干熱處理改性谷物淀粉的研究進展

汪嘉穎,劉嘉,雷琳,趙國華,3,葉發(fā)銀,3*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)2(貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品加工研究所,貴州 貴陽,550006) 3(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,重慶,400715)

谷物淀粉量大面廣,不僅是大宗淀粉的重要來源,而且是谷物籽粒的主要組成成分,在賦予谷物食品口感質(zhì)地、為人類提供能量等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1-2]。谷物可直接熟制食用,或碾磨成粉加工成各種谷物食品。淀粉通常占谷物籽粒干重的60%～70%,谷物食品的營養(yǎng)、口感或食味品質(zhì)等在很大程度上受其淀粉組成和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響[3-4]。例如,采取遺傳學(xué)手段對籽粒淀粉進行性狀改良,可有效改善米飯、饅頭、面條等主食的加工品質(zhì)和食用品質(zhì),這已成為谷物品質(zhì)育種的一項重要內(nèi)容[5]。隨著營養(yǎng)健康食品時代的到來,谷物食品正從傳統(tǒng)營養(yǎng)向精準營養(yǎng)食品層次跨越,谷物淀粉在低GI食品、方便食品、3D打印食品等開發(fā)中被賦予越來越高的加工適性和營養(yǎng)特性。這就要求采取綠色、高效的手段對谷物淀粉進行適度分子修飾或物性改良,以達到改善谷物淀粉加工特性、提升谷物食品品質(zhì)的目的。

在眾多淀粉改性方法中,物理改性一直備受重視,具有不添加化學(xué)或生物試劑、無污染、安全簡便等優(yōu)勢,屬于環(huán)境友好型綠色加工技術(shù)[6]。物理改性主要采用熱、低溫、電磁波、超聲波、高靜壓、等離子體、脈沖電場等介質(zhì)處理,既可用于對谷物原料或淀粉進行加工預(yù)處理[7],也可用于加工過程中對淀粉分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)相關(guān)變化進行控制[8],以改善谷物淀粉的加工特性和谷物食品的口感、質(zhì)地和營養(yǎng)品質(zhì)。采取物理改性的淀粉可獲得“清潔標簽”身份,作為配料可直接標注為“淀粉”,因而近年來得到廣泛研究和實際應(yīng)用[7,9]。

干熱處理是較早用于淀粉加工適性改良的物理改性技術(shù)之一。自1998年在一份美國專利中提出淀粉的干熱改性以來[10],干熱處理已在谷物、薯類、豆類等淀粉原料的改性中得到廣泛應(yīng)用。研究表明,提純的淀粉經(jīng)干熱處理后,其溶解性、膨脹性、成糊性等加工特性發(fā)生改變,甚至可以達到與化學(xué)改性同樣的效果[10]。除了提純的淀粉,干熱處理還可用于小麥粉、大米粉、玉米粉等谷物碾磨制品的加工適性改良,不僅可提升谷物食品的品質(zhì),而且拓寬了谷物淀粉的應(yīng)用范圍[11-13]。近年來,人們對干熱處理不斷創(chuàng)新,在施加方式(連續(xù)式、循環(huán)式、與其他方式結(jié)合等)、添加物(如離子膠)、處理設(shè)施設(shè)備等方面的研究不斷深入,使干熱處理在提升淀粉特性、開發(fā)符合健康飲食標準的新型淀粉食品方面得到更有效的應(yīng)用[14-15]。本文在廣泛調(diào)研文獻的基礎(chǔ)上,梳理干熱改性在谷物淀粉加工適性改良方面的應(yīng)用,著重論述干熱改性淀粉的原理與方法,干熱改性對谷物淀粉結(jié)構(gòu)與功能的影響,并總結(jié)了干熱改性谷物淀粉在食品工業(yè)中的應(yīng)用。通過分析該研究中存在的主要問題,并對未來的研究進行展望,以期為干熱改性在谷物淀粉研究及其開發(fā)利用方面提供思路和參考。

1 淀粉干熱改性原理與方法

將淀粉在一定水分及溫度條件下處理一段時間,淀粉的結(jié)構(gòu)和性能將發(fā)生變化。如圖1-a所示,根據(jù)水分及溫度條件的不同,可將其分為干熱處理、濕熱處理、韌化處理、壓熱處理及淀粉糊化等類型。干熱處理是對“干”態(tài)下的淀粉進行熱加工,初始水分含量為7%～13%(通?！?0%),處理溫度通常高于110 ℃。濕熱處理是在有限水分含量(10%～35%)及高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)但低于淀粉糊化溫度下處理淀粉的方法[16]。韌化處理是在過量水分(>40%)、處理溫度高于Tg但低于淀粉起始糊化溫度(45～60 ℃)條件下對淀粉的改性處理[16]。壓熱處理是將淀粉在一定壓力和溫度條件下保持一段時間,從而使淀粉結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生改變的一種物理改性方法[17]。糊化,是淀粉在過量水分中(>35%)加熱到糊化溫度以上時,淀粉顆粒發(fā)生不可逆的吸水膨脹并失去雙折射現(xiàn)象,在伴有機械攪拌的情況下,高度膨脹的淀粉顆粒發(fā)生破裂,分散于水相中的淀粉分子以膠體形式將淀粉顆粒碎片包裹其中形成黏稠的糊狀物的過程。

干熱處理并不要求淀粉原料完全無水,因為在完全無水的條件下,淀粉分子鏈的運動受到極大限制,淀粉聚集態(tài)結(jié)構(gòu)無法發(fā)生變化。本質(zhì)上,通過熱處理改性淀粉的關(guān)鍵因素是水分和熱量(溫度)。淀粉干熱處理與其他熱處理方式在處理條件上的主要差異如下:首先,干熱處理與其他熱處理方式在水分含量上存在差異。韌化、壓熱處理及淀粉糊化要求水分充足,甚至在過量水分條件下進行[7,18],而干熱和濕熱處理要求在有限水分含量條件下進行,且干熱比濕熱處理要求更低的水分含量[7]。干熱處理和濕熱處理的溫度高于淀粉的糊化溫度,當水分充足時,淀粉將發(fā)生糊化;而在有限水分條件下淀粉的糊化受到限制,在處理溫度達到或超過Tg時,淀粉無定型區(qū)發(fā)生相轉(zhuǎn)變,分子鏈的流動性增強,在該過程中水分子作為塑化劑促使淀粉聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而達到改變淀粉物性的目的[16]。其次,干熱改性與其他熱處理方式存在處理溫度上的差異。韌化處理所需溫度較低(45～60 ℃),通常在水浴裝置中進行;濕熱處理溫度為60～145 ℃(通常為90～130 ℃);壓熱處理在壓力容器中進行,處理溫度通常為121 ℃,隨著壓力的增加(如高壓釜中),壓熱處理溫度可達145 ℃[19-20]。濕熱處理也可以在壓力容器中進行,它與壓熱處理的主要區(qū)別是物料水分含量[17]。文獻報道干熱處理溫度范圍60～200 ℃,但110～130 ℃的處理溫度更為常用。第三,干熱改性與其他熱處理方式的處理時間差異較大。如圖1-b所示,干熱處理0.5～20 h,壓熱處理10 min到1 h,而濕熱處理從10 min到16 h不等,韌化處理達到預(yù)期效果則需要更長時間,從數(shù)小時甚至到數(shù)天不等。

表1列舉了干熱處理改性谷物淀粉通常采用的條件參數(shù)。淀粉在干熱處理前,須將其初始水分含量調(diào)整到10%以下。為了避免濕淀粉在干燥過程中發(fā)生變化,一般采取低溫(45～55 ℃)烘干;接著將淀粉在一定高溫條件下(烘箱或烤箱)處理一段時間,即得到干熱改性淀粉。干熱改性前還可采取外添配料的方式,例如,將離子膠(黃原膠、瓜爾膠、羧甲基纖維素、海藻酸鈉、乳清分離蛋白等)或氨基酸等配料按照一定質(zhì)量濃度分散在水相中,隨即加入淀粉,攪拌混勻,低溫烘干,控制水分含量10%以下,再進行干熱處理,可獲得比處理單純淀粉更好的效果。在干熱處理實施方式上,有學(xué)者對比了循環(huán)式和連續(xù)式處理對小麥淀粉物性的影響,研究發(fā)現(xiàn)淀粉結(jié)構(gòu)在連續(xù)干熱模式下更加敏感,淀粉物性變化的幅度更大,而循環(huán)干熱處理模式更有利于淀粉的慢消化及抗性組分的增加[14]。還有學(xué)者將干熱處理與淀粉的其他改性方式聯(lián)合使用,這使得干熱處理對淀粉改性的施加方式更加靈活[21,30]。

表1 干熱改性谷物淀粉的條件參數(shù)Table 1 The parameters of dry heating treatments for cereal starch modification

2 干熱改性對谷物淀粉特性的影響

2.1 對谷物淀粉結(jié)構(gòu)特性的影響

由于物料初始水分含量較低(<10%),干熱處理后,淀粉的顆粒形態(tài)與原淀粉相比通常無明顯差異。SUN等[22]研究發(fā)現(xiàn)干熱處理(130 ℃,2 h或4 h)黃小米淀粉的顆粒表面仍保持完好。LEI等[23]研究發(fā)現(xiàn),玉米淀粉經(jīng)干熱處理后,淀粉顆粒完整性未受影響。但也有研究報道干熱處理會損害淀粉顆粒的完整性。汝遠等[31]報道玉米淀粉干熱處理后,原本光滑的顆粒表面出現(xiàn)凹坑。ZHANG等[14]報道普通小麥及糯小麥的淀粉經(jīng)干熱處理(130 ℃)后,其顆粒的表面出現(xiàn)皺縮或溝槽。ZOU等[24]發(fā)現(xiàn)糯玉米淀粉經(jīng)干熱處理后,顆粒表面被剝蝕,出現(xiàn)孔洞和溝槽。盡管有研究認為,這種現(xiàn)象可能是由于干熱處理過程中直鏈淀粉從顆粒中漏出導(dǎo)致的,但這無法解釋糯性淀粉顆粒經(jīng)過干熱處理也會出現(xiàn)表面剝蝕[32]。這表明淀粉顆粒在干熱處理過程中的完整性可能既與淀粉來源有關(guān),也與干熱處理條件有關(guān)。聚集成團是干熱處理帶來的另一個淀粉顆粒特性變化。ZOU等[24]報道糯玉米淀粉經(jīng)干熱處理后,淀粉顆粒成團聚集在一起。LEI等[23]也發(fā)現(xiàn),玉米淀粉經(jīng)過干熱處理后,會出現(xiàn)堆集在一起的情況,研究推測這可能與水分丟失和表面特性改變有關(guān)。汝遠等[31]報道干熱處理的玉米淀粉在電子顯微鏡視野下觀察到顆粒間發(fā)生粘結(jié)。在針對黃小米粉及黃小米淀粉的干熱處理(130 ℃,2 h或4 h)研究中[22],黃小米粉及其淀粉同樣出現(xiàn)成團聚集現(xiàn)象,由于黃小米粉的聚集程度更高,因此研究認為這種聚集主要是顆粒表面非淀粉類組分之間的相互作用導(dǎo)致的。干熱處理有時會對淀粉粒度造成影響。MANIGLIA等[25]將小麥淀粉在130 ℃干熱處理2 h與4 h后,較大顆粒淀粉的平均粒徑由原先的21.7 μm增大到22.6 μm和24.1 μm,而較小顆粒淀粉的平均粒徑從13.3 μm變?yōu)?3.7 μm和14.1 μm,導(dǎo)致粒徑增大的原因可能在于干熱過程中顆粒的水分迅速氣化從而使淀粉顆粒膨脹。

大多數(shù)研究表明,干熱處理一般不會造成谷物淀粉結(jié)晶類型變化,但常常會造成衍射峰強度的改變。LEI等[23]報道干熱處理后玉米淀粉衍射峰的位置無變化,仍為A型結(jié)晶,但相對結(jié)晶度從27.8%下降到22.4%。ZHOU等[33]報道大米淀粉經(jīng)干熱處理(120 ℃,120 min)后,保持A型結(jié)晶不變,但相對結(jié)晶度從26%下降到23%;研究認為,結(jié)晶度下降是由于淀粉微晶結(jié)構(gòu)受到破壞(如不穩(wěn)定晶型的部分熔化),抑或是微晶取向在干熱處理過程中發(fā)生了改變。QIU等[11]干熱處理(130 ℃)糯米淀粉,其相對結(jié)晶度從32.82%增高至35.02%。LI等[26]報道糯米淀粉干熱處理(130 ℃,4 h)后,相對結(jié)晶度從46.18%增加到55.29%;研究認為,干熱處理使淀粉非晶區(qū)發(fā)生部分重組,最終導(dǎo)致相對結(jié)晶度增加。汝遠等[31]報道玉米淀粉經(jīng)60、90 ℃干熱處理后,衍射峰更加銳利,淀粉的相對結(jié)晶度增加;而經(jīng)過120 ℃和150 ℃干熱處理,17°和18°(2q)處的衍射峰趨于平緩,推測這些衍射峰對應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的解聚。這表明干熱處理淀粉,其相對結(jié)晶度增加或者降低,很大程度上取決于淀粉的結(jié)晶區(qū)或非晶區(qū)對干熱處理的敏感度。ZOU等[24]對比分析連續(xù)式(140 ℃、20 h)及循環(huán)式(140 ℃、5次循環(huán),每次4 h后室溫下冷卻1 h)干熱處理對蠟質(zhì)玉米淀粉特性的影響,結(jié)果表明,在前2次循環(huán)或連續(xù)干熱8 h內(nèi)相對結(jié)晶度有所增加,繼續(xù)處理導(dǎo)致其降低。王偉玲等[34]的研究結(jié)果表明小麥粉中淀粉結(jié)晶特性不僅受到干熱處理時間影響(樣品干熱處理1 h時的相對結(jié)晶度高于處理更長時間),而且受處理溫度的影響。110 ℃干熱處理時相對結(jié)晶度高于未處理組,而130 ℃和150 ℃干熱處理時相對結(jié)晶度反而降低,且在150 ℃時小麥粉的結(jié)晶類型從A型變?yōu)锽型。這表明更高的溫度或更長時間使淀粉鏈的遷移程度增加,改變了淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

研究表明,干熱處理能夠改變淀粉分子的特性。LEI等[23]報道干熱處理使玉米淀粉發(fā)生降解,隨著干熱處理溫度升高,長鏈直鏈淀粉幾乎消失而短鏈直鏈淀粉增加。CHI等[21]研究發(fā)現(xiàn),干熱處理使玉米淀粉發(fā)生一定程度降解(由4.88×107g/mol下降至3.21×107g/mol),使樣品中低于4.0×107g/mol的組分比例增加,干熱處理并未使玉米淀粉近程有序度改變,但使淀粉的片層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。卞華偉等[29]研究發(fā)現(xiàn)干熱處理會造成青稞淀粉多尺度結(jié)構(gòu)改變,在100 ℃、2 h條件下干熱處理,青稞淀粉分子發(fā)生降解,分子摩爾質(zhì)量低于2×107g/mol,但觀察到有序化程度和結(jié)晶度的增加,研究認為這是因為淀粉分子斷鏈后發(fā)生重排,使螺旋結(jié)構(gòu)含量增加,結(jié)晶片層結(jié)構(gòu)更加有序。

2.2 對谷物淀粉功能特性的影響

干熱處理對谷物淀粉結(jié)構(gòu)特性的改變,最終反映到淀粉的功能特性上。研究發(fā)現(xiàn)(表2),干熱處理能夠影響淀粉膨脹性、溶解性、持油性、熱特性、成糊性等多方面的性質(zhì),甚至可以影響谷物淀粉的消化特性,這為谷物淀粉及相關(guān)原料的加工適性改良以及谷物淀粉制品營養(yǎng)特性調(diào)整提供了方法基礎(chǔ)。

表2干熱改性對谷物淀粉功能特性的影響Table 2 The effects of modification by dry heating treatments on functional characteristics of cereal starches

干熱處理會影響淀粉的膨脹性和溶解性。淀粉顆粒因吸水發(fā)生膨脹,膨脹性與無定型區(qū)和結(jié)晶區(qū)的水合能力有關(guān)。ZHANG等[14]報道糯小麥淀粉的膨脹性隨著干熱處理時間延長而降低。干熱處理導(dǎo)致淀粉結(jié)晶度提升,增強了淀粉分子鏈之間的相互作用,造成膨脹性下降[38]。溶解性主要與直鏈淀粉的特性有關(guān),反映淀粉顆粒吸水膨脹時直鏈淀粉溶出程度。ZHANG等[14]報道,隨著干熱處理循環(huán)次數(shù)或時間延長,普通小麥淀粉及糯小麥淀粉的溶解性逐漸增加。ZOU等[32]研究發(fā)現(xiàn)玉米淀粉經(jīng)干熱處理后溶解性增加,這一方面主要與淀粉顆粒在干熱條件下形成的孔道和裂隙,從而提高了無定型區(qū)域的直鏈淀粉的溶出[28],另一方面,隨著干熱處理時間延長,一些支鏈淀粉分子會裂解為短鏈直鏈淀粉而溶解于水相,從而導(dǎo)致溶解性增加[38]。汝遠等[31]研究發(fā)現(xiàn)玉米淀粉的溶解性受干熱處理條件的影響,短時(0.5 h)處理,由于淀粉非晶區(qū)的重排,改性淀粉的溶解性遠低于原淀粉,但隨著處理時間延長(0.5～4.0 h),溶解性逐漸增大,甚至超過原淀粉。

干熱處理可以改善淀粉的吸油性。SEGUCHI等[35]報道干熱處理使小麥淀粉吸油性增強,經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)淀粉顆粒表面的疏水性增加,而這主要與顆粒表面蛋白質(zhì)構(gòu)像的改變有關(guān),并且干熱處理使小麥淀粉具有了潛在的包埋風味化合物的功能。ZHOU等[33]報道大米淀粉經(jīng)干熱處理后持油性提升3.3倍,這一方面是干熱處理改變了大米淀粉顆粒的表面特性,接觸角從原淀粉的49.6°增加到75.3°,另一方面干熱處理使大米淀粉顆粒內(nèi)源性蛋白質(zhì)變得疏水,從而導(dǎo)致大米淀粉的持油性增加。

干熱處理影響淀粉的熱特性。LEI等[23]研究發(fā)現(xiàn),干熱處理使玉米淀粉ΔH、To、Tc的差值(ΔT)增加,這表明淀粉雙螺旋結(jié)晶的多態(tài)性增加。OH等[27]研究發(fā)現(xiàn)高直鏈大米淀粉經(jīng)干熱處理后熱特性的改變與干熱處理溫度及時間有關(guān)。處理時間恒定(4 h),隨著處理溫度升高(110～150 ℃),To逐漸下降(59.4～53.6 ℃),Tp(65.2～53.8 ℃)和ΔH(9.1～3.6 J/g)均呈下降趨勢,這主要與淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的完整性尤其是雙螺旋有序結(jié)構(gòu)遭到破壞有關(guān)。

干熱處理使淀粉糊化特性發(fā)生不同程度的改變。OH等[27]研究發(fā)現(xiàn),高直鏈大米淀粉糊化特性的變化與干熱處理條件密切相關(guān)。當處理溫度為110 ℃時,糊化特性曲線顯著上移,處理2 h時的樣品組淀粉的峰值黏度(上升43%)和最終黏度即達到最大值;而130、150 ℃干熱處理時,處理1 h峰值黏度和最終黏度達到最大值,隨著加熱時間延長,淀粉糊的黏度隨之下降,處理4 h的樣品冷糊黏度甚至低于原淀粉,這可能與更高溫度更長處理時間下淀粉糖苷鍵的斷裂有關(guān)。QIU等[11]糯米淀粉經(jīng)130 ℃干熱處理,隨著處理時間延長,糊化溫度無顯著變化,但峰值黏度從2 579 cP逐漸上升到3 096 cP,冷糊黏度從1 305 cP上升到1 505 cP。CHUNG等[36]報道干熱處理使糯米淀粉的峰值黏度升高,而普通大米淀粉的峰值黏度降低,二者主要在直鏈淀粉含量上存在差異,因此造成這一相反趨勢的原因可能與干熱處理主要作用于直鏈淀粉有關(guān)。SUN等[39]也報道玉米淀粉的峰值黏度因干熱處理而降低。王雨生等[37]對不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉進行干熱處理(130 ℃、4 h)后發(fā)現(xiàn),淀粉變得更易糊化,高直鏈和蠟質(zhì)玉米淀粉的峰值黏度和最終黏度下降,而普通玉米淀粉的峰值黏度及最終黏度無顯著變化,原因可能在于干熱對直鏈及支鏈淀粉的作用方式不同,引起淀粉分子降解或交聯(lián)最終表現(xiàn)在糊的黏度的變化上。

干熱處理影響淀粉的消化特性。根據(jù)消化速率的差異,淀粉可劃分為RDS、SDS和RS 3個營養(yǎng)組分。淀粉的消化特性與粒度、顆粒表面特性、結(jié)晶度、直鏈淀粉含量及分子結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)。ZHANG等[14]研究發(fā)現(xiàn),相比于原淀粉,經(jīng)干熱處理后小麥淀粉RS含量增加,而SDS含量隨著循環(huán)次數(shù)增加或處理時間延長呈先增加后降低的趨勢。NUNES等[40]研究發(fā)現(xiàn)在干熱處理過程中,淀粉發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化生成了RS4型抗性淀粉。CHI等[21]研究表明,玉米淀粉經(jīng)130 ℃、2 h干熱處理,其RDS含量變化不顯著,但SDS含量從2.08%增加到5.43%,RS含量從5.44%降低至2.68%(P<0.05)。OH等[27]研究了高直鏈大米淀粉經(jīng)干熱處理后消化特性的變化,與未處理的樣品相比,干熱處理使RDS含量降低而RS含量增加,110 ℃干熱處理2 h的樣品,RS含量增加24%;隨之的結(jié)果是干熱處理使高直鏈大米淀粉的預(yù)測血糖生成指數(shù)下降,其中130 ℃干熱處理1 h樣品的預(yù)測血糖生成指數(shù)值下降幅度最大,達到9.1%。

3 添加物對谷物淀粉干熱改性的影響

在針對谷物加工粉的干熱改性過程中,淀粉的改性效果顯然受到共存成分影響;同時,也有大量研究向淀粉中定向添加離子膠、小分子糖、氨基酸等成分,這些成分可起到輔助干熱改性的作用,大大拓寬了干熱改性的應(yīng)用范圍。相關(guān)研究及有益效果總結(jié)如表3所示。

表3 谷物淀粉干熱改性引入食品共存成分的有益效果Table 3 The benefits of added food ingredients on cereal starch modification by dry heating treatments

3.1 對膨脹性和持油性的影響

LI等[26]的研究發(fā)現(xiàn)黃原膠輔助干熱處理使糯米淀粉的膨脹受到限制。SU等[50]研究了黃原膠輔助干熱改性3種不同(37.85%、27.55%、9.98%)直鏈淀粉含量大米淀粉的效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn),對高、中直鏈淀粉含量大米淀粉,干熱處理時無論是否添加了黃原膠,淀粉樣品的膨脹性無顯著變化(P>0.05),而低直鏈淀粉含量大米淀粉,干熱處理使其膨脹性下降21%,黃原膠輔助干熱使其下降54%。研究表明,干熱處理使黃原膠“錨定”在淀粉顆粒表面,淀粉顆粒不易膨脹,甚至在糊化階段淀粉顆粒仍能在一定程度上保持完整性。ZHU等[41]研究發(fā)現(xiàn),直接添加乳清分離蛋白不會影響大米淀粉的持油性,而添加乳清分離蛋白后進行干熱處理,大米淀粉的持油性增加,甚至高于直接干熱改性的大米淀粉,并且乳清分離蛋白輔助干熱改性大米淀粉的持油性,還會隨著處理時間延長而增加。

3.2 對谷物淀粉熱特性的影響

添加物會影響干熱改性淀粉的熱特性。JI等[47]研究發(fā)現(xiàn)添加賴氨酸的玉米淀粉經(jīng)干熱改性后,峰值糊化溫度(Tp=59.52 ℃)比天然玉米淀粉(61.76 ℃)低,但高于直接干熱處理的玉米淀粉(57.68 ℃),各樣品的結(jié)晶度之間無顯著差異,因此研究認為熱特性變化與結(jié)晶性缺乏關(guān)聯(lián)性。ZHU等[41]研究發(fā)現(xiàn)乳清分離蛋白輔助干熱處理(130 ℃,6 h)不改變大米淀粉的ΔH,而直接干熱處理大米淀粉的ΔH顯著降低。同時,對于添加乳清分離蛋白的樣品,隨著干熱處理時間延長,各糊化溫度參數(shù)(To、Tp、Tc)均呈下降趨勢,處理6 h時這些參數(shù)與直接干熱處理6 h的大米淀粉接近,這說明乳清分離蛋白對受熱條件下淀粉的結(jié)構(gòu)具有一定保護作用。

3.3 對谷物淀粉糊化特性的影響

LEE等[48]考察了添加0.3%葡萄糖對普通玉米淀粉和蠟質(zhì)玉米淀粉的干熱改性效果,結(jié)果表明,兩種玉米淀粉經(jīng)干熱處理后峰值黏度增加、糊化溫度降低;而葡萄糖輔助干熱處理使其峰值黏度增加幅度更大。LEE等[28]考察了在堿性(pH 10)或酸性(pH 5.5)條件下添加離子膠對普通玉米淀粉的干熱改性效果,結(jié)果表明,離子膠分布在干熱改性淀粉顆粒的表面及內(nèi)部孔隙,堿性比酸性條件添加離子膠使淀粉具有更好的干熱改性效果,在pH 10條件下黃原膠添加使糊化溫度降低,峰值黏度升高。LUTFI等[42]研究發(fā)現(xiàn),大米淀粉及玉米淀粉添加海藻酸鈉后進行干熱處理,可使淀粉糊化時的峰值黏度和最終黏度下降,糊的透明性降低。周中凱等[46]的研究表明,殼聚糖輔助干熱處理使蠟質(zhì)玉米淀粉的糊化受到限制,崩解值接近0,殼聚糖與淀粉之間發(fā)生了交聯(lián)作用,抑制了淀粉顆粒膨脹。

3.4 對谷物淀粉消化特性的影響

OH等[51]的研究結(jié)果表明干熱處理可降低高直鏈大米淀粉的餐后血糖效應(yīng),黃原膠輔助干熱(130 ℃、2 h)處理高直鏈大米淀粉,其RDS含量下降10.2%～38.9%,RS含量相應(yīng)增加9.3%～28.1%,黃原膠輔助干熱其使血糖生成指數(shù)值下降到71.4。KANG等[52]采取月桂酸輔助干熱處理小麥淀粉,結(jié)果表明,干熱處理使小麥淀粉結(jié)晶度下降,短程有序度降低,但對其消化性的影響不大,原因可能在于干熱處理阻礙月桂酸與小麥淀粉復(fù)合物的形成。

4 干熱改性谷物淀粉的應(yīng)用

傳統(tǒng)上,出于存儲的安全性考慮,熱處理常用于將谷物干燥至安全水分限以下,熱處理還具有鈍酶、脫毒、殺滅蟲卵和病原菌等作用,可在谷物貯藏中減少化學(xué)防霉劑和熏蒸劑的用量。研究顯示,熱處理(120 ℃,30 min)可使小麥粉中黃曲霉毒素的分解率達到80%[53]。同時,熱處理還能夠改善谷物原料的加工性能。熱處理取代早期普遍采用的氯氣處理法改善小麥粉品質(zhì)是最為經(jīng)典的案例[33,35]。經(jīng)熱處理的小麥粉具有更好的面團穩(wěn)定性,更適于蛋糕加工[54]。在熱處理過程中,谷物原料中淀粉、蛋白質(zhì)等主要組分發(fā)生多層次結(jié)構(gòu)變化,從而改變其加工性質(zhì),并最終影響到制品的品質(zhì)[35,54]。下面主要從谷物原料的加工特性及其制品品質(zhì)兩方面總結(jié)干熱處理的影響。

4.1 用于改善谷物原料加工特性

干熱處理用于改善米粉的加工特性。QIU等[11]研究發(fā)現(xiàn),隨著干熱處理時間延長,糯米粉的二硫鍵含量逐漸增加,成糊性、凝膠硬度和黏性逐漸增強。峰值黏度從1 156 cP增加到3 381 cP,冷糊黏度從394 cP增加到3 043 cP,可見干熱處理顯著改善了糯米粉的加工特性。TABARA等[55]的研究發(fā)現(xiàn)干熱處理使大米粉的持油性增加。ZHOU等[33]研究了干熱處理對米粉加工特性的影響,結(jié)果表明,經(jīng)干熱處理后大米粉的持油性增強,增加幅度與大米粉的粒度有關(guān),細顆粒大米粉的持油性增幅(67%)最大,中顆粒(28%)次之,粗顆粒(14%)最次,研究發(fā)現(xiàn)干熱處理使大米粉的三相接觸角增加、表面疏水性提高。該研究表明,粒度和干熱處理是調(diào)控大米粉持油性的一種有效手段。

干熱處理能夠用于調(diào)節(jié)面團的特性,改善小麥粉的加工適性。SUDHA等[15]將小麥粉分別進行干熱(烤爐中100 ℃,2 h)和濕熱(常壓蒸制30 min)處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)干熱處理的小麥粉降落值更高,加工出的面包比容未發(fā)生顯著改變,而濕熱處理的小麥粉制作的面包比容顯著減小,研究還發(fā)現(xiàn)干熱處理使加工制作的面包具有較低的免疫原性。王偉玲等[34]研究發(fā)現(xiàn),小麥粉經(jīng)適度干熱處理(110 ℃或130 ℃)可使面團形成時間延長,面團穩(wěn)定性增強,但150 ℃干熱處理不利于改善小麥粉的加工特性。制作面團的弱化度增加,面團穩(wěn)定性下降。

干熱處理拓寬了谷粉淀粉在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍。付霞[13]將蠟質(zhì)玉米淀粉進行干熱處理后用于酸奶制作,結(jié)果表明,干熱改性蠟質(zhì)玉米淀粉不僅可提升酸奶在低溫貯藏過程中的持水性(比原淀粉提高18.80%),甚至優(yōu)于添加化學(xué)交聯(lián)淀粉,而且可以改善酸奶的表觀黏度及流變特性,提升酸奶綜合感官性質(zhì)。徐菲菲等[56]研究了干熱變性大米淀粉用于雞肉丸品質(zhì)的改善,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著干熱變性大米淀粉添加量增加,雞肉丸的硬度、彈性和咀嚼性顯著增加,并且添加量為1.2%時,雞肉丸的解凍汁液流失和蒸煮損失得到明顯改善。MANIGLIA等[25]將干熱處理用于改善小麥淀粉的3D打印特性,研究結(jié)果表明,小麥淀粉經(jīng)130 ℃、2～4 h干熱處理后,淀粉凝膠強度提高而析水率降低,干熱處理4 h的小麥淀粉表現(xiàn)出更佳的3D打印性能。

4.2 用于改善谷物制品的品質(zhì)

前已述及,干熱處理可以提升谷物淀粉的加工特性,這將最終改善谷物制品品質(zhì)。王治中等[57]研究發(fā)現(xiàn)干熱處理使小麥面粉加工制作的鮮濕面白度值增加,煮后鮮濕面的拉斷力、硬度和咀嚼性顯著提高,這表明干熱處理可提升鮮濕面的品質(zhì)。SEGUCHI[35]報道干熱改性小麥淀粉作為配料用于松餅制作,可提升松餅的彈性。GONZLEZ等[12]研究發(fā)現(xiàn),隨著干熱處理溫度增加,小麥粉的淀粉結(jié)晶度和分子有序性增加,RDS比例快速降低(從20 ℃時的53.21%下降到200 ℃時的22.24%),而SDS比例相應(yīng)提高(從20 ℃時的26.12%上升到200 ℃時的31.48%),當處理溫度不高于100 ℃時,經(jīng)處理的小麥粉制作的面包質(zhì)地與對照組接近,僅表現(xiàn)為RDS比例降低,但溫度超過100 ℃,面包硬度大幅升高,體積減小。

5 結(jié)語

干熱處理作為淀粉物理改性的重要手段之一,因其綠色、簡便、效果明顯等特點,已經(jīng)得到越來越多的研究和關(guān)注。干熱處理可對淀粉原料改性或淀粉組分在加工中相關(guān)變化進行調(diào)控。研究表明,谷物淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)因干熱處理會發(fā)生不同程度的變化,其干熱改性的效果受到淀粉來源、干熱處理溫度和時間、共存成分、pH等多種因素影響,這些因素對干熱改性谷物淀粉加工特性的影響規(guī)律仍有待明確。相關(guān)研究可從以下三方面深入:1)開展干熱處理強度與淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間關(guān)聯(lián)特性研究,深入理解改性機制;2)探索微波[44]、韌化[22]、臭氧[21]、等離子體等新型處理方式與干熱處理的協(xié)同作用,如通過建立雙重改性方法,提高改性效果和效率;3)目標導(dǎo)向的干熱改性。結(jié)合目標食品的生產(chǎn)工藝,針對性地改善淀粉某一方面的加工特性,從而開發(fā)專用加工配料的干熱改性方法,或者將改性從原料淀粉延伸到淀粉基食品,如面條、粉條、蝦片等產(chǎn)品的生產(chǎn)。