瞬時彈射式蒸汽爆破法制備速溶牦牛骨粉及其理化特性

秦曉潔，沈青山，張春暉，張鴻儒，賈 偉

瞬時彈射式蒸汽爆破法制備速溶牦牛骨粉及其理化特性

秦曉潔，沈青山，張春暉※，張鴻儒，賈 偉

（中國農業科學院農產品加工研究所，北京 100193）

為解決骨粉的難溶解性及制備耗時問題，該研究采用瞬時彈射式蒸汽爆破（instant catapult steam explosion，ICSE）技術制備速溶牦牛骨粉，并與常規球磨牦牛骨粉進行理化特性比較分析。通過觀察不同壓力（0.5～1.5 MPa）和不同保壓時間（5～30 min）ICSE條件下牦牛骨的液化情況及骨粉得率，以確定牦牛骨粉的制備條件，并通過骨粉化學結構、粒度分布、微觀形態、穩定性、蛋白質溶解性和鈣離子釋放度的測定對比分析了速溶牦牛骨粉和常規球磨骨粉的理化特性。結果顯示：1.5 MPa 30 min ICSE條件下制備的骨粉（<500目）得率可達46.16%；與常規球磨牦牛骨粉相比，ICSE牦牛骨粉化學結構無明顯變化，但其中值粒徑（5.61m）明顯較?。?0.05），粒度分布均勻并呈正態分布，微觀形態均勻規則；ICSE牦牛骨粉的蛋白質溶解度在37、60和100℃條件下分別為97.17%、95.29%和82.07%，均明顯高于球磨骨粉（4.07%，6.47%和10.17%）（<0.05）；ICSE牦牛骨粉鈣離子釋放度為67.42 mg/g，高于常規球磨骨粉（14.25 mg/g）；此外，短時間內ICSE骨粉懸浮液在室溫條件下無明顯沉淀，其溶解性和穩定性優于球磨骨粉。ICSE法制備速溶牦牛骨粉解決了骨粉制備耗時長、溶解性差等問題，為骨粉的制備提供了一種新方法。

壓力；粒徑；瞬時彈射式蒸汽爆破；牦牛骨；液化；速溶；骨粉

0 引 言

隨著牛肉消費量快速增長，牛骨的產量也與日俱增。牛骨約占軀體總生物量1/3，富含膠原蛋白、骨多糖、維生素以及鈣、磷、鎂、鋅等骨生長所必需的營養素，具有極大的利用價值[1-2]。膠原蛋白作為一種組織結構蛋白，約占動物體蛋白質總量的25%～30%[3]，而牦牛作為中國特色物種之一，其骨膠原蛋白更為豐富，可達總蛋白含量的40.9%[4]。研究發現，骨膠原蛋白肽可有效改善人體皮膚膚質[5]，促進大鼠股骨骨折愈合以及人成骨細胞I型膠原蛋白基因的表達[6]。此外，牛骨含有的鈣、磷元素比值為2∶1，接近人體鈣吸收的最佳比例，是理想的天然鈣源[7]。牦牛骨（yak bone，YB）通常被用于制備骨泥、骨粉等產品[8]。研究表明，牦牛骨粉（yak bone powder，YBP）能夠增加骨密度，具有較高的鈣表觀吸收率[9-10]；以牦牛骨為原料制備的復方牦牛骨丸可以顯著減輕關節疼痛，改善膝關節功能[11]?！妒称钒踩珖覙藴适称窢I養強化劑使用標準》將骨粉確定為食品配料，用于功能食品、營養強化劑等食品加工領域[12]。但目前，仍存在骨粉制備工藝復雜、耗時長，產品質量參差不齊，產業化生產困難等諸多問題，急需開發新型制粉工藝。

傳統骨粉制備工藝主要包括脫脂和粉碎2個單元操作，均存在諸多局限性。目前骨粉脫脂工藝主要有超聲輔助脫脂法[13]、有機溶劑法、酸堿法、蒸煮法、超聲乳化法等[14]，但仍有許多缺陷亟待解決。例如，有機溶劑脫脂存在耗時長、溶劑殘留問題；酸堿法脫脂率較高，但容易對原料中的蛋白等營養物質造成損傷，污染環境；蒸煮法脫脂率低，生產成本較高，造成營養物質損失。物理粉碎法是食品加工中常見的粉碎技術，研究表明干法球磨法能夠制備超微魚骨粉或納米級兔骨粉[15-16]，行星式球磨儀可制備平均粒徑為22m的鹿茸微粉[17]，而濕法球磨法可以制備納米魚骨顆粒[18]。但是該類骨粉的制備工藝存在耗時長（4～30 h）、產量有限等問題，難實現規?；a。此外，常規方法制備的骨粉存在難溶解、利用率低等問題。因此，改善脫脂工藝、簡化粉碎過程以實現高效生產小粒徑且高溶解性骨粉具有廣闊的應用前景。

瞬時彈射式蒸汽爆破（instant catapult steam explosion，ICSE）技術是利用水蒸汽為介質進行加壓處理，經瞬時泄壓，打破生物質材料各組分的物理結合，實現去組織化，同時伴隨著生化反應與熱反應，達到物料的快速液化。該技術具有耗時短、節能、無溶劑殘留、適宜規?；a等優點[19-20]。目前，汽爆技術主要應用于植物領域，如纖維素、半纖維素的降解，效果顯著[21]。例如甘蔗渣經汽爆處理能夠產生低聚糖[22]；汽爆處理可顯著提高動物對玉米稈的消化率[23]。但將該技術應用于動物源性畜骨物料的處理尚未有研究。本研究基于ICSE技術實現牦牛骨液化進而制備速溶牦牛骨粉，以期為骨粉的制備提供新方法，同時也拓展該技術的應用領域。

1　材料與方法

1.1 材料與試劑

原料骨：隨機選取來自青藏地區的2～3歲牦牛6頭，屠宰后取其股骨（不含軟骨）剔除碎肉、筋等雜質。

試劑：乙酸乙酯，氫氧化鈉，濃硫酸，五水硫酸銅，硫酸鉀，鹽酸，乙醚，硝酸，氧化鑭，碳酸鈣。以上試劑皆為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；胃蛋白酶（3 706 U/mg，美國Sigma公司）。

1.2 儀器與設備

ICSE試驗臺QBS-80（河南正道啟寶環?？萍加邢薰荆?；小型噴霧干燥儀（北京霍爾斯生物科技有限公司）；SER148脂肪測定儀（意大利VELP公司）；KJELTEC2300型全自動凱氏定氮儀（丹麥FOSS公司）；立式行星球磨儀（長沙天創粉末技術有限公司）；實時噴霧測量儀Helos-kr（德國Sympatec公司）；電感耦合等離子質譜儀ICP-MS7700x（美國Agilent公司）；雙光束原子吸收分光光度計（日本島津公司）；傅里葉近紅外光譜分析儀（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR，瑞士Bruker公司）；場發射環境掃描電子顯微鏡（日本Hitachi公司）；液相色譜儀（美國Agilent公司）。

1.3 方法

1.3.1 牦牛骨基本成分測定

脂肪含量測定：索氏抽提法，依照GB 5009.6—2016進行。含水率：直接干燥法，依照GB 5009.3—2016進行?；曳趾浚厚R弗爐高溫灼燒法，依照GB 5009.4—2016進行。蛋白質含量：凱氏定氮法，依照GB 5009.5—2016進行。Ca含量測定：火焰原子吸收光譜法，依照GB5009.92—2016進行。礦物質含量測定：電感耦合等離子體質譜法，依照GB5009.268—2016進行。

1.3.2 骨粉制備工藝

ICSE牦牛骨粉制備：牦牛股骨→剔除骨髓、筋膜、肉等雜質→利用破骨機將牛骨進行初步粉碎（5～10 mm）→稱樣（100 g）→ICSE處理（不同壓力、時間）→收集料液→濕篩（<500目）→離心脫脂（4 000 r/min，15 min）→均質2 min→噴霧干燥（進風溫度120 ℃，出風溫度90 ℃，進樣速率3 mL/min）→速溶骨粉。其中，ICSE處理設置壓力梯度為0.5、1.0、1.5 MPa，時間梯度設置為5、10、15、20、25、30 min。

球磨牦牛骨粉制備[13,16]：牦牛股骨→剔除骨髓、筋膜、肉等雜質→利用破骨機將牛骨進行初步粉碎（5～10 mm）→稱樣（100 g）→脫脂（與乙酸乙酯按1∶5（g∶mL）的比例混合，500 W，30 min超聲波處理）→溶劑旋蒸回收→65 ℃條件下通風干燥12 h→萬能粉碎機粉碎（<60目）→行星式球磨儀研磨（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

肽分子量相對含量測定參考秦曉潔[24]的方法。采用凝膠過濾柱G2000 SWXL 300 mm × 7.8 mm，以乙腈/水/三氟乙酸（30∶70∶0.1，體積比）為流動相，流速設置為0.5 mL/min，溫度為37 ℃，進樣量為20L。本研究以牛血清白蛋白（66 446 Da），細胞色素C（12 355 Da），抑肽酶（6 511 Da），四肽GGYR（451 Da）和三肽GGG（189 Da）為標準品獲得分子量校準曲線，如下：= ?0.5323+ 7.4538，2= 0.967。數據分析采用凝膠滲透色譜軟件。

1.3.4 骨粉得率

將1.3.2中所獲得的速溶骨粉進行稱量并記為1(g)，原料牦牛骨的質量（濕質量）記為2(g)，牦牛骨含水率為15.04%[13]，骨粉得率（）的計算公式如下

1.3.5 骨粉化學結構

化學鍵分析參考Boutinguiza等[25]的方法，用FT-IR紅外光譜分析儀分析，波數掃描范圍為400～4 000 cm-1。

1.3.6 牦牛骨（粉）微觀形態及骨粉粒度分布

微觀形態：牦牛骨粉的微觀形態參考Yin等[18]的方法，采用掃描電鏡觀察，加速電壓為10 kV。

粒度分布：牦牛骨粉的粒度分布采用實時噴霧測量儀Helos-kr測定，骨粉的平均粒徑采用中值粒徑50表示[26]。

1.3.7 骨粉穩定性

將骨粉在室溫（25℃）下按照3%的質量分數分散于水溶液中，震蕩30 s后靜置，觀察懸浮液沉降情況[27]。

1.3.8 蛋白質溶解性

將骨粉和水按比例0.05∶1稱量于離心管（1∶20質量比），震蕩混勻，水浴加熱10 min（溫度分別設置為37、60 和100 ℃），水浴結束后放置冷水中冷卻30 min至室溫，4 500 r/min離心15 min，取上清液，用凱氏定氮法測定蛋白質含量[28]。

式中是蛋白質溶解度，%；1是上清液中總蛋白質質量，mg；2是樣品中總蛋白質質量，mg。

1.3.9 骨粉鈣離子釋放度

稱取1 g牦牛骨粉于50 mL離心管（精確至0.001 g），加入15 mL消化液（用HCl調至pH值為2），添加胃蛋白酶（2 000 U/mL），混勻，封口。將上述離心管放置37 ℃恒溫搖床消化90 min，85 r/min。消化結束后，在4 500 r/min條件下離心20 min。取上清，采用原子吸收分光光度計進行檢測[26,29]。

1.4 數據處理方法

運用SPSS22.0軟件one-way ANOVA對數據進行方差分析，同時利用Duncan新復極差法進行顯著性檢測，或檢驗，其中各圖同一指標中不同字母表示差異顯著（<0.05），運用Origin8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 ICSE技術液化牦牛骨條件篩選

根據已有研究，蒸汽爆破強度主要由汽爆溫度（汽爆壓力）和維壓時間決定[30]，強度系數與壓力和時間呈正相關。在本研究中，牦牛骨（5～10 mm）經ICSE處理后，牦牛骨液化程度隨著ICSE壓力和保壓時間上升而增大，色澤逐漸加深，當汽爆壓力大于1.5 MPa時，懸浮液呈現黃褐色，嚴重影響骨粉色澤，故而本研究選取0.5～1.5 MPa為研究條件。ICSE技術處理后的固液混合物經振動篩（<500目）過濾、離心脫脂、均質得到懸浮液（如圖1a所示）。隨著保壓時間的延長（5～30 min），懸浮液濁度明顯變大；當壓力從0.5 MPa升到1.5 MPa時懸浮液逐漸由乳白色變為淺黃色。Tonin等[31]發現，羊毛經過汽爆處理后其上清液逐漸變為棕黃色，而這些顏色變化主要由色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等芳香氨基酸中的發色團造成。Zhang等[32]也發現汽爆處理可使羽毛粉發生降解和化學改性，并最終導致其色澤的改變。在本研究中， ICSE處理亦導致了牦牛骨中蛋白質的降解，并且隨著壓力和保壓時間的增大，其降解程度逐漸增大，蛋白質及其降解產物含量不斷增高。

懸浮液經噴霧干燥后獲得不同ICSE條件下的骨粉，其得率如圖1b所示。結果顯示，牦牛骨粉得率隨著ICSE壓力和保壓時間增大呈現上升趨勢。其中，1.5 MPa 30 min條件下骨粉得率最高，可達46.16%。傳統球磨法因顆粒極易產生抱團現象難以濾篩，常通過一步球磨直接獲得，因而此處不計損失。與球磨法相比，ICSE法所獲得的骨粉得率相對較低，主要是由于汽爆壓力較低、保壓時間較短，未能將牦牛骨充分破碎。此外，在收集汽爆混合液、噴霧干燥過程也存在部分損失，后期可采用多次蒸汽爆破手段提高速溶骨粉得率實現牦牛骨的高效利用?？紤]到骨粉得率，本研究最終選取1.5 MPa 30 min為較佳條件制備牦牛骨粉，并對其理化特性進行分析。

據文獻報道，膠原蛋白分子量約為300 kDa，為三股肽鏈左手螺旋絞合形成的超螺旋結構[33]。為進一步驗證骨膠原蛋白經ICSE處理后發生裂解，本研究還對經1.5 MPa 30 min ICSE條件處理后的牦牛骨液化液中的肽分子量分布進行了測定。結果顯示（圖1c），牦牛骨膠原蛋白裂解成不同分子量肽段隨水蒸氣溶出，小于5 kDa的肽段相對含量為78.02%，小于0.5 kDa的肽段相對含量可達26.14%，小分子量肽段占比較高。由此推斷，ICSE處理可將膠原蛋白的超級螺旋結構打開，并使其肽鏈發生斷裂。

圖1 不同ICSE條件下牦牛骨的液化、骨粉得率及肽分子量分布

2.2 球磨法制備牦牛骨粉

該研究參考李少博[16]和Yin等[34]的方法利用球磨法對脫脂牦牛骨進行骨粉制備?？紤]到牦牛骨與魚骨和兔骨的不同，本研究選定轉速為400 r/min，球料比為3.66∶1（質量比），探究了球磨時間對骨粉粒徑的影響，結果如圖2所示。結果表明，骨粉粒徑隨著時間延長逐漸減小，當球磨8 h，其中值粒徑可達 (9.96 ± 0.37)m，隨時間進一步延長再無顯著變化（> 0.05）。因此，本研究選取轉速400 r/min，球料比3.66∶1，球磨時間8 h為較佳球磨條件進行牦牛骨粉制備，并將其作為對照，對其理化特性進行了分析。但與ICSE技術（1.5 MPa 30 min）相比，球磨法制備牦牛骨粉的耗時明顯較長。

圖2 不同球磨時間對骨粉粒徑的影響

2.3 微觀結構和粒徑分布分析

對經1.5 MPa 30 min ICSE處理后的牦牛骨（股骨體和股骨頭）進行電鏡掃描，并與未作任何處理的原料牦牛骨進行了對比，結果如圖3a、3b、3d、3e所示。與原料牦牛骨相比，牦牛股股骨體經ICSE處理后由表面光滑變得疏松、多孔，而股骨頭結構亦遭到明顯破壞。Zhang等[32]發現，汽爆處理可使羽毛呈現海綿狀，出現許多裂縫和孔洞。在ICSE處理中，飽和水蒸氣可產生強大的滲透力并滲透至骨組織中，當壓力被瞬間釋放時，蒸汽會迅速膨脹并由此產生機械效應在牦牛骨表面形成孔洞。

通過在篩選出的最佳條件下分別對牦牛骨進行ICSE和球磨處理，最終獲得了2種牦牛骨粉。通過掃描電鏡觀察2種骨粉微觀結構，結果顯示，球磨骨粉粒徑較大（<305.00m），多為形狀不規則的顆粒（如圖3c），而ICSE骨粉顆粒呈現相對均一的橢圓形，形狀更加規則，粒徑?。?36.50m）而分布均勻（如圖3f）。

為進一步分析驗證2種不同處理對牦牛骨粉粒徑分布的影響，本研究利用實時噴霧測量儀對2種骨粉的粒徑進行了分析（圖3g和3h）。結果顯示，ICSE骨粉的中值粒徑（50）為5.61m，呈標準正態分布；球磨骨粉中值粒徑（50）為19.68m，呈偏態分布；粒徑小于36.50m的球磨牦牛骨粉含量為64.69%。傳統球磨工藝耗時長達8 h（如2.2所述），而ICSE技術耗時短（30 min）、易重復，且制備的骨粉顆粒大小分布均勻，因此更具有應用性。該研究結果表明，ICSE工藝可在短時間內制備出粒徑分布寬度窄的超微骨粉，極大地簡化了生產工藝。

圖3 微觀結構圖和粒徑分布圖

2.4 ICSE骨粉和球磨骨粉基本成分比較

ICSE骨粉和球磨骨粉的基本成分如表1所示。ICSE骨粉中蛋白質含量高達47.22%，顯著高于球磨骨粉（30.80%）（<0.05），這可能由于牦牛骨高溫高壓處理后，經過瞬時泄壓，其含有的膠原蛋白超螺旋結構被打開，并隨水蒸氣溶出，經過濾篩后，部分大粒徑骨渣被篩掉，使蛋白質占比增加。此外，ICSE骨粉的灰分含量為42.23%，顯著低于球磨骨粉（59.42%）（<0.05）。研究表明，新鮮牦牛骨中灰分含量達51.49%[13]，而骨組織含有的無機質主要由羥基磷灰石構成[35]，其結構穩定，難以在汽爆的條件下分解并釋放，因此存在于大顆粒骨粉中并被濾除。

在骨粉制備過程中，脂肪常因影響骨粉粉碎及易氧化變質而被除去。本研究中，ICSE骨粉脂肪含量顯著高于球磨骨粉（<0.05），其主要原因是ICSE工藝采用離心脫脂工藝，其脫脂率低于超聲輔助有機溶劑脫脂。但在本研究工藝中，脂肪不影響骨粉制備，且可作為呈香物質在熱壓條件下可增加骨粉風味，提高感官品質[36]。此外，ICSE技術不存在有機溶劑殘留問題，可有效簡化脫脂工藝。

本研究利用電感耦合等離子體質譜法對2種骨粉中P、Ca等6種主要礦物質含量進行測定，結果如表2所示。結果顯示，ICSE骨粉中P、Ca、Mg、K、Zn等元素含量顯著低于球磨骨粉（<0.05），而Na含量高于球磨骨粉。Na元素含量高于對照組可能是其在ICSE處理中隨水蒸氣溶出，并經過濾篩留至濾液導致。據報道，金屬元素在人體中多以有機絡合物的形式存在[37]，P、Ca、 Mg、K、Zn等礦物質可能仍以較穩定的形式存在于骨組織中，難以釋放，因此，在ICSE工藝處理中隨濾渣被除去并隨有機質含量增加而使其占比較小。

表1 ICSE牦牛骨粉和球磨牦牛骨粉主要成分

注：“a～b”表示不同樣品之間存在顯著差異（<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礦物質含量

注：“a～b”表示不同樣品之間存在顯著差異（<0.05）

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

2.5 ICSE骨粉和球磨骨粉化學結構比較

通常，可根據紅外光譜圖所表征的化學結構對骨粉中的主要物質進行判別。因此，為探究ICSE處理是否會對骨粉的主要物質結構造成影響，本研究以球磨骨粉為對照在400～4 000 cm-1范圍內進行了化學結構分析，結果如圖4所示。紅外光譜分為指紋區（400～1 300 cm-1）和官能區（1 300～4 000 cm-1）。指紋區反映單鍵的伸縮振動和變形振動，分子結構不同吸收峰則會表現差異性[38]；官能區用于檢測物質中官能團的種類以及變化[39]。

圖4 牦牛骨粉傅里葉變換紅外光譜圖

如圖4所示，2種牦牛骨粉的出峰位置基本一致，其中563 cm-1和604 cm-1為骨粉羥基磷灰石中PO3-4的彎曲振動吸收峰[40]，874 cm-1是CO32-的彎曲振動吸收峰，為CO32-進入羥基磷灰石晶格取代 PO43-的特征吸收峰[18,41-42]，1 456 cm-1和1 547 cm-1是CO32-的拉伸振動吸收峰[40]，1 033 cm-1為PO3-1的對稱伸縮振動[43]，皆為骨粉中礦物質的主要表征。1 239 cm-1屬酰胺Ⅲ帶，是C-N伸縮振動和N-H彎曲振動，以及甘氨酸主鏈脯氨酸側鏈上-CH2的非平面搖擺振動的特征吸收峰；1 600～1 700 cm-1多肽主鏈上 C=O伸縮振動，1 657 cm-1屬酰胺I帶吸收峰；1 746 cm-1為酯類C=O伸縮振動峰，為油脂吸收峰[41]；2 855 cm-1和2 924 cm-1的吸收峰是C-H有機物拉伸振動吸收峰[25,41]，而3 310 cm-1處的吸收峰被認為是羥基拉伸帶?？傮w而言，ICSE骨粉與常規球磨骨粉的紅外掃描圖譜基本一致，這表明2種骨粉在化學結構上不存在差異性，ICSE技術制備牦牛骨粉具有一定的適用性。

2.6 ICSE骨粉和球磨骨粉懸浮液的穩定性比較

目前常規方法制備的骨粉溶解性和其懸浮液穩定性都較差。為探究ICSE骨粉的溶解性及其懸浮液穩定性，該研究將2種牦牛骨粉按一定比例震蕩溶解并進行靜置（0～30 min）并觀察兩者的沉降狀態，結果如圖5所示。初始時，ICSE骨粉迅速溶解而常規球磨骨粉仍有部分未溶解，這表明ICSE技術所制備的牦牛骨粉具有較好的溶解性，并表現出速溶特性。隨著靜置時間延長至5 min，對照組明顯變澄清并產生沉淀；而ICSE骨粉依然呈現均一的懸浮液狀態，10 min后才逐漸產生少許沉淀；當靜置30 min后，球磨骨粉則變得澄清透明，且表面漂浮的骨粉仍未溶解。因此，ICSE處理可使牦牛骨粉獲得較好的溶解性和穩定性。

2.7 ICSE骨粉和球磨骨粉蛋白質溶解度及鈣離子釋放度比較

本試驗選擇了37、60、100 ℃ 3個溫度對2種不同牦牛骨粉的蛋白質溶解性進行探究。結果顯示（圖 6a），在37、60、100 ℃條件下，ICSE骨粉的蛋白質溶解度分別為97.17%、95.29%、82.07%，球磨骨粉分別為4.07%、6.47%、10.17%。在3個溫度處理下，ICSE骨粉的蛋白質溶解度顯著高于球磨骨粉（<0.01）。如2.1節中對牦牛骨液化液中肽分子分布的討論，牦牛骨經ICSE處理后，蛋白質與羥基磷灰石緊密結合的超螺旋結構被打開，從骨中大量解離并溶于水中；而球磨處理未能破壞骨中的蛋白質的超螺旋結構，蛋白質仍與羥基磷磷灰石緊密結合[44]，難以釋放，因此溶解度很低。此外，隨著溫度升高，ICSE骨粉蛋白質溶解度降低，而球磨骨粉蛋白質溶解度逐漸上升，這可能是ICSE骨粉中蛋白質在高溫條件下變性沉淀導致，而球磨骨粉中部分蛋白質隨溫度升高逐漸水解并溶于水中。

圖5 ICSE牦牛骨粉與球磨牦牛骨粉的穩定性

骨粉因鈣元素含量豐富，常被作為鈣補充劑廣泛應用。但因其主要以磷酸鈣的形式存在于羥基磷灰石中，難以被吸收利用。該研究為探討ICSE工藝對對骨粉鈣離子釋放能力的影響，通過在模擬胃部消化環境對骨粉的鈣離子釋放度進行了測定。結果如圖6b顯示，ICSE骨粉和球磨骨粉鈣離子釋放度分別為67.42 mg/g和14.25 mg/g，前者顯著高于后者（<0.01）。這可能由于經ICSE技術處理后骨結構變得疏松多孔（如圖3d、3e），胃蛋白酶容易作用于膠原蛋白并使羥基磷灰石裸露，從而促進了鈣離子釋放。

注：字母A～B表示不同樣品之間存在顯著差異（P <0.05）

3 結 論

本文通過瞬時彈射式蒸汽爆破技術液化牦牛骨制備了牦牛骨粉，并對其理化特性進行了分析，主要得出以下幾點結論：

1）瞬時彈射式蒸汽爆破（instant catapult steam explosion）處理能改變牦牛骨微觀結構，使其變得疏松多孔，隨汽爆壓力（0.5～1.5 MPa）的增大和保壓時間（5～30 min）的延長，牦牛骨液化程度逐漸提高；當ICSE條件為1.5 MPa 30 min時，牦牛骨粉得率可達46.16%。

2）與常規球磨牦牛骨粉（400 r/min，8 h，球料比3.66∶1）相比，ICSE牦牛骨粉顆粒多表現為較規則的橢圓形，粒徑呈正態分布，其懸浮液具有較好的穩定性；ICSE牦牛骨粉蛋白質溶解度較高，在37℃條件下可達97.17%，其鈣離子釋放度為67.42 mg/g，明顯優于球磨骨粉（<0.01）。

3）與傳統球磨工藝相比，ICSE技術縮短了骨粉制備工藝時長，所得骨粉粒度小并具有優異的溶解性，產品質量較高。該研究探索了一種制備速溶牦牛骨粉的新方法，為瞬時彈射式蒸汽爆破技術應用領域的擴大奠定了基礎。

[1]趙勇，陳紅劍. 牦牛骨中鈣、磷及多種微量元素的分析研究[J]. 西藏科技，2010(7)：39－41.

[2]張春暉. 骨源食品加工技術[M]. 北京：科學出版社，2015.

[3]Birk D E, Bruckner P. Collagen Suprastructures[M]// Collagen. Springer Berlin Heidelberg, 2005: 185－205.

[4]吳婷.牦牛骨膠原蛋白提取純化及結構解析[D]. 蘭州：甘肅農業大學，2017. Wu Ting. Study on the Extraction, Purification and Structure Analysis of Collagen from Yak Bone[D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[5]Matsumoto H. Clinical effects of fish type I collagen hydrolysate on skin properties[J]. ITE Letters on Batteries, New Technologies and Medicine, 2006, 7: 386－390.

[6]Tsuruoka N, Yamato R, Sakai Y, et al. Promotion by collagen tripeptide of type I collagen gene expression in human osteoblastic cells and fracture healing of rat femur[J]. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2007, 71(11): 2680－2687.

[7]魏秋霞. 原輔材料及加工貯藏工藝對牦牛骨濃縮湯品質影響的研究[D]. 雅安：四川農業大學，2008. Wei Qiuxia. Effects of Raw Materials, Processing and Preservation on the Quality of Concentrated Soup of Yak Bone[D]. Ya’an: Sichuan Agricultural University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[8]NYT 2965—2016，中華人民共和國農業行業標準，骨粉加工技術規程[S]. 北京：中國農業出版社.

[9]趙要武，許繼取，朱清華，等. 牦牛骨粉對大鼠骨鈣、骨密度及骨鈣吸收率影響的研究[J]. 食品科學，2007，28(6)：321－323. Zhao Yaowu, Xu Jiqu, Zhu Qinghua, et al. Effects of yak bone powder on rat bone calcium, bone density and calcium apparent absorption rate[J]. Food Science, 2007, 28(6): 321－323. (in Chinese with English abstract)

[10]趙要武，張裕曾，許繼取，等. 牦牛骨粉中鈣表觀吸收率實驗研究[J]. 公共衛生與預防醫學，2005，16(3)：30－31. Zhao Yaowu, Zhang Yuzen, Xu Jiqu, et al. Apparent absorption rate of calcium in moniu’s bone powder[J]. Journal of Public Health and Preventive Medicine, 2005, 16(3): 30－31. (in Chinese with English abstract)

[11]張敏，趙亞玲，劉忠，等. 復方牦牛骨丸治療高原農牧民骨關節病的臨床療效[J]. 江蘇醫藥，2012，38(14)：1651－1653. Zhang Min, Zhao Yaling, Liu Zhong, et al. Efficacy of maoniugu pill in treating osteoarthritis in farmers and herdsmen living in highland[J]. Jiangsu Medical Journal, 2012, 38(14): 1651－1653. (in Chinese with English abstract)

[12]GB 14880—2012，食品安全國家標準，食品營養強化劑使用標準[S]. 北京：中國標準出版社.

[13]秦曉潔，沈青山，賈偉，等. 超聲輔助脫脂對牦牛骨粉制備及其理化特性的影響[J]. 農業工程學報，2018，34(21)：272－280. Qin Xiaojie, Shen Qingshan, Jia Wei, et al. Effect of ultrasonic-assisted degreasing on preparation and physicochemical properties of yak bone powder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 272－280. (in Chinese with English abstract)

[14]李曄，馬良，張宇昊. 正交試驗優化魚皮超聲乳化法脫脂工藝[J]. 食品科學，2012，33(24)：127－131. Li Ye, Ma Liang, Zhang Yuhao, et al. Optimization of ultrasonic emulsification for the degreasing of fish skin[J]. Food Science, 2012, 33(24): 127－131. (in Chinese with English abstract)

[15]范露，陳加平，熊善柏，等. 球磨處理對鰱魚骨粉理化特性的影響[J]. 食品科學，2008，29(9)：70－73. Fan Lu, Chen Jiaping, Xiong Shanbai, et al. Effects of ball-milling treatment on physico-chemical properties of silver carp bone powder[J]. Food Science, 2008, 29(9): 70－73. (in Chinese with English abstract)

[16]李少博，李洪軍，賀稚非，等. 納米級兔骨粉球磨法制備工藝優化[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：300－306. Li Shaobo, Li Hongjun, He Zhifei. Optimization of preparation process of nanometer rabbit bone meal by ball milling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 300－306. (in Chinese with English abstract)

[17]姚曉云. 鹿茸微粉碎工藝及新產品的開發研究[D]. 長春：吉林大學，2014. Yao Xiaoyun. Study on the Superfine Grinding Technology and New Product Development of Antler Velvet[D]. Changchun: Jilin University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[18]Yin T, Park J W, Xiong S. Physicochemical properties of nano fish bone prepared by wet media milling[J]. LWT-Food Science and Technology, 2015, 64(1): 367－373.

[19]Yu Zhengdao, Zhang Bailiang, Yu Fuqiang, et al. A real explosion: the requirement of steam explosion pretreatment[J]. Bioresource Technology, 2012, 121(121): 335－341.

[20]隋文杰. 生物質物料特性與汽爆煉制過程關系的研究[D]. 北京：中國科學院研究生院，2016. Sui Wenjie. Relationship between Biomass Properties and Steam Explosion Refinery Process[D]. Beijing: Chinese Academy of Sciences, 2016. (in Chinese with English abstract)

[21]郭同軍，張志軍，趙潔，等. 蒸汽爆破發酵棉稈飼喂綿羊效果分析[J]. 農業工程學報，2018，34(7)：288－293. Guo Tongjun, Zhang Zhijun, Zhao Jie, et al. Analysis on feeding effects of steam explosion and fermentation cotton stalk in sheep[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 288－293. (in Chinese with English abstract)

[22]Carvalho A F A, Marcondes W F, Neto P D O, et al. The potential of tailoring the conditions of steam explosion to produce xylo-oligosaccharides from sugarcane bagasse[J]. Bioresource Technology, 2017, 250: 221－229.

[23]Zhao S, Li G, Zheng N, et al. Steam explosion enhances digestibility and fermentation of corn stover by facilitating ruminal microbial colonization[J]. Bioresource Technology, 2018, 253: 244－251.

[24]秦曉潔. 牦牛骨粉制備及其抗骨質疏松活性研究[D]. 北京：中國農業科學院，2019. Qin Xiaojie. Study on the Preparation of Yak Bone Powder and Its Anti-osteoporosis Activity[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2019. (in Chinese with English abstract)

[25]Boutinguiza M, Pou J, Comesa A R, et al. Biological hydroxyapatite obtained from fish bones[J]. Materials Science & Engineering C, 2012, 32(3): 478－486.

[26]Zhang J, Yin T, Xiong S, et al. Thermal treatments affect breakage kinetics and calcium release of fish bone particles during high-energy wet ball milling[J]. Journal of Food Engineering, 2016, 183: 74－80.

[27]Ye F, Miao M, Lu K, et al. Structure and physicochemical properties for modified starch-based nanoparticle from different maize varieties[J]. Food Hydrocolloids, 2017, 67: 37－44.

[28]Wu G C, Zhang M, Wang Y Q, et al. Production of silver carp bone powder using superfine grinding technology: Suitable production parameters and its properties[J]. Journal of Food Engineering, 2012, 109(4): 730－735.

[29]Egger L, Ménard O, Baumann C, et al. Digestion of milk proteins: Comparing static and dynamic in vitro digestion systems with in vivo data[J]. Food Research International. doi:10.1016/j.foodres.2017.12.049

[30]范麗，徐勇，勇強，等. 蒸汽爆破強度對玉米芯酶水解制備低聚木糖的影響[J]. 食品科學，2012，34(22)：46－50. Fan Li, Xu Yong, Yong Qiang, et al. Effect of steam explosion intensity on xylo-oligosaccharide production by enzymatic hydrolysis of corncobs[J]. Food Science, 2012, 34(22): 46－50. (in Chinese with English abstract)

[31]Tonin C, Zoccola M, Aluigi A, et al. Study on the conversion of wool keratin by steam explosion[J]. Biomacromolecules, 2006, 7(12): 3499－3504.

[32]Zhang Y, Yang R, Zhao W. Improving digestibility of feather meal by steam flash explosion[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2014, 62(13): 2745－2751.

[33]赫桂丹. PEF下牛骨鈣離子化及膠原多肽提取優化綜合開發研究[D]. 長春：吉林大學，2009. He Guidan. Study on Calcium Ionization and Collagen Polypeptide Extraction Optimization from Bovine Bone by PEF[D]. Changchun: Jilin University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[34]Yin T, Du H, Zhang J, et al. Preparation and characterization of ultrafine fish bone powder[J]. Journal of Aquatic Food Product Technology, 2016, 25(7): 1045－1055.

[35]Olszta M J, Cheng X, Jee S S, et al. Bone structure and formation: A new perspective[J]. Materials Science & Engineering R, 2007, 58(3/4/5): 77－116.

[36]劉菊燕. 骨湯營養成分分析及骨湯方便面呈味影響研究[D]. 鄭州：河南工業大學，2016. Liu Juyan. Analysis of the Nutritional Composition of Bone Soup and Its Effect on the Flavor of Bone Soup[D]. Zhengzhou: Henan University of Technology, 2016. (in Chinese with English abstract)

[37]范杰. 談談金屬和人體的健康[J]. 化學世界，1980(6)：31－32.

[38]韓克光，甄守艷，范華，等. 鈣螯合羊骨膠原多肽的制備及表征分析[J]. 農業工程學報，2015，31(21)：301－307. Han Keguang, Zhen Shouyan, Fan Hua, et al. Preparation and characteristic analysis of calcium-chelated ossein peptide[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 301－307. (in Chinese with English abstract)

[39]俞園園. 類人膠原蛋白-銅螯合物的制備及相關性質研究[J]. 化學與生物工程, 2013, 30(7)：29－32. Yu Yuanyuan. Study on preparation and properties of the complex of human-like collagen with copper[J]. Chemistry and Bioengineering, 2013, 30(7): 29－32. (in Chinese with English abstract)

[40]Bonadio T G M, Sato F, Medina A N, et al. Bioactivity and structural properties of nanostructured bulk composites containing Nb2O5and natural hydroxyapatite[J]. Journal of Applied Physics, 2013, 113(22): 493.

[41]阮孝慈，張貴芳，鄧宇. 牛骨成分的綜合表征分析[J]. 中國科技論文，2017(6)：712－715. Ruan Xiaoci, Zhang Guifang, Deng Yu. The comprehensive characterization of bovine bone tissue[J]. China Sciencepaper, 2017(6): 712－715. (in Chinese with English abstract)

[42]Khoo W, Nor F M, Ardhyananta H, et al. Preparation of natural hydroxyapatite from bovine femur bones using calcination at various temperatures[J]. Procedia Manufacturing, 2015, 2: 196－201.

[43]任燦. 超微兔骨與高鈣兔糜凝膠的制備及其理化特性研究[D]. 重慶：西南大學，2017. Ren Can. Studies on Production and Physicochemical Property of Superfine Rabbit Bone and the High Calcium Rabbit Mi Gel[D]. Chongqing: Southwest University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[44]劉靜. 牦牛骨膠原多肽螯合鈣的制備研究[D]. 雅安：四川農業大學，2016. Liu Jing. Preparation of Yak Bone Collagen Peptide Chelating Calcium[D]. Ya’an: Sichuan Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

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

秦曉潔，沈青山，張春暉，張鴻儒，賈 偉. 瞬時彈射式蒸汽爆破法制備速溶牦牛骨粉及其理化特性[J]. 農業工程學報，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

西藏自治區重點科研項目“特色農產品加工技術與產品開發”（XZ201801NA04）；國家“萬人計劃”科技創新領軍人才項目；國家農業科技創新工程

秦曉潔，博士生，研究方向為農產品加工利用。Email：xiaojie_qin0915@163.com

張春暉，河南固始人，研究員，博士生導師，研究方向為肉品科學。Email：dr_zch@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.037

TS251.9

A

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