物理處理技術(shù)對鮮濕面褐變改良研究進展

黃峻榕, 楊怡飛, 岳 苗, 鄺吉衛(wèi), 蒲華寅

(陜西科技大學 食品與生物工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

幾千年來，面條一直是許多東方國家飲食中的重要組成部分[1].鮮濕面、干掛面、凍熟面以及方便面是當下市場上最為熱銷的面條品種.其中鮮濕面因具有筋道、爽滑、富有彈性和面香味濃郁等的優(yōu)點,最被人們所青睞[2].但由于其水分含量較高，極易受到酶等其他因素的影響，使其在貯藏過程中發(fā)生褐變，影響產(chǎn)品色澤，降低消費者的購買欲，從而導致其商品價值大大降低，是制約鮮濕面市場推廣和快速發(fā)展的主要原因[3,4].因此，如何抑制鮮濕面在儲存過程的褐變，對于提高鮮濕面的品質(zhì)具有重要意義.

國內(nèi)外研究表明，影響面制品顏色或者其在加工儲藏過程中發(fā)生色澤變化主要有四種因素[5]：(1)小麥粉的內(nèi)在屬性，包括蛋白質(zhì)含量、麥麩顏色、灰分含量、破損淀粉含量、降落數(shù)、多酚氧化酶含量及其活性、類胡蘿卜素等色素類物質(zhì)含量以及多酚類等活性物質(zhì)含量、面粉顏色[6]；(2)加工工藝的影響，包括面粉料流(指生產(chǎn)小麥粉時不同粉路流出的面粉)的選擇、出粉率、面條的加工方法；(3)非酶促褐變(包含美拉德反應(又稱作羰氨反應)、焦糖化褐變反應、抗壞血酸褐變反應以及多元酚氧化縮合)形成的有色物質(zhì)[7]；(4)酶促褐變，是指在有氧氣存在的條件下，面粉中的二酚及三酚類化合物被多酚氧化酶催化，也可催化單酚，使其轉(zhuǎn)換成鄰苯二酚，這些酚類再被進一步催化得到醌類物質(zhì)，醌類物質(zhì)再經(jīng)過復雜的氧化聚合形成黑色或褐色的色素類物質(zhì)的反應過程[8](催化反應機理如圖1所示).其中，酶促褐變是導致鮮濕面生產(chǎn)加工及儲存過程中發(fā)生色澤劣變的最重要的原因，而多酚氧化酶則是導致鮮濕面發(fā)生酶促褐變反應最重要的因素之一，其占面團顏色變化原因的50%～70%[9].

在多酚氧化酶催化作用下，面粉中的單酚轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，其再經(jīng)催化氧化轉(zhuǎn)化為鄰苯醌，具有高反應活性的鄰苯醌迅速聚合生成黑色素類聚合產(chǎn)物，從而導致鮮濕面的褐變[10]；ppo:多酚氧化酶.

目前，主要通過基因改良育種出多酚氧化酶含量低、活性低的小麥品種，以及在小麥粉加工過程中降低出粉率、熱處理降低酶活、添加品質(zhì)改良劑等方法使得鮮濕面的褐變被抑制[11].其中，在面粉或者面條加工過程中添加改良劑被廣泛應用，但這可能會降低產(chǎn)品的安全性，并且在大多數(shù)情況下，只有通過多種抑制劑聯(lián)合作用才能保證有效且持久的抑制作用[12]，這不僅增大了生產(chǎn)成本，也與消費者日益健康的飲食習慣和需求相背離.相比而言，物理處理技術(shù)綠色安全,也可以保留鮮濕面中固有的營養(yǎng)成分、風味和色澤，比其它方法具有明顯的優(yōu)勢.近年來，對物理處理技術(shù)改善小麥粉及面條品質(zhì)特性方面的相關(guān)機理探究已逐漸成為熱點，并且眾多研究結(jié)果表明，這些技術(shù)在改善鮮濕面褐變問題方面也可發(fā)揮強有力的功效.主要包括微波、輻照、臭氧等.

1 微波處理

微波是頻率范圍為300 MHz～300 GHz的電磁波.工業(yè)用微波頻率為915 MHz或2.45 GHz[13].當物料至于微波中，微波不僅會使得被加熱物料中的水分子迅速振動，產(chǎn)生熱效應，還會以高速的分子振蕩的形式激發(fā)出極性分子不停地改變?nèi)∠蚨a(chǎn)生非熱效應[14](其作用機理如圖2所示).眾多文獻研究結(jié)果均表明該技術(shù)具有穿透力強、熱效率高等的優(yōu)點[15].

被加熱的物料在微波的作用下，其中的水分子發(fā)生高速振動產(chǎn)生熱效應，微波也可激發(fā)極性分子不停地改變?nèi)∠虍a(chǎn)生非熱效應，導致微生物細胞膜破裂，細胞內(nèi)流物泄露、細胞內(nèi)的DNA、蛋白質(zhì)被破壞，致使微生物死亡；微波產(chǎn)生的熱效應和非熱效應也會破壞多酚氧化酶的結(jié)構(gòu)，導致其活性降低，同時也可以抑制蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，改變面條表面的反射率，從而導致面條亮度值的改變，來抑制鮮濕面的褐變.

提升面粉的加工特性、對鮮濕面進行除菌保鮮、干燥方便面等是微波處理技術(shù)在面條制品加工中的主要應用[16].眾多研究表明，微波處理能夠顯著改善或者抑制鮮濕面的褐變問題，其主要通過兩種作用方式來實現(xiàn):處理原料粉和處理鮮濕面[17].近年來微波抑制鮮濕面褐變的相關(guān)研究結(jié)果(如表1所示)，可以看出，微波處理可在一定程度上改善鮮濕面在儲存過程中褐變的發(fā)生，其作用效果與所使用微波的功率、時間有關(guān).

表1 微波處理技術(shù)抑制鮮濕面褐變的相關(guān)研究結(jié)果

經(jīng)微波處理，面粉中多酚氧化酶的結(jié)構(gòu)被破壞，從而極大地降低了其活性，使酚類化合物的氧化被抑制，以此來達到減弱或者抑制鮮濕褐變的目的[22]；另一方面，微波處理也抑制了蛋白質(zhì)的氧化，在一定程度上抑制了蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的變化.研究表明，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的變化，可能會改變面條表面的反射率，從而導致面條L* 值(亮度值)的變化[23].

微波處理面粉或者鮮濕面均可以抑制鮮濕面的褐變，作用效果與微波處理的時間和功率、以及所作用對象的基本性質(zhì)有關(guān).盧幫貴[24]用功率為500 W的微波處理水分含量為14.02%的面粉時發(fā)現(xiàn)，當面粉被作用時間超出60 s時，會引起其中的水分子的高速運動而迅速放熱，致使面粉因局部受熱過度而被烤糊，從而嚴重影響面粉的使用價值.Zhu等[25]經(jīng)研究后推測，水分含量為13.5%的面粉經(jīng)800 W的微波處理50 s可能是微波處理面粉的最優(yōu)參數(shù)，這樣面粉中的多酚氧化酶等酶類不會因為處理時間過短活性升高，也不會因為處理時間過長影響面粉品質(zhì).

經(jīng)微波處理后，鮮濕面的保質(zhì)期雖被大大延長，但其糊化度也會升高，使其品質(zhì)受到影響[26].而且，由于微波還可吸收電磁波輻射能產(chǎn)生熱效應，而這些熱效應也不易散失，積存在小麥粉內(nèi)造成體系溫度升高，有可能會破壞其中的維生素等營養(yǎng)成分，易使小麥粉含水量略微下降，不利于保持生鮮面的最佳食用及營養(yǎng)品質(zhì)[27].

2 輻照技術(shù)

食品輻照技術(shù)，全球公認的成熟食品加工技術(shù)[28].數(shù)十年的研究證明了其安全性，并得到了國內(nèi)外專家的認可[29].其實，早在1999年，WHO(世界衛(wèi)生組織)等國際化組織就曾指出當使用低于10 kGy的劑量輻照食品時，并不會導致任何毒理性危害、營養(yǎng)或微生物安全問題[30].該技術(shù)在食品工業(yè)中通常有三種輻照劑量，分為低、中和高劑量.低劑量的輻射強度在0.4～2.5 kGy范圍內(nèi)，用于減少食品中發(fā)現(xiàn)的微生物數(shù)量并延緩其成熟，中劑量的輻射范圍從1～10 kGy，用于殺死細菌孢子(沙門氏菌和李斯特菌除外)，高劑量(也稱完全殺菌)，輻照范圍介于30～50 kGy之間，可殺死食品中的全部微生物病原體[31]，該劑量用于延長食品的有效期.輻照技術(shù)是利用X射線、γ射線、電子束穿透被作用物質(zhì)，通過產(chǎn)生一定的效應來處理被作用物質(zhì),以達到預期目標的方法[32](其作用機理如圖3所示).其中，γ射線因其具備較強的穿透力，最為被普遍應用[33].輻照作為具有安全性高、無污染等優(yōu)勢的物理技術(shù)[34]，已經(jīng)應用于食品加工、化工、材料等諸多領(lǐng)域.在我國，該技術(shù)在食品行業(yè)已有了廣泛應用，2005年我國輻照食品占世界輻照食品總產(chǎn)量的36%[35].并且我國已頒布了八種不同的輻照食品衛(wèi)生標準，包括熟肉制品、花粉、干果、調(diào)味料、新鮮果蔬、新鮮肉制品、冷凍包裝肉以及谷物，并設(shè)定了不同的劑量限制，微生物學和化學指標[36].

X射線、γ射線、電子束穿透被作用物料，通過使其中病原微生物的DNA分子損傷、細胞膜和細胞蛋白質(zhì)受損，造成病原微生物死亡；輻照產(chǎn)生抗氧化效應，使鮮濕面的褐變被抑制.

相關(guān)研究表明，輻照技術(shù)可在一定程度上改善鮮濕面色澤品質(zhì)劣變的問題.史依沫[37]用1～4 kGy劑量的電子束和γ射線分別輻照鮮濕面后發(fā)現(xiàn)，鮮濕面的L* 值(亮度值)均隨著輻照劑量的增大而增大，且經(jīng)電子束輻照后的鮮濕面的亮度值高于經(jīng)γ射線輻照的，黃度值明顯低于經(jīng)γ射線輻照的鮮濕面，說明電子束輻照較γ射線更有利于鮮濕面保持其明亮的色澤.張春紅等[38]等的研究也得到了相似的結(jié)論，其研究發(fā)現(xiàn)，當鮮濕面被輻照源強為1.5×105Ci，劑量率約為20 Gy/min、劑量為1～5 kGy的γ射線輻照時，其亮度可被顯著提高.與未經(jīng)輻照處理的鮮濕面相比，經(jīng)5 kGy的γ射線輻照的鮮濕面亮度值提高了16.86%；經(jīng)2～4 kGy的γ射線輻照，鮮濕面的黃度值雖增加，但仍在感官接受范圍內(nèi).輻照處理鮮濕面不僅可以抑制鮮濕面的褐變，而且還能降低鮮濕面中的菌落總數(shù).但選擇合適的輻射劑量至關(guān)重要，因為高劑量的輻照可能會引起面條品質(zhì)的下降[37].

對于輻照處理技術(shù)抑制鮮濕面褐變的機理，目前尚不明確.有相關(guān)方面的研究學者推測這或許是電子束或γ射線輻照產(chǎn)生的抗氧化效應引起的[38].而經(jīng)γ射線輻照后鮮濕面變黃可能是碳、氮、氧等原子的價態(tài)發(fā)生改變及鮮濕面本身存在的導致褐變的酶等因素共同作用導致的結(jié)果，關(guān)于該方面的機理還需要進行更加深入的研究[39].

迄今為止，食品輻照技術(shù)已被五十多個國家作為六十多種食品的衛(wèi)生和植物檢疫加工方法.由于輻照過程不涉及食品溫度的升高，所以與其他加工方法(例如加熱)相比，輻照處理并不會減弱食品的風味和香氣.并且輻照技術(shù)在延長鮮濕面保質(zhì)期方面較傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)更優(yōu).更有研究表明，當輻照劑量合適時，電子束輻照能夠有效改善生濕面條的蒸煮特性和質(zhì)構(gòu)特性，保持生鮮面的良好品質(zhì).

3 臭氧處理

臭氧具有強氧化性，半衰期為17～23 min，在常溫下可被分解成O2[40].自1997年以來其就被美國環(huán)境保護局(USEPA)普遍認為是安全的，并得到了美國食品和藥物管理局(FDA)的批準，可作為食品添加劑來使用[41].其通常以氣態(tài)或溶解于水中的形式應用于食品工業(yè)，以確保食品的安全性、新鮮度和儲存穩(wěn)定性(作用機理如圖4所示).其已被應用于面粉、鮮濕面條中，用于抑制微生物、延長貨架期[42].并且近年來，國內(nèi)外大量研究了臭氧在糧食加工和產(chǎn)品配方方面的應用，這些新的結(jié)果不僅極大地擴展了我們對臭氧與食品成分相互作用的理解，并使得該技術(shù)在食品工業(yè)中的應用被進一步夯實[43].

臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，臭氧作用于物料，利用其強氧化性使得其中病原微生物的細胞膜、DNA分子、細胞核被破壞，從而造成病原微生物死亡；臭氧也可氧化多酚氧化酶導致其結(jié)構(gòu)被破壞、面粉中的色素類物質(zhì)被氧化降解、含量減少，生物活性物質(zhì)流失，從而使得鮮濕面的褐變被抑制.

相關(guān)研究證明，臭氧能有效改善谷物加工貯藏中面粉的品質(zhì)，并且能夠在一定程度上抑制鮮濕面褐變的發(fā)生.閔照永等[44]用臭氧均勻處理面粉0～30 min后，發(fā)現(xiàn)所制得面條的總色度值隨著處理時間的延長基本呈增加趨勢，未經(jīng)處理的面粉制得的面條L* 值(亮度值)為80.40，而經(jīng)臭氧處理30 min的面粉制得的面條L* 值為85.33.分別將未經(jīng)臭氧處理和處理的面粉所制得的鮮濕面存放72 h后發(fā)現(xiàn)，處理組制得的面條的L* 值為78，遠高于未經(jīng)臭氧處理所制得的面條L* 值72.Li等[45]研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)臭氧處理的小麥粉制得的鮮濕面片的亮度值為79.45，而小麥粉經(jīng)臭氧處理30 min、60 min后，制得的鮮濕面片的亮值分別為84.09和84.38.而且在儲藏過程中，未經(jīng)臭氧處理的小麥粉制得的鮮濕面片L*值迅速下降，48 h后為59.06，但經(jīng)但經(jīng)臭氧處理30 min、60 min后，儲存48 h后，鮮濕面片的L* 值分別為69.12和71.42.說明臭氧處理面粉，不僅能夠提高鮮濕面的亮度值，而且能夠減小其在儲存過程中的褐變程度.

經(jīng)臭氧處理，鮮濕面的褐變問題能被抑制[46].一方面是因為多酚氧化酶被強氧化劑臭氧氧化后變性失活使得鮮濕面的酶促褐變反應速率極大地降低，從而改善了鮮濕面色澤；另一方面可能是由于面粉中類胡蘿卜素等色素類物質(zhì)經(jīng)臭氧氧化后降解，含量減少，使得面粉亮度增大，從而賦予鮮濕面以絕大多數(shù)消費者所喜愛的潔白光亮的外觀[47].另有相關(guān)文獻[48]表明，經(jīng)用臭氧水真空和面制得的半干蕎麥面條，隨著水中臭氧濃度的增加，蕎麥面條中的總黃酮和多酚含量顯著降低，這可能是由于臭氧的強氧化性，導致酚類、總黃酮等生物活性化合物的流失，而酚類物質(zhì)作為酶促褐變反應發(fā)生的三個必需條件之一，通過消減底物濃度的途徑來達到抑制酶促褐變反應的目的.

近年來，臭氧技術(shù)的應用已得到了深入開發(fā)，并且隨著臭氧技術(shù)的不斷發(fā)展，其也越來越受到食品工業(yè)的重視與青睞.與化學藥劑相比，其具有無殘留、安全、環(huán)保等優(yōu)勢,必將在食品安全應用方面得到長足的高速發(fā)展.臭氧不僅能夠抑制鮮濕面的褐變，而且還可以顯著減少鮮濕面中的菌落總數(shù)，延長其貨架期，提高商業(yè)價值.當然，在實際應用中臭氧技術(shù)也有自己的劣勢.目前的研究仍處于初級階段，工業(yè)級的臭氧處理方法、行業(yè)應用標準等問題還有待解決[49].

表2是相關(guān)文獻報道的微波、輻照、臭氧這三種物理技術(shù)抑制鮮濕面褐變的機理、該技術(shù)在食品工業(yè)應用中的優(yōu)缺點以及主要應用范圍，這三種物理技術(shù)各有其優(yōu)缺點.相比于其他兩種技術(shù)，無論是從成本上還是從食品工業(yè)應用的廣度上來看，微波技術(shù)均具有較大的優(yōu)越性.

表2 微波、輻照、臭氧三種物理處理技術(shù)方法的比較

4 其他物理處理技術(shù)

目前，國內(nèi)外報道的關(guān)于物理處理技術(shù)抑制面條褐變的文獻已有許多.除了微波、輻射、臭氧之外，其他物理技術(shù)如超聲、低溫等離子體技術(shù)也可以提高鮮濕面的亮度，抑制鮮濕面的褐變.

Niu等[61]的研究表明，超聲-抗壞血酸聯(lián)合處理全麥粉，可使得制得得鮮濕面得褐變程度降低48%.其探究后發(fā)現(xiàn)多酚氧化酶活性被抑制是鮮濕面褐變程度減少的直接原因；其次，作用底物量游離多酚含量減少也促進了鮮濕面褐變的減小.陳玥[62]發(fā)現(xiàn)，用低溫等離子體處理后鮮濕面L*(亮度值)為79.04，而未經(jīng)處理的鮮濕面L* 值為78.72，因此低溫等離子體技術(shù)可在一定程度上提高鮮濕面的亮度，但在儲存過程中，經(jīng)低溫等離子體處理的鮮濕面的亮度值卻低于未處理的鮮濕面的亮度值.這可能是鮮濕面固有的酶促褐變和非酶褐變以及大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體處理共同作用產(chǎn)生的結(jié)果.

5 總結(jié)與展望

微波、輻射、臭氧等物理處理技術(shù)不僅可以非常有效地提高鮮濕面的亮度值，抑制其在儲存過程中褐變的發(fā)生，而且能夠使得鮮濕面的貨架期被大大延長，保留其最佳風味.這三種物理技術(shù)從投入成本和已有研究報道對鮮濕面褐變抑制的效果來看，可行性最高的是微波，臭氧次之，最后是輻射技術(shù).除了這三種物理技術(shù)，超聲處理，低溫等離子體技術(shù)均可以有效抑制鮮濕面褐變，但低溫等離子體技術(shù)對鮮濕面褐變的抑制機制尚不清楚，需進一步深入研究.

在抑制鮮濕面褐變方面未來還有以下三點需要進一步研究：

(1)單一的物理技術(shù)在使用時可能會存在一定的缺陷和不足，所以需要多種物理方法復合處理，從而使得鮮濕面的褐變得到更有效的抑制.

(2)篩選合適的包裝技術(shù)對于抑制鮮濕面褐變也至關(guān)重要.

(3)除了從抑制酶促褐變反應的發(fā)生來抑制鮮濕面的色澤劣變，從控制非酶褐變反應出發(fā)也是一個切入點.但截止目前,從這方面的機理來探究如何抑制或者改善鮮濕面的褐變，國內(nèi)外相關(guān)研究還較少.在未來，隨著各種高新技術(shù)的快速發(fā)展和應用水平的完善，同時從這兩個方面出發(fā)來改善或者抑制鮮濕面的褐變，對于增長其貨架期，促進鮮濕面市場化具有極其廣闊的研究以及應用前景.