熱處理在稻谷及大米貯藏與加工中的應(yīng)用研究進(jìn)展

宗 平王 燕吳衛(wèi)國(guó)任劍豪李 娜周 濤

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128; 2. 中南糧科院，湖南 長(zhǎng)沙 410008)

稻谷是世界上最重要的糧食作物之一，也是中國(guó)糧倉(cāng)重要的儲(chǔ)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(xué)防霉劑(丙酸、雙乙酸鈉、二氧化硅等)和化學(xué)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(wú)殘留，無(wú)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(shì)，但若處理?xiàng)l件和處理方式不當(dāng)，反而會(huì)對(duì)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(dāng)?shù)臒崽幚矸绞脚c處理?xiàng)l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(duì)稻谷中害蟲、微生物與酶的影響及其機(jī)理，以及在稻谷與大米及其制品品質(zhì)改善中的應(yīng)用，并分析熱處理對(duì)稻谷與大米的不利影響及預(yù)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(yīng)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(fēng)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(fēng)處理采用熱空氣對(duì)物料進(jìn)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(zhǎng)(1～1 000 mm)的電磁波推動(dòng)固體物料內(nèi)極性分子運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)熱，達(dá)到加熱效果，能耗較熱風(fēng)處理少，加熱均勻、調(diào)控方便，營(yíng)養(yǎng)物損失少[3]，目前微波處理在稻谷貯藏中主要應(yīng)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、出油率高、蒸煮時(shí)間短、儲(chǔ)存期長(zhǎng)等特點(diǎn)，但其對(duì)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(shí)現(xiàn)物料加熱過程。由于水的比熱容遠(yuǎn)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(shí)物料的氧化反應(yīng)，有效保護(hù)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(yīng)用于稻谷與大米加工中，包括干燥[13]、鈍化酶[14]、預(yù)熟化[15]等。濕熱處理是指在一定水分(體積分?jǐn)?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(duì)紅外(0.75～1 000.00 μm)輻射的吸收而產(chǎn)生熱效應(yīng)，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(duì)稻谷加工品質(zhì)的影響小于熱風(fēng)處理與自然通風(fēng)，但其穿透力不如微波處理，故在紅外熱處理稻谷時(shí)物料的厚度會(huì)影響其干燥效果[18]。為了滿足人們對(duì)稻谷及大米品質(zhì)越來越高的要求，學(xué)者們更是將多種熱處理方法進(jìn)行聯(lián)合使用來達(dá)到預(yù)期效果，同時(shí)還能減少對(duì)稻谷及大米品質(zhì)的不利影響，如張斌等[4]采用微波—熱風(fēng)聯(lián)合處理稻谷，相比單一熱處理方式，該方法的干燥時(shí)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(zhǎng)了其貯藏期。

2 熱處理在稻谷貯藏與加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 對(duì)蟲害的影響

稻谷與大米貯藏過程中，若糧倉(cāng)溫度、倉(cāng)內(nèi)空氣濕度、糧倉(cāng)密閉性等貯藏條件不適宜，會(huì)導(dǎo)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(chǔ)糧害蟲生長(zhǎng)和繁殖，但當(dāng)溫度高于33 ℃時(shí)，會(huì)抑制其生長(zhǎng)和繁殖，甚至致其死亡[20]。因此，在稻谷及大米貯藏時(shí)，熱處理法可作為殺滅害蟲或抑制害蟲的生長(zhǎng)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(shí)具有較高的耐受能力，處理90 min時(shí)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(dá)100%，說明熱處理對(duì)儲(chǔ)糧害蟲有很好的防治效果。嚴(yán)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(duì)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?xiàng)l件下，玉米象子代種群抑制率達(dá)100%。

綜上，熱處理對(duì)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(duì)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(xì)胞內(nèi)外水分含量與相對(duì)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(dòng)等作用來殺滅害蟲[21]。

2.2 對(duì)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(huì)對(duì)其品質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，稻谷和大米的滅菌消毒對(duì)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(fēng)處理對(duì)稻谷進(jìn)行干燥，在降低至相同安全水分的前提下，微波處理和熱風(fēng)處理均能有效地抑制稻谷的霉菌總量和細(xì)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(fēng)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(shí)對(duì)稻谷內(nèi)部霉菌可實(shí)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(qiáng)度下持續(xù)110 s時(shí)，大米中玉米象與豆象的死亡率達(dá)100%。

熱處理能殺滅微生物的主要原因是高溫能使微生物細(xì)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(dāng)水分活度較低時(shí)，細(xì)胞內(nèi)部水分含量與相對(duì)濕度之間的平衡會(huì)被打破，細(xì)胞失水皺縮、細(xì)胞膜厚度增加，從而保護(hù)細(xì)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(huì)對(duì)稻谷及大米的品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.3 對(duì)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(huì)對(duì)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(dǎo)致酸敗。

Satou等[27]研究表明，較低溫度(125 ℃)的過熱蒸汽可在短時(shí)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?yàn)槲⒉ㄌ幚砑却嬖跓嵝?yīng)又存在非熱效應(yīng)，熱效應(yīng)會(huì)使酶分子變性，導(dǎo)致酶活性下降，非熱效應(yīng)會(huì)干擾與破壞酶的空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致酶分子結(jié)構(gòu)中氫鍵被破壞，降低酶對(duì)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(duì)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(huì)破壞酶蛋白質(zhì)特定的空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其變性。因此，細(xì)胞內(nèi)的非酶蛋白質(zhì)也可能會(huì)受熱處理溫度的影響而變性，改變稻谷的品質(zhì)。

2.4 對(duì)稻谷與大米及其制品品質(zhì)的改良

目前，熱處理對(duì)大米品質(zhì)進(jìn)行改良的主要目的包括提高大米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[6，31]、增強(qiáng)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(yíng)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(xì)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(dǎo)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(shí)際加工應(yīng)用中，應(yīng)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(yīng)用概況

3 對(duì)稻谷與大米品質(zhì)的不利影響及其預(yù)防措施

盡管熱處理在稻谷及大米貯藏與加工中應(yīng)用廣泛、優(yōu)勢(shì)眾多，但若處理?xiàng)l件和處理方式不當(dāng)，反而會(huì)對(duì)稻谷與大米及其制品造成不利影響。因?yàn)榈竟戎械乃?、蛋白質(zhì)、淀粉、酶等大分子物質(zhì)對(duì)熱較為敏感，容易受其影響。如高水分的稻谷在溫度較高、長(zhǎng)時(shí)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(yīng)力與低水分部位的張應(yīng)力相互作用，最終生成裂紋，導(dǎo)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(huì)由稻殼和米糠層擴(kuò)散到胚乳內(nèi)部，還存在美拉德反應(yīng)、酶促反應(yīng)，導(dǎo)致米色較深,同時(shí)高濕高溫條件還會(huì)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(dǎo)致米飯硬度提高，黏性下降[30]；長(zhǎng)時(shí)間微波處理不僅會(huì)使大米脂肪酶和脂肪氧化酶部分失活，破壞硫胺素，還會(huì)使大米胚乳表面崩裂，稻米內(nèi)復(fù)合淀粉粒崩解，產(chǎn)生膨化大米[7]。

熱處理對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)其產(chǎn)生不利影響，需根據(jù)所需要求嚴(yán)格控制這3個(gè)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(shí)間越長(zhǎng)，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(dá)到所需要求的前提下，可以縮短熱處理時(shí)間或降低熱處理溫度。此外，針對(duì)不同的目標(biāo)，采取的熱處理?xiàng)l件也不盡相同，如鈍化稻谷及大米中的酶所需要的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于殺滅其中害蟲的溫度。

4 展望

熱處理具有無(wú)殘留、無(wú)污染、安全性高的優(yōu)點(diǎn)，可以有效替代部分化學(xué)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?xiàng)l件，否則反而會(huì)對(duì)稻谷品質(zhì)造成不良影響。后續(xù)應(yīng)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(jī)理，緩解其對(duì)品質(zhì)的不良影響，開發(fā)適用于工業(yè)化應(yīng)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(yīng)用越來越廣泛。