高静压技术对谷物加工的影响范文

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《粮油食品科技杂志》2014年第三期

1HHP处理对谷物和豆类化学组分的影响

1．1HHP处理对自由水和结合水的影响水具有独特的物理性质，如高热容、高沸点、高表面张力、高潜热等，这些性质称为水的特异性。水的特异性是由于水分子之间形成的三维网络结构、分子间氢键、四面体组合等原因造成的。在恒温条件下，如果显著地改变了水的体积，水的性质也会发生变化。例如在超过600MPa的高静水压下，水介质会发生凝固结冰现象。水在细胞中以自由水与结合水2种状态存在。自由水是在生物体内或细胞内可以自由流动，是良好的溶剂和运输工具，用水分活度表示。自由水对于HHP处理效果影响较大;结合水是指在细胞内与其它物质结合在一起的水。稻谷籽粒及其各组成部分的水分含量各不相同。皮层含水量较高，故韧性较大，易于碾剥。胚乳含水量较低，籽粒强度大，不易碾碎。稻壳含水量最低，脆性大，易于脱壳。这种水分分布不均对稻谷的加工是很有利的［15］。阮征等［16］采用HHP处理，并用蔗糖等调节水分活度，结果发现，水分活度低于0．94时，在室温下400MPa处理红酵母15min所产生的致死作用会受到抑制。30℃，水分活度为0．96时，400MPa，15min的处理可使酵母细胞减少1个数量级;当水分活度减至0．94，酵母失活不足两个数量级;当水分活度低于0．91，几乎没有失活现象。研究表明，水分活度大小对微生物抵抗压力非常关键，对于固体与半固体食品的HHP处理，考虑水分活度的大小十分重要。

1．2HHP处理对蛋白质结构和功能的影响HHP对蛋白质分子的影响表现为以下方面:对于一级结构基本无影响，有利于二级结构的稳定，会破坏其三级结构和四级结构，迫使蛋白质的原始结构伸展，分子从紧密而有序的构造转变为松散而无序的构造。蛋白质经过HHP处理后，溶解性、起泡性和乳化性等都会发生改变。

1．2．1蛋白质溶解性苏丹等［17］经过大量研究发现:大豆蛋白在400～600MPa下处理20min后，其亚基结构发生明显

变化，7S和11S蛋白含量显著增加;大豆蛋白巯基含量和表面疏水性都明显增加。同时HHP处理能够使较大的蛋白质分子颗粒解聚成较小的颗粒，这使得蛋白质颗粒溶解于溶液中的体积分数增加，使溶液的分散性增强。薛路舟等［18］以大豆分离蛋白的溶解度为研究对象，发现其会随压力的增大而增大，且在0～100MPa时的溶解度变化最大。在300MPa下，随着HHP处理时间延长，大豆分离蛋白溶解度也明显增加，但当处理压力大于400MPa时，大豆分离蛋白质质量分数大于5%，其溶解度就会降低。

1．2．2蛋白质凝胶特性张宏康等［19］通过HHP和热处理两种不同方法得到大豆分离蛋白凝胶，并且对凝胶样品进行了感官分析。结果发现，随着温度及处理压力的增高、大豆分离蛋白质量分数的增大，HHP处理得到的凝胶强度会增高，热处理得到的凝胶强度不及高静压处理所得到的凝胶，而且HHP处理的凝胶外观更加平滑、细致，因此可以断定HHP处理得到的凝胶更加优质。

1．2．3蛋白质乳化性质袁道强等［20］研究发现在压力400MPa，处理时间12．5min，pH为8．0条件下，大豆分离蛋白的乳化能力与乳化稳定性可分别提高86．6%和24．7%。李晓等［21］以花生分离蛋白为研究对象发现，花生分离蛋白溶液经400MPa、15minHHP处理后，其乳化性提高。通过凝胶电泳可以发现，在400MPa条件下处理后，蛋白分子发生一定程度的解聚和伸展;而通过红外光谱分析可以发现，蛋白质电荷分布加强;通过扫描电镜可以发现，400MPa处理后蛋白会消失一些不溶性颗粒。导致花生分离蛋白分子乳化性变化的原因主要是因为HHP改变了其分子结构。

1．2．4蛋白质粘度和粘弹性经HHP处理后，大豆分离蛋白溶液的表观粘度会增加，且随着处理压力的提高，其储能模量G＇和损耗模量G″也随着增大。豆浆黏度会在超过200MPa的压力下表现出增大趋势，其中在300～400MPa下，黏度的增加最为明显，这是由于在此压力范围内，豆浆中的蛋白质解聚和伸展较为明显。随着豆浆浓度的增大其黏度也会增大。但高静压处理所产生的增黏效果会随着豆浆浓度的不同而改变。张宏康［22］的研究也显示豆浆的黏度会随着处理压力的增高而呈线性增高的趋势。

1．3HHP对酶活力的影响酶的化学本质是蛋白质，其核心组成是活性中心。高静压作用可使盐键、疏水键以及氢键等被破坏，这些都是维持三维结构的次级键，从而导致了酶蛋白三级结构崩溃，使酶活性中丧失或改变其氨基酸的组成，从而达到改变催化活性的目的［23］。脂肪氧化酶(LOX)是催化脂肪氧化的酶类。陈复生等［24］研究发现，在大豆中，脂肪氧化酶的浓度越高，其抗压性越大，且在Tris缓冲液中或室温下都十分耐压，如果充入二氧化氮或者降低、增高温度都会增大其压力失活的效果。Wang［25］以豆浆和大豆提取物中的脂肪氧化酶为研究对象，发现HHP会使它们脂肪氧化酶发生钝化。脂肪氧化酶的等温和等压钝化作用在两种体系中是不可逆的，且在压力—温度联合测试中遵从一级反应。在整个压力—温度区域中(250～650MPa和5～60℃)，两个体系在恒温的情况下，随着压力的增加，脂肪氧化酶钝化速率常数增加，在大豆提取物中的速率常数相对豆浆中的大一些。在等压条件下，两种体系脂肪氧化酶在20℃时表现了最大的稳定性。在高温条件下，随着压力的增加，两种体系脂肪氧化酶钝化速率常数温度依赖性降低，而在30℃时脂肪氧化酶钝化速率常数对压力最为敏感。在其他领域中，HHP对酶的影响也很大。Cano等［26］以果胶甲基酯酶为研究对象发现:在室温下，新鲜橘汁中果胶甲基酯酶在100～400MPa处理下可被灭活。西红柿中的果胶甲基酯酶对压力的抗性略大，随着pH值的降低，它的压力稳定性也降低，在高温度(59～60℃)和低压条件下，西红柿的果胶甲基酯酶被激活。德力格尔桑等［27］发现，牛乳中脂肪酶活性随着压力增加而急剧下降。在室温、500MPa下，分别处理8、6和4min，脂肪酶活性几乎不变;提高压力至700MPa时脂肪酶活性分别下降77%、66%和45%;继续升高压力至900MPa时脂肪酶完全钝化。施压时间和压力对脂肪酶的钝化效应极显著(P＜0．01)。

1．4HHP处理对淀粉结构和物理特性的影响HHP处理时，在压力作用下，淀粉颗粒将会溶胀分裂，其晶体结构遭到某种程度的破坏，内部有序态分子间的氢键断裂，分散成无序的状态，同时淀粉分子的长键断裂，因此，HHP处理，将使谷物和豆类中淀粉的糊化特性、结晶结构等性质发生改变。淀粉的种类不同其受到压力的影响也不同，在室温下压力超300MPa时，小麦淀粉开始糊化，600MPa时小麦淀粉会完全糊化;而同样在600MPa下，马铃薯淀粉则没有变化，直至800MPa时才会完全糊化［28］。杨留枝等［29］应用X－射线衍射和偏光显微镜对600MPa下，不同浓度的氯化钙介质处理的马铃薯淀粉进行了分析研究，结果发现，氯化钙不论在何种浓度下均会抑制淀粉的糊化，且保持较好的偏光十字;马铃薯淀粉的结晶结构在低浓度氯化钙下影响不大，而在高浓度的氯化钙中会被严重破坏。刘延奇等［30］以玉米淀粉颗粒为研究对象，发现玉米淀粉经400、500、600MPa处理后，其偏光十字和特征衍射峰随着压力的增大而逐渐变弱并消失;在未达到糊化状态之前，淀粉颗粒表面随着压力的增大而被逐渐消磨，直至淀粉颗粒出现塌陷情况;结晶度随着压力的增大而逐渐降低，当压力达到600MPa时，其结晶区域完全消失。Stolt等［28］研究发现10%粘玉米淀粉经450MPa处理110min，粘度系数不超过7Pa，而经550MPa下处理5～10min粘度系数能达到20Pa。粘度系数的结果与储能模量G＇的测试结果完全相同，除了在长时间加压的情况下储能模量G＇降低，由此可知过度的压力会削弱凝胶结构。

1．5HHP处理对植物化学素的影响李凤［31］以大豆膳食纤维为研究对象，将其充分吸水后经700MPa静压，15min处理后考察持水率、膨胀率、黏度和显微结构的变化。结果发现，样品的膨胀率、持水率经处理后都有较大的提高，而黏度略有下降;样品经处理后，组织结构越来越疏松，空隙更多更大，但是其瓣膜状的空间结构没有改变。赵健等［32］研究发现，薯渣膳食纤维化学结构经HHP处理后基本没有影响，但纤维构成比例发生了改变，水溶性纤维含量降低，不溶性纤维含量增加，且膳食纤维的结合胆酸盐能力和吸附葡萄糖能力均有提高，在500MPa处理时效果最为明显。因此可以得出，薯渣膳食纤维经HHP后能将葡萄糖浓度控制在较低的水平，能有效抑制餐后血糖的急速升高。维生素特别是水溶性维生素在热加工中极易损失，而在高静压加工中Vc、B1、B2、B6等维生素没有被破坏。目前HHP处理对于谷物和豆类中维生素和矿物质的影响并无报道。在其他系统中，HHP处理对果蔬中维生素和矿物质影响较少［33］。如动物食品如蛋制品中也发现在20℃，400MPa高压下处理30min，大部分的Vc能够被保持［34］。

2HHP技术在谷物和豆类加工中的应用

2．1HHP技术在大米中应用HHP技术在大米中主要应用于减少过敏原物质及解决陈米口感方面。大米一直以来都被视作消费量大、安全的谷物。然而，自从1979年Shibasa-ki［35］首次关注大米球蛋白的安全问题，认为其容易诱使人体发生哮喘、过敏性皮疹、过敏性皮炎等疾病以来，大米过敏等安全问题也得到了人们的大量关注。大米中的蛋白质约占胚乳中的8%。这些蛋白是由5%～10%的醇溶蛋白，4%～10%的球蛋白，80%～90%的谷蛋白组成。研究表明大米蛋白特别是16kDa的清蛋白和26kDa的α－球蛋白的摄入可能引起过敏。但相关研究主要集中在过敏原蛋白的鉴定上。近年来，一些学者研究采用HHP的加工方式，降低和减少大米蛋白中的过敏原物质［36］。Kato等［36］研究了HHP对大米过敏原蛋白的影响。在100～400MPa的压力下处理置于蒸馏水中的精白米，大米释放大量的过敏原蛋白(约0．2～0．5mg/g);在300～400MPa的压力下，过敏原蛋白质的释放量最大;继续升高压力到500MPa时，过敏原蛋白释放无显著增加。对大米过敏患者的血清进行抗原抗体反应试验，发现食用高静压大米后体内的抗原量有明显减少。YamazakiA等［37］研究发现，在HHP处理中大米过敏原蛋白质的溶解和释放与浸泡大米的提取液相关。在300MPa下，处理置于0．025mol/L氢氧化钠溶液中的大米，会释放出大量的醇溶蛋白和谷蛋白;处理置于70%的乙醇溶液中的大米，会释放出大量分子量为13Da的醇溶蛋白;处理置于1mol/L的食盐水中的大米，会释放出大量α－球蛋白。因此应根据自身需求选择不同的提取液以便准确、方便、高效的得到所需的蛋白质。徐洲等［35］认为在操作压力400MPa左右，升压速度、减压速度2MPa/s以上，浸泡时间30min以上，浸泡中性盐溶液的浓度0．01mol以上时，1单位大米在以0．5单位中性盐溶液中经HHP处理可有选择性地提取、去除大米中的球蛋白、清蛋白等过敏原，从而制备低过敏原大米。淀粉是大米的重要组成部分，新米淀粉质膜中的淀粉质膜和胚乳细胞壁柔软，煮制过程中易被破坏，从而部分流出，增强了米饭的口感和粘性，入口柔软。而存放较长的陈米由于其细胞壁和细胞膜已连接在一起，口感略硬、粘度降低。将陈米进行HHP处理，条件是将陈米吸水湿润后在20℃、50～300Mpa下处理10min。得到的米粒再按常规方法煮制，其粘度上升、硬度下降、平衡值提高到新米范围，也改变了其光泽和香气，如同新米一样。煮制时间也可大大减少［38］。为了使产品具有较长的保藏期，也可将谷物和豆类采用HHP处理，如用二次脉冲高压处理绿豆，贮藏一月后，与常规保藏方法相比，99%的过氧化酶失活，且较好的保留了绿豆的硬度和维生素C［39］。

2．2高静压技术在大豆及制品中的应用HHP技术在大豆及制品中主要起到灭菌和灭酶(油脂稳定化)的作用。Pre''''stamo［40］报道在58℃下，400MPa高静压处理后，豆腐中的微生物大幅降低。并假设HHP处理的效果主要取决于HHP的保压时间。还有研究认为一些微生物在HHP处理前后未发生变化，具有抗HHP的作用，例如在高压处理豆腐后一些芽孢杆菌能够保持活性。HHP对微生物灭活的影响取决于微生物的类型、保压时间、处理温度、溶液的成分等几个因素。除了温度和保压时间，影响HHP处理效果的另一个显著因素是环境介质。食品成分如蔗糖、果糖、葡萄糖和盐的渗透等有助于高压环境中微生物的存活［41］。在大豆制品中，异味(特别是腐败风味和豆腥味)主要产生于脂肪氧合酶的作用。因为脂肪氧合酶的分解导致氢过氧化物含量的增加。脂肪氧合酶对于热很敏感，在82℃以上加热15min即可破坏［42］。酶的热稳定性已经有大量的研究，但是HHP处理酶使其灭活的原理尚未明确［43］。在常压下，温度升高至60～70℃可达到灭酶的作用。而在高静压下经过一个循环或者多个循环仅需较低的温度即可达到灭酶的效果［44］。在350～525MPa，10～40℃，应用多循环处理灭活大豆脂肪氧合酶对比单个循环仅需更低的温度即可［45］。不同介质对于HHP灭酶效果影响很大，如在商品大豆脂肪氧合酶－I溶于0．2mol柠檬酸磷酸盐(pH4．0～9．0)和0．2molTris(pH6．0～9．0)缓冲溶液，置于400和600MPa压力下20min，在碱性条件下脂肪氧合酶丧失了80%的活性，然而在酸性条件下完全失活［46］。

2．3HHP技术在小麦和大麦中的应用HHP技术在小麦和大麦中的应用主要体现在对淀粉酶的影响及对小麦面筋强度的影响。小麦和大麦等中的主要内源性生物酶是淀粉酶。淀粉酶能使淀粉水解成为葡萄糖，改变其面团的性质，从而提高面包体积。在特定的条件下，将一些酶暴露在HHP的环境下，被发现能够提高酶的活性，然而，当压力继续提高，酶将会因为活性位点发生改性而失活。Gomes等研究表明［47］，在室温下25%大麦和小麦粉糊样品在400～600MPa高压下处理10～20min后，可溶性碳水化合物含量大幅提高，糖的含量减少。Gomes还研究了从大麦麦芽中分离出的淀粉酶在室温下，pH4．8～6．9的缓冲盐溶液，200～600MPa高压下处理10min，酶活性的减少在酸性条件下减少更快。小麦蛋白能形成面筋，具有独特的粘弹性，研究表明［48］含水的小麦面筋在200～800MPa、20～60℃下，经HHP处理20～60min，采用TPA分析表明，面筋的弹性模量提高了2～3倍。

3HHP技术在谷物和豆类加工中的应用展望

传统热处理难以在保持谷物和豆类口感和风味的同时，保持其功能活性，因此亟待新技术在粮食加工领域的应用。HHP可以克服传统热加工的弊端，在加工过程中保持食品原有的营养成分，且色泽、口感好，贮存期长，处理过程中一般不伴随化学变化的发生，有利于生态环境的保护［8］。HHP用于处理谷物和豆类原料时，可在常温或较低的温度下，使物料中的酶、蛋白质和淀粉等生物大分子性质发生改变，拓展了谷物和豆类原料的应用范围。同时杀死微生物甚至微生物的芽孢［49］达到灭菌保鲜。因此将HHP技术应用于谷物和豆类加工，对于我国粮食资源的高效利用具有重要的意义。目前HHP应用于谷物和豆类加工还存在很多问题，如有关HHP科学的理论体系尚不完善;HHP设备处理量小，达不到连续化大批量生产;设备本身昂贵，导致HHP加工产品成本偏高。随着相关基础研究工作的深入，以及相关装备制造技术的不断加强和进步，HHP加工技术将在谷物和豆类的加工中得到广泛应用，发展前景十分广阔。

作者：刘明谭斌孙志坚汪丽萍吴娜娜田晓红于国萍单位：国家粮食局科学研究院东北农业大学食品学院