物理改性技術在食品加工副產物綜合利用中的應用

周麗媛，唐曉珍，李寧陽，董玉秀，張慧

(山東農業大學，山東 泰安 271018)

食品工業的快速發展產生了大量的加工副產物，如果渣、果皮、米糠、豆粕、魚骨等，這些副產物大多含有豐富的營養物質，具有較高的營養、經濟價值。但由于副產物自身口感粗糙、加工特性較差，常被飼料化處理或丟棄，造成環境污染和資源浪費，為提高副產物的綜合利用率，可對其進行改性處理，以改善物料的加工特性、理化特性、功能特性和食用品質，從而提高其利用范圍和價值。物料改性加工方式主要分為物理改性、化學改性和生物改性。物理改性是指利用機械力、熱能、高頻振蕩、物理場等手段對物料進行處理，主要包括擠壓處理、高壓處理、超聲波處理、超細化處理和熱處理。物理法相較化學、生物法而言具有無污染、工藝簡單、成本較低等優勢，在食品加工中深受青睞。本文對近年來國內外采用超微粉碎、擠壓膨化、超高壓、超聲波技術在副產物改性中的應用進展進行了綜述，以期為物理改性技術在食品加工副產物中的有效應用提供一定的參考。

1 超微粉碎技術

1.1 超微粉碎技術簡介

超微粉碎技術是21世紀十大科學技術之一，是利用機械或流體動力方式克服物料內部凝聚力使之破碎。通過超微粉碎改善物料的物理狀態、化學構成和理化性質，更好地提高物料加工品質，是一種良好的改性手段，根據物料載體種類不同分為干法粉碎和濕法粉碎。

1.2 超微粉碎在副產物中的應用

1.2.1 糧谷類副產物改性加工

糧谷類加工副產物在食品工業中占比較大，超微粉碎技術在副產物綜合利用中得到廣泛應用。Craeyveld等[1]研究球磨超微粉碎處理小麥麩皮后更利于人體吸收，其麩皮中水溶性阿拉伯木聚糖由4%提高到61%。程姣姣[2]探究豆渣改性工藝，經超微粉碎改性后豆渣色澤改善，呈現乳白色，顆粒光滑，陽離子交換能力、可溶性膳食纖維、溶解性均明顯提高但持油力下降，面粉添加7.5%豆渣超微粉后，面條的咀嚼性、彈性均有改善。陳菊紅等[3]研究濕法超微粉碎對馬鈴薯渣的改性和物理性質的影響，結果表明其粘度、膨脹力、持水力分別提高4083.3%、156.2%和31.4%。張媛等[4]研究超微粉碎脫脂小米糠抗氧化性提高，對益生菌乳酸菌、雙歧桿菌具有增殖作用，并可減小對大腸桿菌的增殖，超微粉碎程度越大，益生作用越顯著。張根生等[5]采用濕法超微粉碎對馬鈴薯渣不溶性膳食纖維進行改性，通過實驗確定最佳改性條件為膠體磨齒間距8.00 μm、轉速3000 r/min、時間5 min、料液比1∶60(m/V)，在此條件下不溶性膳食纖維溶解度達18.33%。王安建等[6]在超微粉碎改性玉米皮膳食纖維技術研究中得出當粉碎細度在160～200目時膳食纖維吸水性、吸油性和陽離子交換能力均有明顯改善，且玉米皮中的水不溶性膳食纖維含量未見明顯變化。滿永剛[7]對制取大豆油所得豆皮進行改性，將超微粉碎豆皮膳食纖維粉添加到面包中，制作的高纖維面包口感和保健作用較好。

1.2.2 果蔬加工副產物改性加工

果渣、果皮、蔬菜渣含有大量功能活性成分，大量丟棄會造成環境污染和資源浪費。郭莉[8]研究表明超微粉碎脫苦錦橙皮渣總黃酮含量、持水力、持油力增加，水溶性和色度值增加4.19%和11.02%。于濱等[9]實驗表明苦瓜渣經超微粉碎后其可溶性膳食纖維含量達17.20%，溶脹性為16.29 mL/g，可降低α-淀粉酶和α-糖苷酶的酶解，有效提高其纖維體外降血糖活性。程明明等[10]對比干法和濕法超微粉碎改性，研究發現西番蓮果皮膳食纖維對脂肪酸、膽固醇、亞硝酸根離子和膽酸鈉的吸附能力都有提高且濕法優于干法。張江寧等[11]研究超微粉碎對紅棗渣理化性質影響，得出微細棗渣持水性、溶脹性增強，模擬胃環境吸附膽固醇能力強，對飽和油脂吸附能力強，高濃度可促進對膽酸鈉的吸附。林麗靜等[12，13]研究干法超微粉碎對菠蘿皮渣和芒果皮理化特性的影響，發現隨著超微粉碎時間的增加，菠蘿皮渣和芒果皮粉體流動性均改善，持水力和持油力提高且多酚溶出量增加。楊遠通[14]對獼猴桃渣進行改性處理，結果表明超微粉碎后其膳食纖維的比表面積和持水力顯著提高、對NO2-、葡萄糖、鎘離子和鉛離子的吸附性均增強。王強等[15]研究改性柚皮膳食纖維對大鼠肌肉及血糖水平的影響，超微粉碎高劑量組使大鼠血糖、胰島素和糖化血清蛋白水平分別降低66%、12.1%和47.5%，且C-肽和T-AOC水平也顯著提高35.7%和51.9%，此改性結果對開發柚皮纖維食品、提高柚皮利用價值具有參考意義。賀磊等[16]證實油茶果殼經超微粉碎達500目時，易在木材膠黏劑中分散，比表面積增大，吸附性增強，可吸收木材膠黏劑中的游離甲醛，將超微粉碎后的果殼用于木材膠黏劑改性劑對脲醛樹脂固化可能有促進作用，但也可能會影響酚醛樹脂固化。

1.2.3 其他加工副產物改性加工

李學鵬等[17]研究鰈魚骨超微細魚骨泥的加工工藝，結果表明超微粉碎時按冰水與骨泥1∶5(W/V)粉碎2次，可獲得100目的微細魚骨泥，得率達60.57%，其蛋白質含量較高，脂肪含量較低，鈣磷比接近2∶1，營養物質均衡。Gao等[18]研究球磨干磨、濕磨、高壓氣流式超微粉碎3種粉碎方式對小黃魚頭骨特性的影響，得出其體積密度、蛋白質溶解度、鈣磷比均有提高，濕磨粉末吸水快，持油性、流動性好，干磨持水性最好且顆粒尺寸最小。陶學明[19]試驗表明梭子蟹殼微粉具有高蛋白、低脂肪、無機物豐富的特點，蟹味面包最適添加量為2.0%，是一種良好的礦物補充劑和食品添加劑。車麗濤[20]研究得出副產物復合蛋白經過超微粉碎和磷酸加酶水解后可顯著降低仔豬的腹瀉率。

2 擠壓膨化技術

2.1 擠壓膨化技術簡介

擠壓膨化是采用高溫短時處理和干燥技術對物料進行成型加工的創新技術。目前食品工業中應用廣泛的主要是螺桿擠壓機，分為單螺桿、雙螺桿和多螺桿，擠壓膨化可使物料的組織結構、外觀及理化特性等發生改變，在改善產品適口性方面優勢顯著，具有原料利用率高、營養成分保持良好、耐儲存、生產能力大等優點。

2.2 擠壓膨化在副產物中的應用

2.2.1 果蔬加工副產物改性加工

焦妍津[21]對藍莓果渣進行擠壓膨化處理，研究表明經擠壓膨化處理后藍莓果渣中花青素、黃酮醇的含量分別達到了2.551，1.677 mg/g，制得的膨化產品水溶性指數為48.73%，易于人體消化吸收。陶姝穎等[22]研究釀酒葡萄皮渣的改性效果，得出擠壓膨化有利于提高纖維的持水力、膨脹力及陽離子交換能力，但其抗氧化活性則顯著降低。葛邦國等[23]研究擠壓改性對蘋果渣膳食纖維、果膠等含量的影響，證實擠壓膨化改性后果膠含量增加146.81%，不溶性膳食纖維含量較原樣減少31.42%，并得出最佳改性工藝條件為壓力1.2 MPa、螺桿轉速200 r/min、物料含水量30%、擠壓溫度130 ℃。牛偉偉[24]采用單螺桿擠壓膨化機處理蓮藕渣并與其他谷類、薯類物料復配生產膨化食品，擠壓加工后物料的水溶性指數明顯提高，更利于人體消化吸收。王聰等[25]研究杏鮑菇深加工剩余殘渣的加壓膨化改性，研究表明當殘渣含水量25%、喂料速度29 Hz、擠壓轉速97 r/min、套筒溫度103 ℃時其殘渣可溶性膳食纖維較未處理前提高了46%，此改性方式大大提高了杏鮑菇深加工殘渣的利用率。葉發銀等[26]以番茄醬加工副產物番茄皮制得的膳食纖維為原料進行改性，研究得出經二氧化碳爆破擠壓處理后，其纖維表面粗糙、結晶度下降、尺寸減小且水溶性纖維含量上升。李娜[27]研究歐李果渣膳食纖維改性工藝，研究表明在果渣水分添加量為40%，粒度為80目，擠出溫度為140 ℃，螺桿轉速為160 r/min的條件下可溶性膳食纖維含量達24.87%，且SDF的吸附性、水合性質及陽離子交換能力均有不同程度的提高，經擠壓改性后果渣的理化性質得到改善。

2.2.2 糧谷類副產物改性加工

王旭[28]研究表明米糠經擠壓膨化改性后，其鐵離子還原能力以及DPPH自由基清除能力加強，可溶性固形物增多，米糠膳食纖維表面疏松，物化性質得到明顯改善。王磊等[29]對花生殼可溶性膳食纖維進行改性，改性后SDF分子量減小，對金屬離子鉛、砷、銅的吸附性增強。謝怡斐[30]在改善豆渣食用品質研究中得出擠壓膨化后豆渣的功能性有所改善，陽離子交換能力提高17.2%，膨脹力和粘度分別提高4.5%和12.9%。閆曉光[31]在擠壓處理麥麩提取膳食纖維工藝及性質實驗中得出經擠壓處理后小麥麥麩可溶性膳食纖維含量較原麥麩提高了70%，持水性、持油性、膨脹性顯著提高，擠壓改性最佳工藝為溫度140 ℃、擠壓轉速150 r/min、物料含水量20%。李昊陽[32]采用擠壓膨化預處理輔助提取玉米皮多糖，研究表明雙螺桿擠壓膨化主要改變了玉米皮的物理結構和熱化學性質，其孔隙率增加，增大了與溶劑的接觸面積，改善了玉米皮降解的熱穩定性，半纖維素和非結晶區的纖維素發生部分降解，玉米多糖基本結構無顯著變化，酸性多糖熱穩定性提高，中性多糖熱穩定性下降，多糖得率增加且粗多糖抗氧化性提高，但純化后多糖抗氧化性下降。胡光耀等[33]以紅薯豆粕為原料生產膨化食品，得出最佳工藝配方為水分含量12%、機筒溫度140 ℃、螺桿轉速400 r/min、擠壓機?？谥睆?.3 cm。經擠壓膨化處理后豆粕的口感和理化性質得到改善，可提高其利用價值。

2.2.3 其他加工副產物改性加工

除果蔬、糧谷類副產物改性加工外，擠壓膨化技術也被應用于茶葉、水產等其他加工副產物的改性。黃茂坤等[34]在鐵觀音茶梗的擠壓膨化改性研究中得出改性后茶梗的可溶性膳食纖維含量、持水力、膨脹力、結合脂肪能力均有明顯提高。袁根良等[35]研究表明擠壓膨化改性茶渣的容重較小，產品酥脆，可溶性膳食纖維和可溶性蛋白含量增加10.11%和15.56%，且保留了茶香味。Shahmohammadi等[36]采用雙螺桿擠壓機對玉米渣和魚肉混合處理，試驗得出口感佳且貯藏穩定的膨化食品，改善了其營養特性。王博[37]對綠茶茶渣進行擠壓膨化得出在物料含水量70%、喂料速度58 r/min、螺桿轉速60 r/min、加工溫度60 ℃條件下茶渣中沒食子酸含量是原茶渣的4.06倍，在物料含水量70%、喂料速度106 r/min、螺桿轉速120 r/min、加工溫度20 ℃條件下茶渣中游離氨基酸總量可達1.98%，是原樣的2.3倍，在物料含水量70%、喂料速度90 r/min、螺桿轉速90 r/min、加工溫度50 ℃條件下茶渣中粗纖維含量達15.12%。李莎等[38]對海帶渣進行擠壓膨化處理研究表明，擠壓膨化后其吸油率、吸油速率、漂浮率和吸水率均提高且海帶渣粒度為0.9 mm、玉米渣添加量為30%時效果最佳。肖麗鳳等[39]對蝦殼粉進行擠壓膨化破壁研究，得出最佳膨化工藝為含水量24%、螺桿轉速314 r/min、擠壓溫度120 ℃、供料速度116 r/min，處理后蝦殼粉晶體破壞較明顯，結晶度有較大程度下降。

3 超高壓技術

3.1 超高壓技術簡介

超高壓技術是興起于19世紀末的食品加工高新技術之一，最先應用于食品殺菌。其原理是指利用100 MPa以上的壓力，在常溫或較低溫度下對物料進行改性、糊化或變性，具有保持食品風味、營養、延長保質期的優點。

3.2 超高壓在副產物改性中的應用

張馨月等[40]將咖啡渣膳食纖維進行超高壓改性，研究證實改性后其生理活性持水性、膨脹性提高，提高率達33.77%和23.63%，為提高飽腹感的產品開發提供了新思路。林素麗[41]研究表明經100，200 MPa處理后米糠蛋白的溶解性明顯改善，乳化性、起泡穩定性和最小凝膠濃度經超高壓處理后顯著改善，500 MPa時持水性和起泡性達最大值。李雁等[42]采用超高壓對紅薯渣進行改性,實驗得出超高壓對調節血糖、血脂能力改性條件：600 MPa,15 min,60 ℃；清除外源有害物質改性條件:100 MPa,10 min,42 ℃，可明顯改善紅薯渣的生理功能。王躍等[43]探究不同超高壓處理時間對小麥麩皮性質的影響，結果表明在料水比1∶5、350 MPa壓力下處理10 min，麥麩持水力為原料的1.28倍，保壓處理15 min，麥麩膨脹力和可溶性膳食纖維含量為原料的1.68倍和1.56倍。鐘先鋒等[44]研究物理改性對燕麥麩皮不溶性膳食纖維理化特性的影響，分析得出超高壓聯合超聲處理后其比表面積增加13.49倍，持油性、膨脹度、陽離子交換能力和粘度值顯著增加，持水性減少了2.25倍，纖維粒度減少了2.8倍。胡曉平[45]對辣椒渣進行低溫超高壓改性，改性后膳食纖維提取率為72.3%，持水力、持油力、膨脹力提高，最佳改性條件為壓力300 MPa、溫度40 ℃、保壓30 min。王丹丹[46]研究表明豆渣超高壓改性后其持水力、膨脹力、可溶性膳食纖維含量較原樣相比分別提高6.44%、10.54%、20.97%，改性后陽離子交換能力有所提高。

4 超聲波技術在副產物改性中的應用

超聲波是一種機械波和電磁波，通過與介質之間的相互作用形成空化、機械和熱效應等，作為21世紀發展起來的高新技術，在食品工業中超聲波技術被廣泛應用于物料活性成分的輔助提取，經大量研究表明超聲波對物料的功能性及理化特性有顯著影響且具有作用溫和、操作簡便等優勢，近年來逐漸應用于物料改性制備研究。黃六容等[47]探究改性方法對大蒜秸稈總膳食纖維功能特性的影響，結果表明超聲得到的TDF持水性、持油性及膨脹力顯著優于酶解和水浴法，且對葡萄糖吸附能力較高。馬楠等[48]對米糠蛋白進行超聲改性，研究證實超聲處理可提高米糠蛋白的溶解性和乳化性，其最佳改性條件為米糠蛋白濃度3%、超聲功率201 W、超聲時間10 min和超聲溫度40 ℃。曹龍奎等[49]采用超聲-微波法對小米糠膳食纖維進行改性，改性后小米糠可溶性膳食纖維對α-葡萄糖苷酶活性的抑制作用較強，相對分子質量變小。張雪絨等[50]研究香菇柄膳食纖維的超聲改性，得出在超聲時間35 min、溫度50 ℃、料液比110 (g/mL)條件下其抗氧化活性有所改善，其中：其DPPH清除率和羥自由基清除率較改性前提高了147.95%和82.13%，結合水力為11.532 g/g，可溶性總糖含量達6.236 g/mL，明顯改善其品質和理化特性。王麗波等[51]將南瓜籽多糖PSP-60經超聲改性，結果表明超聲可使多糖的生物活性如抗氧化活性發生改變，并使單糖發生轉化。

5 結論與展望

綜上所述可知，物理改性技術在食品加工副產物改性加工中效果顯著。超微粉碎技術可使物料形成微細粉末，改善產品粗糙性，在提高物料水溶性、分散性、功能活性成分溶出度及功能特性等方面效果良好，且超微粉碎技術適合工業化生產，可為副產物改性及功能性產品的開發提供新方向，但想要達到良好的改性效果必須嚴格掌握粉碎粒度或時間，過度粉碎會造成物料顆粒過度微細、細胞群過度破碎，反而對油脂、水分的束縛能力下降，特別是在膳食纖維含量較高的物料中過度超微粉碎會造成膳食纖維組成成分發生變化，長鏈結構被破壞，導致膳食纖維良好的持油力、膨脹性和吸附性降低；擠壓膨化和超高壓技術對物料理化性質的影響較大，可使物料組織疏松，膨脹性改善，更利于人體消化吸收，且擠壓膨化能夠同時實現破碎、殺菌、膨化成型等一系列操作，生產效率高，但其處理溫度較高會造成物料色澤加深，對需保持物料本身較淺色澤的產品開發產生不利影響，而超高壓具有處理溫度低、時間短、對物料色澤幾乎沒有影響的優勢，可用于對顏色有嚴格要求的物料改性。超聲波改性不僅可增加副產物中小分子物質的溶出量而且對物料功能活性的改善具有顯著優勢，但它同超高壓技術一樣雖改性效果良好但由于設備昂貴、成本高大多停留在實驗室階段，未實現規?；?、工業化生產。

以上4種物理改性方式各有優缺點，為提高食品加工副產物的綜合利用提供了一定的參考依據，未來可進一步明確各種改性方式針對不同種類物料的最佳改性條件；目前對食品加工副產物的改性研究主要集中于糧谷類和果蔬加工，未來可進一步向畜產、水產等加工副產物方面拓展；對于物料改性的機理研究較少，需充分研究其微觀結構變化情況，將微觀與宏觀研究相結合，為物理改性技術提供更多理論依據。隨著食品工業的迅速發展，綠色環保、操作簡便、安全衛生的物理改性技術的應用將更加廣泛。