小麦是全球产量最高的粮食作物之一,大部分小麦会被加工研磨成小麦粉。小麦粉由于其具有独特的面筋特性而成为目前应用最广泛的食品原料之一,许多主食食品都是由小麦粉制成的,包括面条、馒头、面包等。但是,小麦在收获、贮藏和运输过程中易受到微生物的污染,这些微生物会在研磨过程中混入到小麦粉中。同时,小麦皮层和胚中的脂肪酶和过氧化氢酶等酶会加速小麦在贮藏过程中发生氧化酸败。这些都会影响小麦及其制品的品质及储藏稳定性[1]。同时,有研究发现,使用具有较高黏度和持水能力的面粉制作的面包、馒头等面制品往往具有更好的口感[2]。因此,小麦品质的改善对于食品工业拥有重要意义。热处理在提升小麦安全性、改善小麦品质等方面均已得到广泛研究和应用。
传统的热处理方式,如干热处理、微波加热等在小麦加工中应用广泛。但是这些方法存在能耗高、加热不均匀等问题。例如干热处理,其设备投资少、适应性广,但其以空气为传热介质导致其传热效率较低,这就使得干热处理的时间相对较长,能耗较高。微波处理虽能提高加热速率,但由于小麦籽粒大小分布不均,且籽粒内部水分分布存在差异,易造成加热不均匀,温度难以精准控制等问题[3]。过热蒸汽相比于饱和蒸汽拥有更高的温度和更多的热量,是一种拥有大量热量的高温气态水。与微波加热、干热处理等常见的热处理方式相比,过热蒸汽拥有低氧的加工环境,可以有效避免小麦中脂类物质在处理过程中发生氧化酸败而导致小麦品质下降。同时过热蒸汽拥有更高的传热效率和更高的能效,其能够迅速使小麦的温度上升,提高处理效率,并且处理后的蒸汽可以进入到加热器中重复利用,进而降低能耗[4]。以往的研究显示,过热蒸汽能有效去除小麦籽粒中的微生物,与常见的灭菌方式相比,过热蒸汽所需时间更短,灭菌的效果更好[5]。除了灭菌外,过热蒸汽还可以显著改善小麦及其制品的品质,经过热蒸汽处理后的小麦淀粉,其黏度和流变学特性会得到显著提高[6]。经过热蒸汽处理后,小麦麸皮的理化性质得到了改善,在提高了其品质的同时,提高其粉碎效率[7]。本文综述了过热蒸汽对小麦中主要成分及加工特性的影响,同时深入分析了该处理方式对微生物和酶的灭活效应及其对主要真菌毒素的降解作用,以期为促进过热蒸汽在小麦深加工中的应用提供参考。
1 过热蒸汽处理对小麦粉主要组分及其加工副产物的影响
1.1 过热蒸汽处理对小麦粉主要组分的影响
小麦淀粉、蛋白质和脂质是小麦粉中的主要成分,它们性质的改变会直接影响到面包、馒头等面制品的品质。过热蒸汽可以使直链淀粉从淀粉颗粒中溶出,增加直链淀粉的含量。过热蒸汽也会使小麦蛋白质形成更多的大聚体。这些变化会改善面团的流变学特性,使小麦粉的持水力增强,黏度增大[8]。过热蒸汽的低氧环境能抑制谷物中的不饱和脂肪酸的氧化,对于小麦粉中营养成分的保留具有重要意义[9]。过热蒸汽处理小麦过程中水分迁移示意图如图1所示[10]。
图1 过热蒸汽处理小麦过程中水分迁移示意图[10]
Fig.1 Schematic diagram of water migration during superheated steam treatment of wheat[10]
1.1.1 过热蒸汽处理对小麦淀粉的影响
淀粉是小麦中的主要成分,占小麦组分的63%～72%,对面制品的品质有着显著影响[11]。但是,由于面制品种类不断增多,品质要求不断提高,天然小麦淀粉的性质已经难以完全满足食品的需求。目前,主要是通过化学、酶法和物理方法对小麦淀粉进行改性。但是化学改性会有试剂残留,严重影响食品安全。酶法的成本较高。因此,环境友好、成本较低的物理改性方式受到了食品行业的广泛关注[12]。过热蒸汽具有传热效率高、环保、节能等优点,是一种良好的淀粉热改性方式。LIU等[13]研究发现,过热蒸汽处理后的小麦籽粒,在降解脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol,DON)的同时,小麦淀粉会发生部分糊化。MA等[14]研究发现,过热蒸汽处理后的小麦淀粉,其中的慢消化淀粉和抗性淀粉的含量增加。HU等[15]对小麦粉进行过热蒸汽处理后也得出慢消化淀粉和抗性淀粉含量升高的相似结论。这可能是因为过热蒸汽使小麦淀粉结晶区的重排,形成更多的V型结晶,使淀粉的水解率降低。
直链淀粉和支链淀粉的比例是淀粉的一个重要指标,与淀粉的消化特性、糊化特性、溶解度等密切相关。LIU等[16]研究发现,165 ℃和190 ℃的过热蒸汽处理均能显著提高小麦籽粒中直链淀粉的比例,且165 ℃时直链淀粉的比例始终高于190 ℃。这是因为过热蒸汽处理破坏了小麦淀粉无定形区的双螺旋结构,使直链淀粉从淀粉颗粒中溶出,导致直链淀粉的比例增加。而190 ℃的过热蒸汽在处理过程中冷凝水的比例较低,会限制淀粉的流动,阻碍淀粉之间发生交联,最终会限制直链淀粉比例的升高。
1.1.2 过热蒸汽处理对小麦蛋白质的影响
小麦中的蛋白质,尤其是醇溶蛋白和麦谷蛋白性质和含量对面制品的品质至关重要。过热蒸汽可以显著改变小麦中面筋蛋白的结构和分子质量,从而影响小麦粉的理化特性。MA等[17]研究发现,小麦粉经150 ℃过热蒸汽处理1 min后,小麦粉中的十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)不可提取蛋白(unextractable polymeric proteins,UPP)含量显著增加。如图2所示,过热蒸汽的高温作用会使小麦粉中醇溶蛋白和谷蛋白的结构发生变化,其中的游离巯基会发生氧化反应和交换反应变成二硫键,这些分子间和分子内的二硫键会相互作用使小麦蛋白质之间发生聚集,形成UPP。UPP的含量增加会使小麦粉中面筋蛋白之间的交联程度提高,形成更稳定的面筋结构。胡月明[18]对小麦籽粒进行过热蒸汽处理后发现,小麦蛋白质中的二硫键增多,这与马永帅[19]的结论相似。同时,过热蒸汽处理会使小麦蛋白和淀粉之间联系的更加紧密,这些变化也会使UPP含量增加。柳志玲[20]研究发现,过热蒸汽会使面筋蛋白中的α-螺旋和β-折叠增加,无规则卷曲减少,并加强蛋白质与淀粉、脂质的相互作用。过热蒸汽处理后的小麦蛋白表面疏水性降低,过热蒸汽使得小麦蛋白质之间发生疏水性聚合,使疏水基团被包裹在内部,这些变化会提高面筋蛋白的起泡能力和乳化能力。
图2 过热蒸汽对小麦粉影响示意图
Fig.2 Schematic diagram of the effect of superheated steam on wheat flour
小麦粉中的氢键和二硫键的分子间重排在促进面筋蛋白聚集的同时,会降低其凝胶体系的强度,这会在一定程度上弱化面筋蛋白的筋力,使小麦面团和面糊的持气性增加,这有助于提升饼干和蛋糕等面制品的品质[17]。小麦粉经过热蒸汽处理后,海绵蛋糕糊中的气泡数量会有显著增加,蛋糕的松软性和体积得到提升[19]。小麦籽粒经115～190 ℃、1～7 min的过热蒸汽处理后,饼干的裂纹扩展率显著提高,硬度显著降低[21]。总之,面筋蛋白在经过适度的过热蒸汽处理后,结构会发生改变,分子质量会显著增加,从而使其功能特性发生改变。
1.1.3 过热蒸汽处理对小麦脂质的影响
小麦粉中的脂质含量较少却极易氧化酸败,是导致小麦粉品质下降的重要因素。小麦粉中的脂质主要通过水解和氧化2种反应发生酸败。小麦粉中的脂肪酶和脂肪氧化酶等酶会将小麦粉中的不饱和脂肪酸水解成游离的脂肪酸,这些游离的脂肪酸又会很快被过氧化氢酶氧化成过氧化物。这就会造成小麦粉在贮藏过程中发生变质[22]。过热蒸汽可以抑制脂肪酶和脂肪氧化酶的活性,改变甘油酯和甘油磷脂亚类的代谢,延缓脂质在谷物贮藏期间的水解和氧化,延长小麦及小麦产品的贮藏时间[9]。研究发现,经过热蒸汽处理后的全麦粉制成的面条,其中游离脂肪酸增加的速率会显著下降[23]。这是因为过热蒸汽可以降低全麦粉中脂肪酶的活性,减缓了脂质的氧化酸败速率。麦麸在经170 ℃的过热蒸汽处理7 min后,其中过氧化值没有发生显著变化,而在经相同温度干热处理后其过氧化值会显著增大。这是因为脂质在干热处理时,与氧气接触会加速其氧化变质,使亚油酸等不饱和脂肪酸中的不饱和双键变成饱和的单键,而过热蒸汽的低氧环境可以有效地避免这一问题[24]。总之过热蒸汽可以有效地延缓小麦中脂质的降解和不饱和脂肪酸的氧化,阻止脂质中营养物质的流失,从而延缓小麦在储藏过程中品质的劣化。
1.2 过热蒸汽处理对小麦加工副产物的影响
麸皮和胚是小麦的加工副产物,其中含有丰富的维生素、矿物质和膳食纤维。但是麸皮以及胚中的脂肪酶等酶的活性较高,使其在储藏过程中发生酸败。并且由于麸皮和小麦粉之间的理化性质有较大差异,将其直接混入面团中,会对面团品质产生负面影响,使面团的硬度升高、黏度降低,从而降低面制品的品质[25]。所以需要对麸皮进行预处理,来改善麸皮的加工和食用品质。过热蒸汽作为一种应用广泛的热处理方式,可以抑制脂肪酶等酶的活性,使脂肪酸值的增长速率变得缓慢。有研究发现,混有麸皮的全麦粉在经过热蒸汽处理后,全麦粉的糊化特性和流变学特性会得到显著的提升[26]。
1.2.1 过热蒸汽处理对小麦麸皮的影响
小麦麸皮主要是由小麦籽粒的皮层部分和糊粉层部分组成,约占小麦籽粒的15%左右,是小麦制粉过程中的主要副产物,是人类膳食纤维稳定且丰富的来源。但是,麸皮中不溶性膳食纤维和植酸盐的含量很高,会导致其口感变差。麸皮中脂肪酶会导致麸皮氧化酸败,降低其贮藏稳定性[27]。所以,需要对麸皮进行改性来提升麸皮的品质。植酸盐的热稳定性不佳,过热蒸汽的高温作用可以将麸皮中的植酸盐降解成磷酸肌醇脂和磷酸盐。吴绍华等[26]发现全麦粉经过190 ℃的过热蒸汽处理10 s后,植酸的含量降低了28%。研究表明,将粒度更细的麸皮回填至面粉中,全麦粉的品质更好;然而,由于麸皮本身具有难以加工的特性,传统粉碎方式在降低其粒度时面临较大困难[28]。过热蒸汽处理后的麦麸,粉碎效率会升高,粒径会降低。这是因为过热蒸汽可以破坏麸皮中的纤维素-半纤维素-木质素之间的紧密结构,使麸皮变得更易粉碎,这可以使全麦粉的口感得到改善。同时,过热蒸汽处理麦麸并不会造成麦麸中维生素、蛋白质、矿物质、膳食纤维等非淀粉类营养物质的损失,并且相比于未处理的麦麸表现出更强的抗氧化活性[24]。此外,麦麸在经过热蒸汽处理后,麦麸的亮度会降低,颜色会向红色和黄色转变。这是因为过热蒸汽的高温作用,会使麦麸发生焦糖化反应,这会直接影响麸皮的色泽[7]。
1.2.2 过热蒸汽处理对小麦胚的影响
小麦胚作为小麦加工过程中的副产物,约占小麦籽粒的2%～3%。小麦胚中富含矿物质、脂类、维生素、类黄酮和生育酚等微量营养素,是兼顾营养和功能保健的天然食品[29]。但是,小麦胚中的脂肪酶和脂肪氧化酶等酶的活性很高,会将小麦胚中的不饱和脂肪酸水解成游离的脂肪酸,这些游离的脂肪酸又会很快被过氧化氢酶氧化成过氧化物。这就会造成麦胚会在分离出的极短的时间内变质[22]。相比于常见的热处理方式,过热蒸汽可以在不显著降低小麦胚中活性物质的同时,大幅提高小麦胚的贮藏性能。展小彬等[30]研究发现210 ℃的过热蒸汽处理麦胚30 s,将其贮藏30 d后,其脂肪酸值与未处理的相比,从624 mg/100 g下降到了354.89 mg/100 g,大幅延缓了小麦胚的氧化酸败速率。总之,过热蒸汽可以使小麦胚中的游离脂肪酸的增长速率降低,延长小麦胚的贮藏时间。
2 过热蒸汽处理对小麦粉加工特性的影响
2.1 过热蒸汽处理对小麦面团流变学特性的影响
小麦粉中的面筋蛋白含量和淀粉类型是影响面团流变学特性的主要因素。柳志玲等[31]研究发现,在面团中加入过热蒸汽处理后的谷朊粉可以改善小麦粉的粉质特性和增加面团的最佳发酵高度。将170～200 ℃的过热蒸汽处理后的谷朊粉添加到面团中,面团的最大发酵高度随温度的升高呈先增大后减小的趋势。在170 ℃时,面团的稳定时间,随时间的延长呈上升的趋势,但是在200 ℃时面团的稳定时间随时间的延长呈先增大后减小的趋势。这表明过热蒸汽处理后的谷朊粉可以使面团中的面筋结构变得更加稳定,可以有效地提升面团的持气能力,但是极端条件下的过热蒸汽,会使面筋蛋白严重变性,使其功能性质被破坏,面筋结构变差。
过热蒸汽可以显著改善小麦粉的粉质特性。HU等[32]通过170 ℃的过热蒸汽处理小麦粉1～4 min后发现,小麦粉的吸水率没有发生显著变化,小麦面团的形成时间和稳定时间随处理时间的延长呈上升的趋势。小麦籽粒在经过110～200 ℃的过热蒸汽处理后,面团的吸水率没有发生显著变化,形成时间和稳定时间随温度的升高呈上升趋势。但是,当过热蒸汽的温度达到200 ℃,时间达到3 min时,小麦粉已无法正常形成面团[33]。这是因为过热蒸汽使面筋蛋白中的二硫键发生了重排,形成了更稳定的面筋结构,使面团的抗剪切力增强,但极端的温度和时间会破坏面粉中淀粉和蛋白质的功能特性,使之无法正常聚集在一起形成面团,这也是过热蒸汽改善蛋糕、饼干等低筋烘焙食品品质的根本原因。全麦粉在经过155～170 ℃的过热蒸汽处理后,其形成时间和稳定时间随温度的上升,呈先升高后降低的趋势[26]。因此,适宜的处理温度和处理时间对小麦粉的品质改善至关重要。
2.2 过热蒸汽处理对小麦粉糊化特性的影响
糊化特性作为小麦粉重要的品质指标,可以很好地反映小麦粉的品质特性。全麦粉在经过155～170 ℃的过热蒸汽处理后,其黏度随温度的升高呈上升的趋势,但是当温度超过170 ℃时,其峰值黏度和谷值黏度会随温度的升高逐渐下降[26]。小麦粉在经170 ℃过热蒸汽处理1 min后,其糊化温度、峰值黏度、谷值黏度和最终黏度显著上升[19]。小麦籽粒经115～190 ℃的过热蒸汽处理1～9 min后,其制成的小麦粉的崩解值、谷值黏度、回生值和峰值黏度会随着温度的升高和处理时间延长呈上升的趋势,但是当处理温度达到215 ℃时,其峰值黏度、谷值黏度会随着处理时间的延长呈先上升后下降的趋势[21]。MA等[14]研究发现,小麦淀粉在经130～170 ℃的过热蒸汽处理后,其峰值黏度、谷值黏度和最终黏度等糊化特性随温度的升高呈下降的趋势,与直接处理小麦粉的趋势相反。这是因为过热蒸汽直接处理小麦淀粉时,会使部分小麦淀粉颗粒发生熔融,导致其分子链降解,分子链之间交联变得困难而使其黏度降低。而过热蒸汽作用于小麦粉时,不仅会对其中的淀粉产生影响还会影响其中的蛋白质和脂质。这就会使得面粉中的淀粉与淀粉之间,淀粉与蛋白、脂质之间以及蛋白与蛋白之间的相互作用增强,使小麦粉的抗剪切力增强,最终使得小麦粉整体体系的峰值黏度、谷值黏度和最终黏度升高。同时,过热蒸汽会使小麦粉中的蛋白质变性,变性的蛋白质会包裹在淀粉颗粒表面,形成障碍,这会显著提高小麦粉的糊化温度,延长淀粉的糊化时间[15]。
2.3 过热蒸汽处理对小麦粉粒度的影响
小麦粉粒度的变化会影响最后产品的品质。粒度太细会导致面包体积变小,饼干易碎,太粗又会导致面制品的口感欠佳。过热蒸汽处理可以改变面粉的粒度分布和平均粒径。由于A型和B型淀粉的数量差异,原面粉的粒径呈双峰分布,而过热蒸汽处理后由于小麦淀粉的部分糊化和小麦蛋白的变性,导致了淀粉-淀粉和淀粉-蛋白聚集体的形成,改变了小麦粉粒径分布,使得D(4, 3)、D(3, 2)、D10、D50和D90的含量增加,最终使小麦粉的粒径呈单峰分布[34]。HU等[33]研究发现,经110～200 ℃的过热蒸汽处理1～3 min后的小麦籽粒制成的粉,粒径随温度的升高和时间的延长整体呈增大趋势;但是,当处理条件为110 ℃、1 min时,所制得的小麦粉,相比于对照组粒径反而会减小。这是因为较高温度的过热蒸汽会增强小麦籽粒的脆性,使其在制粉过程中更易破碎,从而导致面粉粒经增大;而当温度较低时,小麦籽粒会吸收更多冷凝蒸汽,韧性随之增强,研磨时更难破碎,因此粒径呈现相反的变化趋势。
2.4 过热蒸汽处理对小麦粉中损伤淀粉含量的影响
过热蒸汽处理的温度和时间会影响小麦粉中损伤淀粉的含量。胡月明[18]研究发现,小麦籽粒在110～170 ℃过热蒸汽处理1～3 min后可以降低损伤淀粉的含量,但是在相同的时间下,200 ℃的时候会增加损伤淀粉的含量。这是因为随着温度升高,过热蒸汽冷凝水的量明显减少,使得在小麦制粉时,其中的淀粉在受到铣削力的作用时更容易破损[35]。LIU等[16]研究发现, 软质小麦在165 ℃和190 ℃的过热蒸汽处理下,其中损伤淀粉的含量随着处理时间的延长会显著增加,并且在相同的处理时间下,190 ℃处理后的损伤淀粉含量要始终高于165 ℃。因此,控制过热蒸汽温度和处理时间,对于控制过热蒸汽处理过程中的破损淀粉含量的变化具有重要意义。淀粉损伤程度的增加会导致小麦粉的吸水率增加。淀粉适当的破损和糊化对于面包、馒头、蛋糕等面制品的品质是有利的。破损淀粉可以促进面包和馒头制作过程中面团的发酵,破损淀粉引起的吸水率增加,有助于改善蛋糕的体积和柔软性[36]。但是淀粉发生过度的糊化和破损就会严重劣化产品的品质,导致小麦面条的蒸煮损失率增加[37]。不同的食品对小麦粉中破损淀粉的含量要求不同,因此应根据食品的种类,去控制小麦粉中破损淀粉的含量。
如图2所示,过热蒸汽处理诱导小麦粉中淀粉、蛋白质的分子结构发生改变,这些组分的协同变化进而影响其糊化特性、流变学特性等加工特性变化[38]。
3 过热蒸汽处理对小麦安全特性的影响
小麦中微生物和真菌毒素的含量过高会显著影响小麦及其制品的质量安全。小麦中的微生物和真菌毒素主要存在于皮层中,小麦研磨制粉过程可以去除大部分的微生物和真菌毒素,但是由于在研磨时麸皮和面粉的接触以及麸星的残留,会导致有部分微生物和真菌毒素留存在小麦粉中[39]。过热蒸汽可以加快水分在小麦籽粒内部的传递,缩短润麦时间[40],这可以有效地减少润麦过程中的微生物污染。如图3所示,过热蒸汽可以通过其较高的温度和传热效率,有效地杀灭谷物中微生物和降解其中的真菌毒素,降低谷物中脂肪酶等酶的活性,提高其贮藏安全性[41]。
图3 过热蒸汽杀灭细菌示意图
Fig.3 Diagram of bacteria elimination by superheated steam
3.1 过热蒸汽处理对小麦中微生物的影响
小麦粉中的微生物含量与面制品的质量安全密切相关,然而我国针对小麦粉中微生物的限量标准尚未形成完整的体系。经检测分析表明,市场上小麦粉中霉菌污染的典型数值为102 CFU/g,青霉属和曲霉属在小麦粉检出率中均超过60%,黄曲霉菌在小麦粉中的检出率为37.1%[42]。小麦粉中的微生物含量过高会加速其腐败变质,严重影响面制品的质量安全。过热蒸汽可以有效降低小麦及小麦粉中微生物的含量,延长面制品的货架期。研究发现,经过热蒸汽处理的全麦粉制成的半干面,货架期可以延长4～5 d[23]。过热蒸汽处理后的小麦粉制成的鲜湿面,货架期可以延长至2 d[37]。
过热蒸汽具有较高的温度,且能够协同对流传热、辐射传热、热传导3种传热方式形成综合传热机制,因而其能够快速的破坏微生物的结构,达到快速杀菌的目的[4]。与干热灭菌、高压蒸汽灭菌等常见的灭菌方式相比,过热蒸汽灭菌的速度更快也更安全。并且过热蒸汽的处理环境是低氧的,可以防止小麦在处理过程中发生氧化[43]。如表1所示,不同的样品在经过热蒸汽处理后,其中的微生物含量均会发生显著下降。HU等[5]通过对小麦籽粒进行过热蒸汽处理,发现在200 ℃的条件下,处理80 s可以完全去除霉菌,去除99.9%的细菌和81.8%的芽孢杆菌,且过热蒸汽对小麦粉的杀菌效率要优于小麦籽粒。GUO等[23]研究发现,用155 ℃的过热蒸汽处理全麦粉10 s,全麦粉中的菌落总数值即可从4.38 lg CFU/g降低至1.82 lg CFU/g。190 ℃的过热蒸汽处理10 s,可将菌落总数降低至检出限以下。这是因为小麦粉颗粒更细小,过热蒸汽在小麦粉表面传热效率更高。另外,由于小麦表皮的阻隔小麦籽粒内部的微生物,过热蒸汽需要更长的时间才能杀灭,这也会影响小麦籽粒的杀菌效果。研究发现,大部分细菌和霉菌容易除去,而芽孢杆菌因其能够耐高温而很难被去除。过热蒸汽杀灭芽孢杆菌的效率要优于其他热处理方法。如图1所示,过热蒸汽在初始阶段会发生冷凝现象,这些冷凝水可以促进孢子的萌发,降低孢子的耐热性,从而可以有效的对孢子进行杀灭。CENKOWSKI等[44]研究发现,过热蒸汽在175 ℃的条件下处理小麦籽粒2.2 min,芽孢杆菌的去除率可以达到90%。干热灭菌需要在140 ℃处理20 min以上,才能达到相同的去除效果[45]。
表1 过热蒸汽在杀菌中的应用
Table 1 Application of superheated steam in sterilization
样品处理温度/℃处理时间结果参考文献小麦籽粒20080 s完全去除霉菌,去除99.9%的细菌和81.8%的芽孢杆菌[5]小麦籽粒1752.2 min90%的芽孢杆菌被杀灭[44]全麦粉 19010 s菌落总数降低至检出限以下[23]小麦粉 1506 s菌落总数值从4.5 lg CFU/g,降低至2.1 lg CFU/g[37]
过热蒸汽的温度和流速是影响过热蒸汽杀菌效率的重要因素。增加过热蒸汽的温度、流速会提高过热蒸汽的杀菌效率。HU等[5]研究发现,当蒸汽流速从7.5 m/s增加到15 m/s时,细菌、霉菌和芽孢杆菌的杀灭效率均得到了显著提升。这是因为增加流速会使蒸汽传递更多的热量到小麦中,冷凝水也会增多。湿热环境下可以降低微生物的耐热性,提高杀菌效率。但对于芽孢杆菌而言,110 ℃与140 ℃的过热蒸汽处理对其杀菌效率无显著差异;只有过热蒸汽温度超过140 ℃时,其对芽孢杆菌的杀菌效率才会显著提升。这一现象也表明芽孢杆菌的耐热性较高,只有当处理温度超过140 ℃时,才能对其实现有效的杀灭。有研究显示,在过热蒸汽处理的前40 s,小麦籽粒中的微生物含量下降的速度最快[5]。考虑到过热蒸汽处理可能会影响小麦的品质。因此,在实际生产过程中应在保证灭菌效率的情况下,尽可能地减少过热蒸汽处理的温度和时间。
3.2 过热蒸汽处理对小麦中真菌毒素的影响
DON是小麦中最常见的真菌毒素,是由镰刀菌属的某些真菌产生的次级代谢产物。同时DON的性质稳定,很难用简单的方式将其降解,给人和动物的健康以及农业经济的发展带来了巨大的威胁。过热蒸汽相比于传统的热处理方式,其传热效率更高,更容易破坏DON的结构,同时过热蒸汽的处理是在低氧环境下进行的,所以过热蒸汽降解DON的原理是热降解而非氧化,这可以很大程度的避免小麦的品质发生劣化。PRONYK等[46]发现,当过热蒸汽的温度小于160 ℃时,小麦籽粒中的DON几乎不发生降解。但是当用180 ℃的过热蒸汽处理6 min后,小麦籽粒中的DON含量下降了53%。LIU等[13]用265 ℃过热蒸汽处理6 min后,发现小麦籽粒中的DON的降解率达到了77.4%。当过热蒸汽的流速从1 m/s提高到3 m/s时,DON的降解率得到了显著提升。增加过热蒸汽的流速,会增加过热蒸汽向小麦籽粒热量的传递,提高DON的降解率。小麦中的水分含量的增加会降低DON的降解率,因为小麦中的水分会和DON竞争吸收热量,导致DON无法吸收到足够的热量而使其难以发生降解。当小麦麸皮的含水量从10%增加到19%时,小麦麸皮中的DON的降解率从50%左右下降到了20%左右[47]。当过热蒸汽处理小麦籽粒时,小麦籽粒中DON的降解率要高于所制得小麦粉中DON的降解率。小麦籽粒中DON的最高降解率为77.4%,而其制成的小麦粉中的最大降解率仅为60.5%[13]。这是因为DON主要集中于小麦籽粒的皮层部分,同时皮层阻隔了过热蒸汽的热量向籽粒内部传递,影响了胚乳中DON的降解。总之,过热蒸汽是通过其较高的温度和传热效率去破坏DON中毒性基团的结构来降低DON的毒性[48]。并且过热蒸汽的温度、流速和小麦的含水率均会影响小麦中真菌毒素的降解,在实际的应用中,应选择合适的条件进行处理。
3.3 过热蒸汽处理对小麦中酶活性的影响
小麦中存在的脂肪酶、脂肪氧化酶、过氧化物酶等都会影响小麦及其制品的安全特性,因此酶钝化对小麦及其制品的品质至关重要。过热蒸汽钝化酶的原理是通过其较高的温度和传热效率使酶的结构发生改变,从而使其失去活性[49]。脂肪酶和脂肪氧化酶会使小麦粉中的脂质在储藏过程中发生氧化酸败产生异味。如表2所示,过热蒸汽可以使小麦及其加工副产物中的脂肪酶等酶的活性发生显著降低。研究发现,210 ℃的过热蒸汽处理麦胚30 s,即可使其中脂肪酶的灭活率达到60.94%,脂肪氧化酶的灭活率达到85%[50]。HU等[24]研究发现,170 ℃过热蒸汽处理7 min后的麦麸,其中脂肪酶基本被钝化,这会显著延长含麸食物的保质期。小麦籽粒中的脂肪酶经170 ℃的过热蒸汽处理5 min,其活性降低50%以上[9]。与籽粒相比,小麦粉中的脂肪酶和脂肪氧化酶更容易失活。190 ℃只需处理10 s,全麦粉中脂肪酶会完全失活[23]。
表2 过热蒸汽在灭酶中的应用
Table 2 The application of superheated steam in enzyme inactivation
样品处理温度/℃处理时间结果参考文献全麦粉19010 s脂肪酶、脂肪氧合酶和多酚氧化酶活性分别降低100%、99%和83%。[23]麦麸 1707 min脂肪酶、过氧化物酶、脂肪氧化酶活性降低100%。[24]麦胚 21030 s脂肪酶和脂肪氧化酶的活性分别降低60.94%和85%。[50]
过氧化物酶可以催化脂肪酸氧化成氢过氧化物或羟基酸,对小麦粉及其制品品质产生负面影响。但是与脂肪酶相比,过氧化物酶更稳定、更难钝化。过热蒸汽是钝化小麦中过氧化物酶的有效方式,170 ℃过热蒸汽处理麦麸7 min后,麦麸中的过氧化物酶会完全失活。在相同的温度下,干热处理想要达到同样的处理效果需要16 min[24]。对于不同的小麦制品,所需的淀粉酶的活性不同。适宜的淀粉酶活性对于发酵制品拥有重要意义,适量的淀粉酶可以使一些淀粉水解成多糖,这些多糖可以为酵母菌提供能量,帮助其在发酵过程中产气,使馒头和面包等发酵面制品变得更加蓬松。但是,淀粉酶的活性太高又会破坏淀粉的结构,导致面团黏软,结构弱化、持气性降低。因此,合适的淀粉酶对发酵产品的品质提升具有重要作用。小麦籽粒经过110～200 ℃的过热蒸汽处理1～3 min后,其中α-淀粉酶的活性随着温度的升高和时间的延长逐渐下降[33]。提高小麦或小麦粉中的水分含量可以加速其中酶活性的丧失[51]。总之,过热蒸汽可以通过其高温作用,使小麦及其制品中的脂肪酶等酶失活,使小麦在贮藏过程中变得更加稳定。
4 结论与展望
本文综述了过热蒸汽处理对小麦及其加工副产物质量安全的影响,并对其作用机理进行分析。发现过热蒸汽处理能够有效改善小麦及其加工副产物的品质,使小麦淀粉和蛋白质的结构和功能发生改变,提高麦麸的粉碎效率,延长麦胚的贮藏时间。过热蒸汽还可以改善小麦粉的糊化特性、小麦面团的流变学特性等加工特性,使小麦粉的峰值黏度、谷值黏度等值上升,使面团的形成时间、稳定时间延长,并且在一定的范围内几乎不对小麦粉的品质产生负面影响。过热蒸汽还能够有效降低小麦中的微生物含量,降解其中的真菌毒素,使脂肪酶等酶失活。虽然过热蒸汽已经得到了广泛的研究,但是解释其作用的机理,扩展其应用范围依然是不可缺少的。
未来研究还需要从以下3个方面展开:a)开展多技术联合应用的研发:探索过热蒸汽与其他技术,如超高压、微波、超声等技术的协同应用。研究复合处理对小麦及其副产物的品质、功能以及安全特性的影响,开发出更高效、更具特色的小麦热加工新技术。b)过热蒸汽设备的创新与节能研究:将更先进的保温隔热材料和智能蒸汽回收系统引入到过热蒸汽设备的研发中,减少过热蒸汽处理过程中热量的损失和蒸汽的浪费,节约能源,降低能耗。c)实现过热蒸汽在小麦加工厂中的工业化应用:过热蒸汽可以结合智能控制技术和流化床技术,实现小麦快速、均匀的热处理,实现过热蒸汽在小麦加工中的大规模应用。
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