淀粉熱膨化加工特性的調(diào)控及應(yīng)用研究進展

孟啟帆，袁甜甜，汪嘉穎，葉發(fā)銀,2*，陳嘉,2，趙國華,2

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室，重慶，400715)

淀粉基膨化食品作為我國的傳統(tǒng)食品有著悠久的歷史。米花、米餅、蝦片等食品及其制作技藝是中華飲食文化的重要組成部分。這類食品的特點是利用了淀粉的熱膨化特性。與擠壓膨化不同，淀粉原料在熱膨化前，通常先采取蒸制-干制或熟化-成型等工序制成料坯，然后快速加熱使其熱膨化[1-2]。因此，熱膨化又稱作非直接膨化[3]。從膨化結(jié)構(gòu)形成角度，淀粉的熱膨化與擠壓膨化(又稱作直接膨化)存在明顯區(qū)別[4]。在漫長的歲月里，淀粉熱膨化加工經(jīng)歷了油炸、焙炒等傳統(tǒng)方式向氣流膨化、焙烤膨化、真空膨化、微波膨化等新設(shè)備新技術(shù)的轉(zhuǎn)變(圖1-a)。通過膨化，食品的體積明顯增加，內(nèi)部組織成為多孔、疏松的海綿狀結(jié)構(gòu)，原料堅硬的質(zhì)地得到柔化，口感風味和營養(yǎng)價值得到提升[1]?；诖?，淀粉基膨化食品深受世界各地消費者的喜愛。

生產(chǎn)經(jīng)驗表明，淀粉的熱膨化受多方面因素影響，既有原料和配料因素，也有工藝和設(shè)備因素[5]。我國油酥米花加工通常采用糯米為原料，而印度炒米通常采用非糯性的大米制作[6]。雖然兩類產(chǎn)品的制作方式存在一定相似之處，但是原料和工藝如何影響淀粉的熱膨化效果還缺乏深入認識[7]。淀粉基膨化食品可選擇的加工原料十分豐富，因此創(chuàng)造出了琳瑯滿目的產(chǎn)品(圖1-b)，已成為方便食品的重要類別[8]。在崇尚健康飲食的今天，人們對淀粉基膨化食品在營養(yǎng)補充、健康促進、安全方便等方面的功能提出了更高要求[9]。在不影響酥脆口感的前提下，減油、減鹽和控制淀粉消化吸收速度等，成為淀粉基膨化食品品質(zhì)功能的理性設(shè)計的時代潮流[10-11]。像旺旺雪餅就是一個成功的非油炸大米膨化制品的例子。不同來源的淀粉在熱膨化加工特性上有何差異？共存食品成分糖類、蛋白質(zhì)、油脂、食鹽等，對淀粉的熱膨化有何影響？這些都成為這類食品的配方研究中需要解決的科學問題。為推動淀粉熱膨化加工特性的深入研究和應(yīng)用，本文在充分調(diào)研文獻的基礎(chǔ)上，對該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進行全面總結(jié)，對存在的問題進行了剖析，以期為淀粉熱膨化認識的深入和淀粉基膨化食品創(chuàng)新開發(fā)提供參考。

1 淀粉的熱膨化過程及其影響因素

1.1 淀粉的熱膨化加工

1.1.1 淀粉的前處理

雖然對淀粉的前處理不是必需的，但生產(chǎn)經(jīng)驗表明前處理有助于獲得更好的熱膨化效果[5]。在生產(chǎn)上，淀粉熱膨化前的處理被稱作料坯加工[12-13]。加工料坯主要有3種方式，其共同之處是通過水熱處理淀粉原料，一定程度上改變淀粉聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，形成適宜于熱膨化加工的結(jié)構(gòu)。(1)擠出法。典型例子如蝦片，物料熟化成型通常在擠出機上完成。一般采用雙螺桿擠出模式，物料水分含量35%～40%，機筒內(nèi)升溫一般不超過130 ℃，物料在機筒內(nèi)剪切混勻、充分糊化后排出，在擠出機口模處配有切割裝置將其切片成型，接著干燥到一定的水分含量[14]。(2)蒸煮法。適用于谷物籽粒、塊根或塊莖。以印度炒米為例[15]，按如下步驟進行：稻米洗凈→熱水浸泡(73 ℃，3 h)→加壓蒸煮(蒸汽壓力1.5 kg/cm2，10 min)→干燥→脫殼/碾磨→蒸谷米(水分含量14%～15%)。(3)餅坯法。米餅及其他需要進行料坯造型的淀粉基膨化食品，加工料坯的方法為：配料→加水混合→制作面團→熟化→壓制成型→預(yù)干燥→水分平衡或調(diào)溫處理[16-17]。這類料坯水分含量低，可以長時間保存。例如生蝦片和陰米在市場都有銷售，消費者可購買后在家進行熱膨化加工。

a-常見的淀粉熱膨化設(shè)備；b-常見淀粉基膨化食品圖1 淀粉熱膨化加工技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品Fig.1 Techniques for starch thermal-induced expansion and images of puffed starchy foods

1.1.2 熱膨化的相變原理

無論是油炸、焙烤、砂/鹽炒，還是微波膨化，其差異主要在加熱方式，這些熱膨化方式的共同特征是利用了相變和氣體的熱壓效應(yīng)原理[18-19]。淀粉是半結(jié)晶聚合物，包含結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)。從力學狀態(tài)的角度，淀粉存在以下3種聚集態(tài)：玻璃態(tài)、橡膠態(tài)及熔融態(tài)。在不同聚集態(tài)之間存在著溫度轉(zhuǎn)變區(qū)，其中玻璃態(tài)與橡膠態(tài)之間的過渡區(qū)稱作玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域。食品從玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變時所需的最低溫度稱為該食品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (glass transition temperature,Tg)[20]。對于低水分體系 (一般在20%以下)，Tg的測定通常采用差示掃描量熱法[10,14]。淀粉的熱膨化過程即淀粉力學狀態(tài)變化的過程，Tg對淀粉熱膨化的意義在于：決定淀粉熱膨化發(fā)生的溫度和淀粉熱膨化的效果[5, 11]。

淀粉的熱膨化是在較短時間發(fā)生的集熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、動量傳遞及化學反應(yīng)(淀粉分子降解)于一體的過程，其發(fā)生發(fā)展機制尚未完全明晰。有學者通過微CT影像技術(shù)表征膨化過程孔隙結(jié)構(gòu)的形成和變化[18-19]，VAN DER SMAN和BROEZE采用多尺度分析算法闡釋膨化淀粉零食的結(jié)構(gòu)形成過程[2]。研究[14]認為，在快速加熱過程中，物料溫度不斷升高，當溫度達到水的沸點時物料內(nèi)部的水分迅速汽化，同時引起周圍淀粉分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化，當溫度超過淀粉Tg時，物料進入橡膠態(tài)，在蒸汽壓力的驅(qū)動下發(fā)生膨脹，隨著壓力釋放、水分蒸發(fā)等的變化，熱膨化隨之完成，繼續(xù)加熱會燒焦物料(圖2)。熱膨化過程大致分為“相變階段(氣相成核)→增壓階段(氣室

圖2 淀粉微波膨化的狀態(tài)圖Fig.2 State diagram for microwave expansion of starch

膨脹)→膨炸階段(氣室破裂或穩(wěn)態(tài)化)→固化階段(膨化完成)”等階段，最終形成具有網(wǎng)狀組織、定型的多孔狀結(jié)構(gòu)(圖3)[18, 21]。淀粉在膨化過程中經(jīng)歷一系列連續(xù)相變。氣相成核的位點及其周圍的物質(zhì)環(huán)境決定著膨化結(jié)構(gòu)發(fā)育的質(zhì)量[22]。因此，只有加工好的料坯才具有符合期望的熱膨化效果[23]。目前，原料的不同尺度結(jié)構(gòu)對淀粉熱膨化的影響及貢獻度尚待明確。

圖3 熱膨化過程中淀粉的膨化結(jié)構(gòu)形成示意圖Fig.3 Scheme of expansion structure formation of starch during the thermal-induced expansion process

1.1.3 熱膨化效果的評價

淀粉的熱膨化性能與淀粉基膨化食品的品質(zhì)密切相關(guān)[7]。對于淀粉熱膨化性能的表征，主要包括膨化率、容積密度、孔隙度及孔隙分布等指標[10-11]。膨化率即膨化前后體積之比，反映物料發(fā)生膨脹的能力；容積密度和孔隙度反映膨化產(chǎn)品中的氣相占比，氣相占比越高，說明膨化越充分，表現(xiàn)為容積密度越小、孔隙度越大；孔隙分布則反映膨化均勻程度。對于淀粉基膨化食品的品質(zhì)評價，從感官評價角度，主要包括色澤、狀態(tài)、滋味、氣味、酥脆性等方面[24]，相關(guān)檢驗方法可參照GB 17401《食品安全國家標準 膨化食品》。酥脆性近年來普遍采取感官分析和儀器分析相結(jié)合來測定。儀器分析法即機械方法和聲學方法聯(lián)用，在質(zhì)構(gòu)分析儀上給予試樣一定的外力，讓其發(fā)生變形或脆斷，得到的力-位移曲線，通過聲學測量儀記錄試樣被壓縮或穿刺時產(chǎn)生的聲音信號，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)來評價其酥脆性[15, 24]。

1.2 影響淀粉熱膨化的因素

淀粉熱膨化效果取決于很多因素，內(nèi)在因素主要包括淀粉來源、結(jié)構(gòu)及組成等[25]；外在因素包括共存成分、熱膨化方式以及工藝因素等[26-27]。

1.2.1 淀粉的來源

根據(jù)結(jié)構(gòu)決定功能原理，淀粉的組成結(jié)構(gòu)是影響其熱膨化效果的重要因素。關(guān)于淀粉來源對其熱膨化性能的影響，從直鏈淀粉含量、支鏈淀粉結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度等組成結(jié)構(gòu)參數(shù)進行討論。為考察直鏈淀粉含量對大米淀粉熱膨化的影響，JIAMJARIYATAM等[13]從糯米和非糯性稻米中提取淀粉，將2種淀粉按照不同比例復(fù)配后(直鏈淀粉含量0.12%～19.00%，質(zhì)量分數(shù))，經(jīng)熟化成型、冷卻、干燥等工序制成料坯，棕櫚油油炸處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大米淀粉的膨化率隨直鏈淀粉含量增加而減小。CHEN等[28]報道在焙烤(350 ℃)條件下，大米淀粉的膨化率隨其直鏈淀粉含量增加而降低。研究發(fā)現(xiàn)，印度炒米加工宜選用直鏈淀粉含量中等(>20%)的大米，如高直鏈IR 1010(含量25.11%)[29]和GURJARI秈米 (含量20.52%)[15]；JOSHI等[30]報道印度秈米(直鏈淀粉含量21.52%～28.21%)的體積膨化率與其直鏈淀粉含量呈顯著正相關(guān)。SAHA等[7]的研究表明，9種受試稻米的直鏈淀粉含量低于20%，它們不適宜加工印度炒米，因為熱膨化效果較差；研究還指出，即使是直鏈淀粉含量非常接近的稻米品種，加工的炒米在感官品質(zhì)上也存在顯著差異。為探討稻米原料與膨化米餅品質(zhì)之間的關(guān)系，譚汝成等[31]研究了21種稻米制作膨化米餅的效果，結(jié)果表明，稻米的直鏈淀粉(0.21%～26.02%)、粗脂肪(0.43%～1.77%)、粗蛋白(4.51%～9.44%)的含量與膨化米餅的感官品質(zhì)存在相關(guān)性，直鏈淀粉含量中低(10.72%～12.63%)、粗脂肪含量高(1.42%～1.77%)、蛋白質(zhì)含量低(4.70%～5.25%)的品種適于加工膨化米餅。由此可見，淀粉熱膨化不完全取決于加工原料中直鏈淀粉含量。早期的一項研究表明[32]，Keropok(一種馬來西亞淀粉基膨化食品)的膨化品質(zhì)與受試淀粉原料中支鏈淀粉含量正相關(guān)。張立彥等[33]的研究也發(fā)現(xiàn)，含支鏈淀粉較多的混合物料(糯米粉及馬鈴薯淀粉)的膨化產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)好，優(yōu)于木薯、玉米及小麥的淀粉。MAHANTA等[34]的研究則指出，蒸谷米中支鏈淀粉的老化是淀粉熱膨化的不利因素，因為老化支鏈淀粉的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)(熔融溫度約55 ℃)在水未達到沸點前即被破壞，無法發(fā)揮截留水蒸氣的作用。QI等[35]報道發(fā)酵和晾曬使木薯淀粉的熱膨脹率幾乎增加一倍，并發(fā)現(xiàn)這些原料中支鏈淀粉的中長側(cè)鏈(DP≥25)比例和平均鏈長顯著低于天然木薯淀粉，研究認為支鏈淀粉降解是熱膨化性能改善的一個因素。BEECH等[5]研究了蠟質(zhì)玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉的熱膨化效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對天然淀粉直接實施膨化，普通玉米淀粉的膨化率最高，高直鏈淀粉次之，蠟質(zhì)淀粉最低；在做成干凝膠后進行膨化，反而是高直鏈和蠟質(zhì)淀粉的膨化率最高且二者無顯著性差異。這表明，淀粉的熱膨化不僅僅是由物質(zhì)組成決定的，還包括結(jié)構(gòu)因素。JIAMJARIYATAM等[36]研究報道淀粉的相對結(jié)晶度與產(chǎn)品膨化品質(zhì)密切相關(guān)，直鏈淀粉含量9%、相對結(jié)晶度為2.8%～3.7%的大米淀粉干凝膠具有良好的熱膨化性能，隨著相對結(jié)晶度增高，膨化率下降，孔隙變密、尺寸變小。根據(jù)目前的研究，淀粉熱膨化加工特性的原料學因素未完全明晰。

1.2.2 淀粉的糊化度

在熱膨化前，將淀粉原料進行適度的糊化有利于提升膨化制品的品質(zhì)。未經(jīng)糊化的大米無法加工出符合期望的米花[5]。在糊化過程中，淀粉粒發(fā)生膨脹并吸收水分，淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，水分子進入結(jié)晶簇發(fā)生水合作用。糊化破壞了淀粉粒原本的結(jié)構(gòu)，降低了淀粉的相對結(jié)晶度，創(chuàng)造了淀粉與水分子相互作用的條件，為熱膨化奠定了物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[2]。CHUNG等[37]報道稱，天然(未糊化)大米淀粉的Tg比糊化大米淀粉至少高20 ℃，在相同膨化條件下，天然大米淀粉的玻璃態(tài)-橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變在更高溫度下發(fā)生，因此由天然晶體淀粉組成的生大米膨化效果不佳。料坯在采取擠出法加工時，其糊化度可通過變換擠出條件來調(diào)節(jié)。KRAUS等[38]通過擠壓法制備料坯，其糊化度43.6%～72.9%，研究發(fā)現(xiàn)在微波膨化時膨化率隨糊化度增加而增大，且糊化度大于64.2%時，孔隙數(shù)量顯著增加。GURAYA等[39]報道由木薯淀粉和甘薯淀粉復(fù)配制作的料坯油炸膨化，其膨化率隨糊化度(低于80%時)增大而增大。LEE等[40]研究發(fā)現(xiàn)，為取得最佳熱膨化效果，料坯的糊化度應(yīng)在50%左右，當糊化度低于50%時或高于66%時，均無法進行充分的熱膨化。這表明，適當?shù)暮扔欣诹吓魃沙渥愕臍庀喑珊宋稽c。

1.2.3 淀粉的老化度

淀粉老化在糊化冷卻時即發(fā)生。在料坯制備過程中，老化不可避免發(fā)生，因此老化是影響淀粉熱膨化特性的重要因素。孫翠霞等[41]通過將糊化的淀粉在4 ℃冰箱中儲藏4～72 h來探究不同老化時間對淀粉熱膨化特性的影響，結(jié)果表明，對馬鈴薯淀粉及豌豆淀粉適度老化(<12 h)可改善熱膨化性能(膨化率最高達3.5)，但是過度老化(>12 h)則使之降低。JIAMJARIYATAM等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，大米淀粉熱膨化性受其冷卻速率和老化時間影響，老化(24→72 h)可使膨化產(chǎn)品的脆性增加、吸油性降低。有研究指出，老化使淀粉分子有序性提高，內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將水分均勻分布其中，受熱后蒸發(fā)外逸，形成均勻的氣室，但同時結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成，當結(jié)晶過多時，打破物料原有的結(jié)構(gòu)所需要的能量值升高，從而水分難以外逸，膨脹率降低[42]。

1.2.4 初始水分含量

原料中的水分作為汽化劑，其在膨化過程中起著至關(guān)重要的作用。水分汽化可為熱膨化過程提供驅(qū)動力，同時對食品聚合物基質(zhì)的相變和拉伸粘度產(chǎn)生影響[10]。蒸汽壓力足夠大時，基質(zhì)迅速膨脹，孔隙擴張，膨化產(chǎn)品獲得期望的多孔結(jié)構(gòu)和質(zhì)地。在印度炒米加工前，為方便儲存，蒸谷米的水分含量通常在14%左右，為適于熱膨化，通常將蒸谷米的水分含量調(diào)整到17%左右[15]。BOISCHOT等[14]則采用水分活度(Aw)概念來解釋水分對熱膨化的影響，在微波膨化過程中，玻璃態(tài)支鏈淀粉擠出物的膨化率隨著Aw增加而增大。KONISHI等[43]對籽粒莧種子淀粉微波膨化時發(fā)現(xiàn)，完全脫水的樣品不能膨化，隨著Aw的增大，膨化率增大，Aw=0.605時達到最大值，Aw繼續(xù)增加則使膨化率減小。研究顯示，水分含量及其分布、水分子與淀粉分子之間的相互作用與熱膨化密切相關(guān)[11]。水作為塑化劑，能影響料坯中淀粉的Tg，適宜的相變溫度有利于物料在進入橡膠態(tài)及膨化前累積蒸汽壓力，這要求原料具有合適的初始水分含量[28]。過低則基質(zhì)硬且易碎，且因水分蒸發(fā)使累積壓力的水汽不足，難以在基質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生氣室結(jié)構(gòu)；過高則使基質(zhì)受熱后軟化，且由于大量水汽外逸形成裂紋，降低膨化率，甚至膨化不完全[43]。

1.2.5 熱膨化溫度

加熱溫度是影響淀粉熱膨化的重要因素。溫度在熱膨化過程中發(fā)揮兩種作用：(1)在相變階段升溫使物料越過淀粉的Tg，從玻璃態(tài)進入橡膠態(tài)，增強密閉結(jié)構(gòu)的韌性和膨脹性；(2)加熱物料中的水分使其越過沸點，迅速汽化形成氣壓推動膨化結(jié)構(gòu)形成。當溫度不足以使淀粉發(fā)生相變時，加熱僅起到蒸發(fā)水分的作用，無法為熱膨化創(chuàng)造條件，當溫度過高，則導(dǎo)致表面水分快速蒸發(fā)，熱量來不及傳導(dǎo)至物料內(nèi)部，造成膨化率低，甚至容易燒焦物料[43]。有研究表明，鷹嘴豆采用砂炒進行熱膨化時，產(chǎn)品的容積密度隨著砂炒溫度升高(180 ℃→220 ℃)而降低，適當增大溫度對熱膨化有利。NATH等[44]研究了馬鈴薯基方便食品的高溫短時氣流膨化加工中膨化溫度(185～255 ℃)和時間(20～60 s)的影響，從膨化比、硬度、整體可接受度等指標看，膨化溫度比時間的影響更顯著，適度高溫(230 ℃)能獲得最優(yōu)膨化效果。

1.2.6 熱膨化時間

熱膨化發(fā)生的持續(xù)時間相對較短，但加熱時間仍然是需要考慮的因素[45]。加熱時間不足，熱膨化不充分，但并非時間越長越好。BOISCHOT等[14]對玻璃態(tài)支鏈淀粉擠出物進行微波膨化時發(fā)現(xiàn)，加熱30 s可使Aw=0.73的樣品達到最大膨化率，隨著加熱繼續(xù)，膨化率反而下降。長時間加熱的另一個問題是產(chǎn)品容易發(fā)生焦化[46]。

2 淀粉熱膨化特性的調(diào)控技術(shù)

淀粉熱膨化受到多因素的影響。因此，調(diào)控其熱膨化特性就可以從多方面入手。主要策略包括原料前處理和熱膨化方式兩方面。在原料前處理中，控制淀粉的糊化或老化程度、控制物料水分含量等已在前面述及，下文主要從原輔料(包括對淀粉的改性和外源物添加)和熱膨化方式等的角度進行論述。

2.1 淀粉改性

2.1.1 通過化學改性提升淀粉的熱膨化性能

在工業(yè)生產(chǎn)中，對淀粉進行化學改性是拓寬其使用范圍的常用手段。JUNIOR等[47]將木薯淀粉經(jīng)臭氧處理，研究發(fā)現(xiàn)其熱膨化性能的提升效果可與木薯淀粉經(jīng)自然發(fā)酵的效果相當；BARBOSA等[48]將馬鈴薯淀粉采用25%過氧化氫處理，其膨化產(chǎn)品的密度從308 kg/m3降低到142 kg/m3。馬曉軍等[49]報道大米淀粉以醋酸酐、三聚磷酸鈉和環(huán)氧氯丙烷為變性劑改性后，其熱膨化性能均得到改善，其中淀粉醋酸酯的提升幅度最大。DIAS等[50]報道，對酸木薯淀粉采用次氯酸鈉進行適度氧化處理，可提升其熱膨化性能，但過度處理會使淀粉發(fā)生降解，不利于熱膨化。有研究觀察到氧化改性并非對所有淀粉有效，如過氧化氫溶液處理對提升木薯淀粉和蠟質(zhì)玉米淀粉的熱膨化性能有效，而對普通玉米淀粉無效[50]。鑒于目前淀粉結(jié)構(gòu)-熱膨化性能關(guān)系尚未明晰，通過對淀粉的改性，不僅是改善熱膨化的手段，而且是研究熱膨化機制的重要途徑。

2.1.2 通過物理改性提升淀粉的熱膨化性能

淀粉的物理改性方法不涉及化學試劑，具有綠色、安全、經(jīng)濟高效等特點，其機制在于通過對淀粉分子鏈的空間組織或聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的適度改變來調(diào)整淀粉的理化性質(zhì)和加工特性。傳統(tǒng)物理改性方法主要包括擠壓、高壓、濕熱、干熱和韌化處理等，近年來，新型物理場包括超聲波、微波、電場、射頻或等離子體技術(shù)在淀粉改性方面也取得了可喜的進步。蒸谷米加工是一個改善印度炒米的熱膨化效果的典型例子[5]。蒸谷米以未脫殼的稻谷為原料，經(jīng)浸泡、蒸制、干燥等處理后，再按照常規(guī)稻米加工方法生產(chǎn)的大米制品。在蒸制過程中，稻米中淀粉的相對結(jié)晶度[18]和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[37]下降，這些都對后續(xù)熱膨化有利。MAHANTA等[34]的研究指出，蒸制是決定蒸谷米熱膨化效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。適度蒸制促使米粒外層淀粉糊化和直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物形成，從而有利于熱膨化。有趣的是，太陽光也是改善淀粉熱膨化性能的重要因素。有研究報道曬干比烘干的酸木薯淀粉具有更好的熱膨脹性能，這被解釋為太陽光輻照引起淀粉分子基團修飾，曬干的酸木薯淀粉的羰基和羧基總量0.136/100葡萄糖單元，比烘干酸木薯淀粉的高出68%[50]。盡管這一積極結(jié)果的實現(xiàn)有賴于氣象條件，但是有學者指出太陽光輻照應(yīng)適量，否則淀粉在陽光中紫外線等因素長時間作用發(fā)生組分或分子結(jié)構(gòu)改變，反而會損害其熱膨化性能。QI等[51]報道太陽光或紫外燈照射可進一步提升發(fā)酵木薯淀粉的熱膨化性能，研究指出輻照引起淀粉結(jié)晶區(qū)的破壞并使支鏈淀粉降解形成低分子質(zhì)量的產(chǎn)物，這有利于形成蒸汽壓力和熱膨化結(jié)構(gòu)。

2.1.3 通過生物改性提升淀粉的熱膨化性能

用于制作酸面包的木薯淀粉的生產(chǎn)，是生物法提升淀粉熱膨化性能的一個經(jīng)典案例[52]。傳統(tǒng)上木薯淀粉采用濕法工藝提取，經(jīng)晾曬得到干木薯淀粉，這不可避免地導(dǎo)致了微生物生長和自然發(fā)酵。在引入工業(yè)化設(shè)備和技術(shù)后卻發(fā)現(xiàn)，烘干得到的木薯淀粉的熱膨化加工性能不及經(jīng)傳統(tǒng)的自然發(fā)酵后曬干得到的木薯淀粉[53]。這被解釋為發(fā)酵-曬干組合工藝使木薯淀粉分子結(jié)構(gòu)發(fā)生適度改變，并形成了有利于熱膨化的結(jié)構(gòu)，但相關(guān)機制尚仍未明確。按照同樣的自然發(fā)酵方式處理馬鈴薯淀粉，其熱膨化性能卻未得到改善，令人頗感意外[35]。

2.2 外源物添加

在淀粉基膨化食品加工中，淀粉以外的組分不可避免地引入，從而對其熱膨化性能和產(chǎn)品品質(zhì)產(chǎn)生影響。在過去研究中，出于從成本、風味或口感等方面的考慮，基于配方優(yōu)化開展了大量工作。

2.2.1 糖類

糖類能影響淀粉的糊化和老化。在加工料坯時，添加糖類物質(zhì)必將對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并最終影響熱膨化效果。KRAUS等[54]采用擠壓工藝加工料坯，在配方中添加蔗糖，研究發(fā)現(xiàn)蔗糖可誘導(dǎo)形成更多的氣相成核區(qū)，且隨添加量增加而增多，料坯的膨化率增大，孔隙更加均勻細膩；研究還發(fā)現(xiàn)蔗糖通過塑化作用來影響膨化制品的外觀，蔗糖無添加時，產(chǎn)品枕形率為92%，蔗糖添加量10%、20%時，產(chǎn)品枕形率下降至57%、0%。研究認為，料坯中蔗糖無添加時，因為料坯Tg過高，或料坯因水分蒸發(fā)形成玻璃態(tài)外表面，在熱膨化時易發(fā)生爆裂，形成枕形產(chǎn)品。蔗糖降低了料坯Tg，使熱膨化在橡膠態(tài)時發(fā)生，從而形成近球形產(chǎn)品。此外，蔗糖促進了淀粉的糊化(20%蔗糖使淀粉糊化度增加27.8%)，同時改變了料坯中淀粉老化進程(很遺憾該研究未涉及)，這些都是與改善熱膨化效果有關(guān)的因素。研究表明，多糖類物質(zhì)也可以起著改善熱膨化的作用。GIMENO等[55]以玉米粉制作料坯進行微波膨化，研究發(fā)現(xiàn)在料坯制作時添加1%的黃原膠或羧甲基纖維素，可使膨化率提高，熱膨化組織結(jié)構(gòu)更均勻，外形更加規(guī)則。

2.2.2 蛋白質(zhì)和油脂

蛋白質(zhì)是淀粉基膨化食品中頻繁出現(xiàn)的配料或組分，如蝦片、米花、米餅中就含有蛋白質(zhì)。雖然蛋白質(zhì)對其熱膨化的影響機制尚未明晰，但已有研究表明適度添加食品蛋白質(zhì)對熱膨化有利。WANG等[56]將木薯淀粉和白鰱魚糜按1∶1制備混合凝膠，干燥至水分含量7%后進行微波真空膨化，研究發(fā)現(xiàn)其膨化效果優(yōu)于木薯淀粉凝膠，孔隙均勻、感官評分更高。

油脂對淀粉熱膨化的影響與其種類和添加量有關(guān)。ERNOULT等[10]向蠟質(zhì)玉米淀粉中添加2%～6%固體脂肪(熔點70 ℃)，制作的料坯經(jīng)微波膨化，產(chǎn)品孔隙均勻、膨化效果得到提升，但是添加油(熔點-20 ℃)卻導(dǎo)致膨化效果變差。JIAMJARIYATAM等[17]將10%～50%的起酥油加入到糊化大米淀粉中，充分攪拌、4 ℃冷卻后老化(4 ℃，24 h)、干燥，得到料坯，對其進行油炸膨化。研究發(fā)現(xiàn)，起酥油用量10%的樣品膨化得分最高，但用量30%的樣品脆度得分最高。NGUYEN等[57]研究油脂(添加量0%～21%)對蝦片微波膨化的影響時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蝦片硬度隨著油脂添加量增加而降低，膨化率在添加量3%時達最大值，繼續(xù)添加則膨化率降低。研究認為低熔點油脂容易與直鏈淀粉形成復(fù)合物，這不利于料坯加工時淀粉的糊化老化以及凝膠結(jié)構(gòu)形成。

2.2.3 鹽類和食品添加劑

研究表明，鹽類在改善淀粉熱膨化性能上可發(fā)揮積極作用[58]。在印度炒米加工前通常進行調(diào)溫處理，即將食鹽水與蒸谷米混在一起，密封保溫一段時間[6]。蒸谷米中添加2%食鹽，其膨化率可提高15%[18]。在采用微波膨化炒米的研究中，NaCl添加量在4.5%以內(nèi)時膨化率隨添加量增加而增大，但添加量繼續(xù)增加會降低膨化率[29]。NORTON等[11]研究了鈉鹽和鉀鹽對馬鈴薯淀粉料坯氣流膨化的影響，結(jié)果表明，在添加量范圍內(nèi)(0%～2%)，膨化率隨著Na+或K+的濃度增加而增大。添加鹽對淀粉基質(zhì)的熱膨化作用雖然不是必須的，但可提高膨化率和膨化速度，其機制可能在于適度降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及提高傳熱速率，從而使熱膨化更早發(fā)生[11]。VAN DER SMAN等[21]的研究指出，NaCl可降低淀粉的Tg，可使料坯在更低水分含量(與未添加NaCl組進行對照)條件下具有良好的熱膨化效果，這意味著適度增加初始水分含量也可以有相同熱膨化效果同時實現(xiàn)減鹽的目的。

2.3 新技術(shù)的采用

人類對淀粉基食品的熱膨化加工經(jīng)歷了從偶然發(fā)現(xiàn)到主動探索的過程。從歷史悠久的焙烤、砂/鹽炒、油炸，到當前迅速發(fā)展的氣流膨化[11]、真空膨化、微波膨化[38]等方式，不僅從技術(shù)上提升了膨化效果，而且加速了淀粉基膨化食品推陳出新[37]。

近年來，微波膨化具有耗時短、能源利用效率高、對食物營養(yǎng)成分的保留率高等特點，微波技術(shù)廣泛用于膨化零食、米餅、米花、蝦片等膨化制品的生產(chǎn)[46]。SWARNAKAR等[29]對比研究了糙米采取微波和傳統(tǒng)砂炒的熱膨化效果，結(jié)果表明，膨化率是傳統(tǒng)砂炒(5.6)略高于微波(5.1)，但在綜合感官評分上微波(73.952)優(yōu)于傳統(tǒng)砂炒(67.755)。ALTAN[59]在研究裸大麥籽粒的微波熱膨化性能時發(fā)現(xiàn)，采取加壓蒸煮、紅外加熱或二者的組合來處理經(jīng)水分調(diào)節(jié)的裸大麥籽粒，可在不同程度上改變原料中淀粉的糊化度，從而影響膨化率及產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，其中初始水分含量29.5%的籽粒經(jīng)紅外加熱(200 ℃，2 min)后膨化率最高，優(yōu)于加壓蒸煮(15 min)和未經(jīng)熱處理的樣品，研究認為良好膨化有賴于籽粒的適度糊化，而加壓蒸煮幾乎使淀粉完全糊化。WANG等[60]報道了利用脈沖噴動微波真空干燥(PSMVD)來對淀粉基物料進行熱膨化，在咸鴨蛋白與淀粉之比為0.3、微波功率2.01 kW時膨化產(chǎn)品品質(zhì)最佳，該項技術(shù)還有望解決微波處理過程中的加熱不均勻性問題。此外，NATH等[61]研究了高溫短時氣流膨化用于馬鈴薯零食的加工，通過對物料水分含量、加熱溫度、空氣流速、膨化時間等工藝參數(shù)的優(yōu)化，可加工出品質(zhì)良好的即食膨化制品，且營養(yǎng)素的保留較好。最近，TENG等[62]報道了3D打印技術(shù)用于加工馬鈴薯凝膠料坯的方法，這不僅豐富了料坯加工的手段，而且為改善熱膨化效果提供了一項重要的方法。

3 總結(jié)與展望

近年來，對淀粉的熱膨化特性調(diào)控及應(yīng)用研究得到廣泛重視。了解淀粉熱膨化現(xiàn)象的機理，考察各種因素對淀粉熱膨化的影響，無論是對于改善淀粉基膨化食品的品質(zhì)還是淀粉熱膨化理論的發(fā)展都具有重大意義。由于淀粉熱膨化特性影響因素眾多、體系復(fù)雜、過程不明，還有許多問題有待于進一步研究。首先，淀粉熱膨化與其組成結(jié)構(gòu)有何關(guān)系？直鏈淀粉含量及分子質(zhì)量、直鏈淀粉/支鏈淀粉比例以及其他共存成分等都會對膨化效果產(chǎn)生影響。相關(guān)報道中對原料組分影響膨化效果的解釋大多是推理性的，由于缺乏在分子水平上對淀粉熱膨化機制的理論指導(dǎo)，這使原料選擇只能依靠經(jīng)驗。其次，配料因素在調(diào)控淀粉熱膨化性能上發(fā)揮多少作用？雖然通過配料可實現(xiàn)對淀粉熱膨化加工性能進行調(diào)整，但這方面研究還不深入[24, 61]。如何通過不同淀粉的復(fù)配來改善熱膨化性能？配料中的蛋白質(zhì)、油脂、食鹽等共存成分在多大程度上影響膨化效果？第三，如何實現(xiàn)淀粉熱膨化性能的精準調(diào)控？國內(nèi)外目前相關(guān)研究主要從淀粉的糊化與老化、餅坯水分遷移等方面分析，也有從淀粉熟化冷卻后的重結(jié)晶動力學方面研究[63]。老化過程凝膠中直鏈淀粉和支鏈淀粉重結(jié)晶速度和方式不同，這會對淀粉結(jié)構(gòu)產(chǎn)生何種影響？第四，在原料改性、配方設(shè)計、料坯制作和熱膨化加工中新技術(shù)新方法的使用。淀粉基膨化食品作為我國傳統(tǒng)食品，深受各地消費者的喜愛。淀粉熱膨化特性與這些產(chǎn)品的品質(zhì)特征密切相關(guān)。通過控制淀粉的熱膨化加工條件，并在實際生產(chǎn)中綜合應(yīng)用多種熱膨化特性調(diào)控方法，積極開拓新技術(shù)新方法，為實現(xiàn)傳統(tǒng)淀粉基膨化食品的工業(yè)化，為弘揚中華飲食文化以及更好地開發(fā)淀粉基膨化食品提供理論和實踐基礎(chǔ)。