蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维品质及理化特性的影响

张 明1,马 超1,吴茂玉1,王崇队1,杨立风1,范 祺1,张博华1,孟晓峰1,贾洪玉

(1.中华全国供销合作总社济南果品研究院,山东济南 250014; 2.山东农业工程学院,山东济南 250100)

西兰花(BrassicaoleaceaL. var.italica)又称青花菜、绿菜花、意大利芥蓝,属十字花科芸薹属甘蓝的一个变种,它原产于地中海东部沿岸,19 世纪末传入中国。其富含蛋白质、维生素、矿物质、胡萝卜素等多种营养元素,还含有多酚类、黄酮类等天然抗氧化组分,具有清除机体自由基、抗衰老等作用[1-2]。西兰花中含有丰富的萝卜硫素,研究表明西兰花中的萝卜硫素是同类蔬菜中抗癌、防癌效果最好的天然物质[3]。

西兰花老茎是西兰花在采摘、鲜食加工、速冻蔬菜加工等过程中产生的副产物,约占鲜重的30%～40%,经测定,每100 g西兰花老茎粉中膳食纤维含量高达35%～40%,另外富含蛋白质、维生素、矿物质等多种营养组分,是一种非常有价值的副产物资源[4]。由于缺乏有效的加工技术,目前这种副产物资源除少部分作为肥料、饲料外,绝大部分被直接丢弃,不仅造成了资源的极大浪费,同时污染环境。

蒸汽爆破技术是1928年由Mason发展起来的,近年来在食品加工副产物的再利用领域中成为研究热点。蒸汽爆破技术(汽爆)是将纤维质原料置于高压蒸汽中维持一定时间,当瞬间解除高压时,原料空隙中的过热蒸汽迅速气化、体积急剧膨胀而发生爆破。汽爆过程中,存在类酸性水解、热降解、类机械断裂、氢键破坏等作用,从而使不溶性膳食纤维(IDF)的紧密结构被破坏,转化为可溶性膳食纤维(SDF)[5-6]。汽爆处理不添加化学物质,处理时间短、效率高、成本低、工艺简单,是一种简便易行、前景广阔的膳食纤维品质改良技术[7-8]。李光磊等[9]研究了蒸汽爆破处理对籼米淀粉的影响,结果显示蒸汽爆破可有效降解籼米淀粉分子链聚合度,增加淀粉结晶度。康芳芳等[10]研究了蒸汽爆破(SE)处理对豆渣膳食纤维组成及含量的影响,结果表明随着汽爆强度增加,豆渣可溶性膳食纤维(SDF)含量呈上升趋势,在1.5 MPa/30 s时达最大值36.28%;汽爆强度进一步增大,TDF和SDF含量都呈下降趋势。目前蒸汽爆破技术对西兰花老茎膳食纤维品质及理化特性影响的相关研究还未见报道。

本研究结合西兰花老茎不溶性膳食纤维含量丰富特点,针对其可溶性膳食纤维含量低、理化特性差等突出问题,采用蒸汽爆破技术对其进行改性处理,以提高其可溶性膳食纤维含量及理化特性品质。重点开展了不同蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维品质及其理化特性影响的研究,为西兰花老茎这一优质副产物资源的高值利用提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

西兰花老茎 日照市莒县恒宝食品有限公司;鲁花花生调和油 济南银座商城章丘店。

A6型多功能菜馅机 石家庄翔焱商贸有限公司;KQ-80蒸汽爆破试验机 鹤壁正道启宝生物科技有限公司;RXH-B-1热风循环烘箱 江阴市宏达粉体设备有限公司;标准检验筛60目 浙江上虞市金鼎标准筛具厂;TGL-10B高速台式离心机 上海安亭科学仪器厂;RH-600A高速粉碎机 永康市荣浩工贸有限公司;BT-9300H激光粒度分布仪 丹东百特仪器有限公司;WSC-S测色色差计 上海仪电物理光学仪器有限公司;MB23水分测定仪 奥豪斯仪器(上海)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 西兰花老茎膳食纤维粉体制备 取新鲜西兰花老茎,清洗,沥干,采用菜馅机进行粗破碎,将物料用尼龙布包裹,放入带孔钢桶中进行压榨处理,将残渣转移至热风烘箱,60 ℃条件下干燥至物料水分含量10%以内,用高速粉碎机对干燥残渣进行打粉,粉体过60目筛,筛下物即为西兰花老茎膳食纤维粉,其不溶性膳食纤维含量在85%左右。

1.2.2 西兰花老茎膳食纤维不同蒸汽爆破压力处理 分取西兰花老茎膳食纤维粉100 g,隔夜复水调整物料含水率至50%,依次设定蒸汽爆破压力为0.5、1.0、1.5、1.8、2.0 MPa,蒸汽保压时间为60 s,汽爆后物料置于60 ℃条件下干燥至物料水分含量10%以内,用高速粉碎机对干燥残渣进行打粉,粉体过60目筛,即为测试样品。以未经蒸汽爆破处理的西兰花老茎膳食纤维粉为空白对照。

1.2.3 可溶/不溶性膳食纤维含量测定 参照GB5009.88-2014《食品中膳食纤维的测定》所述方法进行测定。

1.2.4 色泽测定 采用CIELAB 表色系统测定西兰花老茎膳食纤维粉的L*、a*和b*值,其中L*代表明度指数,从黑暗(L*=0)到明亮(L*=100)的变化;a*代表颜色从绿色(-a*)到红色(+a*)的变化,b*代表颜色从蓝色(-b*)到黄色(+b*)的变化。

1.2.5 粉体粒径和比表面积分析 以异丁醇为沉降介质,运用激光粒度分布仪分析西兰花老茎膳食纤维粉的粒径分布和比表面积。

1.2.6 扫描电镜(SEM)分析 将西兰花老茎膳食纤维样品于60 ℃烘箱中干燥至恒质量,然后采用溅射镀膜法进行表面镀金,对其进行电镜扫描观察拍照,得到不同倍数的扫描电镜图片。

1.2.7 粉体充填和压缩成型性能指标测定

1.2.7.1 松密度测定 准确称取5 g(m)粉体,将其小心转入50 mL量筒中,水平方向轻摇量筒,使粉体上表面尽量平整,记录此时粉体的体积V[11]。

粉体的松密度(g/mL)=m/V

1.2.7.2 堆积密度测定 分别称取10 g膳食纤维粉体,移入50 mL量筒中,振实,直至量筒内物料体积不再变化,读取物料体积,重复测量三次,取平均值[11]。

1.2.8 粉体水合能力测定

1.2.8.1 持水力测定 分别称取1 g膳食纤维粉体,置于100 mL烧杯中,加入40 mL的蒸馏水,用磁力搅拌器慢速搅拌30 min,随后将样液转入50 mL离心管中,在室温下5000 r/min离心20 min,除去上清液,称量沉淀质量[12]。

1.2.8.2 膨胀力测定 分别称取1 g膳食纤维粉体,缓慢加入标有刻度的试管中,记录干基体积(mL),加入10 mL蒸馏水,充分振荡混匀,在室温下静置24 h,待粉体沉淀完全后,记录沉淀体积(mL),按如下公式计算粉体膨胀力[12]。

1.2.9 粉体吸附能力测定

1.2.9.1 油脂吸附能力 分别称取5 g膳食纤维粉体,置于50 mL离心管中,加入40 mL花生调和油,充分搅拌均匀后静置30 min,以5000 r/min离心20 min,记录上清油液体积,计算持油力[12]。

1.2.9.2 亚硝酸根吸附能力 亚硝酸根吸附能力参照文献所述方法测定[13]。

根据研究方向的不同，补充进行项目开发的必要知识。导师团队根据当年主题，面对不同专业的学生设立几类课程，利用暑假或寒假集中教学，或者布置学生通过网络课程进行自学。我们曾经开设的课程有元件焊接基础、Arduino、STM32、C++与面向对象开发、OpenCV、Python 等。课程结束会安排一个作业作为考核。通过课程的学习，让学生快速进入可以动手开发的状态。另外，部分学生还会自学其它的软件，例如学习ANSYS 用于仿真，学习ROS 系统用于机器人架构，等等。

1.2.10 DPPH自由基清除能力 分别称取2 g膳食纤维粉体,加入30 mL体积分数70%的乙醇溶液,常温下超声处理30 min,5000 r/min离心5 min,上清液用于样品测试。取2 mL样品溶液,与2 mL 0.4 mmol/L的DPPH溶液充分混匀,避光静置30 min,于517 nm处测吸光度A1。同理测定2 mL样品溶液与2 mL无水乙醇充分混匀后的吸光度A2,2 mL蒸馏水与2 mL DPPH溶液充分混匀后的吸光度A0。以蒸馏水进行空白校正[14]。

DPPH自由基清除率(%)=(1-(A1-A2)/A0)×100

1.3 数据处理

表1 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维色泽的影响Table 1 Effect of steam explosion pressure on the color of dietary fiber of old stem in broccoli

注:同一行不同字母表示存在显著性差异(P<0.05,n=3);表2同。

每组实验重复2次,数据均采用Microcal Origin 8.0(Microcal Software,Inc.,Northampton USA)软件进行数据处理,数据统计均采用SPSS 20.0进行ANOVA单因素方差分析和Ducan’s多重检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 蒸汽爆破压力对西兰花老茎可溶/不溶性膳食纤维含量的影响

2.1.1 蒸汽爆破压力对西兰花老茎可溶性膳食纤维含量的影响 图1为不同蒸汽爆破压力对西兰花老茎可溶性膳食纤维含量的影响。由图1可知,同对照相比,经蒸汽爆破处理后,西兰花老茎膳食纤维粉体的可溶性膳食纤维含量显著提高,其中1.0 MPa处理组可溶性膳食纤维含量最高,达8.89%,较对照提高了2.5倍。1.5 MPa处理组增加幅度最低,较对照提高了1.4倍。其原因可能是随着蒸汽爆破压力的增加,西兰花老茎膳食纤维结构变得疏松,一些与纤维结合的物质发生解聚,同时,大分子多糖发生降解,分子量降低,导致可溶性膳食纤维含量增多。当蒸汽爆破压力强度过高时,西兰花老茎可溶性膳食纤维被过度降解,生成了小分子单糖或低聚糖,测定时难以被乙醇沉淀,从而导致可溶性膳食纤维含量减少[10]。

图1 蒸汽爆破压力对西兰花老茎 可溶性膳食纤维含量的影响Fig.1 Effect of steam explosion pressure on the content of soluble dietary fiber of old stem in broccoli注:不同小写字母代表差异显著, P<0.05;图2、图4～图10同。

2.1.2 蒸汽爆破压力对西兰花老茎不溶性膳食纤维含量的影响 图2为不同蒸汽爆破压力对西兰花老茎不溶性膳食纤维含量的影响。由图2可知,同对照相比,经蒸汽爆破处理后,西兰花老茎膳食纤维粉体的不溶性膳食纤维含量显著降低,且随着蒸汽爆破压力的升高,不溶性膳食纤维含量整体呈逐渐降低趋势,其中1.8 MPa处理组不溶性膳食纤维含量降幅最大,较对照组降低了12.5%。

图2 蒸汽爆破压力对西兰花老茎 不溶性膳食纤维含量的影响Fig.2 Effect of steam explosion pressure on the content of insoluble dietary fiber of old stem in broccoli

2.2 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维色泽的影响

表2 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维粒径和比表面积的影响Table 2 Effect of steam explosion pressure on the specific surface area of dietary fiber of old stem in broccoli

西兰花老茎膳食纤维粉呈浅黄色,略偏白。由表1可知,L*值大小依次为对照>0.5 MPa>1.0 MPa>1.8 MPa>1.5 MPa>2.0 MPa。从整体看,随着蒸汽爆破压力的增大,西兰花老茎膳食纤维色泽逐渐变暗。a*值中蒸汽爆破处理组较对照组均偏红,1.5 MPa处理组偏红程度最大。b*值中蒸汽爆破处理组较对照组均偏黄,1.8 MPa处理组偏黄程度最大。由表1可以看出,西兰花老茎膳食纤维经蒸汽爆破处理后粉体色泽偏暗、偏红、偏黄。且随着蒸汽爆破压力的增大,粉体色泽逐渐变暗。可能是随着蒸汽压力的增加,在高压高温条件下,一些物理化学变化加速了纤维的降解。纤维降解产生的糖类与粉体中的某些物质产生美拉德反应和焦糖化反应,导致粉体色泽逐渐变暗[15]。综上,若想获得色泽较好的西兰花老茎膳食纤维,蒸汽爆破压力尽量控制在1.5 MPa以下。

2.3 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维粉体粒径和比表面积的影响

D10、D50、D90分别表示粉体粒径小于某一值时累计率为10%、50%、90%,其中D50为粒径的中值,又称中位径或平均粒径,最具代表性。不同蒸汽爆破压力所得粉体的粒径分析结果如表所示,由表2可知,5种粉体经相同粉碎处理后,粒径差异明显,D50大小依次为对照>2.0 MPa>1.8 MPa>0.5 MPa>1.0 MPa>1.5 MPa,同对照相比,经蒸汽爆破处理的粉体粒径偏小,且1.0、1.5 MPa处理组显著小于1.8、2.0 MPa处理组。跨度用于表征粉体粒度分布的宽度,跨度越大,粒度分布约分散。由表2可知,1.5、1.8和2.0 MPa处理组粉体最为分散,1.0 MPa处理组粉体跨度最小,粉体分布较均匀。同对照相比,蒸汽爆破处理可使粉体比表面积增大,其中1.5 MPa处理组最大,2.0 MPa处理组最小。可能是由于在1.8、2.0 MPa水蒸汽高压条件下,处理温度较高,纤维过度降解,发生焦糖化反应,使得组织紧密,较难粉碎。比表面积越大,粉体表面聚合力越强,适宜作为功能性食品原料吸附或包裹于食品表面[15]。

2.4 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维微观结构的影响

图3 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维微观结构的影响Fig.3 Effect of steam explosion pressure on the microstructure of dietary fiber of old stem in broccoli 注:从上至下依次为对照、0.5、1.0、1.5、1.8、2.0 MPa 扫描电镜微观结构照片;左侧放大500倍,右侧放大5000倍。

2.5 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维充填和压缩成型性能的影响

2.5.1 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维松密度的影响 松密度是反应粉体充填性的评价指标,在片剂和胶囊剂的装填过程中具有重要意义,松密度越大越有利于粉末的充填。图4为不同蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维松密度的影响。由图4可知,同对照相比,经蒸汽爆破处理后松密度均不同程度提高,且在一定范围内,随着蒸汽爆破压力的增大,松密度呈先升高后逐渐减小趋势。在1.0 MPa处有最大值,为0.337 g/mL,更有利于作为胶囊剂等产品的充填原料[17]。

图4 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维松密度的影响Fig.4 Effect of steam explosion pressure on the bulk density of dietary fiber of old stem in broccoli

2.5.2 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维堆积密度的影响 堆积密度影响压片成型,研究表明,堆积密度越大,越有利于压片成型。由图5可知,同对照相比,经蒸汽爆破处理后堆积密度均不同程度减小,且在一定范围内,随着蒸汽爆破压力的增大,堆积密度逐渐增大,在2.0 MPa处有最大值,为1.964 mL/g,更有利于压片成型[18]。

图5 蒸汽爆破压力对西兰花 老茎膳食纤维堆积密度的影响Fig.5 Effect of steam explosion pressure on the accumulation density of dietary fiber of old stem in broccoli

2.6 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维水合能力的影响

2.6.1 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维持水力的影响 图6为不同蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维持水力的影响,由图6可知,同对照相比,经蒸汽爆破处理后,西兰花老茎膳食纤维的持水力均有不同程度降低,在一定范围内,随着蒸汽爆破压力的升高,粉体持水力呈先降低后升高趋势,在1.5 MPa处有最小值,为4.31 g/g。膳食纤维的持水力与物料的比表面积有关,也与多糖、蛋白质等形成的多孔性结构有关,这种结构通过氢键可以结合大量的水分子,经蒸汽爆破处理后可能导致其多孔结构被破坏,导致持水力下降。此外,蒸汽爆破处理后经热风干燥长时间处理,物料表面变得紧实,也会影响其持水力[19]。

图6 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维持水力的影响Fig.6 Effect of steam explosion pressure on the water holding capacity of dietary fiber of old stem in broccoli

2.6.2 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维膨胀力的影响 图7为不同蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维膨胀力的影响。由图7可知,同对照相比,经蒸汽爆破处理后,西兰花老茎膳食纤维的膨胀力均有不同程度降低,在一定范围内,随着蒸汽爆破压力的升高,粉体膨胀力整体呈逐渐降低趋势,在0.5 MPa处有最大值,为3.56 mL/g,较对照降低11%。康芳芳研究了蒸汽爆破处理对豆渣理化特性的影响,结果发现随着蒸汽爆破强度的增加,豆渣的膨胀力呈下降趋势,可能是由于经蒸汽爆破处理,膳食纤维结构受到一定破坏,大分子物质减少,导致膨胀力降低,此外,由于汽爆处理后的物料采用热风干燥处理,干燥时间较长,使得物料表面较为紧实,从而对其膨胀能力产生了负面影响,本研究结果与其基本一致[19]。

图7 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维膨胀力的影响Fig.7 Effect of steam explosion pressure on the swelling of dietary fiber of old stem in broccoli

2.7 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维吸附能力的影响

2.7.1 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维持油力的影响 图8为不同蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维持油力的影响。由图8可知,同对照相比,经蒸汽爆破处理后,西兰花老茎膳食纤维的持油力均有不同程度降低,在一定范围内,随着蒸汽爆破压力的升高,粉体持油力呈逐渐升高趋势,在0.5 MPa处有最小值,为1.46 g/g。在2.0 MPa处有最大值,为2.03 g/g。可能是由于经蒸汽爆破处理,物料原有的大分子网状结构被破坏,对油脂的吸附束缚能力减弱,而随着爆破强度的增大,产生的大量微小不规则空腔结构及小分子基团,使其比表面积增大,对油脂具有一定的吸附作用[19]。

图8 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维持油力的影响Fig.8 Effect of steam explosion pressure on the oil-holding capacity of dietary fiber of old stem in broccoli

2.7.2 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维吸附亚硝酸根能力的影响 图9为不同蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维亚硝酸根吸附量的影响。由图9可知,同对照相比,经蒸汽爆破处理后,西兰花老茎膳食纤维的亚硝酸根吸附量均有不同程度提高,且在一定范围内,随着蒸汽爆破压力的升高,粉体亚硝酸根吸附量整体呈上升趋势,在2.0 MPa处有最大值,为3.619 mg/g,较对照提高25.27%。这与程明明[20]的研究结果相一致,可能是因为蒸汽爆破处理使其结构发生变化,产生了许多不规则的立体空腔结构和活性基团,比表面积增大,对亚硝酸根的吸附能力增强。

图9 蒸汽爆破压力对西兰花老茎 膳食纤维亚硝酸根吸附量的影响Fig.9 Effect of steam explosion pressure on the nitrite adsorption of dietary fiber of old stem in broccoli

2.8 蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维DPPH自由基清除率的影响

图10为不同蒸汽爆破压力对西兰花老茎膳食纤维DPPH自由基清除率的影响。由图10可知,同对照相比,经蒸汽爆破处理后,西兰花老茎膳食纤维的DPPH自由基清除率均有不同程度提高,且在一定范围内,随着蒸汽爆破压力的升高,粉体DPPH自由基清除率整体呈先上升后趋于平稳趋势,在1.8 MPa处有最大值,为95.89%,较对照提高约2倍。可能是因为经蒸汽爆破处理,产生许多小分子物质和活性基团,物料表面形成蜂巢状不规则立体空腔结构,使其比表面积增大,作用位点增多,从而使其对DPPH自由基清除能力增强[20]。

图10 蒸汽爆破压力对西兰花老茎 膳食纤维DPPH自由基清除率的影响Fig.10 Effect of steam explosion pressure on the DPPH free radical scavenging rate of dietary fiber of old stem in broccoli

3 结论

经0.5 MPa处理粉体的色泽最好,膨胀力最大,为3.56 mL/g,但持油力最小;经1.0 MPa处理粉体的可溶性膳食纤维含量最高,达8.89%,且松密度最大,达0.337 g/mL;经1.5 MPa处理粉体的比表面积最大,但可溶性膳食纤维含量和持水力最小;经1.8 MPa处理粉体的DPPH自由基清除能力最强,达95.89%,较对照提高约2倍;经2.0 MPa处理粉体的堆积密度、持油力和亚硝酸根吸附量最大,但色泽最差。

经0.5、1.5和1.8 MPa处理的粉体,膨胀力、比表面积或DPPH自由基清除能力等性能品质较好,适宜作为功能配料添加到食品中或吸附于食品表面,经1.0 MPa处理的粉体松密度较高,适宜胶囊剂等产品加工,经2.0 MPa处理的粉体压片成型性较好,更利于片剂产品生产。

蒸汽爆破处理后物料干燥方式的选择可能会对其理化特性产生影响,选择适宜的干燥方式,保护经蒸汽爆破处理得到的良好理化特性不被破坏,将是下一步研究工作的重点。