過熱蒸汽技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用研究進(jìn)展

魏思凡，朱堃華，皮東楷，韓倩云，倪元穎，溫馨

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部果蔬加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083)

過熱蒸汽技術(shù)是一種新型熱處理技術(shù)，是指在一定壓力下，對飽和蒸汽(saturated steam,SS)再加熱，使其溫度高于該壓力下的飽和溫度而成為過熱蒸汽(superheated steam,SHS)，并將其通入處理室與物料直接接觸進(jìn)行熱處理[1]。過熱蒸汽技術(shù)最早應(yīng)用于物料干燥，自20世紀(jì)50年代以來，科研人員對過熱蒸汽的理論和應(yīng)用開展了深入的研究[2]。近年來，隨著過熱蒸汽理論的不斷完善與設(shè)備的不斷改進(jìn)，過熱蒸汽在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，如食品干燥、烘焙、殺菌、穩(wěn)定化處理、淀粉改性等(圖1)。相比其他食品熱加工技術(shù)，過熱蒸汽有以下優(yōu)勢：(1)具有更高的傳熱傳質(zhì)效率，能夠迅速使食品物料溫度上升，進(jìn)而提高處理效率；(2)處理環(huán)境為無氧環(huán)境，可以減少處理中由于食品發(fā)生氧化反應(yīng)而導(dǎo)致的品質(zhì)下降，及溫度較高發(fā)生火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)等問題；(3)具有更高的能效，處理后的蒸汽可以重復(fù)利用蒸發(fā)潛熱而節(jié)約能源，同時(shí)減少廢氣排出對環(huán)境造成的污染[3]。

圖1 過熱蒸汽技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用

1 過熱蒸汽在食品加工中的應(yīng)用研究進(jìn)展

從熟制到殺菌，熱處理貫穿整個食品加工過程，是食品加工中一項(xiàng)古老而又不可或缺的基本操作，在保證食品安全、改善食品感官品質(zhì)、提高食品營養(yǎng)價(jià)值等方面具有重要作用。不同的熱處理方式具有不同的加熱特點(diǎn)和能耗性質(zhì)，從而對食品品質(zhì)和環(huán)境帶來不同的影響。過熱蒸汽作為一項(xiàng)新型食品熱處理技術(shù)，已被眾多學(xué)者證明其在加熱效率、產(chǎn)品品質(zhì)、能源消耗和環(huán)境影響等方面具有重要優(yōu)勢[4]。目前過熱蒸汽技術(shù)已應(yīng)用于食品干燥、烘焙、殺菌、穩(wěn)定化處理、淀粉和蛋白熱改性等多個領(lǐng)域。

1.1 過熱蒸汽技術(shù)與食品干燥

干燥是重要的食品保存技術(shù)，過熱蒸汽技術(shù)在食品加工中研究對象最廣泛、研究程度最深入的領(lǐng)域是食品干燥。它是指利用過熱蒸汽直接與物料接觸，將熱量傳遞給物料使其溫度升高，從而使物料中的水分蒸發(fā)的一種干燥方式[1]。過熱蒸汽干燥技術(shù)按照設(shè)備操作壓力可以分為高壓過熱蒸汽干燥(500～2 500 kPa)、常壓過熱蒸汽干燥(約101.3 kPa)和低壓過熱蒸汽干燥(lowpressure superheated steam drying ，LPSSD)(9～20 kPa)。不同干燥壓力適用于不同的干燥物料，并且對干燥設(shè)備有一定要求。高壓過熱蒸汽干燥溫度較高，其在食品干燥領(lǐng)域的應(yīng)用范圍較小，最常見的是在制糖廠用于甜菜漿、果汁等的干燥[5]。常壓過熱蒸汽干燥可廣泛應(yīng)用于多種物料的干燥，如大米、面條、酒糟等。低壓環(huán)境下，水的沸點(diǎn)降低，水分的蒸發(fā)不需要很高的溫度，因此低壓過熱蒸汽干燥可以在低溫環(huán)境中干燥食品物料，更好地保留食品物料的營養(yǎng)成分和色澤。目前在食品干燥領(lǐng)域中，低壓過熱蒸汽干燥技術(shù)最常應(yīng)用在果蔬類產(chǎn)品和其他一些熱敏性物料。

表1總結(jié)了文獻(xiàn)中過熱蒸汽干燥技術(shù)與其他干燥技術(shù)的對比研究結(jié)果。由表1可知，與其他干燥技術(shù)相比，過熱蒸汽具有干燥效率高、干燥品質(zhì)好、能源消耗低等優(yōu)勢。過熱蒸汽自身的熱特性，以及干燥時(shí)以液流的壓力差產(chǎn)生的體積流為動力因而無傳質(zhì)阻力的傳質(zhì)特性，使其具有更高的干燥速率，尤其在干燥產(chǎn)品孔隙率、復(fù)水率和收縮率等指標(biāo)上較熱風(fēng)干燥(hot-air drying，HAD)具有明顯優(yōu)勢。過熱蒸汽干燥過程中樣品內(nèi)部水分迅速蒸發(fā)和膨脹使產(chǎn)品形成多孔結(jié)構(gòu)，從而有利于水分的擴(kuò)散。ERKINBAEV等[6]利用X射線顯微CT技術(shù)研究了過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥對酒糟顆粒顯微組織的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與熱風(fēng)干燥相比，由于過熱蒸汽干燥而增加的孔隙率(高達(dá)55%)使干燥時(shí)間縮短了約81%。同樣，MALAIKRITSANACHALEE等[7]使用掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察熱風(fēng)干燥和低壓過熱蒸汽干燥的芒果切片時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)干燥樣品的結(jié)構(gòu)非常致密，孔隙率較低，并且結(jié)構(gòu)坍塌，而低壓過熱蒸汽干燥樣品具有多孔和未坍塌的組織結(jié)構(gòu)(圖2)，同時(shí)復(fù)水性較好。這些研究從微觀結(jié)構(gòu)層面揭示了過熱蒸汽具有更高干燥效率的機(jī)理。

表1 過熱蒸汽干燥技術(shù)與其他干燥技術(shù)的對比

A-連續(xù)熱風(fēng)干燥(hot-air drying，HAD)；B-連續(xù)低壓過熱蒸汽干燥(low-pressure superheated steam drying，LPSSD)；C-間歇LPSSD(加熱時(shí)間10 min)；D-間歇LPSSD(加熱時(shí)間20 min)；E-間歇LPSSD(加熱時(shí)間30 min)

過熱蒸汽干燥初期常常會出現(xiàn)初始冷凝現(xiàn)象，這是由于物料初始溫度較低，過熱蒸汽遇冷凝結(jié)，對于水分含量較高的物料來說，初始冷凝對干燥時(shí)間的影響較小，而對于干燥前水分含量較低的物料來說，初始冷凝對干燥過程有較大的影響，會延長約10%～15%的干燥時(shí)間[1]。初始冷凝除了會影響整個干燥過程的時(shí)長外，可能還會對干燥產(chǎn)品的品質(zhì)產(chǎn)生影響。TAECHAPAIROJ等[8]在過熱蒸汽流化床干燥大米以獲得蒸谷米的研究中發(fā)現(xiàn)，過熱蒸汽的初始冷凝對大米的白度有顯著影響，其使覆蓋在大米外的糠層和色素物質(zhì)溶解并滲透進(jìn)入胚乳進(jìn)而使大米色澤加深。提高物料初始干燥溫度可以有效降低過熱蒸汽初始冷凝程度，進(jìn)而降低初始冷凝對產(chǎn)品的負(fù)面影響。LIU等[9]研究了蒸汽冷凝對低壓過熱蒸汽干燥青蘿卜維生素C保留率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在75～90 ℃的干燥溫度范圍內(nèi)，冷凝水中維生素C的回收率為14.06%～18.50%，其中大部分轉(zhuǎn)移發(fā)生在初始冷凝期，在干燥工藝前端增加真空預(yù)熱工藝后，樣品在80 ℃和90 ℃時(shí)的維生素C保留率分別為60.9%和65.9%，而連續(xù)蒸汽加熱樣品的維生素C保留率分別為50.6%和55.3%，初始預(yù)熱工藝可降低初始冷凝對青蘿卜片中維生素保留率的影響。

過熱蒸汽干燥雖然在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度上具有較高的干燥速率，但其溫度過高可能會對食品品質(zhì)造成一定的影響，如過熱蒸汽干燥稻谷，脫殼后大米顏色較普通蒸谷米顏色更深[14]。雖然低壓真空干燥可解決熱敏性物料干燥問題，但其干燥效率卻有所降低[10]。過熱蒸汽干燥技術(shù)與其他干燥技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可以起到揚(yáng)長避短、相互補(bǔ)充的作用。目前過熱蒸汽-熱風(fēng)聯(lián)合干燥、過熱蒸汽-真空聯(lián)合干燥、過熱蒸汽-低溫聯(lián)合干燥等技術(shù)已應(yīng)用至蘋果渣、馬鈴薯全粉、竹筍、鮑魚等物料(表2)。

表2 過熱蒸汽聯(lián)合干燥技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

雖然過熱蒸汽干燥技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但大多數(shù)應(yīng)用尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在食品領(lǐng)域的實(shí)際生產(chǎn)中的報(bào)道較少，這是因?yàn)檫^熱蒸汽干燥設(shè)備相較于其所應(yīng)用的產(chǎn)品(常用于農(nóng)副產(chǎn)品，附加值較低)來說，存在投資大、操作難、維護(hù)成本高等問題。并且低壓過熱蒸汽技術(shù)對設(shè)備的密封要求較高，在實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)，因此過熱蒸汽技術(shù)在食品領(lǐng)域的普及應(yīng)用需要進(jìn)一步的探索研究以克服其存在的短處，減少其在生產(chǎn)應(yīng)用中的局限性。

1.2 過熱蒸汽與食品烘焙

烘焙是許多食品加工中的重要操作單元，過熱蒸汽較高的傳熱傳質(zhì)效率和無氧環(huán)境等優(yōu)勢，使其可以作為一種新型烘焙技術(shù)取代傳統(tǒng)以熱空氣為介質(zhì)的烘焙方法。目前已經(jīng)應(yīng)用至多種食品的加工生產(chǎn)中，如油料種籽[19-21]、咖啡豆[22-23]、可可豆[24-25]、肉類[26-27]等。在油料種籽的烘焙中發(fā)現(xiàn)，使用過熱蒸汽具有提高出油率、改善脂肪品質(zhì)和降低不良風(fēng)味等優(yōu)點(diǎn)。比如，250 ℃下過熱蒸汽烘烤后的花生具有更高的出油率(26.84%)，且與傳統(tǒng)烘烤方式相比，過熱蒸汽烘烤后提取的花生油油色、酸值、過氧化氫、對茴香胺、游離脂肪酸、共軛二烯和三烯含量較低，黏度和碘值較高[19]。此外，過熱蒸汽處理(superheated steam treatment，SST)后的紫蘇籽出油率提高2.5倍，過熱蒸汽處理破壞了紫蘇籽的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)種皮分離現(xiàn)象，從而促進(jìn)出油，且處理后不良?xì)馕稄?qiáng)度降低，出現(xiàn)1-戊烯-3-醇、3-糠醛、苯甲醛、5-甲基糠醛和糠醇等揮發(fā)性芳香化合物[21]?？Х榷购涂煽啥咕哂歇?dú)特的感官特征，過熱蒸汽烘焙技術(shù)的應(yīng)用有效改善了其感官品質(zhì)。如在可可豆的過熱蒸汽烘焙研究中發(fā)現(xiàn)，200 ℃條件下烘焙10 min，可可豆中吡嗪類特征風(fēng)味物質(zhì)生成量已達(dá)到合適標(biāo)準(zhǔn)，而傳統(tǒng)對流烘焙的條件為120～250 ℃，60～120 min，即過熱蒸汽技術(shù)烘焙可可豆可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想的風(fēng)味特征[24]。相比熱風(fēng)烘焙，咖啡豆的過熱蒸汽烘焙可有效減少2-甲基呋喃、2-[(甲硫基)甲基]呋喃、2-呋喃甲醇、1-甲基哌啶、吡啶和2-甲基吡啶等表現(xiàn)出辛辣、燒焦的不良?xì)馕兜膿]發(fā)性化合物含量，增加2-呋喃甲醛、5-甲基-2-呋喃甲醛和2-羥基-3-甲基-2-環(huán)戊烯-1-酮等具有焦糖香氣的揮發(fā)性化合物含量[23]。肉類的烤制是一種廣受歡迎的烹飪方法，SULEMAN等[27]分析了不同烤制方式對羊肉餅品質(zhì)的影響，研究發(fā)現(xiàn)過熱蒸汽技術(shù)具有保證肉餅質(zhì)構(gòu)和色澤，降低雜環(huán)胺類有害物質(zhì)含量等明顯優(yōu)勢。

上述研究僅對產(chǎn)品的品質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致的分析，但均未考慮過熱蒸汽烘烤裝置的能耗，在實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)備能耗是企業(yè)選擇設(shè)備及工藝時(shí)的必要考量，作者在整理文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，上述過熱蒸汽的烘焙研究大多采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的過熱蒸汽烤箱如日本品牌NAOMOTO、中國品牌美的、以及實(shí)驗(yàn)室自行研制的過熱蒸汽烘焙設(shè)備，均未設(shè)置尾氣回收裝置，而過熱蒸汽技術(shù)的低能耗優(yōu)勢主要是通過循環(huán)利用尾氣中的剩余能量，或者將多余蒸汽用于其他的生產(chǎn)操作。因此，未來的研究應(yīng)更多地關(guān)注過熱蒸汽烘焙設(shè)備的研制及能源節(jié)約問題。

1.3 過熱蒸汽技術(shù)與食品殺菌

過熱蒸汽技術(shù)作為一種新興殺菌技術(shù)已被應(yīng)用果蔬(如櫻桃番茄和柑橘[28]、鮮切哈密瓜和鮮切西瓜[29]、大蒜等[30-31])、谷物(如大麥[31]、小麥粉[32]、全麥粉[33]等)、香料(黑胡椒[34])、干果(山核桃和杏仁[34]、干紅棗[35]等)、肉類(熟制小龍蝦[36])等的殺菌以及食品接觸面的衛(wèi)生控制。

相比傳統(tǒng)的熱水和熱蒸汽殺菌處理，過熱蒸汽技術(shù)具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)[37]。BAN等[28]比較了飽和蒸汽和過熱蒸汽對櫻桃番茄和柑橘表面大腸桿菌O157∶H7、鼠傷寒沙門氏菌和單增李斯特菌的滅活效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與飽和蒸汽相比，過熱蒸汽處理可使櫻桃番茄和柑橘表面3種病原菌數(shù)量減少3.39 lg～3.80 lg和2.15 lg～2.72 lg。飽和蒸汽與過熱蒸汽對微生物滅活效果有顯著區(qū)別的主要原因是飽和蒸汽在物料表面上冷凝時(shí)，會形成一層連續(xù)的冷凝液薄膜且由于處理室內(nèi)濕度飽和，形成的冷凝液薄膜幾乎不會蒸發(fā)，成為微生物的保護(hù)膜，增加微生物的耐熱性，而過熱蒸汽處理時(shí)，處理室內(nèi)濕度低，凝結(jié)液薄膜會很快被過熱蒸汽帶走[28]。

影響過熱蒸汽的滅菌效果的因素除溫度、流量、作用時(shí)間外，還存在一些其他因素。有學(xué)者基于花生醬中屎腸球菌的滅活動力學(xué)研究結(jié)果對過熱蒸汽的滅菌機(jī)理進(jìn)行了更加深入的探討，提出了過熱蒸汽在微生物的滅活過程中存在與過熱蒸汽干燥中相似的“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)”，當(dāng)溫度低于該逆轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，微生物對溫度變化高度敏感，當(dāng)溫度高于該逆轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，微生物對溫度變化敏感度降低[38]。另外，食品表面粗糙度對過熱蒸汽滅菌效果影響較大。KWON等[29]研究過熱蒸汽滅活哈密瓜和西瓜表面食源性病原菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，200 ℃過熱蒸汽處理西瓜表面10 s就可以減少微生物數(shù)量5.00 lg(圖3)，而相同條件下哈密瓜表面微生物數(shù)量僅減少1.92 lg～2.23 lg，哈密瓜表面的平均粗糙度為12.30，而西瓜表面的平均粗糙度僅為0.64，且哈密瓜的表面有大小不一的縫隙，而西瓜表面更平坦、光滑，幾乎沒有縫隙。對谷物粉如小麥粉進(jìn)行滅菌時(shí)，谷物粉的水分含量對滅菌效果也有較大影響。HUANG等[32]通過模型預(yù)測和方差分析得出，影響過熱蒸汽處理?xiàng)l件對小麥粉滅菌效果影響大小的順序?yàn)椋禾幚頃r(shí)間>含水率>處理溫度。相比處理溫度，含水率對滅菌效果的影響更大，這是因?yàn)槲⑸锛?xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的變性與其水分含量有關(guān)，水分含量越高，越容易變性。除此之外，過熱蒸汽殺菌操作在產(chǎn)品加工流程中的位置順序?qū)ξ⑸锏臏缁钚Ч簿哂兄匾绊?，HU等[39]進(jìn)行了過熱蒸汽對非潤麥和潤麥工藝后的小麥籽粒微生物的滅活研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，潤麥工藝會提高小麥籽粒初始微生物載量，但同時(shí)促進(jìn)了微生物的滅活，因此作者建議將過熱蒸汽殺菌處理放在潤麥工藝后磨粉工藝前，以得到潔凈小麥粉。

SST10%-過熱蒸汽處理(SST)含水量為10%的葛根粉； SST20%-過熱蒸汽處理含水率為20%的葛根粉；SST30%-過熱蒸汽處理含水率為30%的葛根粉

在滅活食品表面的微生物時(shí)，雖然過熱蒸汽的處理時(shí)間很短，但由于其溫度過高，依然有可能會對食品品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此過熱蒸汽聯(lián)合其它滅菌技術(shù)就顯現(xiàn)出其優(yōu)越性。KWON等[40]證明2%乳酸和200 ℃過熱蒸汽聯(lián)合作用20 s后，哈密瓜果塊上大腸桿菌O157∶H7、鼠傷寒沙門氏菌和單增李斯特菌3種病原菌的數(shù)量均降至檢測下限(1.0 lgCFU/cm2)以下，而單獨(dú)使用200 ℃過熱蒸汽處理30 s后3種病原菌的數(shù)量也會降至檢測線下，但該處理?xiàng)l件對哈密瓜果塊表面的色澤產(chǎn)生負(fù)面影響。JO等[30]發(fā)現(xiàn)過熱蒸汽聯(lián)合萌發(fā)化合物(50 mmol/LL-丙氨酸和5 mmol/L肌苷酸二鈉)對蠟樣芽孢桿菌ATCC 14579芽孢的滅活效果較單獨(dú)使用過熱蒸汽好，且不會造成亞致死性損傷。

過熱蒸汽殺菌技術(shù)的特點(diǎn)在于高溫短時(shí)，但需要與殺菌物料表面直接接觸，利用高溫破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此適用于短時(shí)間內(nèi)可完成的殺菌過程及短時(shí)高溫不會造成品質(zhì)劣化的食品物料。另外，由于過熱蒸汽的氣態(tài)流動性，使其可充滿食品接觸表面及難以清理的縫隙，因此可滿足食品工廠中的衛(wèi)生控制，如對食品管道、食品容器、食品耐熱包裝等的有效殺菌。與其他物理殺菌技術(shù)相同，過熱蒸汽技術(shù)既有其優(yōu)勢，也存在其局限性，如過熱蒸汽技術(shù)不宜用于體積較大的食品的內(nèi)部殺菌，因?yàn)楦邷亻L時(shí)會嚴(yán)重破壞食品品質(zhì)。但沒有一種技術(shù)可以做到完美，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合過熱殺菌技術(shù)優(yōu)勢與食品特性，單獨(dú)或聯(lián)合其他技術(shù)使用以發(fā)揮其最大優(yōu)勢。

1.4 過熱蒸汽技術(shù)與食品穩(wěn)定化處理

近年來，過熱蒸汽在食品穩(wěn)定化處理上的應(yīng)用研究主要集中在谷物類食物及其副產(chǎn)物的貯藏上，包括小麥[41]、大米[42]、蕎麥[43-44]、青稞[45]、燕麥[46]、麥麩[47]、稻糠[48]、小麥胚芽[49]等，主要利用過熱蒸汽的熱特性鈍化食品物料中脂肪酶、脂肪氧化酶等酶的活性，使食品物料在貯藏過程中減少氧化酸敗，品質(zhì)保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在鈍酶效果方面，過熱蒸汽的短時(shí)處理可以顯著降低谷物中脂肪酶、脂肪氧化酶和過氧化物酶等酶的活性。WANG等[44]發(fā)現(xiàn)，過熱蒸汽170 ℃處理5 min可將蕎麥中脂肪酶活性降低至50%以上，但更高溫度(200 ℃)的過熱蒸汽處理?xiàng)l件對蕎麥品質(zhì)影響較大，會出現(xiàn)失水嚴(yán)重，甚至燒焦等現(xiàn)象。此外，不同谷物中脂肪酶對溫度的敏感度不同。CHANG等[50]發(fā)現(xiàn)過熱蒸汽160 ℃處理2 min，燕麥中脂肪酶的活性降低78%，且170 ℃處理5 min可完全滅活燕麥中的脂肪酶。WANG等[45]研究發(fā)現(xiàn)，160 ℃和2～8 min的過熱蒸汽處理?xiàng)l件下，青稞籽粒中脂肪酶活性的下降幅度在9.04%～39.13%。不同作物中脂肪酶對溫度的敏感度差異較大的現(xiàn)象可能與作物的習(xí)性和生長環(huán)境相關(guān)。除了酶自身的性質(zhì)外，水分在谷物中的分布也會影響過熱蒸汽處理后谷物的酶活性降低率。WANG等[45]探究了過熱蒸汽結(jié)合調(diào)質(zhì)處理對青稞貯藏過程中脂質(zhì)氧化的影響，通過低場核磁共振技術(shù)測定了調(diào)質(zhì)過程中的水分分布，揭示了調(diào)質(zhì)過程中自由水從籽粒外部向內(nèi)遷移，與分布在籽粒外層的脂肪酶和過氧化物酶結(jié)合，從而提高了過熱蒸汽處理后青稞籽粒的酶活性降低率(圖4)。

A-脂肪酶活性降低率；B-過氧化物酶活性降低率；C-調(diào)質(zhì)時(shí)間對青稞T2弛豫時(shí)間分布；D-調(diào)質(zhì)時(shí)間對青稞T2峰比的影響；E-不同調(diào)質(zhì)時(shí)間和過熱蒸汽處理時(shí)間后青稞的水分含量

過熱蒸汽處理后，谷物類物料的綜合品質(zhì)可以保持在較高的水平。BOONMAWAT等[48]發(fā)現(xiàn)在過熱蒸汽溫度275 ℃、325 ℃、375 ℃，處理時(shí)間5 s、10 s、15 s、20 s的所有處理?xiàng)l件下均能降低米糠的含水量、過氧化值和游離脂肪酸含量，保持總酚含量不變，提高其抗氧化活性，但總色差存在一定波動。HU等[47]對比了過熱蒸汽和熱空氣處理對麥麩品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，過熱蒸汽處理麥麩的亮度、可提取酚類化合物含量、抗氧化活性、不飽和脂肪酸含量、感官評分均高于熱空氣處理麥麩。過熱蒸汽處理小麥粉可有效抑制鮮面條在貯藏過程中的褐變、酸敗等現(xiàn)象，盡管降低了面條的初始硬度和彈性等物性指標(biāo)，但延緩了面條貯藏過程質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的劣變[41]。

除谷物外，過熱蒸汽技術(shù)也應(yīng)用于豆類物料的穩(wěn)定化。CHONG等[51]采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化了過熱蒸汽處理大豆豆?jié){工藝，發(fā)現(xiàn)在119 ℃、9.3 min的過熱蒸汽處理?xiàng)l件下，脂氧合酶活性最低，粗蛋白含量最高，豆腥風(fēng)味顯著減弱(P<0.05)。YANG等[52]發(fā)現(xiàn)過熱蒸汽處理(160～190 ℃，40 s)可有效滅活黑豆中脂肪酶、脂氧合酶和過氧化物酶活性，同時(shí)，過熱蒸汽處理(190 ℃，40 s)對黑大豆面條[m(小麥粉)∶m(大豆粉)=8∶3]中脂質(zhì)的穩(wěn)定效果最好，有效抑制了貯藏中揮發(fā)性異味化合物的產(chǎn)生。

在對食品將進(jìn)行穩(wěn)定化處理時(shí)，應(yīng)以產(chǎn)品的最終品質(zhì)為目標(biāo)，如在谷物的穩(wěn)定化工藝研究中應(yīng)考慮谷物的研磨特性，谷物粉品質(zhì)特性等，完善穩(wěn)定化工藝對谷物加工影響的研究。同時(shí)，研制更加完善的設(shè)備，在節(jié)約能耗，降低設(shè)備成本、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面做出努力。

1.5 熱蒸汽技術(shù)與淀粉、蛋白質(zhì)改性

近年來，研究人員也嘗試將過熱蒸汽技術(shù)作為一種新型、高效、節(jié)能的熱改性技術(shù)，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濕熱改性方法。對于淀粉改性來說，傳統(tǒng)的濕熱改性方法是在相對濕度低于35%，溫度高于玻璃質(zhì)轉(zhuǎn)化溫度但低于糊化溫度的條件下處理淀粉進(jìn)而達(dá)到改變其理化特性的目的[53]，但這種物理改性方法較為耗時(shí)耗能。除此之外，在蛋白改性方面，傳統(tǒng)的熱處理不僅會降低蛋白的溶解度，并且由于其加熱不夠劇烈，不足以改變蛋白所需要修飾的特定序列和構(gòu)像。相比之下，過熱蒸汽處理可以在節(jié)能節(jié)時(shí)的同時(shí)，達(dá)到淀粉、蛋白改性的目的。

過熱蒸汽處理通過改變淀粉的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其理化性質(zhì)和消化特性。小麥面粉經(jīng)過熱蒸汽處理后，粒度分布呈單峰分布，平均粒徑增大[54]，相對結(jié)晶度降低，在2θ=20°形成V型結(jié)晶峰，這些變化與淀粉-淀粉、淀粉-蛋白質(zhì)、淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成有關(guān)，且在一定溫度范圍內(nèi)，熱蒸汽處理不會改變淀粉的雙折射性質(zhì)，即不會對淀粉內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)造成影響，但溫度過高雙折射強(qiáng)度變?nèi)?，分子取向有序度降低[55-56]。在淀粉顆粒形態(tài)方面，過熱蒸汽處理會導(dǎo)致淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹陷、粗糙、黏連、變形等現(xiàn)象，這可能與高溫使淀粉顆粒致密、表面膨化、糊化有關(guān)[56-57]。

結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)而引起其性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的改變。過熱蒸汽處理會破壞支鏈淀粉晶體和雙螺旋，淀粉顆粒穩(wěn)定性降低，淀粉分子重排，支鏈長度增加，同時(shí)由于蛋白質(zhì)、脂質(zhì)與淀粉的相互作用阻止水分進(jìn)入淀粉顆粒等原因，造成過熱蒸汽處理后淀粉分子的膨脹勢和溶解度降低[55-56]，進(jìn)而導(dǎo)致其糊化溫度升高和峰值黏度降低[56]。改性的目的在于實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用特性，WU等[58]發(fā)現(xiàn)，適宜含水率(20%)的葛根淀粉經(jīng)過熱蒸汽處理(120 ℃、1 h)后，膨脹勢顯著降低，糊化溫度顯著升高，延遲了起始糊化時(shí)間和黏性凝膠的形成，這些變化可以使淀粉顆粒在被凝膠包裹之前吸收足夠的水分，從而降低了葛根淀粉在熱水中的結(jié)塊率(從42.2%降低至3.0%)，且不會破壞葛根淀粉自然微結(jié)構(gòu)的情況，可以有效防止淀粉摻假現(xiàn)象的發(fā)生(圖5)。

SST10%-過熱蒸汽處理(SST)含水量為10%的葛根粉；SST20%-過熱蒸汽處理含水率為20%的葛根粉；SST30%-過熱蒸汽處理含水率為30%的葛根粉

淀粉顆粒的消化特性與淀粉顆粒的形態(tài)和分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，過熱蒸汽處理也會影響淀粉的消化特性。過熱蒸汽處理小麥面粉后，淀粉顆粒與面筋蛋白或脂質(zhì)之間的相互作用形成穩(wěn)定的分子間聚集體可能會限制淀粉顆粒對酶反應(yīng)的物理可及性，造成抗性淀粉和慢消化淀粉含量的增加，而快消化淀粉含量降低，在一定溫度范圍內(nèi)(110～190 ℃，4 min)，慢消化淀粉和抗性淀粉的含量隨著溫度的升高而增加[58]。在過熱蒸汽對馬鈴薯淀粉的改性研究中，溫度過高(140～160 ℃)對抗性淀粉的含量無顯著影響，這是因?yàn)闇囟冗^高引起淀粉分子較大的鏈遷移率從而不利于消化過程中重新形成有序區(qū)域[56]。與天然面粉相比，水分含量較高的面粉經(jīng)過熱蒸汽處理后(140～170 ℃，4 min)，抗性淀粉和慢消化淀粉含量顯著提高,快消化淀粉含量顯著降低，這是由于水分含量較高，其淀粉分子之間及其與蛋白質(zhì)和脂質(zhì)之間的相互作用更強(qiáng)，降低了水解酶的可及性，此外，水分含量較高的面粉其淀粉顆粒的部分糊化冷卻后的老化和重結(jié)晶也促進(jìn)了抗性淀粉和慢消化淀粉的形成[55]。除利用過熱蒸汽直接處理淀粉以提高抗性淀粉含量的方法外，ZHONG等[59]通過過熱蒸汽結(jié)合檸檬酸處理的方法制了備一種淀粉顆粒相對完整的抗性淀粉-大米淀粉檸檬酸酯，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)化學(xué)改性方法相比，過熱蒸汽結(jié)合檸檬酸處理在不改變淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的前提下，提高了抗性淀粉的含量。

過熱蒸汽處理不僅可以進(jìn)行淀粉改性，也可以作為一種蛋白質(zhì)的熱改性方法。MA等[60]發(fā)現(xiàn)，采用過熱蒸汽處理后小麥粉制成的蛋糕的硬度從1 465 g(天然面粉)降至377 g(150 ℃，1 min)，同時(shí)蛋糕的比容從3.1 mL/g(天然面粉)增加到3.9 mL/g(150 ℃，1 min)，這些變化與過熱蒸汽處理削弱了面團(tuán)中的面筋強(qiáng)度有關(guān)。除此之外，卵類黏蛋白是雞蛋過敏源的主要成分，也是一種耐熱蛋白，100 ℃、60 min的加熱條件都難以使其變性，WEN等[61]探究了以過熱蒸汽作為一種高效安全的熱改性技術(shù)以降低卵類黏蛋白的過敏性，結(jié)果表明過熱蒸汽處理后卵類粘蛋白產(chǎn)生了聚集體形成、官能團(tuán)和氨基酸修飾以及初級結(jié)構(gòu)的改變，使其過敏性降低，消化率增加。

雖然過熱蒸汽相比于傳統(tǒng)的熱改性技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，但目前對于過熱蒸汽的改性理論研究仍然不完善，未來應(yīng)集中關(guān)注改性后淀粉、蛋白微觀結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化之間的聯(lián)系，不同強(qiáng)度熱處理對淀粉、蛋白所產(chǎn)生的不同影響，完善改性后淀粉蛋白的體內(nèi)消化研究等。

1.6 過熱蒸汽在其他方面的應(yīng)用

過熱蒸汽技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用除干燥、烘焙、殺菌、穩(wěn)定化處理和改性外，還可以通過調(diào)整工藝參數(shù)以降解食品中毒素和抑制有害化合物的生成，如在小麥干燥過程中降解小麥脫氧雪腐鐮刀菌烯醇[62]，在花生烘焙過程中降解黃曲霉毒素[63]，在咖啡烘焙過程中減少丙烯酰胺和多環(huán)芳烴含量[22]等。此外，過熱蒸汽技術(shù)還可以提高食品副產(chǎn)物中功能活性化合物的提取率，如茶渣經(jīng)過熱蒸汽預(yù)處理后茶多酚提取率從15.84%提高至21.19%[64]。另外，過熱蒸汽技術(shù)也逐漸應(yīng)用至烹飪領(lǐng)域，如過熱蒸汽處理可以減少大麥?zhǔn)秤脮r(shí)的不良風(fēng)味[65]，改善豬肉口感[66]等，過熱蒸汽蒸烤箱在市場上的出現(xiàn)也更加說明過熱蒸汽是一種具有前景的烹飪方法。

2 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了近年來過熱蒸汽技術(shù)在食品加工不同領(lǐng)域的主要應(yīng)用及研究進(jìn)展，不難看出過熱蒸汽技術(shù)在食品加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，前景廣闊。但其目前在食品加工領(lǐng)域存在的問題不容忽視：(1)在食品干燥領(lǐng)域，過熱蒸汽干燥技術(shù)發(fā)展時(shí)間長但產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用較少，其主要在于過熱蒸汽干燥動力學(xué)理論基礎(chǔ)薄弱、進(jìn)行深入研究的產(chǎn)品種類單一、干燥設(shè)備造價(jià)昂貴與農(nóng)產(chǎn)品附加值過低相矛盾、缺少先進(jìn)高效的干燥設(shè)備、低壓過熱蒸汽干燥設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性作業(yè)、過熱蒸汽干燥設(shè)備尾氣回收率低不能充分發(fā)揮過熱蒸汽的節(jié)能優(yōu)勢等。(2)在食品烘焙領(lǐng)域中關(guān)于過熱蒸汽烘焙設(shè)備的性能與能耗研究較少，缺少先進(jìn)節(jié)能高效的過熱蒸汽烘焙設(shè)備，市面上僅少數(shù)廠商生產(chǎn)過熱蒸汽烘焙設(shè)備且價(jià)格昂貴。如何實(shí)現(xiàn)過熱蒸汽烘焙設(shè)備尾氣回收、清潔和重復(fù)利用以發(fā)揮過熱蒸汽技術(shù)節(jié)能和環(huán)境友好的優(yōu)勢是設(shè)備生產(chǎn)商需要關(guān)注的問題。(3)在食品殺菌領(lǐng)域，雖然過熱蒸汽具有高效的殺菌效果，但其限制性因素較多，如產(chǎn)品品質(zhì)高度依賴過熱蒸汽處理的溫度與時(shí)間，僅適合短時(shí)表面殺菌，安全范圍較小，這就造成過熱蒸汽殺菌對產(chǎn)品種類的局限性較高，適用殺菌物料的范圍較窄。且目前關(guān)于過熱蒸汽技術(shù)聯(lián)合殺菌的研究及多技術(shù)一體化設(shè)備較少，如何提高過熱蒸汽殺菌的安全性及拓展過熱蒸汽殺菌應(yīng)用范圍是未來研究需要關(guān)注的問題。(4)在食品穩(wěn)定化處理領(lǐng)域，大多集中在谷物物料的穩(wěn)定化處理，對需要進(jìn)行穩(wěn)定化處理的其他食品種類，如豆類、油料等物料研究較少。(5)在淀粉與蛋白質(zhì)的改性方面的應(yīng)用，對改性機(jī)理研究不夠深入，改性后淀粉、蛋白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)、性質(zhì)發(fā)生變化之間的聯(lián)系闡釋不夠清晰，未涉及改性后產(chǎn)品的體內(nèi)消化研究。目前應(yīng)用僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，對產(chǎn)業(yè)化相關(guān)問題的關(guān)注過少。因此未來，過熱蒸汽技術(shù)可從以下方面開展更加深入的研究：

(1)加強(qiáng)學(xué)科交叉研究，結(jié)合食品不同應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)高效先進(jìn)多功能可落地的過熱蒸汽處理設(shè)備，完善尾氣循環(huán)利用環(huán)節(jié)，加強(qiáng)能耗基礎(chǔ)研究，充分發(fā)揮過熱蒸汽的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢；

(2)加強(qiáng)理論研究，如干燥動力學(xué)、殺菌動力學(xué)、鈍酶動力學(xué)、淀粉和蛋白改性機(jī)理探究等，為過熱蒸汽的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)；

(3)開展更加深入的多技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用基礎(chǔ)研究，如過熱蒸汽-微波聯(lián)合技術(shù)，研制和完善多技術(shù)一體化裝備；

(4)結(jié)合食品特性拓展過熱蒸汽技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，探索如過熱蒸汽技術(shù)在果蔬保鮮，面制食品烘焙等方面的應(yīng)用可能，充分發(fā)揮過熱蒸汽優(yōu)勢。