淀粉基膨化食品作为我国的传统食品有着悠久的历史。米花、米饼、虾片等食品及其制作技艺是中华饮食文化的重要组成部分。这类食品的特点是利用了淀粉的热膨化特性。与挤压膨化不同，淀粉原料在热膨化前，通常先采取蒸制-干制或熟化-成型等工序制成料坯，然后快速加热使其热膨化[1-2]。因此，热膨化又称作非直接膨化[3]。从膨化结构形成角度，淀粉的热膨化与挤压膨化(又称作直接膨化)存在明显区别[4]。在漫长的岁月里，淀粉热膨化加工经历了油炸、焙炒等传统方式向气流膨化、焙烤膨化、真空膨化、微波膨化等新设备新技术的转变(图1-a)。通过膨化，食品的体积明显增加，内部组织成为多孔、疏松的海绵状结构，原料坚硬的质地得到柔化，口感风味和营养价值得到提升[1]。基于此，淀粉基膨化食品深受世界各地消费者的喜爱。
生产经验表明，淀粉的热膨化受多方面因素影响，既有原料和配料因素，也有工艺和设备因素[5]。我国油酥米花加工通常采用糯米为原料，而印度炒米通常采用非糯性的大米制作[6]。虽然两类产品的制作方式存在一定相似之处，但是原料和工艺如何影响淀粉的热膨化效果还缺乏深入认识[7]。淀粉基膨化食品可选择的加工原料十分丰富，因此创造出了琳琅满目的产品(图1-b)，已成为方便食品的重要类别[8]。在崇尚健康饮食的今天，人们对淀粉基膨化食品在营养补充、健康促进、安全方便等方面的功能提出了更高要求[9]。在不影响酥脆口感的前提下，减油、减盐和控制淀粉消化吸收速度等，成为淀粉基膨化食品品质功能的理性设计的时代潮流[10-11]。像旺旺雪饼就是一个成功的非油炸大米膨化制品的例子。不同来源的淀粉在热膨化加工特性上有何差异？共存食品成分糖类、蛋白质、油脂、食盐等，对淀粉的热膨化有何影响？这些都成为这类食品的配方研究中需要解决的科学问题。为推动淀粉热膨化加工特性的深入研究和应用，本文在充分调研文献的基础上，对该领域的研究现状进行全面总结，对存在的问题进行了剖析，以期为淀粉热膨化认识的深入和淀粉基膨化食品创新开发提供参考。
1 淀粉的热膨化过程及其影响因素
1.1 淀粉的热膨化加工
1.1.1 淀粉的前处理
虽然对淀粉的前处理不是必需的，但生产经验表明前处理有助于获得更好的热膨化效果[5]。在生产上，淀粉热膨化前的处理被称作料坯加工[12-13]。加工料坯主要有3种方式，其共同之处是通过水热处理淀粉原料，一定程度上改变淀粉聚集态结构，形成适宜于热膨化加工的结构。(1)挤出法。典型例子如虾片，物料熟化成型通常在挤出机上完成。一般采用双螺杆挤出模式，物料水分含量35%～40%，机筒内升温一般不超过130 ℃，物料在机筒内剪切混匀、充分糊化后排出，在挤出机口模处配有切割装置将其切片成型，接着干燥到一定的水分含量[14]。(2)蒸煮法。适用于谷物籽粒、块根或块茎。以印度炒米为例[15]，按如下步骤进行：稻米洗净→热水浸泡(73 ℃，3 h)→加压蒸煮(蒸汽压力1.5 kg/cm2，10 min)→干燥→脱壳/碾磨→蒸谷米(水分含量14%～15%)。(3)饼坯法。米饼及其他需要进行料坯造型的淀粉基膨化食品，加工料坯的方法为：配料→加水混合→制作面团→熟化→压制成型→预干燥→水分平衡或调温处理[16-17]。这类料坯水分含量低，可以长时间保存。例如生虾片和阴米在市场都有销售，消费者可购买后在家进行热膨化加工。
a-常见的淀粉热膨化设备；b-常见淀粉基膨化食品
图1 淀粉热膨化加工技术及相关产品
Fig.1 Techniques for starch thermal-induced expansion and images of puffed starchy foods
1.1.2 热膨化的相变原理
无论是油炸、焙烤、砂/盐炒，还是微波膨化，其差异主要在加热方式，这些热膨化方式的共同特征是利用了相变和气体的热压效应原理[18-19]。淀粉是半结晶聚合物，包含结晶区和无定型区。从力学状态的角度，淀粉存在以下3种聚集态：玻璃态、橡胶态及熔融态。在不同聚集态之间存在着温度转变区，其中玻璃态与橡胶态之间的过渡区称作玻璃化转变区域。食品从玻璃态向橡胶态转变时所需的最低温度称为该食品的玻璃化转变温度 (glass transition temperature, Tg)[20]。对于低水分体系 (一般在20%以下)，Tg的测定通常采用差示扫描量热法[10,14]。淀粉的热膨化过程即淀粉力学状态变化的过程，Tg对淀粉热膨化的意义在于：决定淀粉热膨化发生的温度和淀粉热膨化的效果[5, 11]。
淀粉的热膨化是在较短时间发生的集热量传递、质量传递、动量传递及化学反应(淀粉分子降解)于一体的过程，其发生发展机制尚未完全明晰。有学者通过微CT影像技术表征膨化过程孔隙结构的形成和变化[18-19]，VAN DER SMAN和BROEZE采用多尺度分析算法阐释膨化淀粉零食的结构形成过程[2]。研究[14]认为，在快速加热过程中，物料温度不断升高，当温度达到水的沸点时物料内部的水分迅速汽化，同时引起周围淀粉分子聚集态结构变化，当温度超过淀粉Tg时，物料进入橡胶态，在蒸汽压力的驱动下发生膨胀，随着压力释放、水分蒸发等的变化，热膨化随之完成，继续加热会烧焦物料(图2)。热膨化过程大致分为“相变阶段(气相成核)→增压阶段(气室
图2 淀粉微波膨化的状态图
Fig.2 State diagram for microwave expansion of starch
膨胀)→膨炸阶段(气室破裂或稳态化)→固化阶段(膨化完成)”等阶段，最终形成具有网状组织、定型的多孔状结构(图3)[18, 21]。淀粉在膨化过程中经历一系列连续相变。气相成核的位点及其周围的物质环境决定着膨化结构发育的质量[22]。因此，只有加工好的料坯才具有符合期望的热膨化效果[23]。目前，原料的不同尺度结构对淀粉热膨化的影响及贡献度尚待明确。
图3 热膨化过程中淀粉的膨化结构形成示意图
Fig.3 Scheme of expansion structure formation of starch during the thermal-induced expansion process
1.1.3 热膨化效果的评价
淀粉的热膨化性能与淀粉基膨化食品的品质密切相关[7]。对于淀粉热膨化性能的表征，主要包括膨化率、容积密度、孔隙度及孔隙分布等指标[10-11]。膨化率即膨化前后体积之比，反映物料发生膨胀的能力；容积密度和孔隙度反映膨化产品中的气相占比，气相占比越高，说明膨化越充分，表现为容积密度越小、孔隙度越大；孔隙分布则反映膨化均匀程度。对于淀粉基膨化食品的品质评价，从感官评价角度，主要包括色泽、状态、滋味、气味、酥脆性等方面[24]，相关检验方法可参照GB 17401《食品安全国家标准 膨化食品》。酥脆性近年来普遍采取感官分析和仪器分析相结合来测定。仪器分析法即机械方法和声学方法联用，在质构分析仪上给予试样一定的外力，让其发生变形或脆断，得到的力-位移曲线，通过声学测量仪记录试样被压缩或穿刺时产生的声音信号，通过数据关联来评价其酥脆性[15, 24]。
1.2 影响淀粉热膨化的因素
淀粉热膨化效果取决于很多因素，内在因素主要包括淀粉来源、结构及组成等[25]；外在因素包括共存成分、热膨化方式以及工艺因素等[26-27]。
1.2.1 淀粉的来源
根据结构决定功能原理，淀粉的组成结构是影响其热膨化效果的重要因素。关于淀粉来源对其热膨化性能的影响，从直链淀粉含量、支链淀粉结构、结晶度等组成结构参数进行讨论。为考察直链淀粉含量对大米淀粉热膨化的影响，JIAMJARIYATAM等[13]从糯米和非糯性稻米中提取淀粉，将2种淀粉按照不同比例复配后(直链淀粉含量0.12%～19.00%，质量分数)，经熟化成型、冷却、干燥等工序制成料坯，棕榈油油炸处理，结果发现大米淀粉的膨化率随直链淀粉含量增加而减小。CHEN等[28]报道在焙烤(350 ℃)条件下，大米淀粉的膨化率随其直链淀粉含量增加而降低。研究发现，印度炒米加工宜选用直链淀粉含量中等(>20%)的大米，如高直链IR 1010(含量25.11%)[29]和GURJARI籼米 (含量20.52%)[15]；JOSHI等[30]报道印度籼米(直链淀粉含量21.52%～28.21%)的体积膨化率与其直链淀粉含量呈显著正相关。SAHA等[7]的研究表明，9种受试稻米的直链淀粉含量低于20%，它们不适宜加工印度炒米，因为热膨化效果较差；研究还指出，即使是直链淀粉含量非常接近的稻米品种，加工的炒米在感官品质上也存在显著差异。为探讨稻米原料与膨化米饼品质之间的关系，谭汝成等[31]研究了21种稻米制作膨化米饼的效果，结果表明，稻米的直链淀粉(0.21%～26.02%)、粗脂肪(0.43%～1.77%)、粗蛋白(4.51%～9.44%)的含量与膨化米饼的感官品质存在相关性，直链淀粉含量中低(10.72%～12.63%)、粗脂肪含量高(1.42%～1.77%)、蛋白质含量低(4.70%～5.25%)的品种适于加工膨化米饼。由此可见，淀粉热膨化不完全取决于加工原料中直链淀粉含量。早期的一项研究表明[32]，Keropok(一种马来西亚淀粉基膨化食品)的膨化品质与受试淀粉原料中支链淀粉含量正相关。张立彦等[33]的研究也发现，含支链淀粉较多的混合物料(糯米粉及马铃薯淀粉)的膨化产品组织结构好，优于木薯、玉米及小麦的淀粉。MAHANTA等[34]的研究则指出，蒸谷米中支链淀粉的老化是淀粉热膨化的不利因素，因为老化支链淀粉的聚集态结构(熔融温度约55 ℃)在水未达到沸点前即被破坏，无法发挥截留水蒸气的作用。QI等[35]报道发酵和晾晒使木薯淀粉的热膨胀率几乎增加一倍，并发现这些原料中支链淀粉的中长侧链(DP≥25)比例和平均链长显著低于天然木薯淀粉，研究认为支链淀粉降解是热膨化性能改善的一个因素。BEECH等[5]研究了蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉的热膨化效果，结果发现，对天然淀粉直接实施膨化，普通玉米淀粉的膨化率最高，高直链淀粉次之，蜡质淀粉最低；在做成干凝胶后进行膨化，反而是高直链和蜡质淀粉的膨化率最高且二者无显著性差异。这表明，淀粉的热膨化不仅仅是由物质组成决定的，还包括结构因素。JIAMJARIYATAM等[36]研究报道淀粉的相对结晶度与产品膨化品质密切相关，直链淀粉含量9%、相对结晶度为2.8%～3.7%的大米淀粉干凝胶具有良好的热膨化性能，随着相对结晶度增高，膨化率下降，孔隙变密、尺寸变小。根据目前的研究，淀粉热膨化加工特性的原料学因素未完全明晰。
1.2.2 淀粉的糊化度
在热膨化前，将淀粉原料进行适度的糊化有利于提升膨化制品的品质。未经糊化的大米无法加工出符合期望的米花[5]。在糊化过程中，淀粉粒发生膨胀并吸收水分，淀粉结晶结构破坏，水分子进入结晶簇发生水合作用。糊化破坏了淀粉粒原本的结构，降低了淀粉的相对结晶度，创造了淀粉与水分子相互作用的条件，为热膨化奠定了物质结构基础[2]。CHUNG等[37]报道称，天然(未糊化)大米淀粉的Tg比糊化大米淀粉至少高20 ℃，在相同膨化条件下，天然大米淀粉的玻璃态-橡胶态转变在更高温度下发生，因此由天然晶体淀粉组成的生大米膨化效果不佳。料坯在采取挤出法加工时，其糊化度可通过变换挤出条件来调节。KRAUS等[38]通过挤压法制备料坯，其糊化度43.6%～72.9%，研究发现在微波膨化时膨化率随糊化度增加而增大，且糊化度大于64.2%时，孔隙数量显著增加。GURAYA等[39]报道由木薯淀粉和甘薯淀粉复配制作的料坯油炸膨化，其膨化率随糊化度(低于80%时)增大而增大。LEE等[40]研究发现，为取得最佳热膨化效果，料坯的糊化度应在50%左右，当糊化度低于50%时或高于66%时，均无法进行充分的热膨化。这表明，适当的糊化度有利于料坯生成充足的气相成核位点。
1.2.3 淀粉的老化度
淀粉老化在糊化冷却时即发生。在料坯制备过程中，老化不可避免发生，因此老化是影响淀粉热膨化特性的重要因素。孙翠霞等[41]通过将糊化的淀粉在4 ℃冰箱中储藏4～72 h来探究不同老化时间对淀粉热膨化特性的影响，结果表明，对马铃薯淀粉及豌豆淀粉适度老化(<12 h)可改善热膨化性能(膨化率最高达3.5)，但是过度老化(>12 h)则使之降低。JIAMJARIYATAM等[13]的研究发现，大米淀粉热膨化性受其冷却速率和老化时间影响，老化(24→72 h)可使膨化产品的脆性增加、吸油性降低。有研究指出，老化使淀粉分子有序性提高，内部形成网络结构，将水分均匀分布其中，受热后蒸发外逸，形成均匀的气室，但同时结晶结构形成，当结晶过多时，打破物料原有的结构所需要的能量值升高，从而水分难以外逸，膨胀率降低[42]。
1.2.4 初始水分含量
原料中的水分作为汽化剂，其在膨化过程中起着至关重要的作用。水分汽化可为热膨化过程提供驱动力，同时对食品聚合物基质的相变和拉伸粘度产生影响[10]。蒸汽压力足够大时，基质迅速膨胀，孔隙扩张，膨化产品获得期望的多孔结构和质地。在印度炒米加工前，为方便储存，蒸谷米的水分含量通常在14%左右，为适于热膨化，通常将蒸谷米的水分含量调整到17%左右[15]。BOISCHOT等[14]则采用水分活度(Aw)概念来解释水分对热膨化的影响，在微波膨化过程中，玻璃态支链淀粉挤出物的膨化率随着Aw增加而增大。KONISHI等[43]对籽粒苋种子淀粉微波膨化时发现，完全脱水的样品不能膨化，随着Aw的增大，膨化率增大，Aw=0.605时达到最大值，Aw继续增加则使膨化率减小。研究显示，水分含量及其分布、水分子与淀粉分子之间的相互作用与热膨化密切相关[11]。水作为塑化剂，能影响料坯中淀粉的Tg，适宜的相变温度有利于物料在进入橡胶态及膨化前累积蒸汽压力，这要求原料具有合适的初始水分含量[28]。过低则基质硬且易碎，且因水分蒸发使累积压力的水汽不足，难以在基质内部产生气室结构；过高则使基质受热后软化，且由于大量水汽外逸形成裂纹，降低膨化率，甚至膨化不完全[43]。
1.2.5 热膨化温度
加热温度是影响淀粉热膨化的重要因素。温度在热膨化过程中发挥两种作用：(1)在相变阶段升温使物料越过淀粉的Tg，从玻璃态进入橡胶态，增强密闭结构的韧性和膨胀性；(2)加热物料中的水分使其越过沸点，迅速汽化形成气压推动膨化结构形成。当温度不足以使淀粉发生相变时，加热仅起到蒸发水分的作用，无法为热膨化创造条件，当温度过高，则导致表面水分快速蒸发，热量来不及传导至物料内部，造成膨化率低，甚至容易烧焦物料[43]。有研究表明，鹰嘴豆采用砂炒进行热膨化时，产品的容积密度随着砂炒温度升高(180 ℃→220 ℃)而降低，适当增大温度对热膨化有利。NATH等[44]研究了马铃薯基方便食品的高温短时气流膨化加工中膨化温度(185～255 ℃)和时间(20～60 s)的影响，从膨化比、硬度、整体可接受度等指标看，膨化温度比时间的影响更显著，适度高温(230 ℃)能获得最优膨化效果。
1.2.6 热膨化时间
热膨化发生的持续时间相对较短，但加热时间仍然是需要考虑的因素[45]。加热时间不足，热膨化不充分，但并非时间越长越好。BOISCHOT等[14]对玻璃态支链淀粉挤出物进行微波膨化时发现，加热30 s可使Aw=0.73的样品达到最大膨化率，随着加热继续，膨化率反而下降。长时间加热的另一个问题是产品容易发生焦化[46]。
2 淀粉热膨化特性的调控技术
淀粉热膨化受到多因素的影响。因此，调控其热膨化特性就可以从多方面入手。主要策略包括原料前处理和热膨化方式两方面。在原料前处理中，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，下文主要从原辅料(包括对淀粉的改性和外源物添加)和热膨化方式等的角度进行论述。
2.1 淀粉改性
2.1.1 通过化学改性提升淀粉的热膨化性能
在工业生产中，对淀粉进行化学改性是拓宽其使用范围的常用手段。JUNIOR等[47]将木薯淀粉经臭氧处理，研究发现其热膨化性能的提升效果可与木薯淀粉经自然发酵的效果相当；BARBOSA等[48]将马铃薯淀粉采用25%过氧化氢处理，其膨化产品的密度从308 kg/m3降低到142 kg/m3。马晓军等[49]报道大米淀粉以醋酸酐、三聚磷酸钠和环氧氯丙烷为变性剂改性后，其热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]报道，对酸木薯淀粉采用次氯酸钠进行适度氧化处理，可提升其热膨化性能，但过度处理会使淀粉发生降解，不利于热膨化。有研究观察到氧化改性并非对所有淀粉有效，如过氧化氢溶液处理对提升木薯淀粉和蜡质玉米淀粉的热膨化性能有效，而对普通玉米淀粉无效[50]。鉴于目前淀粉结构-热膨化性能关系尚未明晰，通过对淀粉的改性，不仅是改善热膨化的手段，而且是研究热膨化机制的重要途径。
2.1.2 通过物理改性提升淀粉的热膨化性能
淀粉的物理改性方法不涉及化学试剂，具有绿色、安全、经济高效等特点，其机制在于通过对淀粉分子链的空间组织或聚集态结构的适度改变来调整淀粉的理化性质和加工特性。传统物理改性方法主要包括挤压、高压、湿热、干热和韧化处理等，近年来，新型物理场包括超声波、微波、电场、射频或等离子体技术在淀粉改性方面也取得了可喜的进步。蒸谷米加工是一个改善印度炒米的热膨化效果的典型例子[5]。蒸谷米以未脱壳的稻谷为原料，经浸泡、蒸制、干燥等处理后，再按照常规稻米加工方法生产的大米制品。在蒸制过程中，稻米中淀粉的相对结晶度[18]和玻璃化转变温度[37]下降，这些都对后续热膨化有利。MAHANTA等[34]的研究指出，蒸制是决定蒸谷米热膨化效果的关键环节。适度蒸制促使米粒外层淀粉糊化和直链淀粉-脂质复合物形成，从而有利于热膨化。有趣的是，太阳光也是改善淀粉热膨化性能的重要因素。有研究报道晒干比烘干的酸木薯淀粉具有更好的热膨胀性能，这被解释为太阳光辐照引起淀粉分子基团修饰，晒干的酸木薯淀粉的羰基和羧基总量0.136/100葡萄糖单元，比烘干酸木薯淀粉的高出68%[50]。尽管这一积极结果的实现有赖于气象条件，但是有学者指出太阳光辐照应适量，否则淀粉在阳光中紫外线等因素长时间作用发生组分或分子结构改变，反而会损害其热膨化性能。QI等[51]报道太阳光或紫外灯照射可进一步提升发酵木薯淀粉的热膨化性能，研究指出辐照引起淀粉结晶区的破坏并使支链淀粉降解形成低分子质量的产物，这有利于形成蒸汽压力和热膨化结构。
2.1.3 通过生物改性提升淀粉的热膨化性能
用于制作酸面包的木薯淀粉的生产，是生物法提升淀粉热膨化性能的一个经典案例[52]。传统上木薯淀粉采用湿法工艺提取，经晾晒得到干木薯淀粉，这不可避免地导致了微生物生长和自然发酵。在引入工业化设备和技术后却发现，烘干得到的木薯淀粉的热膨化加工性能不及经传统的自然发酵后晒干得到的木薯淀粉[53]。这被解释为发酵-晒干组合工艺使木薯淀粉分子结构发生适度改变，并形成了有利于热膨化的结构，但相关机制尚仍未明确。按照同样的自然发酵方式处理马铃薯淀粉，其热膨化性能却未得到改善，令人颇感意外[35]。
2.2 外源物添加
在淀粉基膨化食品加工中，淀粉以外的组分不可避免地引入，从而对其热膨化性能和产品品质产生影响。在过去研究中，出于从成本、风味或口感等方面的考虑，基于配方优化开展了大量工作。
2.2.1 糖类
糖类能影响淀粉的糊化和老化。在加工料坯时，添加糖类物质必将对其结构产生影响，并最终影响热膨化效果。KRAUS等[54]采用挤压工艺加工料坯，在配方中添加蔗糖，研究发现蔗糖可诱导形成更多的气相成核区，且随添加量增加而增多，料坯的膨化率增大，孔隙更加均匀细腻；研究还发现蔗糖通过塑化作用来影响膨化制品的外观，蔗糖无添加时，产品枕形率为92%，蔗糖添加量10%、20%时，产品枕形率下降至57%、0%。研究认为，料坯中蔗糖无添加时，因为料坯Tg过高，或料坯因水分蒸发形成玻璃态外表面，在热膨化时易发生爆裂，形成枕形产品。蔗糖降低了料坯Tg，使热膨化在橡胶态时发生，从而形成近球形产品。此外，蔗糖促进了淀粉的糊化(20%蔗糖使淀粉糊化度增加27.8%)，同时改变了料坯中淀粉老化进程(很遗憾该研究未涉及)，这些都是与改善热膨化效果有关的因素。研究表明，多糖类物质也可以起着改善热膨化的作用。GIMENO等[55]以玉米粉制作料坯进行微波膨化，研究发现在料坯制作时添加1%的黄原胶或羧甲基纤维素，可使膨化率提高，热膨化组织结构更均匀，外形更加规则。
2.2.2 蛋白质和油脂
蛋白质是淀粉基膨化食品中频繁出现的配料或组分，如虾片、米花、米饼中就含有蛋白质。虽然蛋白质对其热膨化的影响机制尚未明晰，但已有研究表明适度添加食品蛋白质对热膨化有利。WANG等[56]将木薯淀粉和白鲢鱼糜按1∶1制备混合凝胶，干燥至水分含量7%后进行微波真空膨化，研究发现其膨化效果优于木薯淀粉凝胶，孔隙均匀、感官评分更高。
油脂对淀粉热膨化的影响与其种类和添加量有关。ERNOULT等[10]向蜡质玉米淀粉中添加2%～6%固体脂肪(熔点70 ℃)，制作的料坯经微波膨化，产品孔隙均匀、膨化效果得到提升，但是添加油(熔点-20 ℃)却导致膨化效果变差。JIAMJARIYATAM等[17]将10%～50%的起酥油加入到糊化大米淀粉中，充分搅拌、4 ℃冷却后老化(4 ℃，24 h)、干燥，得到料坯，对其进行油炸膨化。研究发现，起酥油用量10%的样品膨化得分最高，但用量30%的样品脆度得分最高。NGUYEN等[57]研究油脂(添加量0%～21%)对虾片微波膨化的影响时，结果发现虾片硬度随着油脂添加量增加而降低，膨化率在添加量3%时达最大值，继续添加则膨化率降低。研究认为低熔点油脂容易与直链淀粉形成复合物，这不利于料坯加工时淀粉的糊化老化以及凝胶结构形成。
2.2.3 盐类和食品添加剂
研究表明，盐类在改善淀粉热膨化性能上可发挥积极作用[58]。在印度炒米加工前通常进行调温处理，即将食盐水与蒸谷米混在一起，密封保温一段时间[6]。蒸谷米中添加2%食盐，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%以内时膨化率随添加量增加而增大，但添加量继续增加会降低膨化率[29]。NORTON等[11]研究了钠盐和钾盐对马铃薯淀粉料坯气流膨化的影响，结果表明，在添加量范围内(0%～2%)，膨化率随着Na+或K+的浓度增加而增大。添加盐对淀粉基质的热膨化作用虽然不是必须的，但可提高膨化率和膨化速度，其机制可能在于适度降低玻璃化转变温度以及提高传热速率，从而使热膨化更早发生[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(与未添加NaCl组进行对照)条件下具有良好的热膨化效果，这意味着适度增加初始水分含量也可以有相同热膨化效果同时实现减盐的目的。
2.3 新技术的采用
人类对淀粉基食品的热膨化加工经历了从偶然发现到主动探索的过程。从历史悠久的焙烤、砂/盐炒、油炸，到当前迅速发展的气流膨化[11]、真空膨化、微波膨化[38]等方式，不仅从技术上提升了膨化效果，而且加速了淀粉基膨化食品推陈出新[37]。
近年来，微波膨化具有耗时短、能源利用效率高、对食物营养成分的保留率高等特点，微波技术广泛用于膨化零食、米饼、米花、虾片等膨化制品的生产[46]。SWARNAKAR等[29]对比研究了糙米采取微波和传统砂炒的热膨化效果，结果表明，膨化率是传统砂炒(5.6)略高于微波(5.1)，但在综合感官评分上微波(73.952)优于传统砂炒(67.755)。ALTAN[59]在研究裸大麦籽粒的微波热膨化性能时发现，采取加压蒸煮、红外加热或二者的组合来处理经水分调节的裸大麦籽粒，可在不同程度上改变原料中淀粉的糊化度，从而影响膨化率及产品的组织结构和质地，其中初始水分含量29.5%的籽粒经红外加热(200 ℃，2 min)后膨化率最高，优于加压蒸煮(15 min)和未经热处理的样品，研究认为良好膨化有赖于籽粒的适度糊化，而加压蒸煮几乎使淀粉完全糊化。WANG等[60]报道了利用脉冲喷动微波真空干燥(PSMVD)来对淀粉基物料进行热膨化，在咸鸭蛋白与淀粉之比为0.3、微波功率2.01 kW时膨化产品品质最佳，该项技术还有望解决微波处理过程中的加热不均匀性问题。此外，NATH等[61]研究了高温短时气流膨化用于马铃薯零食的加工，通过对物料水分含量、加热温度、空气流速、膨化时间等工艺参数的优化，可加工出品质良好的即食膨化制品，且营养素的保留较好。最近，TENG等[62]报道了3D打印技术用于加工马铃薯凝胶料坯的方法，这不仅丰富了料坯加工的手段，而且为改善热膨化效果提供了一项重要的方法。
3 总结与展望
近年来，对淀粉的热膨化特性调控及应用研究得到广泛重视。了解淀粉热膨化现象的机理，考察各种因素对淀粉热膨化的影响，无论是对于改善淀粉基膨化食品的品质还是淀粉热膨化理论的发展都具有重大意义。由于淀粉热膨化特性影响因素众多、体系复杂、过程不明，还有许多问题有待于进一步研究。首先，淀粉热膨化与其组成结构有何关系？直链淀粉含量及分子质量、直链淀粉/支链淀粉比例以及其他共存成分等都会对膨化效果产生影响。相关报道中对原料组分影响膨化效果的解释大多是推理性的，由于缺乏在分子水平上对淀粉热膨化机制的理论指导，这使原料选择只能依靠经验。其次，配料因素在调控淀粉热膨化性能上发挥多少作用？虽然通过配料可实现对淀粉热膨化加工性能进行调整，但这方面研究还不深入[24, 61]。如何通过不同淀粉的复配来改善热膨化性能？配料中的蛋白质、油脂、食盐等共存成分在多大程度上影响膨化效果？第三，如何实现淀粉热膨化性能的精准调控？国内外目前相关研究主要从淀粉的糊化与老化、饼坯水分迁移等方面分析，也有从淀粉熟化冷却后的重结晶动力学方面研究[63]。老化过程凝胶中直链淀粉和支链淀粉重结晶速度和方式不同，这会对淀粉结构产生何种影响？第四，在原料改性、配方设计、料坯制作和热膨化加工中新技术新方法的使用。淀粉基膨化食品作为我国传统食品，深受各地消费者的喜爱。淀粉热膨化特性与这些产品的品质特征密切相关。通过控制淀粉的热膨化加工条件，并在实际生产中综合应用多种热膨化特性调控方法，积极开拓新技术新方法，为实现传统淀粉基膨化食品的工业化，为弘扬中华饮食文化以及更好地开发淀粉基膨化食品提供理论和实践基础。
[1] MIR S A, BOSCO S J D, SHAH M A, et al.Effect of puffing on physical and antioxidant properties of brown rice[J].Food Chemistry, 2016, 191:139-146.
[2] VAN DER SMAN R G M, BROEZE J.Multiscale analysis of structure development in expanded starch snacks[J].Journal of Physics:Condensed Matter, 2014, 26(46):464103.
[3] VAN DER SMAN R G M, BROEZE J.Structuring of indirectly expanded snacks based on potato ingredients:A review[J].Journal of Food Engineering, 2013, 114(4):413-425.
[4] 刘超, 张波, 魏益民.影响淀粉类挤压膨化产品膨化率的因素研究进展[J].中国粮油学报, 2013, 28(7):124-128.
LIU C, ZHANG B, WEI Y M.Influencing expansion ratio of starch extrudates[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2013, 28(7):124-128.
[5] BEECH D, BEECH J, GOULD J, et al.Effect of amylose/amylopectin ratio and extent of processing on the physical properties of expanded maize starches[J].International Journal of Food Science & Technology, 2022, 57:2 298-2 309.
[6] SAHA S, ROY A.Puffed rice:A materialistic understanding of rice puffing and its associated changes in physicochemical and nutritional characteristics[J].Journal of Food Process Engineering, 2020, 43(9):e13479.
[7] SAHA S, ROY A.Selecting high amylose rice variety for puffing:A correlation between physicochemical parameters and sensory preferences[J].Measurement:Food, 2022,5:100021.
[8] HUANG R, PAN X, LYU J, et al.Effects of explosion puffing on the nutritional composition and digestibility of grains[J].International Journal of Food Properties, 2018, 21(1):2 193-2 204.
[9] SHARMA P, GUJRAL H S.Effect of sand roasting and microwave cooking on antioxidant activity of barley[J].Food Research International, 2011, 44(1):235-240.
[10] ERNOULT V, MORARU C I, KOKINI J L.Influence of fat on expansion of glassy amylopectin extrudates by microwave heating[J].Cereal Chemistry, 2002, 79(2):265-273.
[11] NORTON A D, GREENWOOD R W, NOBLE I, et al.Hot air expansion of potato starch pellets with different water contents and salt concentrations[J].Journal of Food Engineering, 2011, 105(1):119-127.
[12] 章焰, 鲁长新, 熊善柏, 等.膨化米饼加工过程的热力学特性及膨化机理研究[J].中国粮油学报, 2008, 23(1):14-16.
ZHANG Y, LU C X, XIONG S B, et al.Puffed rice cake processing:thermodynamics and puffing mechanism[J].Journal of The Chinese Cereals and Oils Association, 2008, 23(1):14-16.
[13] JIAMJARIYATAM R, KONGPENSOOK V, PRADIPASENA P.Effects of amylose content, cooling rate and aging time on properties and characteristics of rice starch gels and puffed products[J].Journal of Cereal Science, 2015, 61:16-25.
[14] BOISCHOT C, MORARU C I, KOKINI J L.Factors that influence the microwave expansion of glassy amylopectin extrudates[J].Cereal Chemistry, 2003, 80(1):56-61.
[15] KUMAR S, PRASAD K.Effect of parboiling and puffing processes on the physicochemical, functional, optical, pasting, thermal, textural and structural properties of selected Indica rice[J].Journal of Food Measurement and Characterization, 2018, 12(3):1 707-1 722.
[16] 梁万礼, 张建超, 朱丽丹, 等.小米淀粉热膨化条件的优化[J].食品工业科技, 2012, 33(6):350-352.
LIANG W L, ZHANG J C, ZHU L D, Optimization of thermal expansion parameters of millet starch[J].Science and Technology of Food Industry, 2012, 33(6):350-352.
[17] JIAMJARIYATAM R, ATIWITTAPORN S.Interaction of moisture content and fat content on puffing properties of expanded-product from native rice starch[J].Food and Applied Bioscience Journal, 2016, 4(3):116-125.
[18] GULATI T, DATTA A K.Coupled multiphase transport, large deformation and phase transition during rice puffing[J].Chemical Engineering Science, 2016, 139:75-98.
[19] GUILLERMIC R M, AKSOY E C, ARITAN S, et al.X-ray microtomography imaging of red lentil puffed snacks:Processing conditions, microstructure and texture[J].Food Research International, 2021, 140:109996.
[20] ROOS Y H.Glass transition temperature and its relevance in food processing[J].Annual Review of Food Science and Technology, 2010, 1:469-496.
[21] VAN DER SMAN R G M, BROEZE J.Effects of salt on the expansion of starchy snacks:A multiscale analysis[J].Food & Function, 2014, 5(12):3 076-3 082.
[22] KRAUS S, SCHUCHMANN H P, GAUKEL V.Factors Influencing the microwave-induced expansion of starch-based extruded pellets under vacuum[J].Journal of Food Process Engineering, 2014, 37(3):264-272.
[23] BASTOS-CARDOSO I, DE J ZAZUETA-MORALES J, MART
NEZ-BUSTOS F, et al.Development and characterization of extruded pellets of whole potato (Solanum tuberosum L.) flour expanded by microwave heating[J].Cereal chemistry, 2007, 84(2):137-144.
[24] SAELEAW M, SCHLEINING G.Effect of blending cassava starch, rice, waxy rice and wheat flour on physico-chemical properties of flour mixtures and mechanical and sound emission properties of cassava crackers[J].Journal of Food Engineering, 2010, 100(1):12-24.
[25] CHEOW C S, KYAW Z Y, HOWELL N K, et al.Relationship between physicochemical properties of starches and expansion of fish cracker ‘keropok’[J].Journal of Food Quality, 2004, 27(1):1-12.
[26] TAEWEE T K.Cracker “keropok”:A review on factors influencing expansion[J].International Food Research Journal, 2011, 18(3):855-866.
[27] TONGDANG T, MEENUN M, CHAINUI J.Effect of sago starch addition and steaming time on making cassava cracker (Keropok)[J].Starch, 2008, 60(10):568-576.
[28] CHEN C M, YEH A I.Effect of amylose content on expansion of extruded rice pellet[J].Cereal Chemistry, 2001, 78(3):261-266.
[29] SWARNAKAR A K, SRIVASTAV P P, DAS S K.Optimization of preconditioning process of pressure parboiled brown rice (unpolished) for microwave puffing and its comparison with hot sand bed puffing[J].Journal of Food Process Engineering, 2019, 42(3):e13007.
[30] JOSHI N D, MOHAPATRA D, JOSHI D C.Varietal selection of some indica rice for production of puffed rice[J].Food and Bioprocess Technology, 2014, 7(1):299-305.
[31] 谭汝成, 刘友明, 赵思明.膨化米饼加工原料选择模型研究[J].中国粮油学报, 2008, 23(6):16-20.
TAN R C, LIU Y M, ZHAO S M.Study on models of selecting rice cultivar for making extruded rice cake[J].Journal of The Chinese Cereals and Oils Association, 2008, 23(6):16-20.
[32] MOHAMED S, ABDULLAH N, MUTHU M K.Physical properties of keropok (fried crisps) in relation to the amylopectin content of the starch flours[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 1989, 49(3):369-377.
[33] 张立彦, 芮汉明, 李作为.淀粉的种类及性质对微波膨化的影响[J].食品与发酵工业, 2001, 27(3):21-25.
ZHANG L Y, RUI H M, LI Z W.Effects of the varieties and properties of starch on puffing under microwave irradiation[J].Food and Fermentation Industries, 2001, 27(3):21-25.
[34] MAHANTA C L, BHATTACHARYA K R.Relationship of starch changes to puffing expansion of parboiled rice[J].Journal of Food Science and Technology, 2010, 47(2):182-187.
[35] QI Q, HONG Y, ZHANG Y, et al.Combinatorial effect of fermentation and drying on the relationship between the structure and expansion properties of tapioca starch and potato starch[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2020, 145:965-973.
[36] JIAMJARIYATAM R, KONGPENSOOK V, PRADIPASENA P.Prediction models for textural properties of puffed rice starch product by relative crystallinity[J].Journal of Food Quality, 2016, 39(5):445-455.
[37] CHUNG H J, LEE E J, LIM S T.Comparison in glass transition and enthalpy relaxation between native and gelatinized rice starches[J].Carbohydrate Polymers, 2002, 48(3):287-298.
[38] KRAUS S, ENKE N, GAUKEL V, et al.Influence of degree of gelatinization on expansion of extruded, starch-based pellets during microwave vacuum processing[J].Journal of Food Process Engineering, 2014, 37(3):220-228.
[39] GURAYA H S, TOLEDO R T.Volume expansion during hot air puffing of a fat-free starch-based snack[J].Journal of Food Science, 1994, 59(3):641-643.
[40] LEE E Y, LIM K I, LIM J, et al.Effects of gelatinization and moisture content of extruded starch pellets on morphology and physical properties of microwave-expanded products[J].Cereal Chemistry, 2000, 77(6):769-773.
[41] 孙翠霞, 代蕾, 孙庆杰, 等.淀粉老化工艺对膨化特性的影响[J].粮油食品科技, 2013, 21(2):13-15.
SUN C X, DAI L, SUN Q J, et al.The effect of starch aging on the puffed properties[J].Science and Technology of Cereals, Oils and Foods, 2013, 21(2):13-15.
[42] 李作为, 芮汉明.淀粉老化对微波膨化影响及机理的研究[J].中国粮油学报, 1999, 14(6):31-32.
LI Z W, RUI H M.The influence of starch retrogradation on microwave puffing and its mechanism[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 1999, 14(6):31-32.
[43] KONISHI Y, IYOTA H, YOSHIDA K, et al.Effect of moisture content on the expansion volume of popped amaranth seeds by hot air and superheated steam using a fluidized bed system[J].Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2004, 68(10):2 186-2 189.
[44] NATH A, CHATTOPADHYAY P K.Effect of process parameters and soy flour concentration on quality attributes and microstructural changes in ready-to-eat potato-soy snack using high-temperature short time air puffing[J].LWT-Food Science and Technology, 2008, 41(4):707-715.
[45] HE Y, YE F, LI S, et al.Effect of sand-frying-triggered puffing on the multi-scale structure and physicochemical properties of cassava starch in dry gel[J].Biomolecules, 2021, 11(12):1 872.
[46] VAN DER SMAN R G M, BOWS J R.Critical factors in microwave expansion of starchy snacks[J].Journal of Food Engineering, 2017, 211:69-84.
[47] JUNIOR M D M, CASTANHA N, DOS ANJOS C B P, et al.Ozone technology as an alternative to fermentative processes to improve the oven-expansion properties of cassava starch[J].Food Research International, 2019, 123:56-63.
[48] BARBOSA J V, MARTINS J, CARVALHO L, et al.Effect of peroxide oxidation on the expansion of potato starch foam[J].Industrial Crops and Products, 2019, 137:428-435.
[49] 马晓军, 梁万礼, 朱丽丹, 等.变性对大米淀粉热膨化性质的影响[J].中国粮油学报, 2012, 27(3):29-32.
MA X J, LIANG W L, ZHU L D, et al.Effect of modification on thermal expansion properties of rice starch[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2012, 27(3):29-32.
[50] DIAS A R G, DA ROSA ZAVAREZE E, ELIAS M C, et al.Pasting, expansion and textural properties of fermented cassava starch oxidised with sodium hypochlorite[J].Carbohydrate Polymers, 2011, 84(1):268-275.
[51] QI Q, HONG Y, ZHANG Y, et al.Effect of cassava starch structure on scalding of dough and baking expansion ability[J].Food Chemistry, 2021, 352:129350.
[52] BERTOLINI A C, MESTRES C, LOURDIN D, et al.Relationship between thermomechanical properties and baking expansion of sour cassava starch (Polvilho azedo)[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 2001, 81(4):429-435.
[53] DAZ A, DINI C, VI
A S Z, et al.Fermentation and drying effects on bread-making potential of sour cassava and ahipa starches[J].Food Research International, 2019, 116:620-627.
[54] KRAUS S, ENKE N, SCHUCHMANN H P, et al.Influence of sucrose content on expansion of extruded, starch-based pellets during microwave vacuum processing[J].Journal of Food Process Engineering, 2014, 37(6):628-634.
[55] GIMENO E, MORARU C I, KOKINI J L.Effect of xanthan gum and CMC on the structure and texture of corn flour pellets expanded by microwave heating[J].Cereal Chemistry, 2004, 81(1):100-107.
[56] WANG Y, ZHANG M, MUJUMDAR A S.Effect of cassava starch gel, fish gel and mixed gels and thermal treatment on structure development and various quality parameters in microwave vacuum-dried gel slices[J].Food Hydrocolloids, 2013, 33(1):26-37.
[57] NGUYEN T T, LE T Q, SONGSERMPONG S.Shrimp cassava cracker puffed by microwave technique:Effect of moisture and oil content on some physical characteristics[J].Agriculture and Natural Resources, 2013, 47(3):434-446.
[58] ZHOU J, SONG J, PARKER R.Structure and properties of starch-based foams prepared by microwave heating from extruded pellets[J].Carbohydrate Polymers, 2006, 63(4):466-475.
[59] ALTAN A.Effects of pretreatments and moisture content on microstructure and physical properties of microwave expanded hull-less barley[J].Food Research International, 2014, 56:126-135.
[60] WANG T, ZHANG M, FANG Z, et al.Effect of processing parameters on the pulsed-spouted microwave vacuum drying of puffed salted duck egg white/starch products[J].Drying Technology, 2016, 34(2):206-214.
[61] NATH A, CHATTOPADHYAY P K, MAJUMDAR G C.High temperature short time air puffed ready-to-eat (RTE) potato snacks:Process parameter optimization[J].Journal of Food Engineering, 2007, 80(3):770-780.
[62] TENG X, ZHANG M, MUJUMDAR A S.Strategies for controlling over-puffing of 3D-printed potato gel during microwave processing[J].LWT-Food Science and Technology, 2022, 153:112508.
[63] MANEEROTE J, NOOMHORM A, TAKHAR P S.Optimization of processing conditions to reduce oil uptake and enhance physico-chemical properties of deep fried rice crackers[J].LWT-Food Science and Technology, 2009, 42(4):805-812.