响机制Fig.3 Influence mechanism of steam explosion technology on phenolic substances

综上，蒸汽爆破技术可以有效释放活性物质提高活性物质含量，并且提高其抗氧化活性，在未来，蒸汽爆破技术为食品和药品植物原料改性增强其抗氧化能力和细胞抗增殖能力提供了新的思路。

3.2.2 阳离子交换作用 最大阳离子结合能力是膳食纤维的结合位点（包括物理和化学结合位点）都被金属阳离子饱和的水平，该参数可以用来表示结合的重金属离子的最大量，可用于评价膳食纤维对金属阳离子的亲和力[55]。通过改性具有吸附性的原料或开发负载材料，提高吸附剂的稳定性和吸附能力。阳离子结合能力依赖于几个官能团，负责取代H+离子和金属离子的相互作用，如果胶和半纤维素组分的弱糖醛酸中的羟基、酚基和羧基[48]。

纤维素表面具有大量的羟基，因此具有高活性和与各种特定基团反应的能力，Rani 等[56]用蒸汽爆破处理从香蕉纤维中提取纤维素纳米晶体，连接丙烯酸丁酯单体，发现有效形成了共聚物，并发生结晶变化，吸附剂用量、接触时间、起始金属含量的减小，对脱除效果的影响较大。羧基，氨基等官能团是阳离子交换能力相关的主要官能团，膳食纤维通过改性后具有较高的比表面积和大量的反应基团，可获得良好的吸附性能。当pH 增加时，羧基被解离成羧基阴离子（RCOO·），与有毒阳离子的相互作用更强，导致膳食纤维与阳离子的结合能力更高。Wang 等[57]通过胃肠道模拟实验发现，在pH 为2.0 和7.0 条件下，蒸汽爆破处理的橘子皮可溶性膳食纤维对三种有毒阳离子（Pb，As 和Cu）有更高的结合能力，结合能力显著提高。此外，与对照组相比，蒸汽爆破处理的橙皮中可溶性膳食纤维的主重均分子量明显较小，SDF 的热稳定性更高。有学者通过对刺梨渣可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维蒸汽爆破处理，发现改性处理可以显著提高其阳离子交换能力，研究表明，交换能力的强弱与具有离子交换能力的功能基团有关，蒸汽爆破处理使膳食纤维比表面积增加，暴露出更多的功能基团，从而具有更强的吸附能力[58]。由此可见，蒸汽爆破技术可以改善和修饰其官能团，从而能够以较高的吸附能力去除重金属离子。

3.2.3 胆固醇吸收能力 我国血脂异常的人群达2 亿多，其中高胆固醇对人体健康影响最大。由于胆固醇升高导致脂质在动脉内壁沉积，过量的胆固醇引发肥胖、肝硬化、心血管疾病等多种疾病，严重威胁人们的健康[59]。摄入膳食纤维是有效降低胆固醇的方法之一，有学者[60]发现通过蒸汽爆破处理研制的亚麻籽胶具有多种有益作用，包括减轻体重，降低体脂含量、总甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇水平，以及重建微生物群。说明蒸汽爆破改善后原料具有高品质营养成分、更好的功能特性等独特优势，还能发掘具有潜在功能特性的活性物质。Liu 等[61]优化蒸汽爆破条件后对刺梨残留物处理，SDF 产率达到15.82%，显著高于未处理的刺梨渣（9.31%）。通过IDF和SDF 在模拟胃（pH2.0）和肠道（pH7.0）环境中的胆固醇吸附能力实验，表明蒸汽爆破处理破坏了刺梨渣中SDF 的内部结构，表面极性基团暴露，有利于其对胆固醇的吸附，并发现胆固醇吸附能力受到系统pH 的影响，在小肠环境更有利于膳食纤维吸附胆固醇[62]，随着pH 的增加，膳食纤维分子中的羧基被解离并转化为羧基阴离子（RCOO·），与胆固醇分子具有较强的结合能力，从而增强了膳食纤维的胆固醇吸附能力。由此可见，蒸汽爆破处理可以有效地提高原料中吸附膳食纤维的产量和胆固醇吸收特性。

4 膳食纤维的应用

4.1 膳食纤维在烘焙食品中的应用

随着研究的不断发展，越来越多的功能成分被加入到面包、饼干等日常烘焙和其它面类产品中，以提高它们的营养价值。而蒸汽爆破处理是提高原料在食品工业中的生物活性和可加工性的潜在方法[63]。

蒸汽爆破预处理不仅能提高原料中可溶性膳食纤维质量分数，还可增强原料的加工性能，提高形态、口感和组织状态等感官品质[64]。有学者[65]通过对生秋葵种子面粉进行蒸汽爆破预处理来制作饼干，发现蒸汽爆炸对秋葵籽中膳食纤维、总酚类物质和脂质的释放有显著的促进作用。添加秋葵籽膳食纤维的饼干中的快速消化淀粉含量随着蒸汽爆破严重程度的增加而降低，而缓慢消化淀粉和抗性淀粉含量分别提高40.92%和9.06%，不仅可维持餐后血糖稳态，改善葡萄糖耐量，还可降低餐后胰岛素分泌，提高机体对胰岛素敏感性。Kong 等[66]研究发现蒸汽爆破提高了全麦粉的蛋白质消化率、淀粉消化率和酚类物质含量，改善了溶剂保留能力值，凝胶强度有增加的趋势，但影响了全麦粉的颜色质量，并产生了更多的褐变化合物。

由此可见，蒸汽爆破预处理对烘焙原料有积极的作用，在其过程中会发生美拉德反应，焦糖化反应[67]，改变产品感官及品质。

4.2 膳食纤维在谷物食品中的应用

目前，未经任何处理的谷物在性能，口感方面不被人们广泛接受，限制了谷物在食品加工中的利用。为了进一步提高产品的可食用性，与其他预处理相比，蒸汽爆破预处理更高效、更绿色的特点引起人们广泛关注。

蒸汽爆破改性是一种相对较新且正在发展的方法，它通过自蒸发导致植物中大部分挥发性分子的置换，使用蒸汽作为介质来萃取，能够保持更好的品质和更高的提取率。根据Wang 等[64]研究发现，蒸汽爆破可促进麦麸不溶性膳食纤维转化为可溶性膳食纤维，打破麦麸细胞壁致密结构，得到粒径更小、细胞壁破损更高的麦麸粉，促进类黄酮和酚类化合物的溶解，阿拉伯木聚糖和可溶性膳食纤维含量分别为13.95%和7.47%，比未处理样品提高了1567.42%和241.75%。不仅如此，谷物淀粉的消化率较低和加工性能差，导致利用率较低，无法充分利用，资源浪费，但蒸汽爆破能提高原料利用率，并提高淀粉的消化率和流变性能。有学者通过蒸汽爆破预处理糙米粉，发现蒸汽爆破预处理改变了糙米粉的营养成分、理化性质和流变特性，提高了凝胶化程度，蒸汽爆破处理的原料中的快速消化淀粉和抗性淀粉分别从34.95%和16.05%增加到41.56%和34.52%，并发现经蒸汽爆破处理的糙米粉因热力跟机械作用改善了原料的流变特性和糊化程度，更易于消化，并使其具有了良好的口感[66]。

蒸汽爆破预处理不仅可以提高谷物中膳食纤维的提取率，还使其流变特性和糊化程度也有所改善，组织、口感更优质，在谷物食品中具有巨大的应用潜力，是食品工业中一种很有前途的环保型技术。

4.3 膳食纤维在废弃资源中的应用

生活中，果蔬废弃物是廉价的可综合利用资源，如玉米芯、甘蔗皮、菠萝皮等。但由于技术的限制，在加工过程中产生过量副产物，难以综合开发利用，然而蒸汽爆破改性技术为废弃物资源的再利用提供了新的思路。最近，通过从富含木聚糖的原料中制备低聚木糖的路径被人们广泛关注。Brenelli 等[68]发现甘蔗皮中高达35%（w/w）的初始木聚糖可作为高市场价值的低聚木糖回收。并通过蒸汽爆破预处理可有效地生产木二糖、木三糖，通过酶水解方法产生的可发酵葡萄糖产量高达78%。

除此之外，适当的蒸汽爆破处理废弃资源有利于获得更多、品质更高的膳食纤维。胡莹莹等[31]以香蕉花废弃物作为原料，利用蒸汽爆破技术进行处理，通过对其膳食纤维吸附能力、还原能力的评价，发现香蕉花可溶性膳食纤维的得率提高到2.23 g/100 g，理化性质和功能特性都有一定程度上的提高。说明蒸汽爆破处理可以提高膳食纤维品质，可增加其生物活性。

综上，蒸汽爆破技术在一定程度上提高了废弃资源的利用率，提高活性物质含量与品质，为产业提供新思路，新的商业链，可广泛应用于食品领域，推动了副产物加工产业的发展，为增加其利用价值和扩大产品适用范围提供了研究方向。

5 结语

膳食纤维是一种多糖类物质，具有减脂、调节肠道微生物等功效，在食品中拥有广泛的前景，但大部分原料中可溶性膳食纤维含量较少，无法达到优质膳食纤维的水平，无法充分利用，限制了膳食纤维在食品中的开发和利用。然而，研究者们发现蒸汽爆破技术可以提高膳食纤维品质，改善食品的质构和风味，提高功能成分含量[69-70]。近年来对蒸汽爆破的研究已取得了较大进展，并广泛应用于烘焙食品、谷物食品、废弃资源再利用等领域中，具有绿色、环保、可持续的特点，能够实现价值最大化[71]。但目前蒸汽爆破技术的应用仍存在部分不足：a.在蒸汽爆破预处理过程中，通常会用酸、碱等辅助加工，原料有被污染的风险；b.蒸汽爆破预处理后的活性成分受设备条件、爆破强度等因素控制，无法实现大规模应用；c.蒸汽爆破的条件对不同原料提取的膳食纤维理化性质、功能性质影响尚不明确。

针对以上问题，可以重点研究以下方面：a.深入研究蒸汽爆破技术协同不同的物理手段辅助加工原料，并开展动物实验确定其毒性、功能性等，提高安全性和综合利用性；b.研究适合产业化生产的加工工艺，提高蒸汽爆破制备的膳食纤维在食品领域（面包、功能性饮料、代餐粉）的应用；c.研究不同原料经蒸汽爆破处理后，提取的膳食纤维的功能性质，吸附性、抗氧化性、离子交换能力等在不同压力、维压时间、水分活度等条件下的变化规律。总之，蒸汽爆破技术能够提高废弃物利用度，推动原料综合开发利用，也势必会为食品领域的拓展和健康产品开发与应用提供有力的技术支持。