小麦粉主要由淀粉和蛋白质组成,是我国西部和北部地区的重要食物来源。在面粉生产过程中,小麦籽粒破碎后,由于胚乳与表皮接触,小麦表皮微生物进入小麦粉,导致面粉中微生物含量高,同时面粉在贮藏过程中,易吸湿、氧化、色泽变暗,造成品质下降。因此,小麦粉品质改善对于小麦粉的安全生产具有重要意义。
臭氧高效、易分解,不污染样品,可作为“理想的绿色强氧化剂”应用于现代食品工业。据以往研究报道,臭氧杀虫较彻底,可有效降低粮食中的微生物含量,达到杀菌防霉的效果,且能降解真菌毒素及农药残留,改善小麦及面粉品质,同时由于臭氧自身性质不稳定,能在短期内降解为氧气,不会造成残留污染[1-3]。臭氧水对小鼠经口半数致死量为20 g/kg BW,在急性毒性分级中归为实际无毒物质,证明了应用臭氧的安全性[4]。在生产实践中,通常以臭氧水或者臭氧气体对食品进行预处理、贮存和加工。臭氧具有较强的氧化性,可替代面粉中的溴酸钾、氯、过氧化苯甲酰等化学处理剂[5]。为系统了解臭氧对面粉品质的影响,本文综述了臭氧处理对面粉微生物及真菌毒素的作用,分析其对面粉加工特性理化指标、品质指标的影响,概述其相关机理,为其在工业化中的应用提供理论依据。
1 臭氧处理对面粉微生物及真菌毒素的影响
1.1 微生物
面粉类产品应用广泛,其微生物污染与加工食品的质量安全密切相关。在生产过程中,微生物指标超标会受到原麦、清洁程度、水的卫生状况、磨粉机的清洁度等诸多因素的影响[6]。目前,我国尚未建立起面粉的微生物限量标准体系,据报道,经检测分析,市场上面粉中霉菌的典型值为102 CFU/g,总霉菌污染的典型值为102～103 CFU/g,青霉属和曲霉属在面粉检出率中超过60%,黄曲霉菌检出率为37.1%[7]。因此,面粉的低菌化生产对食品安全具有重要意义。臭氧能够降低微生物含量,主要是因为它能够破坏微生物的细胞壁,将其中的有机质分解,改变细胞膜的通透性,进而杀死微生物。如表1所示,周建新等[8]利用臭氧水润麦生产低菌面粉,发现臭氧水能够有效控制润麦段微生物的生长,降低面粉中的微生物含量。贾浩等[9]研究表明,臭氧处理15 min能使面粉贮藏期间的减菌率达到94.68%。LI等[10]用臭氧处理面粉30 min和60 min后,贮藏结束时菌落总数显著下降。黄永军等[11]研究了臭氧处理对小麦胚微生物及理化品质的作用,发现小麦胚细菌的数量、含水量和脂肪酶相对活力随臭氧浓度的增加或时间的延长而逐渐减少。
表1 不同的臭氧处理方式对小麦及面粉中微生物的影响
Table 1 Effects of different ozone treatments on microbe in wheat and wheat flour
样品处理方式处理时间结果参考文献小麦 臭氧水润麦(5.5 mg/L)24 h面粉中的细菌、需氧芽孢数、蜡样芽孢杆菌、大肠杆菌和霉菌量分别下降13.4%、17.1%、100%、100%和15.6%[8]小麦 臭氧发生器(15 g/h、6 L/min)结合密闭贮藏15 min表面菌落总数在贮藏末期与对照组相比降低94.68%[9]小麦粉臭氧发生器产气量5 g/h,气流速率5 L/min30、60 min与对照组相比,贮藏结束时菌落总数30 min时下降49.6%,60 min时下降52.8% [10]小麦胚臭氧处理质量浓度40～120 mg/L15 min小麦胚中细菌总数随浓度的增加而减少。当质量浓度为120 mg/L时,细菌总数和霉菌总数分别下降了29.39%和19.33%[11]
1.2 真菌毒素
真菌毒素是真菌产生的一种低分子质量天然次生代谢产物。对人和动物具有较强的毒性,主要表现为肝、肾损伤和致畸。霉菌毒素污染会影响作物的种植、生长、收获、运输、贮存和加工,降低作物产量和质量,给农业经济造成重大损失[12]。呕吐毒素[又称脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol,DON)]、玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZEN)、黄曲霉毒素B1是小麦中常见的3种真菌毒素。臭氧具有强氧化性,能产生更多的自由基,自由基能够通过改变霉菌毒素的分子结构和形成具有较低分子质量的产物来对抗霉菌毒素的官能团,减少双键的数量,使毒性降低[13]。臭氧降解真菌毒素是与真菌毒素反应,与毒素溶液相比,受真菌毒素分布特点及粮粒水分含量影响,降解效果较差[14]。
1.2.1 DON
臭氧气体能降低小麦中的镰刀菌含量,使小麦中的DON含量下降,DON的脱毒原理是结构中的C9-C10位双键经氧化作用断裂(图1),分别形成醛基和羰基失去毒性[15]。用质量浓度为60 mg/L的臭氧处理DON污染的高中低3个浓度的小麦90 min,DON的降解率可达50%左右,且DON在低程度污染小麦中的降解效果较好[16]。如表2所示,不同的臭氧处理方式均能降低小麦中的DON含量,降解率随样品形式、处理方式及处理时间的改变而有明显不同。
表2 不同的臭氧处理方式对小麦及面粉中呕吐毒素的影响
Table 2 Effects of different ozone treatments on DON in wheat and wheat flour
样品处理方式处理时间结果参考文献小麦臭氧质量浓度3 mg/L4 h、8 hDON的降解率可达50%左右[17]小麦臭氧水质量浓度58.32 mg/L10 minDON初始含量为1.381 μg/mL的小麦,处理后降解率为33.44%[18]面粉臭氧质量浓度100 mg/L60 minDON降解率可达到70.5%以上[19]
图1 呕吐毒素的臭氧降解路径[20]
Fig.1 Ozonation pathway of emetic toxin[20]
1.2.2 ZEN
ZEN,也称为F-2毒素,主要由禾谷镰刀菌产生,小麦检出率为20%,毒素含量为0.364～11.05 mg/kg,会导致玉米、大米、小米、大麦、小麦和燕麦等谷物污染。齐丽君[21]用5 mg/L的臭氧处理ZEN标准溶液(20 μg/mL)5 s,经检测ZEN降解率超过90%,当臭氧质量浓度升高至10、20 mg/L时,利用HPLC几乎检测不到ZEN。马涵若[22]用臭氧(60 mg/L、120 min)处理面粉(水分含量12%),ZEN初始含量为141.87～271.65 μg/,处理后降解率可达57.75%以上。
1.2.3 黄曲霉毒素B1
黄曲霉和寄生曲霉等真菌在代谢过程中产生的黄曲霉毒素,是已知化学物质中最具致癌性的物质之一,国际癌症研究机构将其列为一级致癌物[23],我国对粮食中黄曲霉毒素B1的限量标准规定为≤5 μg/。在黄曲霉毒素B1初始含量为7.74～17.09 μg/kg的面粉(水分含量8.00%)中,经质量浓度为60 mg/L的臭氧处理120 min后其降解率可达64.90%以上[22]。
2 臭氧处理对面粉理化指标的影响
2.1 蛋白质
蛋白质作为影响小麦品质的重要指标,与小麦的加工品质、面团特性及面条品质具有很强的相关性。如表3所示,经不同方式的臭氧处理后面粉中蛋白质的相关指标均有不同程度的变化,黄雄伟等[24]利用5 mg/L的臭氧处理新收获小麦0.5～2.0 h,发现处理后的粗蛋白含量较对照组没有发生变化,与SANDHU等[25]研究结果一致。GOZÉ等[26]对其研究结果做出解释,该现象归因于分子尺寸增加和原有蛋白质聚合物的致密性增加,以及小麦颗粒被臭氧氧化,使醇溶蛋白的聚集状态普遍增强,其原因包括新的分子间形成S—S键、小范围内其他类型的分子间共价交联的形成以及二级结构的显著变化。钱建亚等[27]利用18 mg/L的臭氧对面筋蛋白粉进行处理,组一臭氧流量为2 L/min,处理0～60 min,组二处理20 min,臭氧流量0～5 L/min,发现臭氧处理可以改变面筋蛋白的网络结构,使蛋白分子拉伸,亲水基团和疏水基团外露,提高了面筋蛋白的溶解度、起泡性、泡沫稳定性、保水性和持油力,其弹性模量和黏性模量也随之增强,表现出较强的弹性特征,复合黏度的变化幅度增大。
表3 不同的臭氧处理方式对小麦及面粉中蛋白质的影响
Table 3 Effects of different ozone treatments on protein in wheat and wheat flour
样品处理方式处理时间结果参考文献小麦5 mg/L0.5～2.0 h粗蛋白含量无变化[24]小麦臭氧2.0 m3 NTP/h -小麦醇溶蛋白的SDS溶解度显著降低[26]小麦面筋、麦谷蛋白和麦醇溶蛋白5 g/h,5 L/min0～60 min处理组蛋白质的巯基含量均显著低于未经臭氧处理的样品[28]
注:NTP表示常温常压(normal temperature pressure);-表示处理时间不详;SDS表示十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate)
2.2 淀粉
淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的高分子碳水化合物。黄雄伟等[24]研究发现随臭氧处理时间延长粗淀粉含量下降了4%。SANDHU等[25]对面粉和分离出的小麦淀粉用臭氧处理,发现淀粉氧化为羧基和酮基,高分子质量支链淀粉部分解聚成低分子质量淀粉聚合物和直链淀粉。秦先魁等[2]用5 mg/mL的臭氧处理小麦0～2 h,发现随臭氧处理时间延长羧基含量上升,羰基含量先增后减,这是因为反应初期羟基被氧化成羰基和羧基,大多数羰基又因反应继续进行转化成羧基。GOZÉ等[29]则发现,用33.34 L/min臭氧处理小麦籽粒,淀粉中的羧基含量略有增加但不显著,淀粉分子质量分布与支链长度分布也无差异,不发生解聚。
2.3 脂质
闵照永等[30]用臭氧处理小麦粉10～40 min,发现随着处理时间的延长,面粉的粗脂肪含量无明显变化。DUBOIS等[31]则发现臭氧处理没有改变小麦籽粒的甘油三酯比例,而亚油酸略有下降,棕榈酸、硬脂酸、肉豆蔻酸的比例略有增加。OBADI等[32]研究表明臭氧处理45 min后全麦粉的p-茴香胺值增加近48倍、过氧化值增加了近5倍,且随时间延长亚油酸、硬脂酸、亚麻酸的含量略有下降。臭氧能够通过Criegee反应与不饱和化合物反应产生不稳定臭氧化物,这种臭氧化合物很容易分解为具有酸性和碱性基团的两性化合物和羰基化合物,因为两性化合物不稳定,所以可以分解为酸和醛,它们可以结合在无水环境中产生环状三氧戊烷化合物,或者产生一系列醛和过氧化物[33]。挥发性醛类和部分胺类是小麦粉的主要风味物质,所占比例较高的是壬醛和壬烯醛,而后是正己醛和癸醛,李曼[34]用臭氧产量5 g/h,空气流速5 L/min的臭氧发生器处理面粉15 min,经过4 d的贮藏,小麦粉主要风味成分无明显变化,风味物质的种类增加,相对含量发生变化,正己醛所占比例升高,超过壬烯醛。由上述结论可知,适度的臭氧处理对面粉的脂质及风味影响不大,但过度处理会导致劣变程度增加,面粉品质下降。
3 臭氧处理对面粉品质指标的影响
3.1 湿面筋含量
黄雄伟等[24]研究发现,臭氧处理能够显著增加新收获小麦的湿面筋含量,当处理时间达到1.5 h时,湿面筋含量达到最大值,相比对照组增加10.4%左右,1.5 h后湿面筋含量随时间延长开始减少,这与MEI等[35]研究结果一致,其还发现适度处理会造成面粉蛋白质中谷蛋白发生交联,通过相互作用产生不溶物质,而过度处理则会导致样品中蛋白质分子弱化。李雪杰等[36]用规格为15 g/L、出气质量浓度5 mg/L的臭氧发生器处理全麦粉15～35 min,结果表明15 min时,湿面筋含量较对照组增加11.6%,而后随时间延长开始降低。湿面筋含量增加可能是经过处理增加了不溶性蛋白与可溶性蛋白的比值,面筋蛋白充分吸水发生膨胀,形成较为完整的网络结构,减少洗涤过程中的流失,进而增加湿面筋含量,而长时间处理会造成比值下降。上述两种结果中湿面筋含量达到最大值时处理时间的长短差异较大,可能是由于实验材料的不同,小麦皮层较硬,短时间的臭氧处理无法深入其内部。
3.2 流变学特性
湿面筋含量与面团流变学特性具有较强的相关性。臭氧的强氧化作用导致多数巯基被氧化,促使二硫键的形成,进而面粉蛋白质含量下降,面团流变学特性得到改善。高小燕等[37]用两种方式处理面粉,一种是1～5 L/min的臭氧流量处理面粉10 min,另一种是2 L/min的臭氧流量分别处理面粉20、40、60 min,发现臭氧处理能够有效改善面团粉质特性,面粉吸水率和稳定性随臭氧强度增强而增大,面团形成时间和弱化度均减小但差异不显著,前3个指标随处理时间延长均增大,弱化度仍减小。张威等[38]用低强度(0.61 g/h)和高强度(3.82 g/h)的臭氧分别处理面粉5、15、30 min,结果表明在低强度处理下,面团的吸水率没有显著变化,面团的形成时间和稳定时间明显增加,从而提高面团弹性。
面筋蛋白中半胱氨酸残基上巯基的状态直接影响其聚合性能。臭氧可以氧化巯基形成网状结构的大分子面筋蛋白,增强面筋的弹性,高强度处理时间为15、30 min时,面团吸水率明显上升,与对照组和处理时间5 min的面粉相比,面团稳定时间较低,过度处理会使面团品质下降[39]。在室温、臭氧处理浓度为5 mg/L,处理时间0.5～2.0 h,用吹泡仪测得在吹泡过程中面团所需最大压力P值逐渐增大,体现面团的延伸性和持气能力的L值逐渐下降,P/L值(表示曲线的形状,反映柔韧性和延展性的相互关系)逐渐增大,气泡膨胀直到破裂所必需的能量W值先减小后增加[24],这表明面粉的抗延伸阻力随着臭氧处理时间延长而增加,延展性减小。
3.3 破损淀粉含量
破损淀粉会提高面团的吸水率和淀粉对淀粉酶的敏感性,从而影响面制品的品质[36]。黄雄伟等[24]发现随着臭氧处理时间的延长(≥1.0 h),新收获小麦的破损淀粉含量在处理时间为2.0 h时,较对照组增加了近1.8倍。LEE等[40]用质量浓度为120 mg/L的臭氧处理小麦粉样品15～60 min,处理组面粉的破损淀粉含量在60 min时增加了2.9%,这是因为臭氧处理使淀粉分子解聚,同时在处理的过程中发生了氧化和自由基反应使淀粉颗粒被破坏。
3.4 糊化特性
破损淀粉含量会影响面粉的糊化特性。闵照永等[30]研究发现随通入臭氧时间的延长,面粉的峰值黏度、谷值黏度、破损值均有所增加,但与对照组相比,峰值黏度和谷值黏度出峰时间滞后,将其归结于臭氧处理能够明显改善小麦组分的含量,特别是改变与糊化特性相关性较强的蛋白质含量及质量、淀粉含量[41-42],经检测与未处理组相比,面粉的淀粉、蛋白质含量均降低,面团持水力随臭氧处理时间的延长而增强,淀粉颗粒膨胀势较高,且淀粉长链之间的氢键结构被打散,直链淀粉由于水的作用更易游离,同时由于臭氧的作用可以使与淀粉有关的蛋白质分解,使淀粉颗粒吸收水分并膨胀,然后糊化以增加峰值黏度。
李柳燕[1]研究结论与上述结果稍有不同,发现随处理时间延长,臭氧强度较低时,面粉峰值黏度、衰减值、回生值显著增大,强度较高时,除上述3个指标增加,最低黏度和最终黏度也显著增大,这与LI等[43]和LEE等[40]研究结果基本一致,原因归结为两方面:(1)臭氧处理可能会使面粉的α-淀粉酶失活,减少糊化过程中淀粉的解聚;(2)臭氧将羟基氧化成羧基,羧基所带的负电荷之间彼此排斥。淀粉颗粒由于热作用在水中发生膨胀,与水结合的能力增强,因而更易于糊化[44]。
3.5 pH
李柳燕[1]用低强度(0.61 g/h)和高强度(3.82 g/h)的臭氧处理小麦0～30 min,低强度臭氧处理时,pH变化不大,高强度处理下pH会随处理时间的增加明显降低,处理30 min时降低约为0.93,这与CHITTRAKORN等[45]和LEE等[40]研究结果一致,并推测面粉碳水化合物、氨基酸、不饱和脂肪酸会被臭氧氧化,形成酸性物质,使pH降低[46]。
3.6 脂肪酸值
脂肪酸值与pH具有较强的相关性。张威等[38]通过对面粉进行不同强度和不同时间的臭氧处理,发现低强度臭氧处理时,面粉脂肪酸值变化较小,高强度处理时则明显升高,且随处理时间的延长而增加,处理时间达到30 min时,与对照组相比脂肪酸值增加量约71 mg KOH/100g。随着臭氧处理时间和强度的增加,脂质氧化会加剧,面粉中存在的各种不饱和脂肪酸氧化程度的增加会导致氢过氧化物的生成,这些因素会导致分解过程中次生代谢物丙二醛含量增加,而丙二醛能被广泛用于评价脂质的氧化程度[47],它在低强度臭氧处理下的增加量约为1.2 mg/kg,高强度下约为3.7 mg/kg[38]。张威等[38]还发现采用低强度臭氧处理面粉的脂肪酸组成变化不大,在高强度处理下,亚油酸、亚麻酸、油酸含量随着臭氧处理时间的延长而降低,而壬酸、癸酸、壬二酸、十一烷酸含量上升,并将其归因于不饱和脂肪酸被氧化,生成中链脂肪酸和中链二元酸[48]。
3.7 多酚氧化酶活性
接近小麦皮层的区域多酚氧化酶和酚类物质含量较高,面粉所制面条中的多酚氧化酶可以将酚类物质转化为醌类物质,该过程称为酶促褐变,它能够加快鲜湿面条的褐变速率,使产品品质下降。李曼[34]研究发现臭氧处理面粉60 min时,面粉中多酚氧化酶活性明显下降。
3.8 色泽
臭氧处理能够改善面粉色泽,衡量面粉色泽的指标主要有白度、面粉色度值和L*、a*、b*值, 其中面粉色度值的正常范围为-4～20,值越大,面粉色泽越差。徐威威等[49]在面粉中添加100～700 mg的臭氧,对其白度、面粉色度值、L*、a*、b*值进行测定,随臭氧添加量的增多,面粉白度和L*值整体呈上升趋势,面粉色度值、a*值、b*值整体下降,表明臭氧处理对不同品种的面粉色泽均有改善作用。高小燕等[37]用1～5 L/min流量的臭氧处理面粉10 min,测定其面粉白度,结果表明臭氧处理后面粉白度升高,但处理强度间没有显著差异,面粉白度在流量为1 L/min的臭氧处理下达到最高值。邵慧丽[50]利用臭氧(75 mg/kg)处理小麦(30、60、90 min)后,面粉L*值显著增加。经研究发现,面粉及制品色泽主要受遗传和非遗传因素两方面的影响[50],王君婵等[51]通过比较不同品种、不同地点、不同年份面粉色泽差异,指出面粉色泽主要由基因型决定。然而SAIZ等[52]研究发现臭氧能将面粉中含有的显色物质氧化,使该物质中利于发色的共轭体系变为颜色较浅的非共轭体系,从而改善面粉色泽[52]。
4 总结与展望
本文通过综述臭氧处理对面粉品质特性的影响,并对其作用机理进行分析。各研究表明,臭氧处理能够有效改善面粉的品质特性,降低其中的微生物含量,降解真菌毒素,适度的臭氧处理还能在一定程度上改善面团流变学特性、增加面粉亮度、降低黏性,且在一定范围内,对面粉品质无负面影响。然而,由于臭氧分解速度较快,在现实中属暂存状态,故通常在应用时所测量的浓度与在样品中实际应用的浓度存在较大偏差,造成了数值的不确定性,目前该技术在改善面粉品质中的应用尚不成熟,所以后续研究应加强臭氧在面粉中应用的作用机理,这对实现其在工业化生产中的应用具有重要意义。
未来研究需在以下几个方面展开:(1)研究臭氧对面粉终产品(如面条、馒头、面包等)的影响;(2)探究多种方法复合处理弥补单一处理所造成的不足(如在降低微生物含量方面,采用2种或3种杀菌技术联合处理,如臭氧与微波复合处理,臭氧、微波和脉冲强光技术复合处理),使其能够更好的应用到工业化生产中。
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