过热蒸汽对谷物淀粉结构及理化特性影响的研究进展

热处理是谷物产业链中常用的加工工艺之一。在谷物贮藏与加工中，热处理常用于谷物干燥。经研究发现，热处理具有一定程度的杀虫、灭菌、钝酶及脱毒作用，在贮藏过程中可以减少熏蒸剂的使用量[1]。此外，热处理还可以改善谷物品质，以满足某些食品的加工需求。相比于氯气处理及食品添加剂，热处理法的安全性更高，因此，热处理在谷物中的应用也得到了越来越广泛的关注。目前，热处理在谷物贮藏与加工中已逐渐形成一个较为成熟的体系。

过热蒸汽作为一种清洁、高效的热处理技术，因其受热均匀、传热效率高、安全、环保等优势，近年来逐渐在食品贮藏、加工、干燥等领域展开应用。一些研究人员已经尝试将过热蒸汽用于谷物(小麦、大麦、燕麦、青麦仁、稻谷等)[2-5]贮藏稳定化处理及谷物在生产加工中真菌毒素的降解、酶的钝化、食品的灭菌以及淀粉的改性等[6-8]。虽然过热蒸汽在谷物中应用广泛，但由于过热蒸汽处理过程中较高的温度，其可能导致谷物淀粉糊化、蛋白变性、色泽、质构等品质发生变化。淀粉作为谷物籽粒中的主要物质，淀粉特性的变化直接影响产品的品质；研究表明过热蒸汽处理对谷物淀粉特性有一定的影响，如改变淀粉的微观结构、糊化特性、产生较多的破损淀粉以及影响淀粉的消化特性等，从而影响以谷物淀粉为原料所制成的食品品质。文章拟在介绍过热蒸汽处理在谷物加工中的应用，总结过热蒸汽对谷物淀粉特性的影响，并初步分析了过热蒸汽处理对谷物淀粉的影响机理，为拓展过热蒸汽在谷物加工中的应用提供参考。

1 过热蒸汽处理在谷物贮藏与加工中的应用

作为一种新型食品热处理技术，过热蒸汽在处理过程中，水蒸气在物料表面凝结，可迅速提高物料温度，因其特殊的传热方式，过热蒸汽的处理温度以及热焓值均显著高于饱和蒸汽以及传统的热处理技术， 所以其具有较高的传热效率和潜在的蒸发热可重复使用等特点，在谷物贮藏与加工中具有较大的应用潜力。

研究表明，米糠经过热蒸汽处理可以显著增加其贮藏稳定性，在130 ℃，4 min处理条件可以显著降低米糠在贮藏过程中的脂肪酸值、过氧化值、羧基值等[9]；过热蒸汽对谷物中的脂肪酶和脂肪氧化酶活性也具有显著的抑制作用，对小麦胚芽中的脂肪酶及脂肪氧化酶灭活率达82.74%和87.03%[10]，可防止谷物籽粒的酸败变质，有效延长谷物的贮藏期。此外，过热蒸汽在谷物中真菌毒素的降解方面也具有良好的效果，研究发现过热蒸汽对赤霉病小麦中脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol，DON)具有较好的降解效果，最高降解率可达79.8%[11]；对赤霉病小麦麸皮中的DON降解率最高可达91.12%[12]。

过热蒸汽在谷物的贮藏稳定化处理及真菌毒素的降解方面虽然有较好的效果，但研究人员发现过热蒸汽对谷物淀粉特性具有一定影响，从而影响所制得食品的品质。为了研究过热蒸汽对淀粉特性的影响及其原因，国内外根据应用目标进行了大量相关研究，主要包括过热蒸汽对淀粉微观结构、理化特性和消化性能的影响。

2 过热蒸汽处理对谷物淀粉微观结构的影响

谷物中淀粉主要以颗粒形式存在，通常淀粉颗粒的直径为1～100 μm，A型淀粉为圆盘形，粒径一般大于10 μm；B型淀粉为椭圆形，粒径小于10 μm[13]；而C型淀粉较为复杂，一般粒径为0.5～25 μm，形状包括球形、椭圆型、多角形等不规则形状[14]。利用扫描电子显微镜以及激光共聚焦显微镜可以观察到淀粉颗粒的具体形态，包括颗粒的大小、形状，颗粒表面的缺陷以及淀粉与其他组分之间的交联等。通过X-射线衍射仪可以发现，谷物淀粉的结晶构造不同于块茎类、豆类淀粉，谷物淀粉多呈现A型结晶，而块茎类淀粉多呈现B型结晶[15-16]。但不同谷物来源的淀粉颗粒之间也存在着较大差异；如燕麦淀粉颗粒的粒径分布主要集中在6～10 μm[17]，且颗粒表面较为光滑，而小麦淀粉颗粒粒径分布则大多在1～35 μm,呈均匀分布，表面略微粗糙[18]。

过热蒸汽会改变淀粉颗粒的形态、粒径分布等，这些变化与处理过程中的处理温度、处理时间以及形成的冷凝水等密切相关。研究发现，过热蒸汽处理会破坏淀粉分子间的氢键，并在冷凝水及高温的作用下促使淀粉颗粒与蛋白质之间相互粘连，从而造成小麦粉、青稞粉粒径的双峰分布向单峰转变[19-20]且中值粒度逐渐增大，此外，团聚现象随着过热蒸汽处理温度的提高、处理时间的延长而更加明显。高温所造成的变性蛋白可能会与淀粉颗粒形成淀粉蛋白质复合物[21]，影响谷物中的连续基质分布。同时，过热蒸汽处理也会导致淀粉颗粒出现盘状凹陷以及表面粗糙化，研究发现，当处理温度超过110 ℃，处理时间长于1 min时，小麦、玉米、大米、黑糯米淀粉的表面变得略微粗糙[22-25]，当温度高于120 ℃时，淀粉颗粒表面开始出现较为明显的小圆盘状凹陷，该现象可能是因为淀粉颗粒与过热蒸汽直接接触导致的颗粒受热膨化以及热力作用所造成的淀粉颗粒溶胀及变形塌陷。当处理温度低于110 ℃并且处理时间不长于1 min时，过热蒸汽对淀粉微观形态影响较小，而长于该处理条件时会对淀粉颗粒造成不可逆破损，这种情况一般会随着蒸汽温度的上升和处理时间的延长而增加[26]，而且相较于先磨粉后处理，过热蒸汽处理籽粒后再磨粉通常会产生更多的破损淀粉，这通常因为过热蒸汽处理籽粒会显著降低籽粒的水分含量、淀粉颗粒的结构稳定性以及增加籽粒细胞的脆性，使得籽粒在磨粉中更易破碎，物理碰撞产生的机械力及热量等作用对淀粉颗粒的影响更大。破损淀粉的增加对食品的影响有益有弊[27]，适量的破损淀粉有益于发酵类食品(如面包、馒头等)提高吸水率，产生发酵所需气体以及更易受到淀粉酶的作用而产生发酵所需的葡萄糖，而破损淀粉含量的增加也会造成面条的蒸煮损失率上升。在后续的研究中选取过热蒸汽处理条件时应注意产生破损淀粉的含量对食品的影响情况。

3 过热蒸汽处理对谷物淀粉膨胀势和溶解度 的影响

淀粉的理化特性如膨胀势、直链淀粉溶出率、溶解度等直接影响以淀粉为主要原料制成的食品的外观形貌、质构特性、食用品质以及货架期等相关食品品质[28]。

过热蒸汽处理小麦粉与对照组相比，溶解度值显著降低，膨胀势值显著提高[29]，但不同处理条件样品之间的膨胀势无明显变化，在过热蒸汽处理燕麦粉、青稞粉中也出现了相似的趋势[20,30]。这些变化说明，过热蒸汽处理促进了小麦淀粉颗粒膨胀吸水，抑制了小麦淀粉的溶解。过热蒸汽处理一般可提高样品的保水能力，抑制物质溶出，这可能是因为干热效应导致的变性蛋白质与淀粉颗粒交联形成了较为坚硬的结构，阻止了可溶性分子的溶出[31]；随着处理温度的升高及时间的延长，交联现象增多，淀粉颗粒和周围的蛋白质网络变得更加牢固，从而导致了溶解度值逐渐降低。膨胀势的变化是多方面因素共同造成的结果。由于淀粉颗粒内部的部分糊化，导致了淀粉结晶区结构的断裂，削弱了内部结构，促进了淀粉颗粒与水之间的相互作用，使得淀粉颗粒在过热蒸汽处理初期膨胀势值呈上升趋势。但过热蒸汽处理过程中易产生直链淀粉-脂肪酸复合物[32]，且随着处理时间的延长，直链淀粉-脂肪酸复合物逐渐积累以及冷凝水被迅速蒸发，淀粉不再继续糊化，此时直链淀粉-脂肪酸复合物对淀粉颗粒的溶胀抑制作用较为显著[33]，导致淀粉颗粒的膨胀能力不再继续增加。但在过热蒸汽处理其他原料的时候发现了不同的变化趋势：轻碾米的膨胀势随着过热蒸汽处理温度的上升呈下降趋势[34]；而马铃薯粉则先降低后升高[35]，这种不同的变化趋势可能与不同原料的淀粉颗粒中直支比、支链淀粉分子质量以及分支链长等特性不同有关[36]，因此，有必要研究直链淀粉、支链淀粉在过热蒸汽处理过程中所发生的变化来一步解释其对膨胀势的影响机理。

4 过热蒸汽处理对谷物淀粉糊化特性的影响

淀粉的糊化特性作为淀粉的重要质量指标，直接影响食品的感官特性，如制作性状良好的面包要求淀粉具有较高的黏度系数、较低的回升值和衰减值[37]。影响淀粉糊化的因素一般有淀粉的种类和颗粒大小、吸水率、蛋白质结构及基质间形成的复合物等。

过热蒸汽处理所导致的淀粉糊化特性的改变是十分特殊的，过热蒸汽处理初期较高的温度以及初期物料表面产生的冷凝水会造成淀粉的轻微糊化，并且过热蒸汽对淀粉颗粒膨胀势的影响也会影响淀粉颗粒的峰值黏度。MA等[29]的研究表明，过热蒸汽处理后小麦粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、回生值、衰减值以及糊化温度均高于天然小麦粉。过热蒸汽处理诱导了面筋蛋白的变性，变性蛋白质覆盖在淀粉颗粒表面，淀粉颗粒与变性蛋白质之间的相互作用抑制了直链淀粉的溶出[38]，促使淀粉颗粒能够抵抗一定程度的剪切力，从而在增加黏度的同时抑制了淀粉颗粒的糊化，导致处理后的糊化参数高于天然小麦粉的同时糊化温度增加；此外，热处理导致的面筋蛋白的变性会影响糊化体系中可利用水分的运转和游离淀粉颗粒的浓度[39]，从而影响淀粉的糊化参数。过热蒸汽处理青稞和燕麦具有和小麦类似的变化趋势[2,40]，青稞淀粉相较于小麦粉具有较高的直链淀粉含量、慢消化淀粉含量以及抗性淀粉含量，所以青稞淀粉更难糊化，210 ℃过热蒸汽处理1 min后青稞粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度分别增加了11.86%、15.74%、5%。研究表明青稞淀粉黏度增大的另一个原因是由蛋白的改变引起的[41]，淀粉表面亲水性蛋白的变性使其吸收更多的水分，从而使其黏度升高；而处理导致的破损淀粉含量增多也会促使峰值黏度、衰减值增大[42]。过热蒸汽处理会显著降低稻米的峰值黏度和衰减值，显著提高谷值黏度、最终黏度、回升值和糊化温度；稻米的峰值黏度及衰减值的降低则可能归因于样品在处理之后贮藏过程中发生的陈化作用[43]。过高的温度和处理时间会使小麦粉、青稞粉以及燕麦粉黏度系数下降，这是因为过度的热处理对淀粉颗粒的破坏程度过大，此时破损淀粉含量较高，显著改变了淀粉的吸水率和膨胀势，使得淀粉的品质出现明显的下降。

5 过热蒸汽处理对谷物淀粉消化特性的影响

淀粉分为快速消化淀粉(rapidly digestible starch，RDS)、缓慢消化淀粉(slowly digestible starch，SDS)和抗性淀粉(resistant starch，RS)。SDS以及RS对稳定葡萄糖代谢、预防糖尿病以及饱腹感有一系列潜在的好处。控制日常饮食中摄入的RS有利于预防代谢性疾病和结肠癌，在二型糖尿病的预防及控制中具有重大意义[44]。因此，RDS和RS具有显著的健康意义。对各种淀粉和淀粉基食品进行物理或化学处理以改变淀粉的消化特性已经成为目前谷物加工行业的热点方向。而物理改性，特别是热处理，因其具有环保、安全、无化学添加剂等明显优点而得到了广泛研究。

150 ℃下过热蒸汽处理4 min后，天然小麦粉的RDS含量由75.1%明显下降到59.2%[19]；SDS含量和RS含量则分别从天然小麦粉的21.5%、3.4%增加到34.7%和6.3%。过热蒸汽处理所造成的淀粉结晶区的部分破坏以及破损淀粉含量增加均有助于淀粉更易受到淀粉酶的作用[45-46]。因此，理论上来讲，SDS和RS含量会呈现降低趋势，但结果表明，过热蒸汽处理后的SDS和RS普遍呈现上升趋势。在大米淀粉及蜡质玉米淀粉中同样观察到了这个矛盾的结果[47-48]。有研究发现，影响体外消化的关键因素不是淀粉颗粒的结构稳定性，而是包裹在淀粉颗粒表面的含有紧密半结晶结构的葡聚糖链，该物质阻碍了淀粉酶与淀粉颗粒的结合作用[49-50]，而淀粉的糊化可破坏葡聚糖链的结晶结构，极大地促进酶与淀粉的结合。尽管过热蒸汽处理会使淀粉出现少许糊化，但该现象仅出现在加热初期冷凝水凝结的阶段，糊化程度较低且分布并不均匀，对葡聚糖链影响较小；且蛋白质、葡聚糖以及淀粉之间可能存在一定的紧密结构，特别是葡聚糖与蛋白质间的相互作用会抑制淀粉的消化。综上所述，过热蒸汽处理所导致的变性蛋白质与葡聚糖链包裹在淀粉颗粒周围形成的屏障作用能抑制淀粉酶的可及性。但随着破损淀粉的含量的增加，淀粉的消化性也会随之增加，因此，过热蒸汽处理对淀粉消化性的影响是一个此消彼长、相互作用的过程。

6 结论与展望

过热蒸汽处理对谷物淀粉具有一定的改性作用，可以改变淀粉颗粒的微观形态、分子结构以及与其他物质之间的相互作用，从而影响淀粉膨胀势、糊化、消化等特性。这些性质的改变可以使扩大谷物的应用范围，使谷物淀粉可以应用在更多的食品加工中。此外，过热蒸汽处理还可以显著提高谷物淀粉中慢消化淀粉以及抗性淀粉的含量，从而在一定程度上预防诸如二型糖尿病、高血糖等现代“富贵病”。但过热蒸汽处理也可能对谷物淀粉造成不良影响，在消除不良影响及对处理过程中谷物淀粉品质变化的研究中，仍然存在许多待解决的问题。因此，在未来对谷物进行过热蒸汽处理的研究中应着重注意以下问题：(1)从整体出发，系统地、有关联地解释在处理过程中谷物淀粉品质的变化，并与最终食品品质关联起来；(2)深入研究过热蒸汽对谷物淀粉品质的影响机理，更加全面地了解在处理过程中各组分之间相互作用的变化情况，以便有针对性地改善处理工艺；(3)降低过热蒸汽设备成本，改善设备缺陷，开发适用于产业化应用的处理设备。过热蒸汽在食品加工行业具有广阔的应用前景，其必将在开发符合当代健康饮食需求的新型食品领域得到更合理的应用。