超高压技术在大米保鲜中的应用_巩雪.pdf

超高压技术在大米保鲜中的应用doi:10.3969/j.issn.1674-7100.2023.03.005收稿日期：2023-03-07基金项目：大学生创新创业训练计划基金资助项目（202210240129）作者简介：巩 雪（1981-），女，辽宁锦州人，哈尔滨商业大学副教授，硕士生导师，主要从事农产品加工技术及装备 研究，E-mail：巩 雪 寇雪莹 张英蕾李子谣 唐慕蓉 孙苏玲张银雪哈尔滨商业大学轻工学院黑龙江 哈尔滨 150028摘要：总结和回顾超高压技术在大米保鲜应用中的研究概况和主要成果，分析了过去研究中存在的问题，对今后的发展提出了建议。关键词：超高压；大米；淀粉；蛋白质；食用品质中图分类号：TB485.9 文献标志码：A文章编号：1674-7100(2023)03-0031-06引文格式：巩 雪，寇雪莹，张英蕾，等.大米超高压包装技术研究进展 J.包装学报，2023，15(3)：31-36,84.2023 年 第 15 卷 第 3 期 Vol.15 No.3 May 2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL03我国是世界上大米生产和消费的第一大国，大约2/3 的人以大米为主食1。大米既能提供人体所需的糖类、蛋白质、脂肪和膳食纤维等营养成分，又能提供人体所需的铁、硒等矿物质。随着储藏时间的延长，大米的物理和化学特性会产生变化，进而影响大米的品质，出现黏稠度降低、口感变差，甚至煮出来的米粒发黄、无光泽度、无米香的现象2。目前，我国大米保鲜方式主要有普通包装、真空包装、气调包装等。普通包装对大米无防虫、防霉效果3；真空包装和气调包装都有利于大米水分的保持，但在一定程度上会增加大米脂肪酸含量和米饭硬度；对于保鲜效果而言，真空包装更好4。近些年，超高压技术（ultra-high pressure，UHP）成为食品加工与保鲜领域的研究热点5。该技术是一种新型的非热加工技术，不仅能杀死食品的细菌、霉菌和寄生虫等，还能较好地保留食品的风味、色泽、营养物质，延长食品的保质期6-7。故本研究以大米为例，综述超高压技术在大米保鲜应用中的研究现状，并对今后的发展提出展望。1 超高压技术原理及特点1.1 超高压技术原理超高压技术也称为超高压杀菌技术，是一种食品加工技术，是指在常温或较低温度条件下，以液体为介质，对食品施加 100 MPa 或以上的压力，使食品中的淀粉、蛋白质、酶等生物大分子改变活性、变性或糊化，杀灭微生物的技术8-10。该技术利用勒夏特列原理和帕斯卡定律。勒夏特列原理指出，化学平衡是动态平衡，受温度、压力和浓度的影响；当平衡系统发生变化时，平衡将朝着减弱这种变化的方向移动。帕斯卡定律指出，液体压力可以瞬时快速、均匀地向系统各个方向传递11。高压处理时，平衡体系将朝着体积减小的方向移动，大分子物质的非共价键如氢键、离子键、疏水键等会发生变化，从而导致淀粉黏性下降、蛋白质变性、酶活力下降，而小分子物质的共价键受到的影响不大，因而食品的色泽、香味、口感等能被较好地保留5。-32-2023 年 第 15 卷 第 3 期 Vol.15 No.3 May 2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL031.2 超高压技术特点超高压技术有以下 5 个特点12-13：1）操作安全、简单。2）时间短、效率高。3）节能、污染少。4）食品本身的色泽、味道、香气等风味，维生素、纤维素等天然营养物质，均能较好地被保留。5）新的物性食物可以通过组织变性获得。2 超高压处理对大米品质的影响2.1 淀粉淀粉是大米的主要成分（含量为 62%86%），也是人体生命活动所需能量的主要来源14。超高压处理会对淀粉的颗粒形貌（如形态、粒径分布等）、微观结构等产生显著影响，使其功能特性如糊化特性、老化特性、溶解度、透光率、流变特性等发生变化15。2.1.1 糊化特性淀粉糊化是指在一定温度下，淀粉颗粒吸水膨胀、破裂而形成黏稠状胶体溶液的过程。糊化的本质是晶质与非晶质态的淀粉分子间的氢键断开，微晶束分离，形成一种间隙较大的立体网状结构。糊化度是指淀粉中糊化淀粉与全部淀粉的质量比。淀粉的糊化度会受到温度、压力等因素的影响16。有学者研究发现谷物淀粉对压力敏感，在 500 MPa 以上的压力下 10 min 即可完全糊化17-18。Gao J.Q.等19研究发现在 600 MPa 加压 5 min，大米淀粉的糊化率提高75%，糊化度达到 85%的时间减少 46%，吸热能力减少 36%。李玥20的研究结果表明，大米淀粉糊化度的升高主要是由淀粉颗粒的膨胀引起；糊化初期，淀粉颗粒吸水膨胀是直链淀粉溶出的必要条件。在超高压条件下，直链淀粉分子会聚集，不能形成脂肪-淀粉复合物，从而导致淀粉颗粒吸水膨胀，糊化度提高21。2.1.2 老化特性淀粉老化与糊化后淀粉分子结构的排列密切相关。淀粉老化表现出透明度下降、变硬，形成凝胶或析水率降低22。淀粉老化过程包括淀粉分子在水中的转移、水分的重新分配和再结晶23。大米的感官品质、口感以及保质期等都会受到淀粉老化的影响19。高嘉琦24研究发现超高压处理大米时，糊化度达到85%所需的时间缩短，且糊化过程中吸收热量也明显减少，其糊化速率会随着压力的增大而明显加快。侯磊等25的研究结果表明，超高压处理经过质量分数为 0.8%的柠檬酸溶液浸泡的大米时，随着压力的增加，淀粉糊化度逐渐增高，大米老化度显著降低。2.1.3 淀粉结构及消化性淀粉主要分为直链淀粉和支链淀粉两大类，两者在大米中的比例是影响大米蒸煮条件和食味品质的主要因素26。朱秀梅27的研究表明，直链淀粉的含量随着压力的增加而增加，直链淀粉的含量在 140 MPa下达到最高；超高压作用下，支链淀粉会被降解，含量降低。淀粉颗粒的形状和结晶结构、直链-支链淀粉的比率等都是影响淀粉消化率的内在因素28。王硕等29研究发现，超高压会破坏淀粉结构，进而影响淀粉的消化性；淀粉的消化率会随着压力的升高而升高。此外，有研究表明超高压处理有助于降低食品加工后淀粉葡萄糖的释放量。综上所述，超高压处理会对大米的淀粉结构产生影响，提高大米的糊化度和析水率，降低大米的老化速率，同时还能提高大米的感官品质和食用品质，使大米的营养成分可以最大程度地被保留下来，延长其保质期。2.2 蛋白质蛋白质是大米的第二大成分（含量为6%9%），是人类膳食中蛋白质的主要来源17。用 Osborne 法分级提取的 4 类大米蛋白质为水溶性清蛋白、盐溶性蛋白、醇溶性蛋白、稀酸或稀碱溶性谷蛋白30-31。2.2.1 蛋白质结构蛋白质结构可分为一、二、三和四级结构，其中二级结构取决于多肽链内和多肽链之间的氢键，有稳定-螺旋、-转角、-折叠和不规则卷曲等结构32-33。超高压处理不会影响蛋白质的一级结构，但是会对二、三、四级结构产生影响。压力会引起蛋白质的局部或整体变化，最终达到蛋白质变性的目的34。杨柳怡35研究了 100500 MPa 压力对大米蛋白结构的影响。研究结果表明，随着压力的增加，大米蛋白二级结构中-螺旋和无规则卷曲含量逐渐降低，-折叠含量升高，而-转角含量则是先升高后降低；随着压力的增加，大米蛋白质中游离巯基含量和表面疏水性呈先上升后下降的趋势，300 MPa 时最高。张晶36研究发现高压均质处理会影响大米蛋白质的三级结构，但不会影响大米蛋白质的亚基结构。张栋昊等30研究发现，超高压技术可以改变大米中蛋白质的二级结构（-螺旋、-折叠和不规则卷曲结构），影响蛋白质与淀粉分子间的相互作用，-33-超高压技术在大米保鲜中的应用巩 雪，等03进而改善米饭的质构特征。此外，超高压技术还能促进蛋白质、氨基酸的降解，激活大米中内源酶活性，促使米饭中香气和滋味化合物的生成，提高米饭的食用品质。2.2.2 蛋白质溶解性蛋白质溶解性是指蛋白质分散于水中的数量，取决于分子之间的排斥力和吸引力的平衡37。蛋白质原料作为食品的先决条件之一是蛋白质水化作用。蛋白质溶解性是蛋白质水化作用的一个重要表现，直接影响食品中蛋白质的稳定性及其风味等38。管弋铦等39研究发现，用不同压力（200600 MPa）对大米进行超高压处理时，随着压力的升高，蛋白质溶解性呈现先升高后降低的趋势；超高压处理会使蛋白质分子结构松散，将蛋白质有序结构转化为无序结构，降低蛋白质有序结构含量，进而提高蛋白质溶解性。王章存等40研究了在 pH 值为 8 的不同溶剂下（氢氧化钠溶液，以浓度为 6 mol/L 的尿素和体积分数为1%的-疏基乙醇配置的水溶液），高压处理对大米蛋白质溶解性的影响。结果表明，当处理压力增加时，蛋白质溶解性得到了明显的改善；在 100 MPa压力、保压 20 min 下，蛋白质溶解度最高。另外，研究发现大米的蛋白质含量与食味品质呈显著的负相关。随着蛋白质含量的增加，大米的硬度增加，弹性降低，大米的色泽和食味品质变差41。蛋白质含量直接影响到熟制米饭的吸水率。蛋白质含量低、黏度高、质地较硬的大米能烹制成松软的米饭42。综上所述，超高压下大米的蛋白质结构会发生变化，蛋白质溶解性增加，从而增强大米的香味，改善大米的品质和口感。2.3 其他营养成分除了淀粉和蛋白质外，大米还有含量约为0.6%3.9%的脂类、丰富的B族维生素和矿物元素等17。大米中的脂类主要是不饱和脂肪酸，易于水解和氧化。脂类氧化会使脂肪酸含量增加、淀粉强度增大，进而导致米饭口感变差。因此，脂肪酸含量常用作评价大米品质的重要指标43。励建荣等44研究发现，在脂类的状态变化中，压力与主临界温度呈线性关系，超高压对脂类的影响是可逆的。M.N.Marie-Olive 等45的研究结果表明，在 50350 MPa 的高压下，残余酶的活性增加能更好地保护脂肪酶。另外，酶的活性部分是以非共价键为主，对压力更为敏感。在超高压条件下，这种压力主要作用于非共价键，因而酶的活性中心结构会发生改变，影响酶的催化活性46。这说明超高压下脂肪酶的活性增强，可以更高效地水解脂肪酸，降低脂肪酸含量。赵卿宇等47研究发现，大米中脂肪酸的含量越低，大米的品质越好。大米中的维生素和矿物质也是人体所需的重要营养物质48。詹耀49研究了超高压处理对糙米物性品质的影响，检测了在 200,400,500 MPa 压力下糙米的维生素 B1、钙和铁的含量。结果表明：超高压处理对维生素 B1 的影响不大；虽然超高压处理会降低钙和铁的含量，但是在钙和铁的保留率方面超高压处理对糙米仍有显著的优越性。可见，超高压处理可以较好地保留食品中的钙、铁，最大限度保留食品的营养价值。3 展望超高压技术能较好保留食品本身的色泽、风味等食用品质，因而在食品领域的应用前景广阔。目前，国内外对超高压处理大米的保鲜包装技术研究相对较少，主要研究的是大米淀粉和蛋白质的结构变化对食品品质的影响。与发达国家相比，我国超高压技术的发展和应用仍处于早期阶段，大多数研究还处于理论实验阶段50。我国超高压技术存在很多丞待解决的问题，比如生产成本高，产能低51，缺乏相关标准来规范超高压生产工艺52，等等。未来，超高压处理大米的研究可从以下几个方面展开：经超高压处理的大米对人体消化特性的影响，如是否对糖尿病人友好，减少人体对糖分的吸收等；优化超高压设备，使其轻量化和小型化，提高生产效率；制定相关标准，以规范超高压生产工艺。参考文献：1 郑红明.2021 年中国稻谷（大米）产业报告 N.粮油市场报，2021-11-16(T10).ZHENG Hongming.2021 China Paddy(Rice)Industry 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