瞬时弹射式蒸汽爆破法制备速溶牦牛骨粉及其理化特性

秦晓洁，沈青山，张春晖，张鸿儒，贾 伟

瞬时弹射式蒸汽爆破法制备速溶牦牛骨粉及其理化特性

秦晓洁，沈青山，张春晖※，张鸿儒，贾 伟

（中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193）

为解决骨粉的难溶解性及制备耗时问题，该研究采用瞬时弹射式蒸汽爆破（instant catapult steam explosion，ICSE）技术制备速溶牦牛骨粉，并与常规球磨牦牛骨粉进行理化特性比较分析。通过观察不同压力（0.5～1.5 MPa）和不同保压时间（5～30 min）ICSE条件下牦牛骨的液化情况及骨粉得率，以确定牦牛骨粉的制备条件，并通过骨粉化学结构、粒度分布、微观形态、稳定性、蛋白质溶解性和钙离子释放度的测定对比分析了速溶牦牛骨粉和常规球磨骨粉的理化特性。结果显示：1.5 MPa 30 min ICSE条件下制备的骨粉（<500目）得率可达46.16%；与常规球磨牦牛骨粉相比，ICSE牦牛骨粉化学结构无明显变化，但其中值粒径（5.61m）明显较小（<0.05），粒度分布均匀并呈正态分布，微观形态均匀规则；ICSE牦牛骨粉的蛋白质溶解度在37、60和100℃条件下分别为97.17%、95.29%和82.07%，均明显高于球磨骨粉（4.07%，6.47%和10.17%）（<0.05）；ICSE牦牛骨粉钙离子释放度为67.42 mg/g，高于常规球磨骨粉（14.25 mg/g）；此外，短时间内ICSE骨粉悬浮液在室温条件下无明显沉淀，其溶解性和稳定性优于球磨骨粉。ICSE法制备速溶牦牛骨粉解决了骨粉制备耗时长、溶解性差等问题，为骨粉的制备提供了一种新方法。

压力；粒径；瞬时弹射式蒸汽爆破；牦牛骨；液化；速溶；骨粉

0 引 言

随着牛肉消费量快速增长，牛骨的产量也与日俱增。牛骨约占躯体总生物量1/3，富含胶原蛋白、骨多糖、维生素以及钙、磷、镁、锌等骨生长所必需的营养素，具有极大的利用价值[1-2]。胶原蛋白作为一种组织结构蛋白，约占动物体蛋白质总量的25%～30%[3]，而牦牛作为中国特色物种之一，其骨胶原蛋白更为丰富，可达总蛋白含量的40.9%[4]。研究发现，骨胶原蛋白肽可有效改善人体皮肤肤质[5]，促进大鼠股骨骨折愈合以及人成骨细胞I型胶原蛋白基因的表达[6]。此外，牛骨含有的钙、磷元素比值为2∶1，接近人体钙吸收的最佳比例，是理想的天然钙源[7]。牦牛骨（yak bone，YB）通常被用于制备骨泥、骨粉等产品[8]。研究表明，牦牛骨粉（yak bone powder，YBP）能够增加骨密度，具有较高的钙表观吸收率[9-10]；以牦牛骨为原料制备的复方牦牛骨丸可以显著减轻关节疼痛，改善膝关节功能[11]。《食品安全国家标准食品营养强化剂使用标准》将骨粉确定为食品配料，用于功能食品、营养强化剂等食品加工领域[12]。但目前，仍存在骨粉制备工艺复杂、耗时长，产品质量参差不齐，产业化生产困难等诸多问题，急需开发新型制粉工艺。

传统骨粉制备工艺主要包括脱脂和粉碎2个单元操作，均存在诸多局限性。目前骨粉脱脂工艺主要有超声辅助脱脂法[13]、有机溶剂法、酸碱法、蒸煮法、超声乳化法等[14]，但仍有许多缺陷亟待解决。例如，有机溶剂脱脂存在耗时长、溶剂残留问题；酸碱法脱脂率较高，但容易对原料中的蛋白等营养物质造成损伤，污染环境；蒸煮法脱脂率低，生产成本较高，造成营养物质损失。物理粉碎法是食品加工中常见的粉碎技术，研究表明干法球磨法能够制备超微鱼骨粉或纳米级兔骨粉[15-16]，行星式球磨仪可制备平均粒径为22m的鹿茸微粉[17]，而湿法球磨法可以制备纳米鱼骨颗粒[18]。但是该类骨粉的制备工艺存在耗时长（4～30 h）、产量有限等问题，难实现规模化生产。此外，常规方法制备的骨粉存在难溶解、利用率低等问题。因此，改善脱脂工艺、简化粉碎过程以实现高效生产小粒径且高溶解性骨粉具有广阔的应用前景。

瞬时弹射式蒸汽爆破（instant catapult steam explosion，ICSE）技术是利用水蒸汽为介质进行加压处理，经瞬时泄压，打破生物质材料各组分的物理结合，实现去组织化，同时伴随着生化反应与热反应，达到物料的快速液化。该技术具有耗时短、节能、无溶剂残留、适宜规模化生产等优点[19-20]。目前，汽爆技术主要应用于植物领域，如纤维素、半纤维素的降解，效果显著[21]。例如甘蔗渣经汽爆处理能够产生低聚糖[22]；汽爆处理可显著提高动物对玉米秆的消化率[23]。但将该技术应用于动物源性畜骨物料的处理尚未有研究。本研究基于ICSE技术实现牦牛骨液化进而制备速溶牦牛骨粉，以期为骨粉的制备提供新方法，同时也拓展该技术的应用领域。

1　材料与方法

1.1 材料与试剂

原料骨：随机选取来自青藏地区的2～3岁牦牛6头，屠宰后取其股骨（不含软骨）剔除碎肉、筋等杂质。

试剂：乙酸乙酯，氢氧化钠，浓硫酸，五水硫酸铜，硫酸钾，盐酸，乙醚，硝酸，氧化镧，碳酸钙。以上试剂皆为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；胃蛋白酶（3 706 U/mg，美国Sigma公司）。

1.2 仪器与设备

ICSE试验台QBS-80（河南正道启宝环保科技有限公司）；小型喷雾干燥仪（北京霍尔斯生物科技有限公司）；SER148脂肪测定仪（意大利VELP公司）；KJELTEC2300型全自动凯氏定氮仪（丹麦FOSS公司）；立式行星球磨仪（长沙天创粉末技术有限公司）；实时喷雾测量仪Helos-kr（德国Sympatec公司）；电感耦合等离子质谱仪ICP-MS7700x（美国Agilent公司）；双光束原子吸收分光光度计（日本岛津公司）；傅里叶近红外光谱分析仪（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR，瑞士Bruker公司）；场发射环境扫描电子显微镜（日本Hitachi公司）；液相色谱仪（美国Agilent公司）。

1.3 方法

1.3.1 牦牛骨基本成分测定

脂肪含量测定：索氏抽提法，依照GB 5009.6—2016进行。含水率：直接干燥法，依照GB 5009.3—2016进行。灰分含量：马弗炉高温灼烧法，依照GB 5009.4—2016进行。蛋白质含量：凯氏定氮法，依照GB 5009.5—2016进行。Ca含量测定：火焰原子吸收光谱法，依照GB5009.92—2016进行。矿物质含量测定：电感耦合等离子体质谱法，依照GB5009.268—2016进行。

1.3.2 骨粉制备工艺

ICSE牦牛骨粉制备：牦牛股骨→剔除骨髓、筋膜、肉等杂质→利用破骨机将牛骨进行初步粉碎（5～10 mm）→称样（100 g）→ICSE处理（不同压力、时间）→收集料液→湿筛（<500目）→离心脱脂（4 000 r/min，15 min）→均质2 min→喷雾干燥（进风温度120 ℃，出风温度90 ℃，进样速率3 mL/min）→速溶骨粉。其中，ICSE处理设置压力梯度为0.5、1.0、1.5 MPa，时间梯度设置为5、10、15、20、25、30 min。

球磨牦牛骨粉制备[13,16]：牦牛股骨→剔除骨髓、筋膜、肉等杂质→利用破骨机将牛骨进行初步粉碎（5～10 mm）→称样（100 g）→脱脂（与乙酸乙酯按1∶5（g∶mL）的比例混合，500 W，30 min超声波处理）→溶剂旋蒸回收→65 ℃条件下通风干燥12 h→万能粉碎机粉碎（<60目）→行星式球磨仪研磨（400 r/min，1～8 h，球料比3.66∶1）→超微骨粉。

1.3.3 肽分子量分布

肽分子量相对含量测定参考秦晓洁[24]的方法。采用凝胶过滤柱G2000 SWXL 300 mm × 7.8 mm，以乙腈/水/三氟乙酸（30∶70∶0.1，体积比）为流动相，流速设置为0.5 mL/min，温度为37 ℃，进样量为20L。本研究以牛血清白蛋白（66 446 Da），细胞色素C（12 355 Da），抑肽酶（6 511 Da），四肽GGYR（451 Da）和三肽GGG（189 Da）为标准品获得分子量校准曲线，如下：= −0.5323+ 7.4538，2= 0.967。数据分析采用凝胶渗透色谱软件。

1.3.4 骨粉得率

将1.3.2中所获得的速溶骨粉进行称量并记为1(g)，原料牦牛骨的质量（湿质量）记为2(g)，牦牛骨含水率为15.04%[13]，骨粉得率（）的计算公式如下

1.3.5 骨粉化学结构

化学键分析参考Boutinguiza等[25]的方法，用FT-IR红外光谱分析仪分析，波数扫描范围为400～4 000 cm-1。

1.3.6 牦牛骨（粉）微观形态及骨粉粒度分布

微观形态：牦牛骨粉的微观形态参考Yin等[18]的方法，采用扫描电镜观察，加速电压为10 kV。

粒度分布：牦牛骨粉的粒度分布采用实时喷雾测量仪Helos-kr测定，骨粉的平均粒径采用中值粒径50表示[26]。

1.3.7 骨粉稳定性

将骨粉在室温（25℃）下按照3%的质量分数分散于水溶液中，震荡30 s后静置，观察悬浮液沉降情况[27]。

1.3.8 蛋白质溶解性

将骨粉和水按比例0.05∶1称量于离心管（1∶20质量比），震荡混匀，水浴加热10 min（温度分别设置为37、60 和100 ℃），水浴结束后放置冷水中冷却30 min至室温，4 500 r/min离心15 min，取上清液，用凯氏定氮法测定蛋白质含量[28]。

式中是蛋白质溶解度，%；1是上清液中总蛋白质质量，mg；2是样品中总蛋白质质量，mg。

1.3.9 骨粉钙离子释放度

称取1 g牦牛骨粉于50 mL离心管（精确至0.001 g），加入15 mL消化液（用HCl调至pH值为2），添加胃蛋白酶（2 000 U/mL），混匀，封口。将上述离心管放置37 ℃恒温摇床消化90 min，85 r/min。消化结束后，在4 500 r/min条件下离心20 min。取上清，采用原子吸收分光光度计进行检测[26,29]。

1.4 数据处理方法

运用SPSS22.0软件one-way ANOVA对数据进行方差分析，同时利用Duncan新复极差法进行显著性检测，或检验，其中各图同一指标中不同字母表示差异显著（<0.05），运用Origin8.0作图。

2 结果与分析

2.1 ICSE技术液化牦牛骨条件筛选

根据已有研究，蒸汽爆破强度主要由汽爆温度（汽爆压力）和维压时间决定[30]，强度系数与压力和时间呈正相关。在本研究中，牦牛骨（5～10 mm）经ICSE处理后，牦牛骨液化程度随着ICSE压力和保压时间上升而增大，色泽逐渐加深，当汽爆压力大于1.5 MPa时，悬浮液呈现黄褐色，严重影响骨粉色泽，故而本研究选取0.5～1.5 MPa为研究条件。ICSE技术处理后的固液混合物经振动筛（<500目）过滤、离心脱脂、均质得到悬浮液（如图1a所示）。随着保压时间的延长（5～30 min），悬浮液浊度明显变大；当压力从0.5 MPa升到1.5 MPa时悬浮液逐渐由乳白色变为浅黄色。Tonin等[31]发现，羊毛经过汽爆处理后其上清液逐渐变为棕黄色，而这些颜色变化主要由色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等芳香氨基酸中的发色团造成。Zhang等[32]也发现汽爆处理可使羽毛粉发生降解和化学改性，并最终导致其色泽的改变。在本研究中， ICSE处理亦导致了牦牛骨中蛋白质的降解，并且随着压力和保压时间的增大，其降解程度逐渐增大，蛋白质及其降解产物含量不断增高。

悬浮液经喷雾干燥后获得不同ICSE条件下的骨粉，其得率如图1b所示。结果显示，牦牛骨粉得率随着ICSE压力和保压时间增大呈现上升趋势。其中，1.5 MPa 30 min条件下骨粉得率最高，可达46.16%。传统球磨法因颗粒极易产生抱团现象难以滤筛，常通过一步球磨直接获得，因而此处不计损失。与球磨法相比，ICSE法所获得的骨粉得率相对较低，主要是由于汽爆压力较低、保压时间较短，未能将牦牛骨充分破碎。此外，在收集汽爆混合液、喷雾干燥过程也存在部分损失，后期可采用多次蒸汽爆破手段提高速溶骨粉得率实现牦牛骨的高效利用。考虑到骨粉得率，本研究最终选取1.5 MPa 30 min为较佳条件制备牦牛骨粉，并对其理化特性进行分析。

据文献报道，胶原蛋白分子量约为300 kDa，为三股肽链左手螺旋绞合形成的超螺旋结构[33]。为进一步验证骨胶原蛋白经ICSE处理后发生裂解，本研究还对经1.5 MPa 30 min ICSE条件处理后的牦牛骨液化液中的肽分子量分布进行了测定。结果显示（图1c），牦牛骨胶原蛋白裂解成不同分子量肽段随水蒸气溶出，小于5 kDa的肽段相对含量为78.02%，小于0.5 kDa的肽段相对含量可达26.14%，小分子量肽段占比较高。由此推断，ICSE处理可将胶原蛋白的超级螺旋结构打开，并使其肽链发生断裂。

图1 不同ICSE条件下牦牛骨的液化、骨粉得率及肽分子量分布

2.2 球磨法制备牦牛骨粉

该研究参考李少博[16]和Yin等[34]的方法利用球磨法对脱脂牦牛骨进行骨粉制备。考虑到牦牛骨与鱼骨和兔骨的不同，本研究选定转速为400 r/min，球料比为3.66∶1（质量比），探究了球磨时间对骨粉粒径的影响，结果如图2所示。结果表明，骨粉粒径随着时间延长逐渐减小，当球磨8 h，其中值粒径可达 (9.96 ± 0.37)m，随时间进一步延长再无显著变化（> 0.05）。因此，本研究选取转速400 r/min，球料比3.66∶1，球磨时间8 h为较佳球磨条件进行牦牛骨粉制备，并将其作为对照，对其理化特性进行了分析。但与ICSE技术（1.5 MPa 30 min）相比，球磨法制备牦牛骨粉的耗时明显较长。

图2 不同球磨时间对骨粉粒径的影响

2.3 微观结构和粒径分布分析

对经1.5 MPa 30 min ICSE处理后的牦牛骨（股骨体和股骨头）进行电镜扫描，并与未作任何处理的原料牦牛骨进行了对比，结果如图3a、3b、3d、3e所示。与原料牦牛骨相比，牦牛股股骨体经ICSE处理后由表面光滑变得疏松、多孔，而股骨头结构亦遭到明显破坏。Zhang等[32]发现，汽爆处理可使羽毛呈现海绵状，出现许多裂缝和孔洞。在ICSE处理中，饱和水蒸气可产生强大的渗透力并渗透至骨组织中，当压力被瞬间释放时，蒸汽会迅速膨胀并由此产生机械效应在牦牛骨表面形成孔洞。

通过在筛选出的最佳条件下分别对牦牛骨进行ICSE和球磨处理，最终获得了2种牦牛骨粉。通过扫描电镜观察2种骨粉微观结构，结果显示，球磨骨粉粒径较大（<305.00m），多为形状不规则的颗粒（如图3c），而ICSE骨粉颗粒呈现相对均一的椭圆形，形状更加规则，粒径小（<36.50m）而分布均匀（如图3f）。

为进一步分析验证2种不同处理对牦牛骨粉粒径分布的影响，本研究利用实时喷雾测量仪对2种骨粉的粒径进行了分析（图3g和3h）。结果显示，ICSE骨粉的中值粒径（50）为5.61m，呈标准正态分布；球磨骨粉中值粒径（50）为19.68m，呈偏态分布；粒径小于36.50m的球磨牦牛骨粉含量为64.69%。传统球磨工艺耗时长达8 h（如2.2所述），而ICSE技术耗时短（30 min）、易重复，且制备的骨粉颗粒大小分布均匀，因此更具有应用性。该研究结果表明，ICSE工艺可在短时间内制备出粒径分布宽度窄的超微骨粉，极大地简化了生产工艺。

图3 微观结构图和粒径分布图

2.4 ICSE骨粉和球磨骨粉基本成分比较

ICSE骨粉和球磨骨粉的基本成分如表1所示。ICSE骨粉中蛋白质含量高达47.22%，显著高于球磨骨粉（30.80%）（<0.05），这可能由于牦牛骨高温高压处理后，经过瞬时泄压，其含有的胶原蛋白超螺旋结构被打开，并随水蒸气溶出，经过滤筛后，部分大粒径骨渣被筛掉，使蛋白质占比增加。此外，ICSE骨粉的灰分含量为42.23%，显著低于球磨骨粉（59.42%）（<0.05）。研究表明，新鲜牦牛骨中灰分含量达51.49%[13]，而骨组织含有的无机质主要由羟基磷灰石构成[35]，其结构稳定，难以在汽爆的条件下分解并释放，因此存在于大颗粒骨粉中并被滤除。

在骨粉制备过程中，脂肪常因影响骨粉粉碎及易氧化变质而被除去。本研究中，ICSE骨粉脂肪含量显著高于球磨骨粉（<0.05），其主要原因是ICSE工艺采用离心脱脂工艺，其脱脂率低于超声辅助有机溶剂脱脂。但在本研究工艺中，脂肪不影响骨粉制备，且可作为呈香物质在热压条件下可增加骨粉风味，提高感官品质[36]。此外，ICSE技术不存在有机溶剂残留问题，可有效简化脱脂工艺。

本研究利用电感耦合等离子体质谱法对2种骨粉中P、Ca等6种主要矿物质含量进行测定，结果如表2所示。结果显示，ICSE骨粉中P、Ca、Mg、K、Zn等元素含量显著低于球磨骨粉（<0.05），而Na含量高于球磨骨粉。Na元素含量高于对照组可能是其在ICSE处理中随水蒸气溶出，并经过滤筛留至滤液导致。据报道，金属元素在人体中多以有机络合物的形式存在[37]，P、Ca、 Mg、K、Zn等矿物质可能仍以较稳定的形式存在于骨组织中，难以释放，因此，在ICSE工艺处理中随滤渣被除去并随有机质含量增加而使其占比较小。

表1 ICSE牦牛骨粉和球磨牦牛骨粉主要成分

注：“a～b”表示不同样品之间存在显著差异（<0.05）

Note: “a-b” indicate the significant difference between different samples at 0.05 level

表2 ICSE牦牛骨粉和球磨牦牛骨粉主要矿物质含量

注：“a～b”表示不同样品之间存在显著差异（<0.05）

Note: “a-b” indicate the significant difference between different samples at 0.05 level

2.5 ICSE骨粉和球磨骨粉化学结构比较

通常，可根据红外光谱图所表征的化学结构对骨粉中的主要物质进行判别。因此，为探究ICSE处理是否会对骨粉的主要物质结构造成影响，本研究以球磨骨粉为对照在400～4 000 cm-1范围内进行了化学结构分析，结果如图4所示。红外光谱分为指纹区（400～1 300 cm-1）和官能区（1 300～4 000 cm-1）。指纹区反映单键的伸缩振动和变形振动，分子结构不同吸收峰则会表现差异性[38]；官能区用于检测物质中官能团的种类以及变化[39]。

图4 牦牛骨粉傅里叶变换红外光谱图

如图4所示，2种牦牛骨粉的出峰位置基本一致，其中563 cm-1和604 cm-1为骨粉羟基磷灰石中PO3-4的弯曲振动吸收峰[40]，874 cm-1是CO32-的弯曲振动吸收峰，为CO32-进入羟基磷灰石晶格取代 PO43-的特征吸收峰[18,41-42]，1 456 cm-1和1 547 cm-1是CO32-的拉伸振动吸收峰[40]，1 033 cm-1为PO3-1的对称伸缩振动[43]，皆为骨粉中矿物质的主要表征。1 239 cm-1属酰胺Ⅲ带，是C-N伸缩振动和N-H弯曲振动，以及甘氨酸主链脯氨酸侧链上-CH2的非平面摇摆振动的特征吸收峰；1 600～1 700 cm-1多肽主链上 C=O伸缩振动，1 657 cm-1属酰胺I带吸收峰；1 746 cm-1为酯类C=O伸缩振动峰，为油脂吸收峰[41]；2 855 cm-1和2 924 cm-1的吸收峰是C-H有机物拉伸振动吸收峰[25,41]，而3 310 cm-1处的吸收峰被认为是羟基拉伸带。总体而言，ICSE骨粉与常规球磨骨粉的红外扫描图谱基本一致，这表明2种骨粉在化学结构上不存在差异性，ICSE技术制备牦牛骨粉具有一定的适用性。

2.6 ICSE骨粉和球磨骨粉悬浮液的稳定性比较

目前常规方法制备的骨粉溶解性和其悬浮液稳定性都较差。为探究ICSE骨粉的溶解性及其悬浮液稳定性，该研究将2种牦牛骨粉按一定比例震荡溶解并进行静置（0～30 min）并观察两者的沉降状态，结果如图5所示。初始时，ICSE骨粉迅速溶解而常规球磨骨粉仍有部分未溶解，这表明ICSE技术所制备的牦牛骨粉具有较好的溶解性，并表现出速溶特性。随着静置时间延长至5 min，对照组明显变澄清并产生沉淀；而ICSE骨粉依然呈现均一的悬浮液状态，10 min后才逐渐产生少许沉淀；当静置30 min后，球磨骨粉则变得澄清透明，且表面漂浮的骨粉仍未溶解。因此，ICSE处理可使牦牛骨粉获得较好的溶解性和稳定性。

2.7 ICSE骨粉和球磨骨粉蛋白质溶解度及钙离子释放度比较

本试验选择了37、60、100 ℃ 3个温度对2种不同牦牛骨粉的蛋白质溶解性进行探究。结果显示（图 6a），在37、60、100 ℃条件下，ICSE骨粉的蛋白质溶解度分别为97.17%、95.29%、82.07%，球磨骨粉分别为4.07%、6.47%、10.17%。在3个温度处理下，ICSE骨粉的蛋白质溶解度显著高于球磨骨粉（<0.01）。如2.1节中对牦牛骨液化液中肽分子分布的讨论，牦牛骨经ICSE处理后，蛋白质与羟基磷灰石紧密结合的超螺旋结构被打开，从骨中大量解离并溶于水中；而球磨处理未能破坏骨中的蛋白质的超螺旋结构，蛋白质仍与羟基磷磷灰石紧密结合[44]，难以释放，因此溶解度很低。此外，随着温度升高，ICSE骨粉蛋白质溶解度降低，而球磨骨粉蛋白质溶解度逐渐上升，这可能是ICSE骨粉中蛋白质在高温条件下变性沉淀导致，而球磨骨粉中部分蛋白质随温度升高逐渐水解并溶于水中。

图5 ICSE牦牛骨粉与球磨牦牛骨粉的稳定性

骨粉因钙元素含量丰富，常被作为钙补充剂广泛应用。但因其主要以磷酸钙的形式存在于羟基磷灰石中，难以被吸收利用。该研究为探讨ICSE工艺对对骨粉钙离子释放能力的影响，通过在模拟胃部消化环境对骨粉的钙离子释放度进行了测定。结果如图6b显示，ICSE骨粉和球磨骨粉钙离子释放度分别为67.42 mg/g和14.25 mg/g，前者显著高于后者（<0.01）。这可能由于经ICSE技术处理后骨结构变得疏松多孔（如图3d、3e），胃蛋白酶容易作用于胶原蛋白并使羟基磷灰石裸露，从而促进了钙离子释放。

注：字母A～B表示不同样品之间存在显著差异（P <0.05）

3 结 论

本文通过瞬时弹射式蒸汽爆破技术液化牦牛骨制备了牦牛骨粉，并对其理化特性进行了分析，主要得出以下几点结论：

1）瞬时弹射式蒸汽爆破（instant catapult steam explosion）处理能改变牦牛骨微观结构，使其变得疏松多孔，随汽爆压力（0.5～1.5 MPa）的增大和保压时间（5～30 min）的延长，牦牛骨液化程度逐渐提高；当ICSE条件为1.5 MPa 30 min时，牦牛骨粉得率可达46.16%。

2）与常规球磨牦牛骨粉（400 r/min，8 h，球料比3.66∶1）相比，ICSE牦牛骨粉颗粒多表现为较规则的椭圆形，粒径呈正态分布，其悬浮液具有较好的稳定性；ICSE牦牛骨粉蛋白质溶解度较高，在37℃条件下可达97.17%，其钙离子释放度为67.42 mg/g，明显优于球磨骨粉（<0.01）。

3）与传统球磨工艺相比，ICSE技术缩短了骨粉制备工艺时长，所得骨粉粒度小并具有优异的溶解性，产品质量较高。该研究探索了一种制备速溶牦牛骨粉的新方法，为瞬时弹射式蒸汽爆破技术应用领域的扩大奠定了基础。

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Preparation of instant yak bone powder by using instant catapult steam explosion and its physicochemical properties

Qin Xiaojie, Shen Qingshan, Zhang Chunhui※, Zhang Hongru, Jia Wei

(,,100193,)

In order to solve the problem of insolubility of bone powder and improve preparation process, the instant yak bone powder was prepared by liquefying yak bone with instant catapult steam explosion (ICSE), and the elemental nutrients and physicochemical properties of which were also analyzed comparing with the bone powder prepared by traditional ball-milling method.Firstly, according to the liquefaction rates of yak bone and the yields of bone powder under different pressures and maintaining times, the best ICSE condition was selected. The yields were calculated based on dry material after sieving and spray drying. Then, the physicochemical properties including the chemical structure, particle size distribution, micro-morphology, instant solubility, sedimentation, protein solubility and calcium release of yak bone powder were analyzed and compared.The results showed that the highest yield of yak bone powder was 46.16% prepared by ICSE technology under 1.5 MPa for 30 min. Therefore, the instant powder was prepared by this condition, and its nutritional components and physicochemical characteristics were analyzed. By analyzing the molecular weight distribution of peptides in liquefaction under 1.5 MPa for 30 min, it was found that bone collagen was broken into peptides with different molecular weights, and the peptides with molecular weight less than 0.5 kDa accounted for 26.14%.Also, we found that the bone microstructure treated by ICSE was looser and more porous observed by scanning electron microscope. Compared with the ball-milling yak one powder, the chemical structure of ICSE yak bone powder had no obvious change since the peak positions of Fourier infrared spectroscopy were similar. The median particle size of ICSE yak bone powder was 5.61m, which was significantly smaller (<0.05) than that of ball-milling yak bone powder, and the particle size distribution was more uniform because of the regular normal distribution while the median particle size of ball-milling yak bone powder was 19.68mwitha skewed distribution.Through the determination of basic ingredients of yak bone powder, it was found that both protein and fat contents of yak bone powder prepared by ICSE were significantly (<0.05) higher than that of ball-milling yak bone powder while ash was less. Meanwhile, the contents of main minerals such as P, Ca, Mg, K, Zn decreased significantly (<0.05) in ICSE yak bone powder while that of Na increased significantly. Additionally, the ICSE yak bone powder had better solubility and stability than ball-milling yak bone powder. It is soluble in water at room temperature, and no obvious precipitation occurs within 10 minutes. Comparatively, it gradually became clear and transparent with the extension of time for ball-milling yak bone powder. Besides, the protein solubility of ICSE yak bone powder increased significantly (<0.01), which were 97.17%, 95.29%, 82.07% at 37 ℃, 60 ℃, 100 ℃ while the ball-milling yak bone powder were 4.07%, 6.47%, 10.17%, respectively. In addition, the calcium release of ICSE yak bone powder could reach 67.42 mg/g while that of ball-milling yak bone powder was only 14.25 mg/g. The ICSE method for preparing instant yak bone powder can shorten the preparation time and improve the product quality. Therefore, ICSE technology can be used as a new and efficient method to improve the value of bone byproducts.

pressure; particle size; instant catapult steam explosion; yak bone; liquefaction; instant; bone powder

秦晓洁，沈青山，张春晖，张鸿儒，贾 伟. 瞬时弹射式蒸汽爆破法制备速溶牦牛骨粉及其理化特性[J]. 农业工程学报，2020，36(4)：307－315. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.037 http://www.tcsae.org

Qin Xiaojie, Shen Qingshan, Zhang Chunhui, Zhang Hongru, Jia Wei. Preparation of instant yak bone powder by using instant catapult steam explosion and its physicochemical properties[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 307－315. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.037 http://www.tcsae.org

2019-10-25

2020-01-19

西藏自治区重点科研项目“特色农产品加工技术与产品开发”（XZ201801NA04）；国家“万人计划”科技创新领军人才项目；国家农业科技创新工程

秦晓洁，博士生，研究方向为农产品加工利用。Email：xiaojie_qin0915@163.com

张春晖，河南固始人，研究员，博士生导师，研究方向为肉品科学。Email：dr_zch@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.037

TS251.9

A

1002-6819(2020)-04-0307-08