非發(fā)酵加工方法對大米品質(zhì)影響的研究進(jìn)展

(劉曉飛 趙香香 吳浚瀅 戚月娜 劉 暢 張 娜

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院；黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點實驗室；黑龍江省谷物食品與資源綜合加工重點實驗室，哈爾濱 150028)

我國稻米總產(chǎn)量大約占世界1/3，是世界上最大的稻米生產(chǎn)國和消費國[1]，我國約有2/3的人口以大米為主食[2]，大米中營養(yǎng)成分主要為淀粉和蛋白質(zhì)[3]。大米干物質(zhì)的80%以上均是大米淀粉，其具有易消化、味道清淡、顆粒微小、消費者容易接受等特性，并廣泛應(yīng)用于食品和藥品領(lǐng)域[4]。大米深加工主要集中在大米蛋白和大米淀粉的加工和深度開發(fā)，大米作為滿足人們?nèi)粘Ｄ芰啃枨蟮闹匾獊碓?，有著良好的發(fā)展前景。此外，米蛋白的低過敏性和米淀粉良好的加工特性使大米成為制備創(chuàng)新產(chǎn)品的最佳原料[5]。但是大米淀粉與小麥淀粉、大米蛋白與小麥蛋白的差異限制了大米在米制品加工中的應(yīng)用。大米中面筋蛋白的缺乏導(dǎo)致米面團的黏彈性和持氣性能較差；大米蛋白的溶解度低、分子量大，導(dǎo)致水包油型大米面糊體系的糊化度低，米制食品消化性能變差；大米淀粉回生值較高且不宜活化，導(dǎo)致油包水型面團淀粉糊化熱焓值高，米制食品陳化速率變快，使其在儲存過程中表皮變得堅硬，形成易破碎的質(zhì)地，香味減少口感變差。

1 非發(fā)酵方法對大米品質(zhì)的影響

目前采用非發(fā)酵方法對大米品質(zhì)進(jìn)行改善的研究越來越廣泛，主要有擠壓膨化、超微粉碎、微波處理、壓熱處理、酶法處理和超聲波處理等方法，這些方法會對大米的理化性質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能特性和風(fēng)味產(chǎn)生影響，使大米品質(zhì)得到改善[6]。

1.1 擠壓膨化技術(shù)對大米品質(zhì)的影響

擠壓膨化技術(shù)是集加熱、混合、蒸煮、攪拌、膨化、殺菌、成型為一體的連續(xù)化加工技術(shù)[7]。擠壓膨化技術(shù)是一種通用的加工單元操作，濕潤的可膨脹淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)在不同的擠壓工藝參數(shù)組合下進(jìn)行修飾[8]，擠壓膨化使淀粉糊化，晶體結(jié)晶度和回生值降低，蛋白質(zhì)降解并在脂質(zhì)、淀粉和蛋白質(zhì)之間形成復(fù)合物，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)以及宏觀形狀發(fā)生變化[9]，這為制備新型產(chǎn)品提供了獨特的機會。Levien等[10]研究發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉含量不同的大米淀粉擠壓膨化過程中表現(xiàn)出不同的特性，直鏈淀粉含量為8%的大米糊化淀粉基質(zhì)具有更好的延展性。Liu等[11]研究了擠壓工藝對大米淀粉回生性能的影響，結(jié)果表明降解的淀粉越多，短期回生越受抑制，大米淀粉越不易回生，越有助于人體消化。與未經(jīng)擠壓處理的大米蛋白質(zhì)相比，擠壓膨化后大米蛋白質(zhì)發(fā)生降解及聚合，打破了其天然有序的結(jié)構(gòu)，形成片狀結(jié)構(gòu)(圖1)，進(jìn)而提高了大米蛋白的體外消化率[12]；也可以通過升高擠壓溫度來降低米粉擠出物的吸水指數(shù)、體積密度和硬度，達(dá)到提高大米體外消化率的目的[13]；隨著物料含水率的提高，膨化強化米粒的體積密度和吸水指數(shù)也提高，水溶指數(shù)和膨脹率降低[14]。因此，擠壓膨化作為一種提高米制食品質(zhì)量和潛在健康促進(jìn)功能的技術(shù)，在最近幾年受到了廣泛的關(guān)注，也成為我國發(fā)展米制食品的重要技術(shù)之一。全球?qū)I養(yǎng)豐富且有吸引力的即食膨化休閑食品的需求正在增長，擠壓產(chǎn)品中的增值和副產(chǎn)品的利用在未來具有廣闊的機遇。許多領(lǐng)域需要有關(guān)大米和基于米的擠壓產(chǎn)品的進(jìn)一步研究。

圖1 擠壓膨化前后大米蛋白掃描電子顯微鏡圖[23]

1.2 超微粉碎對大米品質(zhì)的影響

超微粉碎技術(shù)是一種將固體物料粉碎成直徑小于10 μm粉體的高科技加工技術(shù)，可用于生產(chǎn)具有優(yōu)異性能的粉末[15]。超微粉碎技術(shù)的原理即通過降低物料的顆粒粒度、改變物料的化學(xué)組成和破壞物料結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到有目的改善物料理化特性。大米經(jīng)超微粉碎處理后，流動性、溶解性、體外消化性、水合特性和抗氧化性提高；米粉膠體的黏彈性增強，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更致密，穩(wěn)定性更好；大米淀粉受到活化，風(fēng)味和口感得到改善；大米蛋白質(zhì)對淀粉凝膠結(jié)構(gòu)的影響減弱，使凝膠結(jié)構(gòu)更均勻光滑[16]。Jitranut等[17]發(fā)現(xiàn)在大米加工過程中，濕法超微粉碎可以顯著降低米粉的蛋白質(zhì)、灰分和脂質(zhì)含量，增加米粉的碳水化合物和直鏈淀粉含量。周聰[18]利用超微粉碎技術(shù)制備大米粉并對大米粉的性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著大米粉粒徑的減小，其降落值和回生值都降低，使大米粉不易回生和老化；米粉粒度也會對米粉淀粉損傷和糊化特性產(chǎn)生一定影響，當(dāng)平均粒徑≤10 μm時，破損淀粉含量明顯增加、峰值黏度和最終黏度急劇下降，說明超微粉碎促進(jìn)了大米粉的糊化，增加了大米粉的體外消化率[19]。超微粉碎技術(shù)還會使大米具有更好的流動性和水合作用、更高的生物利用度和生物活性、更強的抗氧化活性和更低的界面張力[20]。綜合研究發(fā)現(xiàn)，超微粉碎技術(shù)可以使米粉粒度減小，進(jìn)而提高大米粉的溶解度和體外消化率，降低米粉的回生值，延緩米粉老化，提高米粉的品質(zhì)。具有改進(jìn)質(zhì)量的食品粉末將有望在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用，特別是用于特殊飲食用途。盡管如此，仍需要對超微粉碎技術(shù)進(jìn)行更多的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，以消除該技術(shù)當(dāng)前的問題和缺點。

1.3 微波處理對大米品質(zhì)的影響

微波的頻率在300 MHz～3 000 GHz之間，所以又被稱為超高頻波。微波處理使大米的脂肪酶活性降低，游離脂肪酸含量減少，吸水率提高，大米的儲藏穩(wěn)定性得以改善；在微波熱效應(yīng)下大米淀粉微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象(圖2)，還原性羥基結(jié)合水的能力增強，減少了大米中氫鍵的數(shù)量，使淀粉分子穩(wěn)定性和溶脹能力增強，從而改善米飯的硬度、黏性和酸類物質(zhì)含量，提高大米食味值[21]。Agrawal等[22]研究了微波米飯的理化特性，發(fā)現(xiàn)處理后的大米吸水率升高，壓力蒸煮樣品比微波烹飪樣品伸長率和米飯體積更高。Zhao等[23]研究了微波對稻米營養(yǎng)物質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著微波能量消耗的增加，大米的含水量和游離脂肪酸含量降低，從而提高大米貯藏穩(wěn)定性?；磴y強等[24-25]對脈沖微波處理留胚米的穩(wěn)定技術(shù)和風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行研究，在最優(yōu)條件處理下留胚米脂肪酶活性發(fā)生了大幅度下降；且利用微波處理后的大米在烹制米飯時酸類物質(zhì)含量顯著升高。微波處理還可以提高大米的食味值，因素對食味值產(chǎn)生影響的順序依次為微波時間、微波功率、水分含量；適當(dāng)?shù)奈⒉l件能增加淀粉分子的溶脹破裂程度，降低米飯硬度，增加黏性，改善大米食味值[26]。由此可知，微波處理技術(shù)對米飯的理化性質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)等均產(chǎn)生一定的影響。

圖2 微波處理前后大米掃描電子顯微鏡圖[33]

1.4 其他方法對大米品質(zhì)的影響

壓熱處理、生物酶解和超聲波處理技術(shù)在改善大米品質(zhì)方面起著積極作用。

1.4.1 壓熱處理

一般認(rèn)為壓強超過100 MPa就是超高壓，超高壓經(jīng)常結(jié)合熱處理聯(lián)合進(jìn)行。天然和高壓處理過的大米淀粉顆粒的掃描電子顯微照片如圖3所示[39]。顯然，在600 MPa的壓力水平下，通過高壓處理完全破壞了大米淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)。這表明在壓熱處理下，淀粉顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了大多數(shù)變化，同時伴隨著明顯的形態(tài)變形[27]。在壓熱處理條件下，大米的儲藏穩(wěn)定性、碘藍(lán)值、溶解度和凝膠膨脹率得到改善，大米淀粉的熱穩(wěn)定性和糊化度也有所提高，說明壓熱處理可以提高大米的消化率、延長大米的儲藏期。Bergonio等[28]發(fā)現(xiàn)壓熱處理可提高大米的營養(yǎng)價值、滅菌保鮮、增強大米儲藏穩(wěn)定性；采用壓熱處理對大米粉進(jìn)行加工，大米淀粉晶型由A型轉(zhuǎn)化為特殊B型從而提高結(jié)晶度，熱穩(wěn)定性也有所提高[29]。管弋铦[30]利用壓熱處理大米，發(fā)現(xiàn)大米碘藍(lán)值、溶解度和凝膠膨脹率升高；大米淀粉的糊化度隨著米粉加水量、壓力以及溫度的增大而急劇增大，大米淀粉的體外消化率也隨之升高。因此，壓熱處理不僅可以增強大米儲藏穩(wěn)定性和體外消化率還可以使大米的品質(zhì)得到改善。

圖3 在不同壓力下處理30 min的大米淀粉顆粒掃描電子顯微鏡圖

1.4.2 酶法處理

酶法處理是利用酶促反應(yīng)的專一性來選擇相應(yīng)的酶，將聚合物形式的生物大分子分解為單體的技術(shù)[31]。胡燕等[32]研究發(fā)現(xiàn)在大米凝膠中添加蛋白酶干擾了淀粉分子與蛋白質(zhì)分子的交聯(lián)從而影響凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，使凝膠老化速度變緩。Ahn等[33]用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶處理大米蛋白后，多肽鏈分子量增加導(dǎo)致一定程度的柔韌性喪失，降低大米蛋白質(zhì)在油水界面展開的能力，使大米蛋白質(zhì)的乳液穩(wěn)定性有所提高。Li等[34]研究了酶解輔助電子束輻照(EBI)對大米蛋白抗氧化活性的影響，發(fā)現(xiàn)EBI提高了大米蛋白酶解物的抗氧化活性，而且隨著酶水解反應(yīng)的進(jìn)行反相蛋白的氨基酸含量增加。酶法處理可以延緩大米凝膠老化，提高大米蛋白質(zhì)的乳液穩(wěn)定性和大米蛋白酶解物的抗氧化活性[35]。

1.4.3 超聲波處理

超聲波處理是利用超聲波能量改變物質(zhì)的某些生物、物理和化學(xué)特性的過程。蔡偉[36]等研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可以對水稻表面的微生物起到殺菌抑制作用，濕法超聲波處理比干法超聲波處理殺菌效果更好。楊帆等[37]利用超聲波濕熱法與酸水解結(jié)合的方式制備大米抗性淀粉，處理后大米抗性淀粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，含水量和溶解性都減小，熱穩(wěn)定性較好。Yang等[38]發(fā)現(xiàn)超聲波可以通過增加無規(guī)則卷曲、β-折疊含量和降低β-轉(zhuǎn)角、α-螺旋含量來改變大米蛋白的二級結(jié)構(gòu)。Li等[39]研究了超聲波對大米蛋白酶解和結(jié)構(gòu)特性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波處理顯著提高了反相蛋白的水解度和蛋白洗脫量，而且經(jīng)過超聲波處理后節(jié)省了酶解時間。綜上所述，超聲波可以殺滅水稻表面微生物，降低大米抗性淀粉的含水量、溶解性和膨潤力，提高其熱穩(wěn)定性，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密；還可以提高大米蛋白的反相蛋白水解度和蛋白洗脫量，改變大米蛋白二級結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)論與展望

擠壓膨化、超微粉碎和微波處理等非發(fā)酵技術(shù)可以有效地調(diào)控大米蛋白分子鏈聚集狀態(tài)，構(gòu)建大米粉面團凝膠態(tài)體系及提高米面糊多項分散體系的穩(wěn)定性。但這些非發(fā)酵方法在深加工大米時還存在顆粒大小不均、顆粒膨脹度不高，高溫破壞活性物質(zhì)、加熱不均勻，維生素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)損失等問題。為解決這些問題，要根據(jù)不同需求探索出最優(yōu)結(jié)構(gòu)工藝和膨化參數(shù)，實現(xiàn)最大化的生產(chǎn)效益；確定不同品種的最佳粉碎粒度，增強超微粉碎在大米加工方面的基礎(chǔ)性研究；結(jié)合變頻技術(shù)和選頻技術(shù)在保證高效率的前提下改變微波加熱的頻率，提高加熱的均勻性。由于這些非發(fā)酵技術(shù)可有效改善大米性質(zhì)，因此大米深加工將成為未來研究的熱點。