質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

李建珍，鄭明珠，蔡丹，劉景圣

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

李建珍，鄭明珠，蔡丹，劉景圣*

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

綜述國內(nèi)外的質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)（如超高壓處理、擠壓處理、微波處理、超聲波處理等）加工食品物料的機(jī)理、條件及物料的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變化的基本研究情況，并對其應(yīng)用的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)；機(jī)理；應(yīng)用

質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)是通過機(jī)械的混合、揉搓、剪切、高壓、加溫等物理因素，使物料發(fā)生物質(zhì)變形、變性或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的加工過程[1]。質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)從誕生到廣泛應(yīng)用已經(jīng)有100多年的歷史。常用設(shè)備或手段包括單螺桿擠壓機(jī)、雙螺桿擠壓機(jī)、高壓容器、物理射線等。在食品成分中，蛋白質(zhì)與多糖類親水膠體是產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)的形成基礎(chǔ)，可以通過質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)使產(chǎn)品發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)使最終產(chǎn)品在質(zhì)構(gòu)、組成、表現(xiàn)等理化特性及營養(yǎng)上發(fā)生很大變化，生產(chǎn)符合消費(fèi)者需求的新產(chǎn)品。質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)涉及擠壓技術(shù)、超高壓技術(shù)、微波技術(shù)等，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)在應(yīng)用范圍和深度上迅速發(fā)展。本文擬對質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)進(jìn)行綜述，并對其在食品工業(yè)中應(yīng)用的現(xiàn)狀和存在的問題進(jìn)行分析，為進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 超高壓處理

超高壓處理，就是利用100 MPa以上的壓力，在常溫或較低溫度下，使食品中的酶、蛋白質(zhì)和淀粉等生物大分子改變活性、變性或糊化，同時殺死細(xì)菌等微生物達(dá)到滅菌的過程，而食品的天然味道、風(fēng)味和營養(yǎng)價值不受或很少受影響，并可能產(chǎn)生一些新的質(zhì)構(gòu)特點(diǎn)的一種加工方法[2]。由于超高壓對生物大分子作用，使物質(zhì)體積發(fā)生變化，組分結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使分子間的連接方式隨之發(fā)生改變，導(dǎo)致鍵的破壞和重組，使生物大分子宏觀和微觀特性發(fā)生變化。

超高壓對蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)沒有影響，在非常高的壓力下（>700 MPa），二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致不可逆的變性，在200 MPa以上的壓力下，可以觀察到三級結(jié)構(gòu)的顯著變化，蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)對壓力非常敏感[3]。超高壓處理影響淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、糊化特性、偏光特性等[4]。研究顯示：在700 MPa保壓2 min，玉米淀粉的糊化度就達(dá)到86.8%，已滿足國家食品糊化度的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)保壓時間增加到5 min，玉米淀粉的糊化度可達(dá)100%，這是高壓食品加工的一大優(yōu)點(diǎn)[5]。X-射線衍射分析表明，隨著壓力的不斷增大，淀粉的特征衍射峰逐漸變?nèi)醪⑾?，結(jié)晶度也逐漸降低，當(dāng)壓力達(dá)到600 MPa時，其結(jié)晶度完全消失，表明玉米淀粉的結(jié)晶消失壓力為550 MPa左右[6]。300 MPa以上的壓力可使蕎麥淀粉顆粒表面向內(nèi)凹陷，400 MPa后淀粉顆粒被擠壓成塊狀和片狀，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的變化將直接影響到蕎麥淀粉的理化特性，熱穩(wěn)定性、冷穩(wěn)定性及凝沉性得到改善[7]。Fomal[8]等研究結(jié)果表明：玉米淀粉懸液中水分的過量對經(jīng)超高壓處理后的玉米淀粉結(jié)構(gòu)影響較大，會使淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)破裂。經(jīng)高壓處理3 min后蠟質(zhì)玉米淀粉出現(xiàn)無定形組織。H.E.Oh[9]研究表明：經(jīng)600 MPa高壓處理30 min后，土豆淀粉沒有發(fā)生太大變化，仍保持雙折射現(xiàn)象，蠟質(zhì)大米淀粉、蠟質(zhì)玉米淀粉和木薯淀粉全部凝膠化，普通大米和玉米淀粉部分凝膠化，普通淀粉的黏性升高，蠟質(zhì)淀粉沒有變化。

超高壓技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)十大尖端科技之一，加工食品簡便、衛(wèi)生、天然、營養(yǎng)豐富，它的發(fā)展無疑為食品加工提供了一個美好的前景。但超高壓技術(shù)設(shè)備成本高，我國超高壓技術(shù)研究尚處于起步階段，為此，我國應(yīng)不失時機(jī)地跟上國際開發(fā)應(yīng)用潮流，發(fā)展適合我國國情的超高壓加工食品新領(lǐng)域，深入研究，使其應(yīng)用范圍更廣泛[10]。

2 擠壓處理

擠壓處理是集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型為一體的高新技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于食品工業(yè)。

物料被送入擠壓膨化機(jī)中,在旋轉(zhuǎn)螺桿的推動下,由于螺桿與物料、物料與機(jī)筒以及物料內(nèi)部的機(jī)械摩擦作用，物料被強(qiáng)烈地擠壓、攪拌、剪切，使其不斷細(xì)化、均化。隨著機(jī)腔內(nèi)部壓力的逐漸加大，溫度不斷升高，在高溫、高壓、高剪切力的作用下，物料性質(zhì)發(fā)生變化，由粉狀變成糊狀，淀粉發(fā)生糊化、裂解；蛋白發(fā)生變性、重組；纖維發(fā)生部分降解、細(xì)化，物料中帶有的致病菌被殺死，有毒成分失活。當(dāng)糊化物料由?？讎姵龅乃查g，在強(qiáng)大壓力差的作用下，水分急驟汽化，物料被膨化，形成結(jié)構(gòu)疏松、多孔、酥脆的膨化產(chǎn)品，從而達(dá)到擠壓、膨化的目的[11]。在擠壓膨化過程中，蛋白質(zhì)功能性和營養(yǎng)性發(fā)生變化，溶解性下降，賴氨酸損失，組織結(jié)構(gòu)化，可消化性提高[12]。擠壓過程是在高溫、高壓、高剪切力的作用下，淀粉鏈間的氫鍵斷裂，淀粉由原來緊湊有序的結(jié)構(gòu)變成了松散無序的結(jié)構(gòu)。擠壓膨化過程中，水分增加對淀粉糊化度呈顯著降低效應(yīng)，高水分（＞23%）的影響更為明顯[13]。李春紅研究指出玉米粉經(jīng)擠壓后生產(chǎn)的預(yù)糊化玉米粉，冷黏度從300 cP提高到850 cP，吸水率從73 mL提高到108.4 mL，保水力從1.47 g提高到3.59 g，添加30%的預(yù)糊化玉米粉可以使得面片拉伸長度增加3倍，韌性增大6倍，從而使得玉米面團(tuán)的“筋力”顯著增加。因此預(yù)糊化玉米粉的添加可使玉米粉冷水和成有黏彈性的面團(tuán)，同時增加玉米制品的風(fēng)味[14]。在擠壓加工中，隨著螺旋速度的升高，保脆性得到提高，膨化度升高，淀粉顆粒保持原有晶型結(jié)構(gòu)；隨著Ⅲ區(qū)溫度的升高，保脆性降低，膨化度升高，溶水率升高，淀粉顆粒的晶型結(jié)構(gòu)受到破壞[15]。

擠壓加工技術(shù)可以連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝簡單；生產(chǎn)流水線短；物耗少，能耗低；應(yīng)用范圍廣；投資少；生產(chǎn)費(fèi)用低，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型食品加工技術(shù)[16]。

3 微波處理

微波是一種電磁波，其波長在1 mm至1 m，頻率為300 MHz至30 GHz。在食品加工中，常用的頻率為2450 MHz和915 MHz。微波輻照主要是利用微波輻照下介質(zhì)發(fā)生的熱效應(yīng)和電磁效應(yīng)，在一定頻率的微波輻照下，介質(zhì)得以升溫，引起介質(zhì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)變化，使介質(zhì)反應(yīng)速度加快或分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

干燥的淀粉很少吸收微波。一般情況下，淀粉都含有水分，所以微波對其有一定作用。糖類中的低聚糖能吸收微波能，如蔗糖、葡萄糖可以吸收微波而融化，以致脫水焦糖化[17]。谷朊粉濃度為0.10 g/mL、pH為4、微波功率為630 W、處理時間為120 s，該條件下處理谷朊粉后黏度為9.20 mPa·s[18]。扶雄研究了玉米淀粉經(jīng)微波作用后顆粒性質(zhì)的變化，結(jié)果表明，微波作用后淀粉顆粒仍存在偏光十字，部分顆粒臍點(diǎn)表面出現(xiàn)小孔，X射線主要衍射峰的強(qiáng)度增大，淀粉內(nèi)部分子發(fā)生遷移形成更加有序的排列[19]。同年扶雄采用微波對30%水分含量的玉米淀粉進(jìn)行處理，結(jié)果表明微波處理降低了淀粉的膨脹度和溶解度、凍融穩(wěn)定性以及焓值，提高了糊化轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變溫度范圍，玉米淀粉經(jīng)處理后糊化起始溫度升高、黏度降低，淀粉顆粒內(nèi)分子發(fā)生重排，產(chǎn)生了新的不同穩(wěn)定性的結(jié)晶體，淀粉分子內(nèi)部形成更加有序的結(jié)晶排列[20]。徐麗霞[21]的研究表明，隨著微波時間的延長，功率的增大，淀粉水分含量的增加，淀粉峰值黏度均下降，凝沉性降低，熱糊穩(wěn)定性和冷糊穩(wěn)定性都有不同程度的增加，糊化溫度也有所提高，其中水分對淀粉性質(zhì)的影響最為顯著。

微波加工食品方便、快捷、衛(wèi)生，保鮮程度高，營養(yǎng)損失少，節(jié)約能量，熱慣性小，能夠得到常規(guī)設(shè)備加工所不能得到的感官質(zhì)量。在工業(yè)應(yīng)用上，可以進(jìn)行大規(guī)模的集約化生產(chǎn)。微波加工雖然給食品加工開辟了新的途徑，但也產(chǎn)生了諸如食品風(fēng)味比常規(guī)加熱差、食品硬化等現(xiàn)象，這在一定程度上制約了微波技術(shù)在食品加工中的普及和應(yīng)用[22]。

4 超聲波處理

超聲波是振動頻率在104Hz～106Hz的聲波，在固體、液體和氣體中傳播時，會引起一系列效應(yīng)，利用這些效應(yīng)可以影響、改變甚至破壞物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。與磁場效應(yīng)類似，超聲波效應(yīng)也主要表現(xiàn)在物理、化學(xué)、生物效應(yīng)方面。物理效應(yīng)主要以機(jī)械效應(yīng)的形式表現(xiàn)，利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)，可進(jìn)行殺菌、均質(zhì)、乳化、粉碎等食品加工單元操作。超聲波的化學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)在引起各種化學(xué)反應(yīng)，如氧化還原反應(yīng)、聚合反應(yīng)、分解反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)等；超聲波對高分子化合物有分解作用，能分裂葡萄糖、果糖、核酸等；還可使氧化酶、脫氫酶失去活性。生物效應(yīng)則主要表現(xiàn)在超聲波使生物組織的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生改變，當(dāng)這種改變?yōu)椴豢赡孀兓瘯r，就會對生物組織造成損傷。

將超聲波用于醬油殺菌的實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)超聲波處理的醬油色澤清亮、黏稠度下降、鮮味比較突出[23]。李堅(jiān)斌[24]的研究表明：不同超聲波處理時間下的馬鈴薯淀粉樣品均呈假塑性流體特征，符合冪定律；超聲處理時間越長，馬鈴薯淀粉糊的表觀黏度越低，觸變性相應(yīng)減弱；超聲波處理后，馬鈴薯淀粉糊的剪切稀化程度隨馬鈴薯淀粉含量的增大而加深。明建[25]的研究指出：在不同超聲波作用條件下，不同濃度的兩角菱角淀粉糊所形成的凝膠質(zhì)構(gòu)特性顯著改變，延長超聲波作用時間和增加超聲強(qiáng)度，會降低凝膠的硬度、咀嚼性、膠著性、彈性、黏聚性以及回復(fù)性，并且隨著兩角菱角淀粉糊濃度的增大，其所形成凝膠的質(zhì)構(gòu)特性下降趨勢減緩。胡愛軍研究表明：超聲波作用破壞了淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，降解了支鏈淀粉，使支鏈淀粉減少，直鏈淀粉含量相對增加，淀粉分子量相對降低，聚合度降低，淀粉糊黏度減小，超聲波的功率和淀粉濃度對淀粉糊黏度的影響較超聲作用時間小。

5 其它

質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)除上述主要方法外，還有很多方法，諸如：超微粉碎、滲透壓等。Prakash Bhattacharyya[26]研究顯示：經(jīng)沸水和發(fā)芽處理的玉米淀粉與熱蒸汽處理的玉米淀粉相比，麥芽糖含量、表面結(jié)構(gòu)和黏彈性發(fā)生了很大變化；經(jīng)3種方式處理的玉米淀粉的結(jié)晶度減小。Chirdchan Pukkahuta[27]研究顯示：滲透壓是一種類似于傳統(tǒng)濕熱處理淀粉的物理改性方法。電鏡掃描滲透壓處理的玉米淀粉表明淀粉顆粒發(fā)生了變形，濕熱處理只是輕微的變化，經(jīng)滲透壓處理的玉米淀粉的凝膠溫度顯著升高。祁國棟研究表明：糯玉米經(jīng)超微細(xì)粉碎處理后，粒徑減小，比表面積增大，口感改善，溶解性、高溫持水力、酶解率等加工特性提高[28]。

6 展望

隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)者對食品的食用品質(zhì)要求越來越嚴(yán)格，食品科研工作者需要不斷開發(fā)良好特性的產(chǎn)品來滿足消費(fèi)者的需求。超高壓技術(shù)天然、衛(wèi)生、節(jié)能，可以最大限度的保留物料本身的營養(yǎng)物質(zhì)，但超高壓設(shè)備一次性投資成本高，工業(yè)化生產(chǎn)需要開發(fā)更經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。擠壓膨化技術(shù)環(huán)保節(jié)能，生產(chǎn)成本低，操作簡單，可以集約化生產(chǎn)。微波處理關(guān)鍵在于人們對微波加工技術(shù)和食品特性的深入了解和進(jìn)行合理的操作，從而使微波技術(shù)得到合理的應(yīng)用?？傊a(chǎn)者可以根據(jù)產(chǎn)品需求和經(jīng)濟(jì)條件選擇合適的生產(chǎn)技術(shù)，開發(fā)符合消費(fèi)者需求的產(chǎn)品，推動中國食品領(lǐng)域的發(fā)展。因此,質(zhì)構(gòu)重組技術(shù)作為清潔生產(chǎn)和生產(chǎn)綠色食品的重要手段，應(yīng)用前景十分廣闊。

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The Application of Texture and Structure Recombination Technology in the Food Industry

LI Jian－zhen，ZHENG Ming－zhu，CAI Dan，LIU Jing－sheng*
（College of Food Science and Engineering，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，Jilin，China）

To introduce the basic research in texture and structure recombination technology（such as ultrahigh pressure processing，extrusion treatment，microwave treatment，ultrasound treatment and so on），including the mechanism and condition of processing food，the physical and chemical properties and structural changes of the materials，and its application in the development was prospected.

texture and structure recombination technology；mechanism；application

國家863計劃（2008AA100802）

李建珍（1986—），女（漢），碩士研究生在讀，研究方向：糧油深加工。

*通信作者：劉景圣（1964—），男，博士生導(dǎo)師，教授。

2011-03-09