高靜壓技術(shù)對(duì)谷物加工的影響范文

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《糧油食品科技雜志》2014年第三期

1HHP處理對(duì)谷物和豆類化學(xué)組分的影響

1．1HHP處理對(duì)自由水和結(jié)合水的影響水具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，如高熱容、高沸點(diǎn)、高表面張力、高潛熱等，這些性質(zhì)稱為水的特異性。水的特異性是由于水分子之間形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分子間氫鍵、四面體組合等原因造成的。在恒溫條件下，如果顯著地改變了水的體積，水的性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。例如在超過(guò)600MPa的高靜水壓下，水介質(zhì)會(huì)發(fā)生凝固結(jié)冰現(xiàn)象。水在細(xì)胞中以自由水與結(jié)合水2種狀態(tài)存在。自由水是在生物體內(nèi)或細(xì)胞內(nèi)可以自由流動(dòng)，是良好的溶劑和運(yùn)輸工具，用水分活度表示。自由水對(duì)于HHP處理效果影響較大;結(jié)合水是指在細(xì)胞內(nèi)與其它物質(zhì)結(jié)合在一起的水。稻谷籽粒及其各組成部分的水分含量各不相同。皮層含水量較高，故韌性較大，易于碾剝。胚乳含水量較低，籽粒強(qiáng)度大，不易碾碎。稻殼含水量最低，脆性大，易于脫殼。這種水分分布不均對(duì)稻谷的加工是很有利的［15］。阮征等［16］采用HHP處理，并用蔗糖等調(diào)節(jié)水分活度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水分活度低于0．94時(shí)，在室溫下400MPa處理紅酵母15min所產(chǎn)生的致死作用會(huì)受到抑制。30℃，水分活度為0．96時(shí)，400MPa，15min的處理可使酵母細(xì)胞減少1個(gè)數(shù)量級(jí);當(dāng)水分活度減至0．94，酵母失活不足兩個(gè)數(shù)量級(jí);當(dāng)水分活度低于0．91，幾乎沒(méi)有失活現(xiàn)象。研究表明，水分活度大小對(duì)微生物抵抗壓力非常關(guān)鍵，對(duì)于固體與半固體食品的HHP處理，考慮水分活度的大小十分重要。

1．2HHP處理對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的影響HHP對(duì)蛋白質(zhì)分子的影響表現(xiàn)為以下方面:對(duì)于一級(jí)結(jié)構(gòu)基本無(wú)影響，有利于二級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，會(huì)破壞其三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)，迫使蛋白質(zhì)的原始結(jié)構(gòu)伸展，分子從緊密而有序的構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮⒍鵁o(wú)序的構(gòu)造。蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)HHP處理后，溶解性、起泡性和乳化性等都會(huì)發(fā)生改變。

1．2．1蛋白質(zhì)溶解性蘇丹等［17］經(jīng)過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn):大豆蛋白在400～600MPa下處理20min后，其亞基結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯

變化，7S和11S蛋白含量顯著增加;大豆蛋白巰基含量和表面疏水性都明顯增加。同時(shí)HHP處理能夠使較大的蛋白質(zhì)分子顆粒解聚成較小的顆粒，這使得蛋白質(zhì)顆粒溶解于溶液中的體積分?jǐn)?shù)增加，使溶液的分散性增強(qiáng)。薛路舟等［18］以大豆分離蛋白的溶解度為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)其會(huì)隨壓力的增大而增大，且在0～100MPa時(shí)的溶解度變化最大。在300MPa下，隨著HHP處理時(shí)間延長(zhǎng)，大豆分離蛋白溶解度也明顯增加，但當(dāng)處理壓力大于400MPa時(shí)，大豆分離蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%，其溶解度就會(huì)降低。

1．2．2蛋白質(zhì)凝膠特性張宏康等［19］通過(guò)HHP和熱處理兩種不同方法得到大豆分離蛋白凝膠，并且對(duì)凝膠樣品進(jìn)行了感官分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度及處理壓力的增高、大豆分離蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，HHP處理得到的凝膠強(qiáng)度會(huì)增高，熱處理得到的凝膠強(qiáng)度不及高靜壓處理所得到的凝膠，而且HHP處理的凝膠外觀更加平滑、細(xì)致，因此可以斷定HHP處理得到的凝膠更加優(yōu)質(zhì)。

1．2．3蛋白質(zhì)乳化性質(zhì)袁道強(qiáng)等［20］研究發(fā)現(xiàn)在壓力400MPa，處理時(shí)間12．5min，pH為8．0條件下，大豆分離蛋白的乳化能力與乳化穩(wěn)定性可分別提高86．6%和24．7%。李曉等［21］以花生分離蛋白為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn)，花生分離蛋白溶液經(jīng)400MPa、15minHHP處理后，其乳化性提高。通過(guò)凝膠電泳可以發(fā)現(xiàn)，在400MPa條件下處理后，蛋白分子發(fā)生一定程度的解聚和伸展;而通過(guò)紅外光譜分析可以發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)電荷分布加強(qiáng);通過(guò)掃描電鏡可以發(fā)現(xiàn)，400MPa處理后蛋白會(huì)消失一些不溶性顆粒。導(dǎo)致花生分離蛋白分子乳化性變化的原因主要是因?yàn)镠HP改變了其分子結(jié)構(gòu)。

1．2．4蛋白質(zhì)粘度和粘彈性經(jīng)HHP處理后，大豆分離蛋白溶液的表觀粘度會(huì)增加，且隨著處理壓力的提高，其儲(chǔ)能模量G＇和損耗模量G″也隨著增大。豆?jié){黏度會(huì)在超過(guò)200MPa的壓力下表現(xiàn)出增大趨勢(shì)，其中在300～400MPa下，黏度的增加最為明顯，這是由于在此壓力范圍內(nèi)，豆?jié){中的蛋白質(zhì)解聚和伸展較為明顯。隨著豆?jié){濃度的增大其黏度也會(huì)增大。但高靜壓處理所產(chǎn)生的增黏效果會(huì)隨著豆?jié){濃度的不同而改變。張宏康［22］的研究也顯示豆?jié){的黏度會(huì)隨著處理壓力的增高而呈線性增高的趨勢(shì)。

1．3HHP對(duì)酶活力的影響酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，其核心組成是活性中心。高靜壓作用可使鹽鍵、疏水鍵以及氫鍵等被破壞，這些都是維持三維結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵，從而導(dǎo)致了酶蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)崩潰，使酶活性中喪失或改變其氨基酸的組成，從而達(dá)到改變催化活性的目的［23］。脂肪氧化酶(LOX)是催化脂肪氧化的酶類。陳復(fù)生等［24］研究發(fā)現(xiàn)，在大豆中，脂肪氧化酶的濃度越高，其抗壓性越大，且在Tris緩沖液中或室溫下都十分耐壓，如果充入二氧化氮或者降低、增高溫度都會(huì)增大其壓力失活的效果。Wang［25］以豆?jié){和大豆提取物中的脂肪氧化酶為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)HHP會(huì)使它們脂肪氧化酶發(fā)生鈍化。脂肪氧化酶的等溫和等壓鈍化作用在兩種體系中是不可逆的，且在壓力—溫度聯(lián)合測(cè)試中遵從一級(jí)反應(yīng)。在整個(gè)壓力—溫度區(qū)域中(250～650MPa和5～60℃)，兩個(gè)體系在恒溫的情況下，隨著壓力的增加，脂肪氧化酶鈍化速率常數(shù)增加，在大豆提取物中的速率常數(shù)相對(duì)豆?jié){中的大一些。在等壓條件下，兩種體系脂肪氧化酶在20℃時(shí)表現(xiàn)了最大的穩(wěn)定性。在高溫條件下，隨著壓力的增加，兩種體系脂肪氧化酶鈍化速率常數(shù)溫度依賴性降低，而在30℃時(shí)脂肪氧化酶鈍化速率常數(shù)對(duì)壓力最為敏感。在其他領(lǐng)域中，HHP對(duì)酶的影響也很大。Cano等［26］以果膠甲基酯酶為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn):在室溫下，新鮮橘汁中果膠甲基酯酶在100～400MPa處理下可被滅活。西紅柿中的果膠甲基酯酶對(duì)壓力的抗性略大，隨著pH值的降低，它的壓力穩(wěn)定性也降低，在高溫度(59～60℃)和低壓條件下，西紅柿的果膠甲基酯酶被激活。德力格爾桑等［27］發(fā)現(xiàn)，牛乳中脂肪酶活性隨著壓力增加而急劇下降。在室溫、500MPa下，分別處理8、6和4min，脂肪酶活性幾乎不變;提高壓力至700MPa時(shí)脂肪酶活性分別下降77%、66%和45%;繼續(xù)升高壓力至900MPa時(shí)脂肪酶完全鈍化。施壓時(shí)間和壓力對(duì)脂肪酶的鈍化效應(yīng)極顯著(P＜0．01)。

1．4HHP處理對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)和物理特性的影響HHP處理時(shí)，在壓力作用下，淀粉顆粒將會(huì)溶脹分裂，其晶體結(jié)構(gòu)遭到某種程度的破壞，內(nèi)部有序態(tài)分子間的氫鍵斷裂，分散成無(wú)序的狀態(tài)，同時(shí)淀粉分子的長(zhǎng)鍵斷裂，因此，HHP處理，將使谷物和豆類中淀粉的糊化特性、結(jié)晶結(jié)構(gòu)等性質(zhì)發(fā)生改變。淀粉的種類不同其受到壓力的影響也不同，在室溫下壓力超300MPa時(shí)，小麥淀粉開(kāi)始糊化，600MPa時(shí)小麥淀粉會(huì)完全糊化;而同樣在600MPa下，馬鈴薯淀粉則沒(méi)有變化，直至800MPa時(shí)才會(huì)完全糊化［28］。楊留枝等［29］應(yīng)用X－射線衍射和偏光顯微鏡對(duì)600MPa下，不同濃度的氯化鈣介質(zhì)處理的馬鈴薯淀粉進(jìn)行了分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氯化鈣不論在何種濃度下均會(huì)抑制淀粉的糊化，且保持較好的偏光十字;馬鈴薯淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)在低濃度氯化鈣下影響不大，而在高濃度的氯化鈣中會(huì)被嚴(yán)重破壞。劉延奇等［30］以玉米淀粉顆粒為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)玉米淀粉經(jīng)400、500、600MPa處理后，其偏光十字和特征衍射峰隨著壓力的增大而逐漸變?nèi)醪⑾?在未達(dá)到糊化狀態(tài)之前，淀粉顆粒表面隨著壓力的增大而被逐漸消磨，直至淀粉顆粒出現(xiàn)塌陷情況;結(jié)晶度隨著壓力的增大而逐漸降低，當(dāng)壓力達(dá)到600MPa時(shí)，其結(jié)晶區(qū)域完全消失。Stolt等［28］研究發(fā)現(xiàn)10%粘玉米淀粉經(jīng)450MPa處理110min，粘度系數(shù)不超過(guò)7Pa，而經(jīng)550MPa下處理5～10min粘度系數(shù)能達(dá)到20Pa。粘度系數(shù)的結(jié)果與儲(chǔ)能模量G＇的測(cè)試結(jié)果完全相同，除了在長(zhǎng)時(shí)間加壓的情況下儲(chǔ)能模量G＇降低，由此可知過(guò)度的壓力會(huì)削弱凝膠結(jié)構(gòu)。

1．5HHP處理對(duì)植物化學(xué)素的影響李鳳［31］以大豆膳食纖維為研究對(duì)象，將其充分吸水后經(jīng)700MPa靜壓，15min處理后考察持水率、膨脹率、黏度和顯微結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樣品的膨脹率、持水率經(jīng)處理后都有較大的提高，而黏度略有下降;樣品經(jīng)處理后，組織結(jié)構(gòu)越來(lái)越疏松，空隙更多更大，但是其瓣膜狀的空間結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變。趙健等［32］研究發(fā)現(xiàn)，薯渣膳食纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)經(jīng)HHP處理后基本沒(méi)有影響，但纖維構(gòu)成比例發(fā)生了改變，水溶性纖維含量降低，不溶性纖維含量增加，且膳食纖維的結(jié)合膽酸鹽能力和吸附葡萄糖能力均有提高，在500MPa處理時(shí)效果最為明顯。因此可以得出，薯渣膳食纖維經(jīng)HHP后能將葡萄糖濃度控制在較低的水平，能有效抑制餐后血糖的急速升高。維生素特別是水溶性維生素在熱加工中極易損失，而在高靜壓加工中Vc、B1、B2、B6等維生素沒(méi)有被破壞。目前HHP處理對(duì)于谷物和豆類中維生素和礦物質(zhì)的影響并無(wú)報(bào)道。在其他系統(tǒng)中，HHP處理對(duì)果蔬中維生素和礦物質(zhì)影響較少［33］。如動(dòng)物食品如蛋制品中也發(fā)現(xiàn)在20℃，400MPa高壓下處理30min，大部分的Vc能夠被保持［34］。

2HHP技術(shù)在谷物和豆類加工中的應(yīng)用

2．1HHP技術(shù)在大米中應(yīng)用HHP技術(shù)在大米中主要應(yīng)用于減少過(guò)敏原物質(zhì)及解決陳米口感方面。大米一直以來(lái)都被視作消費(fèi)量大、安全的谷物。然而，自從1979年Shibasa-ki［35］首次關(guān)注大米球蛋白的安全問(wèn)題，認(rèn)為其容易誘使人體發(fā)生哮喘、過(guò)敏性皮疹、過(guò)敏性皮炎等疾病以來(lái)，大米過(guò)敏等安全問(wèn)題也得到了人們的大量關(guān)注。大米中的蛋白質(zhì)約占胚乳中的8%。這些蛋白是由5%～10%的醇溶蛋白，4%～10%的球蛋白，80%～90%的谷蛋白組成。研究表明大米蛋白特別是16kDa的清蛋白和26kDa的α－球蛋白的攝入可能引起過(guò)敏。但相關(guān)研究主要集中在過(guò)敏原蛋白的鑒定上。近年來(lái)，一些學(xué)者研究采用HHP的加工方式，降低和減少大米蛋白中的過(guò)敏原物質(zhì)［36］。Kato等［36］研究了HHP對(duì)大米過(guò)敏原蛋白的影響。在100～400MPa的壓力下處理置于蒸餾水中的精白米，大米釋放大量的過(guò)敏原蛋白(約0．2～0．5mg/g);在300～400MPa的壓力下，過(guò)敏原蛋白質(zhì)的釋放量最大;繼續(xù)升高壓力到500MPa時(shí)，過(guò)敏原蛋白釋放無(wú)顯著增加。對(duì)大米過(guò)敏患者的血清進(jìn)行抗原抗體反應(yīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)食用高靜壓大米后體內(nèi)的抗原量有明顯減少。YamazakiA等［37］研究發(fā)現(xiàn)，在HHP處理中大米過(guò)敏原蛋白質(zhì)的溶解和釋放與浸泡大米的提取液相關(guān)。在300MPa下，處理置于0．025mol/L氫氧化鈉溶液中的大米，會(huì)釋放出大量的醇溶蛋白和谷蛋白;處理置于70%的乙醇溶液中的大米，會(huì)釋放出大量分子量為13Da的醇溶蛋白;處理置于1mol/L的食鹽水中的大米，會(huì)釋放出大量α－球蛋白。因此應(yīng)根據(jù)自身需求選擇不同的提取液以便準(zhǔn)確、方便、高效的得到所需的蛋白質(zhì)。徐洲等［35］認(rèn)為在操作壓力400MPa左右，升壓速度、減壓速度2MPa/s以上，浸泡時(shí)間30min以上，浸泡中性鹽溶液的濃度0．01mol以上時(shí)，1單位大米在以0．5單位中性鹽溶液中經(jīng)HHP處理可有選擇性地提取、去除大米中的球蛋白、清蛋白等過(guò)敏原，從而制備低過(guò)敏原大米。淀粉是大米的重要組成部分，新米淀粉質(zhì)膜中的淀粉質(zhì)膜和胚乳細(xì)胞壁柔軟，煮制過(guò)程中易被破壞，從而部分流出，增強(qiáng)了米飯的口感和粘性，入口柔軟。而存放較長(zhǎng)的陳米由于其細(xì)胞壁和細(xì)胞膜已連接在一起，口感略硬、粘度降低。將陳米進(jìn)行HHP處理，條件是將陳米吸水濕潤(rùn)后在20℃、50～300Mpa下處理10min。得到的米粒再按常規(guī)方法煮制，其粘度上升、硬度下降、平衡值提高到新米范圍，也改變了其光澤和香氣，如同新米一樣。煮制時(shí)間也可大大減少［38］。為了使產(chǎn)品具有較長(zhǎng)的保藏期，也可將谷物和豆類采用HHP處理，如用二次脈沖高壓處理綠豆，貯藏一月后，與常規(guī)保藏方法相比，99%的過(guò)氧化酶失活，且較好的保留了綠豆的硬度和維生素C［39］。

2．2高靜壓技術(shù)在大豆及制品中的應(yīng)用HHP技術(shù)在大豆及制品中主要起到滅菌和滅酶(油脂穩(wěn)定化)的作用。Pre''''stamo［40］報(bào)道在58℃下，400MPa高靜壓處理后，豆腐中的微生物大幅降低。并假設(shè)HHP處理的效果主要取決于HHP的保壓時(shí)間。還有研究認(rèn)為一些微生物在HHP處理前后未發(fā)生變化，具有抗HHP的作用，例如在高壓處理豆腐后一些芽孢桿菌能夠保持活性。HHP對(duì)微生物滅活的影響取決于微生物的類型、保壓時(shí)間、處理溫度、溶液的成分等幾個(gè)因素。除了溫度和保壓時(shí)間，影響HHP處理效果的另一個(gè)顯著因素是環(huán)境介質(zhì)。食品成分如蔗糖、果糖、葡萄糖和鹽的滲透等有助于高壓環(huán)境中微生物的存活［41］。在大豆制品中，異味(特別是腐敗風(fēng)味和豆腥味)主要產(chǎn)生于脂肪氧合酶的作用。因?yàn)橹狙鹾厦傅姆纸鈱?dǎo)致氫過(guò)氧化物含量的增加。脂肪氧合酶對(duì)于熱很敏感，在82℃以上加熱15min即可破壞［42］。酶的熱穩(wěn)定性已經(jīng)有大量的研究，但是HHP處理酶使其滅活的原理尚未明確［43］。在常壓下，溫度升高至60～70℃可達(dá)到滅酶的作用。而在高靜壓下經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)或者多個(gè)循環(huán)僅需較低的溫度即可達(dá)到滅酶的效果［44］。在350～525MPa，10～40℃，應(yīng)用多循環(huán)處理滅活大豆脂肪氧合酶對(duì)比單個(gè)循環(huán)僅需更低的溫度即可［45］。不同介質(zhì)對(duì)于HHP滅酶效果影響很大，如在商品大豆脂肪氧合酶－I溶于0．2mol檸檬酸磷酸鹽(pH4．0～9．0)和0．2molTris(pH6．0～9．0)緩沖溶液，置于400和600MPa壓力下20min，在堿性條件下脂肪氧合酶喪失了80%的活性，然而在酸性條件下完全失活［46］。

2．3HHP技術(shù)在小麥和大麥中的應(yīng)用HHP技術(shù)在小麥和大麥中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對(duì)淀粉酶的影響及對(duì)小麥面筋強(qiáng)度的影響。小麥和大麥等中的主要內(nèi)源性生物酶是淀粉酶。淀粉酶能使淀粉水解成為葡萄糖，改變其面團(tuán)的性質(zhì)，從而提高面包體積。在特定的條件下，將一些酶暴露在HHP的環(huán)境下，被發(fā)現(xiàn)能夠提高酶的活性，然而，當(dāng)壓力繼續(xù)提高，酶將會(huì)因?yàn)榛钚晕稽c(diǎn)發(fā)生改性而失活。Gomes等研究表明［47］，在室溫下25%大麥和小麥粉糊樣品在400～600MPa高壓下處理10～20min后，可溶性碳水化合物含量大幅提高，糖的含量減少。Gomes還研究了從大麥麥芽中分離出的淀粉酶在室溫下，pH4．8～6．9的緩沖鹽溶液，200～600MPa高壓下處理10min，酶活性的減少在酸性條件下減少更快。小麥蛋白能形成面筋，具有獨(dú)特的粘彈性，研究表明［48］含水的小麥面筋在200～800MPa、20～60℃下，經(jīng)HHP處理20～60min，采用TPA分析表明，面筋的彈性模量提高了2～3倍。

3HHP技術(shù)在谷物和豆類加工中的應(yīng)用展望

傳統(tǒng)熱處理難以在保持谷物和豆類口感和風(fēng)味的同時(shí)，保持其功能活性，因此亟待新技術(shù)在糧食加工領(lǐng)域的應(yīng)用。HHP可以克服傳統(tǒng)熱加工的弊端，在加工過(guò)程中保持食品原有的營(yíng)養(yǎng)成分，且色澤、口感好，貯存期長(zhǎng)，處理過(guò)程中一般不伴隨化學(xué)變化的發(fā)生，有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)［8］。HHP用于處理谷物和豆類原料時(shí)，可在常溫或較低的溫度下，使物料中的酶、蛋白質(zhì)和淀粉等生物大分子性質(zhì)發(fā)生改變，拓展了谷物和豆類原料的應(yīng)用范圍。同時(shí)殺死微生物甚至微生物的芽孢［49］達(dá)到滅菌保鮮。因此將HHP技術(shù)應(yīng)用于谷物和豆類加工，對(duì)于我國(guó)糧食資源的高效利用具有重要的意義。目前HHP應(yīng)用于谷物和豆類加工還存在很多問(wèn)題，如有關(guān)HHP科學(xué)的理論體系尚不完善;HHP設(shè)備處理量小，達(dá)不到連續(xù)化大批量生產(chǎn);設(shè)備本身昂貴，導(dǎo)致HHP加工產(chǎn)品成本偏高。隨著相關(guān)基礎(chǔ)研究工作的深入，以及相關(guān)裝備制造技術(shù)的不斷加強(qiáng)和進(jìn)步，HHP加工技術(shù)將在谷物和豆類的加工中得到廣泛應(yīng)用，發(fā)展前景十分廣闊。

作者：劉明譚斌孫志堅(jiān)汪麗萍吳娜娜田曉紅于國(guó)萍單位：國(guó)家糧食局科學(xué)研究院東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院