熱處理在稻谷及大米貯藏與加工中的應用研究進展

宗 平王 燕吳衛(wèi)國任劍豪李 娜周 濤

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，湖南 長沙 410128; 2. 中南糧科院，湖南 長沙 410008)

稻谷是世界上最重要的糧食作物之一，也是中國糧倉重要的儲備資源。熱處理是稻谷及大米貯藏與加工常用的工藝，該方法不僅可以用于稻谷及大米干燥，還可以殺滅稻谷及大米中的害蟲和微生物、抑制稻谷內(nèi)酶活性以及改善其品質(zhì)。與化學防霉劑(丙酸、雙乙酸鈉、二氧化硅等)和化學熏蒸劑(磷化鋁、磷化鋅、磷化鐵等)相比，熱處理后稻谷及大米的安全性更高，無殘留，無污染。此外，熱處理在大米及其制品加工中還可以替代單甘脂、黃原膠、β-環(huán)狀糊精、α-淀粉酶、β-淀粉酶、茶多酚和纖維素酶等食品添加劑[1]，用于改良大米及其制品品質(zhì)。

熱處理在稻谷及大米貯藏與加工中有眾多優(yōu)勢，但若處理條件和處理方式不當，反而會對稻谷與大米及其制品造成不利影響，如產(chǎn)生裂紋、米粒顏色變深、米飯硬度增大、黏度下降、破壞硫胺素、淀粉回生值上升等。因而，改善其品質(zhì)需選擇適當?shù)臒崽幚矸绞脚c處理條件。文章擬介紹在稻谷貯藏與加工中常用的熱處理方法，綜述熱處理對稻谷中害蟲、微生物與酶的影響及其機理，以及在稻谷與大米及其制品品質(zhì)改善中的應用，并分析熱處理對稻谷與大米的不利影響及預防措施，期望為熱處理在稻谷及大米貯藏與加工中的合理應用提供參考。

1 常用的熱處理方法

稻谷及大米貯藏與加工中常用的熱處理方法有熱風處理[2]、微波處理[3-7}、蒸谷處理[8-9]、過熱蒸汽處理[10-15]、濕熱處理[16]和紅外熱處理[17-18]6種。熱風處理采用熱空氣對物料進行加熱，是最常見的熱處理方式[2]，主要用于谷物、果蔬干燥。微波處理是利用特定波長(1～1 000 mm)的電磁波推動固體物料內(nèi)極性分子運動來產(chǎn)熱，達到加熱效果，能耗較熱風處理少，加熱均勻、調(diào)控方便，營養(yǎng)物損失少[3]，目前微波處理在稻谷貯藏中主要應用于干燥[4]、防蟲滅菌[5-6]、鈍酶[3,7]等。蒸谷處理是指以稻谷為原料，經(jīng)清理、浸泡、蒸煮、烘干、礱碾等加工方法制成大米制品[8]，具有營養(yǎng)價值高、出油率高、蒸煮時間短、儲存期長等特點，但其對物料品質(zhì)的影響要大于其他熱處理方法[9]。過熱蒸汽處理是指在恒定壓力下利用蒸汽在過熱狀態(tài)下將自身潛熱傳遞給物料，實現(xiàn)物料加熱過程。由于水的比熱容遠大于空氣，因此過熱蒸汽具有高熱效性。此外，過熱蒸汽不含氧，可以避免熱處理時物料的氧化反應，有效保護原料品質(zhì)。研究[11]表明，過熱蒸汽還可以降解、溶出霉菌毒素和不良的氣味物質(zhì)。近年來，過熱蒸汽越來越多地應用于稻谷與大米加工中，包括干燥[13]、鈍化酶[14]、預熟化[15]等。濕熱處理是指在一定水分(體積分數(shù)20%～30%)條件下，在一定溫度范圍內(nèi)處理大米粉、淀粉等物料的一種熱處理方法。濕熱處理常用于淀粉物理改性，可以改變淀粉的理化性質(zhì)而不引起分子結(jié)構(gòu)的變化[16]。紅外熱處理是利用物料對紅外(0.75～1 000.00 μm)輻射的吸收而產(chǎn)生熱效應，促使物料所含水分蒸發(fā)減少的一種熱處理方法，主要用于谷物、果蔬等產(chǎn)品的加熱、干燥以及食品的焙烤[17]，該熱處理耗能少，設(shè)備成本低，對稻谷加工品質(zhì)的影響小于熱風處理與自然通風，但其穿透力不如微波處理，故在紅外熱處理稻谷時物料的厚度會影響其干燥效果[18]。為了滿足人們對稻谷及大米品質(zhì)越來越高的要求，學者們更是將多種熱處理方法進行聯(lián)合使用來達到預期效果，同時還能減少對稻谷及大米品質(zhì)的不利影響，如張斌等[4]采用微波—熱風聯(lián)合處理稻谷，相比單一熱處理方式，該方法的干燥時間顯著縮短、其加工品質(zhì)更穩(wěn)定、殺菌效果顯著；鐘業(yè)俊[19]利用微波—過熱蒸汽處理發(fā)芽糙米，大大延長了其貯藏期。

2 熱處理在稻谷貯藏與加工中的應用現(xiàn)狀

2.1 對蟲害的影響

稻谷與大米貯藏過程中，若糧倉溫度、倉內(nèi)空氣濕度、糧倉密閉性等貯藏條件不適宜，會導致害蟲滋生，侵害稻谷，造成稻谷的直接損失，從而降低稻谷及大米品質(zhì)。25～33 ℃最適合儲糧害蟲生長和繁殖，但當溫度高于33 ℃時，會抑制其生長和繁殖，甚至致其死亡[20]。因此，在稻谷及大米貯藏時，熱處理法可作為殺滅害蟲或抑制害蟲的生長和繁殖的一種有效手段。

王亮[21]研究表明，赤擬谷盜與谷蠹及其幼蟲在42，46 ℃時具有較高的耐受能力，處理90 min時死亡率仍在10%以下；在58 ℃或60 ℃ 下處理60 min后兩種害蟲死亡率達100%，說明熱處理對儲糧害蟲有很好的防治效果。嚴容軍[22]研究了利用加熱板系統(tǒng)以不同加熱速率加熱到不同溫度對谷物中米象死亡率的影響，發(fā)現(xiàn)米象成蟲在44，46，48，50 ℃下分別保溫130，50，12，4 min能獲得100%的死亡率，證明熱處理具有較好的殺蟲效果。陳智斌等[5]利用微波防治大米中玉米象蟲卵，發(fā)現(xiàn)在含水量14%、功率200 W、溫度60 ℃的微波處理條件下，玉米象子代種群抑制率達100%。

綜上，熱處理對稻谷中的害蟲均具有較好的殺滅效果，采用45～70 ℃的熱處理即可對部分害蟲起到較好的殺滅效果。熱處理主要通過高溫破壞害蟲細胞內(nèi)外水分含量與相對濕度之間的平衡來引起害蟲體內(nèi)水分流失、蛋白質(zhì)變性、破壞害蟲體內(nèi)酶系統(tǒng)和正常的生理代謝活動等作用來殺滅害蟲[21]。

2.2 對微生物的影響

稻谷及大米貯藏與加工過程中，微生物的滋生會對其品質(zhì)產(chǎn)生嚴重的影響。因此，稻谷和大米的滅菌消毒對于保障糧食安全具有重要意義。梁禮燕等[23]分別采用微波處理和熱風處理對稻谷進行干燥，在降低至相同安全水分的前提下，微波處理和熱風處理均能有效地抑制稻谷的霉菌總量和細菌總量，但微波處理的抑菌效果更好。此外，張斌等[4]研究表明，采用有效微波功率927 W,熱風干燥20 min,通過4 h緩蘇處理后,其含水量較快速下降到安全水分，同時對稻谷內(nèi)部霉菌可實現(xiàn)95%的滅菌，且不影響稻谷的加工品質(zhì)。Wang等[24]發(fā)現(xiàn)利用紅外加熱至60 ℃，然后回火120 min，能殺死91.9%的黃曲霉孢子。Pei等[25]將大米樣品加熱至(60.2±0.5) ℃，在2 780 W/m2的紅外強度下持續(xù)110 s時，大米中玉米象與豆象的死亡率達100%。

熱處理能殺滅微生物的主要原因是高溫能使微生物細胞膜產(chǎn)生透性化作用和破壞微生物蛋白質(zhì)。另外，水分活度也是影響滅菌效果的重要因素之一。當水分活度較低時，細胞內(nèi)部水分含量與相對濕度之間的平衡會被打破，細胞失水皺縮、細胞膜厚度增加，從而保護細胞[26]。此外，熱處理雖然可以殺滅稻谷和大米中的微生物，但熱處理殺菌過程中采取的溫度一般較高，也可能會對稻谷及大米的品質(zhì)產(chǎn)生負面影響。

2.3 對酶的影響

稻谷中的酶主要包括淀粉酶、蛋白酶、脂類分解酶、過氧化物酶和多酚氧化酶等，其中某些酶的催化作用會對稻谷及大米制品品質(zhì)產(chǎn)生不良影響，如稻谷貯藏過程中，在過氧化物酶與脂肪分解酶的催化下，脂肪產(chǎn)生一系列的氧化與裂解，生成揮發(fā)性酸敗味物質(zhì)，導致酸敗。

Satou等[27]研究表明，較低溫度(125 ℃)的過熱蒸汽可在短時間內(nèi)鈍化糙米脂肪分解酶。微波處理也可以使脂肪酶和脂肪氧化酶部分失活，從而減少貯藏過程中游離脂肪酸的釋放，而且功率越高，產(chǎn)生的游離脂肪酸越少[7，28]。這是因為微波處理既存在熱效應又存在非熱效應，熱效應會使酶分子變性，導致酶活性下降，非熱效應會干擾與破壞酶的空間結(jié)構(gòu)，導致酶分子結(jié)構(gòu)中氫鍵被破壞，降低酶對底物的親和力，兩者綜合作用使脂肪酶活性下降[29-30]。

綜上，熱處理對脂肪酶、脂肪分解酶等的活性均有一定的抑制作用，其原理是高溫條件會破壞酶蛋白質(zhì)特定的空間結(jié)構(gòu)，導致其變性。因此，細胞內(nèi)的非酶蛋白質(zhì)也可能會受熱處理溫度的影響而變性，改變稻谷的品質(zhì)。

2.4 對稻谷與大米及其制品品質(zhì)的改良

目前，熱處理對大米品質(zhì)進行改良的主要目的包括提高大米的營養(yǎng)價值[6，31]、增強大米貯藏穩(wěn)定性[31-32]、改變大米黏性[33]、改善新型制粉技術(shù)[34]、提高大米中抗性淀粉和慢消化淀粉含量[35-36]、改變蛋白質(zhì)特性[37-38]和改變淀粉特性[39-41]等。熱處理過程中，稻谷與大米及其制品在高溫或水的作用下，谷殼以及米糠層營養(yǎng)元素(礦物質(zhì)、維生素B、谷維素)向胚乳內(nèi)部發(fā)生遷移，細胞內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)因變性而發(fā)生改變，淀粉酶、脂肪酶等活性下降，淀粉鏈結(jié)構(gòu)重新排列組合，從而導致大米品質(zhì)變化。表1為不同熱處理方法用于稻谷與大米及其制品品質(zhì)改善的研究概況。實際加工應用中，應根據(jù)不同稻谷與大米及其制品品質(zhì)的要求，選擇合適的熱處理方法及條件。

表1 熱處理在稻谷與大米及其制品品質(zhì)改良中的應用概況

3 對稻谷與大米品質(zhì)的不利影響及其預防措施

盡管熱處理在稻谷及大米貯藏與加工中應用廣泛、優(yōu)勢眾多，但若處理條件和處理方式不當，反而會對稻谷與大米及其制品造成不利影響。因為稻谷中的水分、蛋白質(zhì)、淀粉、酶等大分子物質(zhì)對熱較為敏感，容易受其影響。如高水分的稻谷在溫度較高、長時間熱處理后，由于水分散失過多，容易在米粒內(nèi)部產(chǎn)生水分梯度，高水分部位壓應力與低水分部位的張應力相互作用，最終生成裂紋，導致碎米增多[2]；蒸谷米因其在熱處理過程中伴隨著高濕條件，色素會由稻殼和米糠層擴散到胚乳內(nèi)部，還存在美拉德反應、酶促反應，導致米色較深,同時高濕高溫條件還會影響稻米淀粉結(jié)構(gòu)，致使淀粉顆粒排列更緊密以及與蛋白質(zhì)緊密結(jié)合,從而導致米飯硬度提高，黏性下降[30]；長時間微波處理不僅會使大米脂肪酶和脂肪氧化酶部分失活，破壞硫胺素，還會使大米胚乳表面崩裂，稻米內(nèi)復合淀粉粒崩解，產(chǎn)生膨化大米[7]。

熱處理對稻谷及大米的不利影響主要包括產(chǎn)生裂紋、碎米增多、米粒顏色變深、米飯硬度增大、黏度下降、破壞硫胺素、產(chǎn)生膨化大米、回生值上升等，從而影響稻谷及大米品質(zhì)。為了減少或避免熱處理對稻谷品質(zhì)的影響，需要探究其在熱處理中的變化規(guī)律，并以此改善稻谷品質(zhì)。而物料含水量、時間、溫度是熱處理過程中影響稻谷及大米品質(zhì)的主要因素，為了避免對其產(chǎn)生不利影響，需根據(jù)所需要求嚴格控制這3個工藝參數(shù)。稻谷在采用熱處理方法降低稻谷及大米含水量的過程中，熱處理時間越長，熱處理溫度越高，籽粒內(nèi)部出現(xiàn)水分梯度的可能性越大，產(chǎn)生的碎米越多。因此，在保障達到所需要求的前提下，可以縮短熱處理時間或降低熱處理溫度。此外，針對不同的目標，采取的熱處理條件也不盡相同，如鈍化稻谷及大米中的酶所需要的溫度遠遠高于殺滅其中害蟲的溫度。

4 展望

熱處理具有無殘留、無污染、安全性高的優(yōu)點，可以有效替代部分化學熏蒸劑和食品添加劑用于稻谷和大米的殺蟲、滅菌、鈍酶和改善品質(zhì)，但要選擇合適的熱處理方式與熱處理條件，否則反而會對稻谷品質(zhì)造成不良影響。后續(xù)應更加深入探究熱處理過程中稻谷與大米品質(zhì)變化規(guī)律及其機理，緩解其對品質(zhì)的不良影響，開發(fā)適用于工業(yè)化應用的熱處理設(shè)備，以期望熱處理技術(shù)在稻谷及大米貯藏與加工中應用越來越廣泛。