過熱蒸汽對谷物淀粉結構及理化特性影響的研究進展

賈澤宇，劉遠曉，卞科，關二旗，李萌萌，柳志玲

(河南工業大學 糧油食品學院，河南 鄭州，450001)

熱處理是谷物產業鏈中常用的加工工藝之一。在谷物貯藏與加工中，熱處理常用于谷物干燥。經研究發現，熱處理具有一定程度的殺蟲、滅菌、鈍酶及脫毒作用，在貯藏過程中可以減少熏蒸劑的使用量[1]。此外，熱處理還可以改善谷物品質，以滿足某些食品的加工需求。相比于氯氣處理及食品添加劑，熱處理法的安全性更高，因此，熱處理在谷物中的應用也得到了越來越廣泛的關注。目前，熱處理在谷物貯藏與加工中已逐漸形成一個較為成熟的體系。

過熱蒸汽作為一種清潔、高效的熱處理技術，因其受熱均勻、傳熱效率高、安全、環保等優勢，近年來逐漸在食品貯藏、加工、干燥等領域展開應用。一些研究人員已經嘗試將過熱蒸汽用于谷物(小麥、大麥、燕麥、青麥仁、稻谷等)[2-5]貯藏穩定化處理及谷物在生產加工中真菌毒素的降解、酶的鈍化、食品的滅菌以及淀粉的改性等[6-8]。雖然過熱蒸汽在谷物中應用廣泛，但由于過熱蒸汽處理過程中較高的溫度，其可能導致谷物淀粉糊化、蛋白變性、色澤、質構等品質發生變化。淀粉作為谷物籽粒中的主要物質，淀粉特性的變化直接影響產品的品質；研究表明過熱蒸汽處理對谷物淀粉特性有一定的影響，如改變淀粉的微觀結構、糊化特性、產生較多的破損淀粉以及影響淀粉的消化特性等，從而影響以谷物淀粉為原料所制成的食品品質。文章擬在介紹過熱蒸汽處理在谷物加工中的應用，總結過熱蒸汽對谷物淀粉特性的影響，并初步分析了過熱蒸汽處理對谷物淀粉的影響機理，為拓展過熱蒸汽在谷物加工中的應用提供參考。

1 過熱蒸汽處理在谷物貯藏與加工中的應用

作為一種新型食品熱處理技術，過熱蒸汽在處理過程中，水蒸氣在物料表面凝結，可迅速提高物料溫度，因其特殊的傳熱方式，過熱蒸汽的處理溫度以及熱焓值均顯著高于飽和蒸汽以及傳統的熱處理技術， 所以其具有較高的傳熱效率和潛在的蒸發熱可重復使用等特點，在谷物貯藏與加工中具有較大的應用潛力。

研究表明，米糠經過熱蒸汽處理可以顯著增加其貯藏穩定性，在130 ℃，4 min處理條件可以顯著降低米糠在貯藏過程中的脂肪酸值、過氧化值、羧基值等[9]；過熱蒸汽對谷物中的脂肪酶和脂肪氧化酶活性也具有顯著的抑制作用，對小麥胚芽中的脂肪酶及脂肪氧化酶滅活率達82.74%和87.03%[10]，可防止谷物籽粒的酸敗變質，有效延長谷物的貯藏期。此外，過熱蒸汽在谷物中真菌毒素的降解方面也具有良好的效果，研究發現過熱蒸汽對赤霉病小麥中脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol，DON)具有較好的降解效果，最高降解率可達79.8%[11]；對赤霉病小麥麩皮中的DON降解率最高可達91.12%[12]。

過熱蒸汽在谷物的貯藏穩定化處理及真菌毒素的降解方面雖然有較好的效果，但研究人員發現過熱蒸汽對谷物淀粉特性具有一定影響，從而影響所制得食品的品質。為了研究過熱蒸汽對淀粉特性的影響及其原因，國內外根據應用目標進行了大量相關研究，主要包括過熱蒸汽對淀粉微觀結構、理化特性和消化性能的影響。

2 過熱蒸汽處理對谷物淀粉微觀結構的影響

谷物中淀粉主要以顆粒形式存在，通常淀粉顆粒的直徑為1～100 μm，A型淀粉為圓盤形，粒徑一般大于10 μm；B型淀粉為橢圓形，粒徑小于10 μm[13]；而C型淀粉較為復雜，一般粒徑為0.5～25 μm，形狀包括球形、橢圓型、多角形等不規則形狀[14]。利用掃描電子顯微鏡以及激光共聚焦顯微鏡可以觀察到淀粉顆粒的具體形態，包括顆粒的大小、形狀，顆粒表面的缺陷以及淀粉與其他組分之間的交聯等。通過X-射線衍射儀可以發現，谷物淀粉的結晶構造不同于塊莖類、豆類淀粉，谷物淀粉多呈現A型結晶，而塊莖類淀粉多呈現B型結晶[15-16]。但不同谷物來源的淀粉顆粒之間也存在著較大差異；如燕麥淀粉顆粒的粒徑分布主要集中在6～10 μm[17]，且顆粒表面較為光滑，而小麥淀粉顆粒粒徑分布則大多在1～35 μm,呈均勻分布，表面略微粗糙[18]。

過熱蒸汽會改變淀粉顆粒的形態、粒徑分布等，這些變化與處理過程中的處理溫度、處理時間以及形成的冷凝水等密切相關。研究發現，過熱蒸汽處理會破壞淀粉分子間的氫鍵，并在冷凝水及高溫的作用下促使淀粉顆粒與蛋白質之間相互粘連，從而造成小麥粉、青稞粉粒徑的雙峰分布向單峰轉變[19-20]且中值粒度逐漸增大，此外，團聚現象隨著過熱蒸汽處理溫度的提高、處理時間的延長而更加明顯。高溫所造成的變性蛋白可能會與淀粉顆粒形成淀粉蛋白質復合物[21]，影響谷物中的連續基質分布。同時，過熱蒸汽處理也會導致淀粉顆粒出現盤狀凹陷以及表面粗糙化，研究發現，當處理溫度超過110 ℃，處理時間長于1 min時，小麥、玉米、大米、黑糯米淀粉的表面變得略微粗糙[22-25]，當溫度高于120 ℃時，淀粉顆粒表面開始出現較為明顯的小圓盤狀凹陷，該現象可能是因為淀粉顆粒與過熱蒸汽直接接觸導致的顆粒受熱膨化以及熱力作用所造成的淀粉顆粒溶脹及變形塌陷。當處理溫度低于110 ℃并且處理時間不長于1 min時，過熱蒸汽對淀粉微觀形態影響較小，而長于該處理條件時會對淀粉顆粒造成不可逆破損，這種情況一般會隨著蒸汽溫度的上升和處理時間的延長而增加[26]，而且相較于先磨粉后處理，過熱蒸汽處理籽粒后再磨粉通常會產生更多的破損淀粉，這通常因為過熱蒸汽處理籽粒會顯著降低籽粒的水分含量、淀粉顆粒的結構穩定性以及增加籽粒細胞的脆性，使得籽粒在磨粉中更易破碎，物理碰撞產生的機械力及熱量等作用對淀粉顆粒的影響更大。破損淀粉的增加對食品的影響有益有弊[27]，適量的破損淀粉有益于發酵類食品(如面包、饅頭等)提高吸水率，產生發酵所需氣體以及更易受到淀粉酶的作用而產生發酵所需的葡萄糖，而破損淀粉含量的增加也會造成面條的蒸煮損失率上升。在后續的研究中選取過熱蒸汽處理條件時應注意產生破損淀粉的含量對食品的影響情況。

3 過熱蒸汽處理對谷物淀粉膨脹勢和溶解度 的影響

淀粉的理化特性如膨脹勢、直鏈淀粉溶出率、溶解度等直接影響以淀粉為主要原料制成的食品的外觀形貌、質構特性、食用品質以及貨架期等相關食品品質[28]。

過熱蒸汽處理小麥粉與對照組相比，溶解度值顯著降低，膨脹勢值顯著提高[29]，但不同處理條件樣品之間的膨脹勢無明顯變化，在過熱蒸汽處理燕麥粉、青稞粉中也出現了相似的趨勢[20,30]。這些變化說明，過熱蒸汽處理促進了小麥淀粉顆粒膨脹吸水，抑制了小麥淀粉的溶解。過熱蒸汽處理一般可提高樣品的保水能力，抑制物質溶出，這可能是因為干熱效應導致的變性蛋白質與淀粉顆粒交聯形成了較為堅硬的結構，阻止了可溶性分子的溶出[31]；隨著處理溫度的升高及時間的延長，交聯現象增多，淀粉顆粒和周圍的蛋白質網絡變得更加牢固，從而導致了溶解度值逐漸降低。膨脹勢的變化是多方面因素共同造成的結果。由于淀粉顆粒內部的部分糊化，導致了淀粉結晶區結構的斷裂，削弱了內部結構，促進了淀粉顆粒與水之間的相互作用，使得淀粉顆粒在過熱蒸汽處理初期膨脹勢值呈上升趨勢。但過熱蒸汽處理過程中易產生直鏈淀粉-脂肪酸復合物[32]，且隨著處理時間的延長，直鏈淀粉-脂肪酸復合物逐漸積累以及冷凝水被迅速蒸發，淀粉不再繼續糊化，此時直鏈淀粉-脂肪酸復合物對淀粉顆粒的溶脹抑制作用較為顯著[33]，導致淀粉顆粒的膨脹能力不再繼續增加。但在過熱蒸汽處理其他原料的時候發現了不同的變化趨勢：輕碾米的膨脹勢隨著過熱蒸汽處理溫度的上升呈下降趨勢[34]；而馬鈴薯粉則先降低后升高[35]，這種不同的變化趨勢可能與不同原料的淀粉顆粒中直支比、支鏈淀粉分子質量以及分支鏈長等特性不同有關[36]，因此，有必要研究直鏈淀粉、支鏈淀粉在過熱蒸汽處理過程中所發生的變化來一步解釋其對膨脹勢的影響機理。

4 過熱蒸汽處理對谷物淀粉糊化特性的影響

淀粉的糊化特性作為淀粉的重要質量指標，直接影響食品的感官特性，如制作性狀良好的面包要求淀粉具有較高的黏度系數、較低的回升值和衰減值[37]。影響淀粉糊化的因素一般有淀粉的種類和顆粒大小、吸水率、蛋白質結構及基質間形成的復合物等。

過熱蒸汽處理所導致的淀粉糊化特性的改變是十分特殊的，過熱蒸汽處理初期較高的溫度以及初期物料表面產生的冷凝水會造成淀粉的輕微糊化，并且過熱蒸汽對淀粉顆粒膨脹勢的影響也會影響淀粉顆粒的峰值黏度。MA等[29]的研究表明，過熱蒸汽處理后小麥粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、回生值、衰減值以及糊化溫度均高于天然小麥粉。過熱蒸汽處理誘導了面筋蛋白的變性，變性蛋白質覆蓋在淀粉顆粒表面，淀粉顆粒與變性蛋白質之間的相互作用抑制了直鏈淀粉的溶出[38]，促使淀粉顆粒能夠抵抗一定程度的剪切力，從而在增加黏度的同時抑制了淀粉顆粒的糊化，導致處理后的糊化參數高于天然小麥粉的同時糊化溫度增加；此外，熱處理導致的面筋蛋白的變性會影響糊化體系中可利用水分的運轉和游離淀粉顆粒的濃度[39]，從而影響淀粉的糊化參數。過熱蒸汽處理青稞和燕麥具有和小麥類似的變化趨勢[2,40]，青稞淀粉相較于小麥粉具有較高的直鏈淀粉含量、慢消化淀粉含量以及抗性淀粉含量，所以青稞淀粉更難糊化，210 ℃過熱蒸汽處理1 min后青稞粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度分別增加了11.86%、15.74%、5%。研究表明青稞淀粉黏度增大的另一個原因是由蛋白的改變引起的[41]，淀粉表面親水性蛋白的變性使其吸收更多的水分，從而使其黏度升高；而處理導致的破損淀粉含量增多也會促使峰值黏度、衰減值增大[42]。過熱蒸汽處理會顯著降低稻米的峰值黏度和衰減值，顯著提高谷值黏度、最終黏度、回升值和糊化溫度；稻米的峰值黏度及衰減值的降低則可能歸因于樣品在處理之后貯藏過程中發生的陳化作用[43]。過高的溫度和處理時間會使小麥粉、青稞粉以及燕麥粉黏度系數下降，這是因為過度的熱處理對淀粉顆粒的破壞程度過大，此時破損淀粉含量較高，顯著改變了淀粉的吸水率和膨脹勢，使得淀粉的品質出現明顯的下降。

5 過熱蒸汽處理對谷物淀粉消化特性的影響

淀粉分為快速消化淀粉(rapidly digestible starch，RDS)、緩慢消化淀粉(slowly digestible starch，SDS)和抗性淀粉(resistant starch，RS)。SDS以及RS對穩定葡萄糖代謝、預防糖尿病以及飽腹感有一系列潛在的好處。控制日常飲食中攝入的RS有利于預防代謝性疾病和結腸癌，在二型糖尿病的預防及控制中具有重大意義[44]。因此，RDS和RS具有顯著的健康意義。對各種淀粉和淀粉基食品進行物理或化學處理以改變淀粉的消化特性已經成為目前谷物加工行業的熱點方向。而物理改性，特別是熱處理，因其具有環保、安全、無化學添加劑等明顯優點而得到了廣泛研究。

150 ℃下過熱蒸汽處理4 min后，天然小麥粉的RDS含量由75.1%明顯下降到59.2%[19]；SDS含量和RS含量則分別從天然小麥粉的21.5%、3.4%增加到34.7%和6.3%。過熱蒸汽處理所造成的淀粉結晶區的部分破壞以及破損淀粉含量增加均有助于淀粉更易受到淀粉酶的作用[45-46]。因此，理論上來講，SDS和RS含量會呈現降低趨勢，但結果表明，過熱蒸汽處理后的SDS和RS普遍呈現上升趨勢。在大米淀粉及蠟質玉米淀粉中同樣觀察到了這個矛盾的結果[47-48]。有研究發現，影響體外消化的關鍵因素不是淀粉顆粒的結構穩定性，而是包裹在淀粉顆粒表面的含有緊密半結晶結構的葡聚糖鏈，該物質阻礙了淀粉酶與淀粉顆粒的結合作用[49-50]，而淀粉的糊化可破壞葡聚糖鏈的結晶結構，極大地促進酶與淀粉的結合。盡管過熱蒸汽處理會使淀粉出現少許糊化，但該現象僅出現在加熱初期冷凝水凝結的階段，糊化程度較低且分布并不均勻，對葡聚糖鏈影響較小；且蛋白質、葡聚糖以及淀粉之間可能存在一定的緊密結構，特別是葡聚糖與蛋白質間的相互作用會抑制淀粉的消化。綜上所述，過熱蒸汽處理所導致的變性蛋白質與葡聚糖鏈包裹在淀粉顆粒周圍形成的屏障作用能抑制淀粉酶的可及性。但隨著破損淀粉的含量的增加，淀粉的消化性也會隨之增加，因此，過熱蒸汽處理對淀粉消化性的影響是一個此消彼長、相互作用的過程。

6 結論與展望

過熱蒸汽處理對谷物淀粉具有一定的改性作用，可以改變淀粉顆粒的微觀形態、分子結構以及與其他物質之間的相互作用，從而影響淀粉膨脹勢、糊化、消化等特性。這些性質的改變可以使擴大谷物的應用范圍，使谷物淀粉可以應用在更多的食品加工中。此外，過熱蒸汽處理還可以顯著提高谷物淀粉中慢消化淀粉以及抗性淀粉的含量，從而在一定程度上預防諸如二型糖尿病、高血糖等現代“富貴病”。但過熱蒸汽處理也可能對谷物淀粉造成不良影響，在消除不良影響及對處理過程中谷物淀粉品質變化的研究中，仍然存在許多待解決的問題。因此，在未來對谷物進行過熱蒸汽處理的研究中應著重注意以下問題：(1)從整體出發，系統地、有關聯地解釋在處理過程中谷物淀粉品質的變化，并與最終食品品質關聯起來；(2)深入研究過熱蒸汽對谷物淀粉品質的影響機理，更加全面地了解在處理過程中各組分之間相互作用的變化情況，以便有針對性地改善處理工藝；(3)降低過熱蒸汽設備成本，改善設備缺陷，開發適用于產業化應用的處理設備。過熱蒸汽在食品加工行業具有廣闊的應用前景，其必將在開發符合當代健康飲食需求的新型食品領域得到更合理的應用。