田曉紅， 譚 斌， 翟小童， 汪麗萍， 高 琨

(國家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院1，北京 100037) (江蘇省現(xiàn)代糧食物流與安全協(xié)同創(chuàng)新中心2，南京 210023)

全谷物食品營養(yǎng)豐富，對居民的健康具有明顯的改善作用。增加全谷物的食用，能夠降低心臟病、腦卒中(中風(fēng))、2型糖尿病[1，2]、結(jié)腸直腸癌及全因死亡[3]的風(fēng)險(xiǎn)。但全谷物中皮層的存在，使得全谷物食品的口感粗糙、感觀品質(zhì)差，限制了消費(fèi)者的食用。全谷物皮層的主要成分為纖維素和半纖維素，強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)，纖維素本身的緊密結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)和高纖維聚合度，使其在蒸煮過程中水溶液不易滲入纖維素結(jié)構(gòu)內(nèi)部對其進(jìn)行熟化，影響了全谷物食品的口感和品質(zhì)。應(yīng)用現(xiàn)代食品加工新技術(shù)(如擠壓膨化技術(shù)、超微粉碎技術(shù)、發(fā)芽技術(shù)、酶工程技術(shù)等)對全谷物進(jìn)行科學(xué)合理的加工，改善其加工品質(zhì)和食用品質(zhì)成為研究的熱點(diǎn)[4]。

蒸汽爆破技術(shù)在植物纖維的高效分離和生物質(zhì)副產(chǎn)物處理等領(lǐng)域有顯著的效果，是一種安全高效的纖維預(yù)處理新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理[5]。它在食品領(lǐng)域起步比較晚，但近年來發(fā)展迅速，被證明是一種有效提高食品加工品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)的物理方法[6]。本文從蒸汽爆破的工作原理、蒸汽爆破過程中膳食纖維結(jié)構(gòu)的改變、功能性營養(yǎng)成分的釋放等方面進(jìn)行分析，綜述了蒸汽爆破技術(shù)在全谷物食品加工中的研究進(jìn)展，探討蒸汽爆破技術(shù)在全谷物食品領(lǐng)域的應(yīng)用前景，以期為蒸汽爆破技術(shù)在食品工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 蒸汽爆破技術(shù)的工作原理

蒸汽爆破技術(shù)是一種能在毫秒級(8.75 ms內(nèi))實(shí)現(xiàn)蒸汽爆破過程的彈射式蒸汽爆破技術(shù)。其原理是將原料置于密閉容器內(nèi)，通入高溫高壓水蒸汽，原料被過熱蒸汽(180～235 ℃)潤脹，過熱飽和蒸汽滲透到生物質(zhì)內(nèi)部，使原料空隙中充滿蒸汽，然后瞬間解除高壓，使得組織間隙中的過熱蒸汽迅速汽化，體積急劇膨脹而發(fā)生爆破，細(xì)胞壁因此破裂而形成微孔，從分子水平上打破大分子晶格，從而完成纖維原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化的過程[7]。通常包含原料復(fù)水、氣相蒸煮、瞬間爆破、氣固分離等過程，物料受到機(jī)械斷裂、熱降解、類酸水解、氫鍵破壞、結(jié)構(gòu)重排等多個(gè)物理化學(xué)共同作用，使物料原料物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分在加工過程中發(fā)生較大變化[8]。

2 蒸汽爆破技術(shù)對全谷物麩皮理化特性的影響

2.1 顆粒度

麩皮、米糠等皮層顆粒度大小是影響全谷物食品品質(zhì)最重要的因素之一[9]，它主要影響全谷物食品的加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)和食用品質(zhì)。顆粒度能夠決定麩皮顆粒的表面積，影響在全谷物食品制作過程中的吸水速率和糊化溫度，也影響含面筋食品的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[10]。戊聚糖是麥麩細(xì)胞壁中最主要的多糖成分，占麩皮質(zhì)量的10%～26%。戊聚糖交聯(lián)的程度是影響植物細(xì)胞壁韌性主要原因之一。常規(guī)的降低顆粒度的粉碎技術(shù)主要適用于以淀粉為主成分的原料，對膳食纖維含量豐富的皮層不適用。蒸汽爆破通過熱化學(xué)作用和機(jī)械作用破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，可以破壞纖維素-半纖維素-木質(zhì)素之間的緊密連接，使木質(zhì)素軟化、半纖維素部分水解，橫向連接強(qiáng)度下降，麥麩原料被分解成細(xì)小的纖維束，麥麩的韌性降低，更容易粉碎，使得粒徑變小[11]；同時(shí)內(nèi)部水汽瞬間爆破產(chǎn)生巨大的沖擊力，能夠破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，顆粒度大的麩皮占比下降，而顆粒度小的麩皮占比上升[12，13]。蒸汽爆破處理，使得麩皮的d(50)由420 μm降低至177 μm，d(90)從902 μm降低至410 μm[14]。

2.2 溶解性

膳食纖維是腸道菌群改變的主要推動(dòng)力[15,16]，研究認(rèn)為，水溶性膳食纖維發(fā)揮的生理特性要高于水不溶性膳食纖維[17]。水不溶性膳食纖維主要作用于腸道產(chǎn)生機(jī)械蠕動(dòng)，在到達(dá)結(jié)腸后會(huì)產(chǎn)生糞便膨脹效應(yīng)，吸水軟化大便排出體外；而大多數(shù)水溶性膳食纖維可發(fā)揮生理代謝功能[18]。天然膳食纖維絕大多數(shù)屬于不溶性膳食纖維，水溶性膳食纖維含量相對較少。因此，通過物理方法、化學(xué)方法和生物技術(shù)中的一種或幾種聯(lián)合使用來對膳食纖維改性處理，使水不溶性膳食纖維向水溶性膳食纖維的轉(zhuǎn)化，從而改變膳食纖維的理化性質(zhì)和生物活性，進(jìn)而改善食品的品質(zhì)[19]。

蒸汽爆破技術(shù)能夠使小麥麩皮中的不溶性膳食纖維向水溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化，提高水溶性膳食纖維含量，提高麩皮的持水性、持油性、吸水膨脹性[20]，能顯著提高苦蕎麩皮、大豆粕和玉米皮中水溶膳食纖維的含量，且隨著蒸汽爆破蒸煮強(qiáng)度的增加，呈先增加后減少的趨勢，具體見表1。且隨著蒸汽爆破強(qiáng)度的增加，使得低分子量多糖的比例增加，多糖的分子量范圍變小。但隨著蒸汽爆破強(qiáng)度的進(jìn)一步增強(qiáng)，大分子的多糖呈現(xiàn)不同程度的降解或解聚，總膳食纖維和水溶性膳食纖維含量降低[24]。

表1 蒸汽爆破處理對谷物麩皮水溶性膳食纖維含量的影響

3 蒸汽爆破技術(shù)對功能性成分的影響

3.1 水溶性糖含量

蒸汽爆破技術(shù)可以有效提高谷物麩皮中水溶性糖含量(表2)。在蒸汽爆破過程中，纖維素和半纖維素被降解成寡糖、單糖、糠醛和羧甲基糠醛等水溶性糖[25]，但若蒸汽爆破壓力太大或維壓時(shí)間過長，這些水溶性糖會(huì)進(jìn)一步降解成小分子羧酸(乙酰丙酸、乙酸等)或再次聚合[26]。蒸汽爆破蒸煮適用于改善谷物膳食纖維的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。同時(shí)，使原料細(xì)胞結(jié)構(gòu)在分子水平上遭到破壞，通過酯鍵與阿拉伯木聚糖鏈接或以醚鍵與木質(zhì)素鏈接的阿魏酸釋放出來。但當(dāng)蒸汽爆破壓力過大時(shí)，由于降解作用和聚合作用，水溶性糖得率降低[27]。

表2 蒸汽爆破處理對谷物麩皮水溶性糖含量的影響

3.2 水溶性蛋白質(zhì)

龔凌霄[30]比較了傳統(tǒng)炒制、擠壓膨化和蒸汽爆破3種預(yù)處理方法對青稞全谷物中游離氨基酸的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)炒制法基本無影響，經(jīng)擠壓膨化處理后其中游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了43.7%，而蒸汽爆破處理后其含量則提高了158.5%。蒸汽爆破可使小麥麩皮的水溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3.7%增至17.9%[28]；在1.8 MPa、180 s下，蒸汽爆破可使高溫豆粕的氮溶解指數(shù)提高了1.1倍[32]；在2.3 MPa、210 s時(shí)可使米糠的氮溶解指數(shù)達(dá)到57.23%，比未處理的米糠提高了1.65倍[33]。

3.3 酚酸

從結(jié)構(gòu)上看，植物酚酸主要包括苯甲酸衍生物和肉桂酸衍生物，小麥中常見的酚酸包括香草酸、丁香酸、綠原酸、對香豆酸和阿魏酸。其中最主要的是阿魏酸，占小麥總酚類物質(zhì)的90%。阿魏酸是一種優(yōu)良的自由基清除劑，具有較強(qiáng)的抗氧化能力，在預(yù)防癌癥中發(fā)揮重要作用。游離的和共軛的酚酸只占一小部分，而大多數(shù)酚酸通過酯鍵和醚鍵與細(xì)胞壁組分如阿拉伯木聚糖和木質(zhì)素結(jié)合，結(jié)合酚類物質(zhì)占小麥酚類物質(zhì)總量的90%以上，與游離酚相比，結(jié)合酚具有更高的抗氧化活性[27]。但麥麩致密細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)影響了細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞壁中酚類物質(zhì)的有效釋放和功能活性的發(fā)揮。蒸汽爆破處理，不僅能夠提高酚酸類物質(zhì)含量，而且能夠提高其抗氧化活性(見表3)。這是因?yàn)檎羝七^程中，高溫飽和蒸汽滲入到原料組織內(nèi)部，在設(shè)定的高壓下發(fā)生自水解反應(yīng)，當(dāng)瞬間泄壓時(shí)，內(nèi)部水汽瞬間爆破產(chǎn)生巨大的沖擊力，酚與細(xì)胞壁之間的氫鍵、共價(jià)鍵等遭到破壞，部分酚類化合物得以被釋放[34]，不溶性結(jié)合型酚酸從細(xì)胞壁中被釋放出來[35]。

表3 蒸汽爆破處理對谷物麩皮酚酸含量的影響

3.4 抗?fàn)I養(yǎng)因子

植酸鹽是谷物籽粒糊粉層中的一種有機(jī)化合物，可與食物中的鈣、鐵、鋅等多種金屬陽離子和蛋白質(zhì)形成不溶性復(fù)合物，從而抑制金屬離子、蛋白質(zhì)在腸道中的吸收利用[40]，是一種抗?fàn)I養(yǎng)成分。蒸汽爆破處理可使麥麩中植酸鹽水解率達(dá)到86.76%，這是因?yàn)楦邷馗邏浩茐暮蹖蛹?xì)胞結(jié)構(gòu)，半纖維素自水解生產(chǎn)酸類物質(zhì)，使植酸鹽暴露出來，并通過打破P—O—C鍵使磷酸鹽生成低磷酸肌醇酯[41]。高粱單寧是高粱中的抗?fàn)I養(yǎng)因子，它與蛋白質(zhì)、金屬離子或者多糖大分子生成復(fù)合物，從而阻礙機(jī)體對蛋白質(zhì)、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，因此在食品加工過程中一般需降低單寧的含量[42]。與未處理的高粱相比，蒸汽爆破處理能夠使高粱當(dāng)中的單寧含量從11.27 mg/g降低到9.74 mg/g[43]。

4 蒸汽爆破技術(shù)對麩皮的微觀結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)的影響

4.1 微觀結(jié)構(gòu)

蒸汽爆破處理會(huì)使麥麩的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。原麩皮表面結(jié)構(gòu)致密完整，經(jīng)過蒸汽爆破處理的苦蕎麩皮表面呈現(xiàn)疏松多層的蓬松結(jié)構(gòu)，部分甚至呈現(xiàn)類似蜂巢狀的多孔特征[22]。經(jīng)過蒸汽爆破處理的小麥麩皮，使原麩皮的長條細(xì)桿狀纖維卷曲斷裂，膨化成絮狀結(jié)構(gòu)，且表面具有凹陷的小孔，顆粒度變小，比表面積和孔隙率增加，見圖1[12]。蒸汽爆破處理使豆皮表面呈現(xiàn)類似的變化，使完整光滑的豆皮表面出現(xiàn)微小的孔洞[44]。在蒸汽爆破過程中，植物纖維中間的自由水在壓力驟降時(shí)迅速汽化，體積急劇膨脹，產(chǎn)生類似于爆炸的效果，在物料表面形成孔洞結(jié)構(gòu)，同時(shí)使纖維中的化學(xué)鍵斷裂，原有的致密結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)構(gòu)變得松散。

圖1 麥麩電鏡顯微結(jié)構(gòu)

4.2 分子結(jié)構(gòu)

膳食纖維是谷物和豆類種皮、細(xì)胞壁的主要組成成分，在蒸汽爆破過程中，種皮當(dāng)中木質(zhì)素的β-O-4酯鍵以及其他酸不穩(wěn)定的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂而降解成為酸性低聚物及其他小分子物質(zhì)，如香豆醇、苯乙稀、二羥基苯等；木質(zhì)素、纖維素、不溶性半纖維素等難溶大分子聚合物的糖苷鍵斷裂，形成低聚糖和單糖等小分子的水溶性糖溶出[45]，水溶性膳食纖維含量增加，水溶膳食纖維的交聯(lián)結(jié)構(gòu)被破壞，短鏈水溶膳食纖維增多[29]；半纖維素具有熱不穩(wěn)定性，在蒸汽爆破水熱的處理下，種皮當(dāng)中的半纖維素和極少量的木質(zhì)素發(fā)生降解，半纖維素的去除可顯著降低半纖維素對纖維素酶解的抑制效應(yīng)[46]。這些空間結(jié)構(gòu)的改變促進(jìn)了膳食纖維形成氫鍵和(或)偶極子，為水分子的保持提供更多的空間，增加水和油的吸收，從而改善了膳食纖維的水溶性、持水性、持油性和膨脹力；膳食纖維中更多的基團(tuán)被暴露，可以吸附多余的膽固醇和有毒陽離子[47]。但若蒸汽爆破強(qiáng)度過大，如蒸汽爆破溫度太高或維壓時(shí)間過長，水解物將進(jìn)一步降解成小分子羧酸或再次聚合[30]，蒸汽爆破對不同谷物的分子結(jié)構(gòu)影響見表4。

表4 蒸汽爆破處理對谷物分子結(jié)構(gòu)的影響

在谷物中，大多數(shù)酚酸通過氫鍵(酚類化合物的羥基和多糖糖苷鍵中的氧原子之間)、疏水作用或共價(jià)鍵(酯鍵或醚鍵)與蛋白質(zhì)、糖類等結(jié)合[49]，以不溶性結(jié)合形式存在，只有一小部分以游離酚酸存在。阿魏酸是大多數(shù)谷物中最豐富的酚酸，而90%以上的阿魏酸，通過酯鍵與細(xì)胞壁組分(如纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等)通過共價(jià)鍵緊密結(jié)合[50]。蒸汽爆破技術(shù)能夠使半纖維素/纖維素糖苷鍵(鍵A、B)發(fā)生水解，使木質(zhì)素中的β-O-4酯鍵(鍵D)降解，或者降解了酚酸與木質(zhì)素酯鍵的醚鍵，從而使大量結(jié)合態(tài)的酚類物質(zhì)得以釋放(見圖2)[38]。

注：A、B為糖苷鍵；C為醚鍵；D為酯鍵。圖2 蒸汽爆破處理造成麩皮中木質(zhì)素-酚類-纖維素/半纖維素間可能斷裂的化學(xué)鍵

5 蒸汽爆破技術(shù)對全谷物儲(chǔ)藏性能的影響

全谷物含有胚芽，脂質(zhì)含量豐富，在加工過程中脂質(zhì)很容易被脂肪酶酶解生產(chǎn)脂肪酸，影響全谷物的儲(chǔ)藏品質(zhì)[51]。對脂肪酶進(jìn)行鈍化處理是抑制脂質(zhì)氧化、延長全谷物保質(zhì)期的有效策略。與常規(guī)蒸汽滅菌后麥麩的過氧化值顯著增加相比，蒸汽爆破處理后麥麩的過氧化值無顯著變化，且隨著蒸汽爆破壓力的增加，小麥麩皮的脂肪酶活性逐漸降低。經(jīng)0.8 MPa蒸汽爆破處理5 min后，麩皮中的脂肪酶基本滅活，未檢出過氧化物酶活性；在麥麩儲(chǔ)藏期間，經(jīng)過蒸汽爆破處理的麥麩脂肪酸值顯著低于未處理的麥麩脂肪酸值，說明經(jīng)過蒸汽爆破處理的小麥麩皮，脂質(zhì)的氧化得到了有效抑制，蒸汽爆破是一種提高麥麩儲(chǔ)藏性能的有效方法[29]。

6 蒸汽爆破技術(shù)對全谷物食品品質(zhì)的影響

食品的加工品質(zhì)和感官品質(zhì)是食品進(jìn)行消費(fèi)食用的最重要品質(zhì)之一。蒸汽爆破技術(shù)能夠顯著提高全谷物配料營養(yǎng)品質(zhì)，但是在改善加工品質(zhì)方面的研究還十分有限，蒸汽爆破處理麩皮后不能改善全谷物食品的加工品質(zhì)和感官品質(zhì)，會(huì)使全麥面包的質(zhì)量下降，導(dǎo)致面包質(zhì)量劣變的原因目前尚不明確，可能的原因是蒸汽爆破中的高溫使得麩皮中的面筋蛋白變性，進(jìn)而使面團(tuán)中的面筋蛋白含量下降，最終導(dǎo)致面包品質(zhì)降低。還原糖和氨基酸之間的美拉德反應(yīng)也對面包的品質(zhì)有消極的影響[14]。本課題組研究了蒸汽爆破處理整籽粒全谷物和雜豆，發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破處理能夠打破全谷物致密的皮層結(jié)構(gòu)，在谷物表面形成水分通道，使得全谷物的蒸煮時(shí)間和質(zhì)構(gòu)硬度顯著降低，口感顯著提升。

7 展望

蒸汽爆破技術(shù)是一種新興的全谷物加工技術(shù)，蒸汽爆破能夠有效改善膳食纖維品質(zhì)。目前研究主要集中在小麥麩皮、青稞麩皮、蕎麥麩皮的改性，對其他谷物和豆類的研究還不足，例如糙米、燕麥、大麥、雜豆。蒸汽爆破處理后，在水和熱的雙重作用下，淀粉的糊化特性、理化特性必然會(huì)發(fā)生改變，但其具體的影響作用還有待進(jìn)一步研究。麩皮經(jīng)過蒸汽爆破處理后，理化品質(zhì)和營養(yǎng)價(jià)值均有了顯著提升，是否能利用蒸汽爆破改性后回填的方式制作全谷物粉，以及制備的全谷物粉的加工效果還有待進(jìn)一步探索；全谷物中酶的活性比較高，限制了全谷物的貨架期，現(xiàn)有研究表明蒸汽爆破能夠有效降低麥麩中酶的活性，利用蒸汽爆破技術(shù)延長全谷物產(chǎn)品的保質(zhì)期也是未來的探索方向。