蒸汽爆破对牛骨理化特性的影响

张舒晴，刘圣勇,，马 鹏

（1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002；2.河南农业大学 农业农村部农村可再生能源新材料与装备重点实验室，河南 郑州 450002；3.郑州工程技术学院生物质高值利用研发中心，河南 郑州 450044）

我国是畜禽养殖大国，2018年全年肉类总产量8 517万 t[1]，约产生2 668.75万 t的畜禽骨副产品，除去可直接食用的部分，如排骨、腔骨，剩余的绝大部分骨头若无法充分利用，则会造成巨大的骨骼资源浪费[2-3]。畜禽骨主要由水分、无机盐（钙和磷等）、蛋白质以及脂肪组成。其中蛋白质与钙、磷等无机盐含量较高，包含多种人体所需氨基酸及微量元素，而软骨素及骨胶原等营养组分则多存在于骨髓中[3-5]。

目前国内外对畜禽骨的利用主要分为两个方面：一是作为骨类食品的原料，如骨素[6-7]、骨粉[8-9]、骨油[9-10]、骨汤[11-12]等；二是制备羟基磷灰石[13-15]。在对畜禽骨进行深加工和利用之前，通常需要将其粉碎或软化，而这一步骤很大程度上增加了成本，从而阻碍了畜禽骨加工利用的产业发展。若能有某种方法或工艺使畜禽骨硬度降低，甚至直接变为粉末或液体，方便下一步的深加工，则畜禽骨的利用率应会上升。邱志超[16]、王阳光[17]、吴克刚[18]等研究了高压和酸处理对鱼骨硬度的影响，结果表明高压和酸处理使鱼骨的硬度显著下降；柴向华等[19]研究了高温蒸煮对鸡骨的影响，结果表明在0.12 MPa下蒸煮45 min最佳；刘建华等[20]研究了高温水煮和酸煮对猪骨硬度及化学成分的影响，结果表明猪骨硬度的显著下降出现在高温水煮或酸煮40 min后；张崟[21]、张婷[22]、陈丽尧[23]等研究了猪骨超微粉碎工艺，提高了粉碎率，而处理时间则在60 min左右；Boutinguiza等[13]将鱼骨在600 ℃的高温下煅烧12 h后得到了羟基磷灰石；Ooi等[14]的研究结果表明，2 h的600 ℃退火处理可将牛骨中的有机物完全去除；Barakat等[15]对比了3 种从牛骨中提取羟基磷灰石的方法：亚临界水法需要将反应器在250 ℃的硅油中加热1 h；碱热水解法需要在250 ℃的环境下持续5 h；热分解法则需要持续加热1 h。上述的处理方法虽然能有效地使畜禽骨软化、粉碎或改变其成分，但都存在对温度要求过高及耗时过长的缺点。

蒸汽爆破技术因其粉碎效果好、耗时短等优点，近年来多作为预处理技术应用于以植物为原料的研究。隋文杰等[24]对汽爆过程进行了解析，汽爆以水作为介质，充满物料的孔隙，而在泄压瞬间，物料孔隙内液态水发生闪蒸而高压蒸气体积急剧膨胀对外做功，对物料起到物理撕裂作用从而破坏物料结构。本实验将蒸汽爆破技术应用于牛骨处理研究，研究在不同的参数条件下，蒸汽爆破对于畜禽骨的理化特性的影响，为制备牛骨类食品及羟基磷灰石提供新的前处理技术与理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牛腿骨由河南伊赛牛肉有限公司提供。

六偏磷酸钠、硫酸铜、硫酸钾、硼酸、甲基红指示剂、溴甲酚绿指示剂、亚甲基蓝指示剂、氢氧化钠、体积分数95%乙醇、高氯酸、氧化镧、对苯二酚、无水亚硫酸钠、钼酸铵、氯化亚锡、硫酸肼（均为分析纯）、硫酸、硝酸、盐酸、高氯酸（均为优级纯） 阿法埃莎（中国）化学有限公司；溴化钾（光谱纯） 德国Merck公司。

1.2 仪器与设备

QBS-80B蒸汽爆破装置 鹤壁正道生物能源有限公司；101-3AS鼓风干燥箱 郑州安晟科学仪器有限公司；Mastersize 2000激光粒径分析仪 英国马尔文公司；TA.XT.Plus物性测试仪 英国Stable Micro Systems公司；K130全自动凯氏定氮仪 济南海能仪器股份有限公司；Nicoleti S10傅里叶变换红外光谱仪美国Thermo Fisher Scientific公司；AA-6300C原子吸收分光光度计 日本岛津公司。

1.3 方法

1.3.1 实验前处理

将牛腿骨剔除骨髓及表面残留的碎肉、筋、膜等组织后，切成长、宽约为5 cm的块状，随机分为25 组后，放入蒸汽爆破装置，分别在不同的压强（1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 MPa）和保压时间（100、300、500、700、900 s）下进行爆破处理。

根据汽爆后样品的形态，将其分为全固态（即样品维持原本的尺寸与形状或破碎的样品，质量不超过样品总质量的10%）、半固态、全液态（指未有直径大于1 mm的固体颗粒，即可通过18 目的筛网）。

将全固态及半固态样品中的未完全破碎的块状物进行硬度、钙、磷及粗蛋白含量的测定，以及傅里叶变换红外光谱分析，探究蒸汽爆破前后牛骨硬度、钙、磷、粗蛋白含量及官能团的变化。液态样品与半固态样品（破碎的样品质量＞处理前总质量的60%）在测定粒径后，分别使用纱布进行过滤，分析不同爆破参数对样品粒径的影响。对过滤后的固体颗粒进行钙、磷及粗蛋白含量的测定，以及傅里叶变换红外光谱分析；液体用于钙释放率的测定，分析不同爆破参数对钙释放率的影响。所有指标的检测均重复3 次，钙、磷及蛋白质含量均为干基含量。

1.3.2 粒度的测定

使用激光粒径分析仪进行湿法测定样品的粒度（假设样品颗粒为球形）。参考Yin Tao等[25]的方法并略作改动。使用离子水将样品中固体的质量浓度调整至1 g/100 mL，使用质量浓度为0.2 g/100 mL的六偏磷酸钠为分散剂。

1.3.3 硬度的测定

采用TA.XT.Plus物性测试仪进行样品的硬度测定。参考丘志超[16]与刘建华[20]等的方法，探头：HDP/BS，测试前速率：1.5 mm/s；测试速率：2.0 mm/s；测试后速率：10.0 mm/s；下压距离：strain 90%。记录峰值读数，单位为g。

1.3.4 粗蛋白含量的测定

按照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》[26]中的凯氏定氮法测定蛋白质含量，其中蛋白质的换算系数为6.25。

1.3.5 钙及磷含量的测定

钙含量的测定：按照GB 5009.92—2016《食品安全国家标准 食品中钙的测定》[27]中火焰原子吸收光谱法测定钙含量。

磷含量的测定：按照GB 5009.87—2016《食品安全国家标准 食品中磷的测定》[28]中钼蓝分光光度法测定磷含量。

1.3.6 傅里叶变换红外光谱分析

采用傅里叶变换红外光谱仪测定牛骨红外吸收图谱，采用溴化钾压片法进行压片，将经过干燥的试样与溴化钾在玛瑙研钵中研细，置于模具中并在压片机上压成透明薄膜进行测定，具体参数为：测试分辨率为4 cm-1，扫描次数为40 次，测试范围为400～4 000 cm-1。

1.3.7 钙释放率的测定

取过滤后的液体样品加入离子水定容后，过0.45 µm滤膜并进行稀释。将稀释液放入原子吸收分光光度计进行钙含量的测定。钙的释放率为可溶性钙含量占样品中钙的总含量的质量分数。

1.4 数据统计分析

所有数据均采用Origin 2018软件进行汇总与作图，使用SPSS 19.0软件进行显著性分析（单因素方差分析，P＜0.05表示差异显著）。所有结果均以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 蒸汽爆破条件对牛骨粒度的影响

蒸汽爆破后液态样品与部分半固态样品的平均粒径如表1所示。当压强一定时，牛骨的平均粒径随着蒸汽爆破时间的延长而显著减小（P＜0.05）。骨皮质由无机相、有机相及水组成，其中有机物组成排列紧密的网状结构使骨骼具有韧性，而无机物则填充进入有机物形成的网络结构中，保证了骨骼硬度的同时也使骨骼具有抵抗外力破坏的能力[29]。蒸汽爆破技术通过加压的方式提升物料箱内温度，通过骨胶原蛋白的变性与降解，破坏其形成的致密的有序网状结构，从而使骨骼易碎。气体在保压期间渗入骨骼的孔隙，在泄压的瞬间爆破，从而达到粉碎骨骼的目的。

表1 不同蒸汽爆破条件下的牛骨平均粒径Table 1 Average particle size of bovine bones subjected to steam explosion with different processing parameters

图1 不同蒸汽爆破条件下牛骨的粒径分布Fig. 1 Particle size distribution of bovine bones subjected to steam explosion with different processing parameters

图1表示不同蒸汽爆破条件下牛骨的粒径分布。随着压强的增大与时间的延长，气体更加充分地渗入骨骼，使爆破的牛骨粒径缩小并且分布的范围集中。

2.2 蒸汽爆破条件对牛骨硬度的影响

不同压强与时间下，蒸汽爆破对牛骨硬度的影响及变化趋势如图2所示。就整体趋势而言，牛骨硬度随压强的增大与时间的延长而减弱。随着时间的延长，牛骨硬度显著下降（P＜0.05）；随着压强的上升，牛骨硬度显著下降（P＜0.05）。相较于压强变化带来的影响而言，时间对牛骨硬度的变化更为敏感。同时增加压强并延长时间，有助于加速牛骨的软化，二者有协同作用。牛骨由蛋白质等有机质及碳酸钙等无机质组成，二者相互支撑共同维持骨的结构。其中羟基磷灰石及无定形的碳酸钙及磷酸钙作为无机质的主要存在形式，为牛骨提供硬度，使其质地坚硬[26]。因此，牛骨中有机物的变性以及无机物的析出导致牛骨成分及结构发生改变，从而影响牛骨的机械强度与形态。

图2 不同蒸汽爆破条件对牛骨硬度的影响Fig. 2 Effect of pressure and holding time for steam explosion on hardness of bovine bones

2.3 蒸汽爆破条件对牛骨中蛋白质含量的影响

图3 不同蒸汽爆破条件下牛骨蛋白质含量随保压时间（A）及压强（B）的变化Fig. 3 Effect of holding time (A) and pressure (B) for steam explosion on protein content of bovine bones

选取在压强1.6 MPa、时间500 s的牛骨与新鲜牛骨（对照组）进行对比，其蛋白质含量（20.7±1.5）g/100 g明显低于新鲜牛骨（26.1±0.1）g/100 g。

不同压强条件与时间对牛骨蛋白质含量的影响如图3所示，总体来看，蛋白质含量随着压强的增加与时间的延长而降低。其中，图3A以1.6 MPa为分界线，1.2 MPa与1.4 MPa的趋势相近，1.8 MPa与2.0 MPa的趋势相近。在1.2 MPa与1.4 MPa压强下，随着时间的延长，蛋白质含量分别呈下降趋势；而在1.8 MPa与2.0 MPa压强下，随着时间延长至500 s，蛋白质含量急速下降，而时间大于500 s时，蛋白质含量下降速率减缓并逐渐趋于平缓。在不同的时间条件下，蛋白质含量随压强增大而降低（图3B）。

2.4 蒸汽爆破条件对牛骨中钙、磷含量的影响

不同压强条件与时间对牛骨钙、磷含量的影响如图4所示，总体来看，蒸汽爆破对牛骨固体中钙、磷含量影响相似，呈现出的趋势均为随着压强的增大与时间的延长而减小。相较于蛋白质含量的减少量（g/100 g），钙、磷含量的减少量（mg/g）小了一个量级，说明蒸汽爆破对牛骨中有机物含量的影响远大于对无机物的影响[29]。

图4 不同蒸汽爆破条件下牛骨钙含量（A）及磷含量（B）的变化Fig. 4 Effect of pressure and holding time for steam explosion on calcium (A) and phosphorus (B) contents of bovine bones

牛骨中的钙大多存在于组成牛骨的无机物中，而无机物则与形成致密网状结构的有机物有机结合，通常难以溶出[30]。由图5可知，随着压强的增大与时间的延长，钙离子的释放率显著增加（P＜0.05），这与牛骨中有机物形成的网状结构被破坏、无机物被裸露释放有关[25]。900 s后，5 种蒸汽爆破压强下产生的骨液中钙的释放率与100 s后钙的释放率相比提高了近3 倍。骨液的钙释放率随着时间延长而增加，这与李亚杰等[31]在研究纳米骨液制品性质中的结果相似，其原因可能与蒸汽爆破过程中也产生了可溶性的氨基酸有关，但还需进一步研究。

图5 不同的蒸汽爆破条件下牛骨钙释放率随保压时间（A）及保压时间与压强共同作用（B）的变化Fig. 5 Effect of holding time (A) and its interaction with pressure (B)for steam explosion on calcium release from bovine bones

2.5 傅里叶变换红外光谱分析结果

图6 不同压强条件与保压时间下牛骨的傅里叶变换红外光谱图Fig. 6 FTIR spectra of bovine bones subjected to steam explosion under different pressures and holding times

不同压强与时间下的牛骨红外吸收光谱与羟基磷灰石的傅里叶变换红外光谱如图6所示，与美国自然博物馆收藏的天然羟基磷灰石[32]的傅里叶变换红外图谱相似。以压强1.2 MPa、时间100 s为例，相对于羟基磷灰石，牛骨的傅里叶变换红外光谱图上的峰较多，因为牛骨中不但含有无机物，还含有有机物。单就牛骨而言，随着压强的增大和时间的延长，牛骨内物质随着蒸汽爆破而流失，因此傅里叶变换红外光谱图的峰逐渐清晰。在1 034 cm-1处的峰位属于v3 PO43-反对称拉伸振动峰，在960 cm-1处的峰位属于v1 PO43-对称拉伸振动峰，在603 cm-1处的峰位属于v4 PO43-反对称弯曲振动峰，在563 cm-1处的峰位属于v2 PO43-对称弯曲振动峰[33-34]；在1 456、1 416 cm-1处及871 cm-1处的峰位属于v2 CO32-振动峰，是B型碳酸磷灰石（被取代）的特征[35]；的3 个特征吸收峰与的2 个特征吸收峰在图中的位置无明显差异，说明蒸汽爆破对牛骨中的羟基磷灰石及其官能团无明显影响。在2 961 cm-1处的峰位属于C—H基团伸缩振动峰，代表牛骨中有机物[36]。在1 659 cm-1处的峰位属于C＝O基团的伸缩振动峰，与蛋白质的二级结构变化相关[37]。在未处理牛骨的红外光谱图中1 544 cm-1处的峰位处于酰胺II带，是N—H弯曲振动和C—N伸缩振动引起的吸收峰[36]，代表骨胶原蛋白三股螺旋结构中氢键结构的存在，而在处理后的牛骨中未见此峰位，因此可判断蒸汽爆破对骨胶原蛋白的螺旋结构有破坏作用。对比不同压强和时间下的牛骨红外光谱图还可以发现，高压强和长时间下的牛骨红外吸收峰强度明显小于低压强和短时间下的牛骨，说明汽爆过程中增压或延长时间可以降低牛骨中有机物含量。此外，随着压强的增大及时间的延长，有机物及水的吸收强度降低，蒸汽爆破后固态牛骨的红外光谱图趋近于羟基磷灰石，说明汽爆可以有效地破坏骨蛋白螺旋结构，改变牛骨成分，使牛骨内有机物质流失析出，并可作为利用畜禽骨制备羟基磷灰石的一种手段。

3 结 论

蒸汽爆破对牛骨硬度及化学成分的影响结果表明，蒸汽爆破后的固态牛骨硬度随着汽爆参数的增大而显著下降（P＜0.05），因此，增大压强及延长时间更有利于牛骨的软化及碎化；蒸汽爆破后的固态牛骨中多种物质含量下降，其中蛋白质含量显著降低（P＜0.05）；随着压强的增大与时间的延长，固态牛骨的红外吸收光谱愈发趋近于羟基磷灰石晶体的傅里叶变换红外光谱图。蒸汽爆破后的液态牛骨随着汽爆参数的增大，其粒径分布逐渐集中，平均粒径逐渐减小，而钙离子的释放率则逐渐增大，增大压强及延长时间更有利于牛骨中钙离子的释放。牛骨经蒸汽爆破后，由原本的固态变为液态与固态共存的形式，其中固体可用于制备羟基磷灰石，而液体则可用于制作牛骨类食品，从而实现牛骨的全利用。