白曉州，張鎰飛

（鄭州旅游職業(yè)學(xué)院烹飪食品系，河南 鄭州 450000）

沙棘為多年生落葉灌木或小喬木，是一種喜光、耐水、耐旱、生長(zhǎng)性極好的小漿果植物，多為橘黃色或橘紅色，廣泛種植于歐亞的溫帶地區(qū)[1-2]。我國(guó)是沙棘資源最豐富的國(guó)家，主要種植于我國(guó)的西部地區(qū)，總面積可達(dá)1 800 萬(wàn)畝。沙棘的廣泛栽植不僅能夠防風(fēng)固沙、保持水土，有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，更重要的是由于其含有豐富的維生素、多糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、微量元素等營(yíng)養(yǎng)成分以及黃酮類、甾體類化合物、原花青素、三萜烯類、鞣質(zhì)、5-羥色胺等生物活性物質(zhì)，具備藥食同源的特性，因此在保健品、食品等開(kāi)發(fā)研究方面得到廣泛重視[3-5]。

沙棘果肉酸甜可口，果汁較多，且含有許多人體所需的營(yíng)養(yǎng)素，沙棘果主要用于生產(chǎn)沙棘汁、沙棘糕、沙棘啤酒、沙棘果醬、沙棘冰激凌等食品和飲品[6]。沙棘果渣是沙棘果榨汁后的副產(chǎn)品，除了少部分被用作動(dòng)物飼料外，大部分都被丟棄，經(jīng)細(xì)菌分解后腐爛產(chǎn)生難聞的氣味，不僅污染環(huán)境，更造成資源的極大的浪費(fèi)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)沙棘果渣仍含有大量的營(yíng)養(yǎng)素包括蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、黃酮類等[7-8]，且無(wú)毒無(wú)害，具有潛在的藥用價(jià)值。因此沙棘果渣中總黃酮的提取和利用早已成為近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)[9-10]。而邸俊龍等[11]研究發(fā)現(xiàn)沙棘果渣中含有接近50%膳食纖維，膳食纖維（dietary fiber，DF）可以預(yù)防和治療許多疾病如冠心病、結(jié)腸癌、肥胖癥、糖尿病等，也是低熱量、低膽固醇健康食品的重要原料之一[12-13]。而膳食纖維中的可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）的含量多少是評(píng)價(jià)膳食纖維生理功能的一個(gè)重要指標(biāo)[14]。因此提升膳食纖維中SDF 的含量是提升膳食纖維品質(zhì)的關(guān)鍵。沙棘果渣也可作為高品質(zhì)的膳食纖維來(lái)源。

蒸汽爆破技術(shù)是1928年由W H Mason 發(fā)展起來(lái)的，采用160 ℃～260 ℃飽和水蒸汽加熱原料至一定的壓力下，作用時(shí)間為幾秒到幾分鐘，然后驟然減壓至大氣壓的預(yù)處理生物質(zhì)手段。蒸汽爆破的主要工作原理是將原料置于高溫、高壓的環(huán)境中，原料被過(guò)熱液體潤(rùn)脹，蒸汽充滿孔隙，當(dāng)瞬間解除高壓時(shí)（毫秒級(jí)，0.008 75 s 以內(nèi)），原料空隙中的過(guò)熱液體迅速汽化，體積瞬間膨脹導(dǎo)致細(xì)胞“爆破”，細(xì)胞壁破裂形成多孔，小分子物質(zhì)從細(xì)胞內(nèi)釋放[15-17]。蒸汽爆破法因成本低、能耗少、無(wú)污染而備受研究者的青睞，廣泛應(yīng)用于低質(zhì)原料高效利用的預(yù)處理過(guò)程中[18-19]。由于其能使細(xì)胞壁破裂，近年來(lái)蒸汽爆破技術(shù)在食品加工中副產(chǎn)物的提取及再利用的應(yīng)用中也取得了一定的進(jìn)展，如Zhao 等[20]用蒸汽爆破預(yù)處理秸稈以提高秸稈中木糖醇的含量，Wang[21]等利用蒸汽爆破與酸浸提結(jié)合的技術(shù)處理橘子皮后，其中的可溶性膳食纖維顯著增加。而用蒸汽爆破處理沙棘果渣后，探討其膳食纖維中可溶性膳食纖維含量的變化卻鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文利用響應(yīng)面優(yōu)化蒸汽爆破處理沙棘果渣的條件，并探討蒸汽爆破后的沙棘果渣中可溶性膳食纖維含量及物化性質(zhì)的變化，以期為開(kāi)發(fā)高品質(zhì)的膳食纖維和合理利用沙棘果渣資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

沙棘果渣：鄭州頂津飲料有限公司；胰脂肪酶（300 000 U/g）、蛋白酶（200 000 U/g）、纖維素酶（3 000 U/g）：美國(guó) Sigma 公司；無(wú)水乙醇、乙酸、乙酸鈉：均為國(guó)產(chǎn)分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

QBS-80 型蒸汽爆破工藝試驗(yàn)臺(tái)：河南鶴壁正道重型機(jī)械廠；FW-100 高速萬(wàn)能粉碎機(jī)、DZKW 恒溫震蕩水浴鍋：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；SIGMA3-30K 離心機(jī)：德國(guó)SIGMA 公司；ALPHA 2-4 LSC 真空冷凍干燥箱：德國(guó)CHRIST 公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品準(zhǔn)備

將洗凈并烘干后的沙棘果渣，放入粉碎機(jī)中，粉碎 20 s，使粉碎后的沙棘果渣依次通過(guò) 20、40、60、80、100 目篩，分別收集目篩上的沙棘果渣粉。

1.3.2 蒸汽爆破預(yù)處理沙棘果渣

稱取300 g 沙棘果渣放入蒸汽爆破試驗(yàn)臺(tái)的汽爆缸中，擰上活塞，設(shè)置一定的蒸汽爆破時(shí)間和壓力，高溫高壓的氣體從進(jìn)氣閥進(jìn)入到氣缸中，到達(dá)給定的時(shí)間后，進(jìn)氣閥門關(guān)閉，瞬間解壓（0.008 75 s），完成物料的爆破，收集爆破后的沙棘果渣，并在-20 ℃保存。

1.3.3 沙棘果渣可溶性膳食纖維（SDF）提取

將制備的沙棘果渣粉放入pH=4.6 的醋酸鹽緩沖溶液，依次加入胰脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶，45 ℃恒溫酶解30 min 后置于90 ℃水浴鍋5 min，得到的沙棘果渣酶解液進(jìn)行真空抽濾，收集濾液，向收集的濾液中加入4 倍體積的95%乙醇，靜置醇沉24 h，轉(zhuǎn)速5 000 r/min 條件下離心10 min，收集沉淀，真空干燥后所的粉末即為SDF。

1.3.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)三因素三水平的Box-Behnken 的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，如表1所示，以蒸汽爆破后提取沙棘果渣中SDF 含量為響應(yīng)值（Y），以蒸汽爆破預(yù)處理時(shí)的蒸汽壓強(qiáng)（A）、維壓時(shí)間（B）、物料粒徑（C）為試驗(yàn)因素，用響應(yīng)面法分析這3個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值的影響，根據(jù)SDF 的含量?jī)?yōu)化蒸汽爆破預(yù)處理的條件。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表Table 1 Analytical factors and levels of response surface methodology

1.3.5 沙棘果渣微觀結(jié)構(gòu)觀察

掃描電鏡分別觀察蒸汽爆破前后沙棘果渣顯微結(jié)構(gòu)。樣品經(jīng)過(guò)黏臺(tái)、噴金等步驟后，在加速電壓為12 kV 的條件下進(jìn)行觀察。

1.3.6 沙棘果渣SDF 物化性質(zhì)的測(cè)定

1.3.6.1 持水力（water holding capacity，WHC）測(cè)定

取0.5 g SDF 樣品記為W（g），置于離心管中，按1∶20（g/mL）比例加入去離子水，充分混勻，室溫下靜置8 h，5 000 r/min 離心 10 min，棄上清液，沉淀用濾紙吸干夠稱重[22]，質(zhì)量記為W1（g），SDF 的WHC，記為W（g/g）計(jì)算公式為：

1.3.6.2 膨脹力（swelling capacity，SWC）測(cè)定

取0.5 g SDF 樣品記為W，置于容量為10 mL 的量筒中，記錄 SDF 體積（mL），并記為 V1，后按 1∶15（g/mL）比例加入去離子水，充分混勻平衡后，于室溫下放置8 h[23]，記錄吸水后 SDF 體積（mL），并記為 V2，SDF 的SWC，記為 S（mL/g）計(jì)算公式為：

1.3.6.3 持油力（oil holding capacity，OHC）測(cè)定

取0.5 g SDF 樣品記為W，置于容量為10 mL 的量筒中，加入10 mL 的玉米油，振蕩搖勻，在室溫下靜置8 h，于5 000 r/min 條件下離心10 min，然后棄去上層油[24]，稱量殘?jiān)|(zhì)量 W1，SDF 的 OHC，記為 O（g/g）計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面優(yōu)化蒸汽爆破處理沙棘果渣的條件

2.1.1 統(tǒng)計(jì)分析和模型擬合

在不同的自變量因素組合下的17 個(gè)響應(yīng)值（SDF的含量）見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面分析設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface analysis

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次線性回歸擬合和顯著性及方差分析，用二階多項(xiàng)式方程表征因變量和響應(yīng)值，方程如下：Y=24.74+0.88A-0.53B-0.68C-3.94A2-4.28B2-1.92C2-1.05AB-1.83AC-0.015BC。對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 響應(yīng)曲面方差分析表Table 3 Analysis of response surface variance table

由表3 知，回歸模型 p＜0.000 1＜0.01 極顯著，失擬項(xiàng)p=0.724 7＞0.05 不顯著，回歸模型方程的回歸系數(shù)為R2=0.992，只有不到5%總變差沒(méi)有被模型概括，表明建立的模型能很好反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)，變異系數(shù)為0.24低于0.5，說(shuō)明試驗(yàn)值的可靠程度較高。沙棘果渣SDF含量回歸模型中一次項(xiàng) A、B、C，二次項(xiàng) A2、B2、C2，交互項(xiàng)AB、AC 均表現(xiàn)極顯著，交互項(xiàng)BC 不顯著，說(shuō)明各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

2.1.2 優(yōu)化蒸汽爆破預(yù)處理?xiàng)l件

響應(yīng)曲面圖坡度陡峭程度和等高線形狀可以反映各因素間交互作用強(qiáng)弱和影響程度大小。曲面坡度陡峭、等高線密集呈橢圓形表示兩因素交互影響大，而坡度平緩、等高線呈圓形則與之相反[25]。圖1 為蒸汽壓強(qiáng)、維壓時(shí)間和物料粒徑兩兩交互作用響應(yīng)面圖和等高線圖。

圖1 蒸汽壓強(qiáng)、維壓時(shí)間和物料粒徑兩兩交互作用響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.1 Response surface and contour plots of steam pressure，residence time and particle size

由圖1A、圖1B 可知，當(dāng)物料粒徑一定時(shí)，SDF 的含量隨著蒸氣壓強(qiáng)和維壓時(shí)間的增加先上升，當(dāng)達(dá)到一定水平時(shí)，緩慢下降。這表明在合適的壓力和時(shí)間下，蒸汽壓強(qiáng)充分進(jìn)入細(xì)胞中，細(xì)胞壁由于受到壓力被破壞，結(jié)構(gòu)變疏松，細(xì)胞內(nèi)被結(jié)合的SDF 被釋放出來(lái)，當(dāng)壓力和時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，高壓高溫條件下過(guò)長(zhǎng)的維壓時(shí)間導(dǎo)致SDF 發(fā)生降解，且細(xì)胞內(nèi)部溶出的SDF 又重新聚合形成不溶性物質(zhì)[26]。由圖1C，圖1D 可知，當(dāng)維壓時(shí)間一定時(shí)，SDF 的含量隨著蒸氣壓強(qiáng)和物料粒徑的增加也出現(xiàn)先上升，當(dāng)達(dá)到一定水平時(shí)，再緩慢下降，這是因?yàn)樵谶m當(dāng)?shù)膲毫土较拢锪媳缺砻娣e增大，高壓蒸汽能充分進(jìn)入細(xì)胞[26]。而由圖1E、圖1F 知維壓時(shí)間和物料粒徑交互作用對(duì)SDF 的含量變化影響不大。

通過(guò)對(duì)二次多項(xiàng)式模型的回歸系數(shù)的顯著性分析得出，蒸汽爆破處理沙棘果渣最優(yōu)的條件為：蒸汽壓強(qiáng)2.01 MPa，維壓時(shí)間88 s，物料粒徑54.5 目。在此條件下，預(yù)測(cè)的SDF 含量為24.91%?？紤]到實(shí)際操作條件和樣品的實(shí)際粒徑，最優(yōu)條件修改為蒸汽壓強(qiáng)2.0 MPa，維壓時(shí)間88 s，物料粒徑60 目，在此條件下，沙棘果渣經(jīng)蒸汽爆破后，總SDF 的含量為（24.74±0.71）%，與預(yù)測(cè)值沒(méi)有顯著性差異，而未經(jīng)蒸汽爆破處理的沙棘果渣中的SDF 含量為（7.14±0.42）%，提高了246%。證明用響應(yīng)面優(yōu)化蒸汽爆破處理沙棘果渣的條件是可行的。

2.1.3 蒸汽爆破前后沙棘果渣微觀結(jié)構(gòu)的變化

蒸汽爆破前后沙棘果渣的掃描電鏡圖見(jiàn)圖2。

圖2 蒸汽爆破前后沙棘果渣的掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron microcopy（SEM）images of seabuckthorn fruit residue before and after steam explosion

由圖2 A 知，未經(jīng)蒸汽爆破的沙棘果渣SDF 表面光滑，質(zhì)地緊密，而蒸汽爆破后的沙棘果渣SDF 表面皺縮，卷曲，并有孔洞出現(xiàn)（圖2 B）。這是由于蒸汽爆破在泄壓過(guò)程，滲透到細(xì)胞內(nèi)及組織間的水蒸氣膨脹，并且高速瞬間釋放出來(lái)，巨大剪切力的存在使纖維發(fā)生機(jī)械斷裂[19，27]所致。

2.1.4 蒸汽爆破前后沙棘果渣SDF 物化性質(zhì)的變化蒸汽爆破對(duì)沙棘果渣SDF 物化特性（持水力、膨脹力和持油力）的影響如表4所示。

表4 蒸汽爆破對(duì)沙棘果渣SDF 物化指標(biāo)的影響Table 4 Effect of steam explosion on physicochemical properties of SDF from sea buckthorn fruit residue

蒸汽爆破后的SDF 持水力、膨脹力和持油力分別從（4.53±0.46）g/g、（3.24±0.37）mL/g 和（1.74±0.31）g/g提升到 （6.06±0.21）g/g 、（5.07±0.34）mL/g 和 （3.16±0.38）g/g。這是由于蒸汽爆破后沙棘果渣SDF 含量增加以及SDF 表面呈現(xiàn)凹凸不平的多孔狀，表面積增大，能吸附大量的水分子和油分子[28]。

3 結(jié)論

將蒸汽爆破技術(shù)應(yīng)用到沙棘果渣可溶性膳食纖維的提取中，利用響應(yīng)面優(yōu)化蒸汽爆破處理?xiàng)l件（蒸汽壓強(qiáng)、維壓時(shí)間、物料粒徑），得出在最優(yōu)條件為：蒸汽壓強(qiáng)2.0 MPa，維壓時(shí)間88 s，物料粒徑60 目，在此條件下進(jìn)行蒸汽爆破處理，沙棘果渣中SDF 的含量為（24.74±0.71）%，比未經(jīng)蒸汽爆破的沙棘果渣SDF 的（7.14±0.42%）提高了246%。且蒸汽爆破后沙棘果渣SDF 理化性質(zhì)（持水力、膨脹力和持油力）都顯著提升。表明蒸汽爆破技術(shù)可用于提升沙棘果渣中SDF 含量及品質(zhì)，有助于開(kāi)發(fā)沙棘果渣的再利用。