物理处理技术对鲜湿面褐变改良研究进展

黄峻榕, 杨怡飞, 岳 苗, 邝吉卫, 蒲华寅

(陕西科技大学 食品与生物工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

几千年来，面条一直是许多东方国家饮食中的重要组成部分[1].鲜湿面、干挂面、冻熟面以及方便面是当下市场上最为热销的面条品种.其中鲜湿面因具有筋道、爽滑、富有弹性和面香味浓郁等的优点,最被人们所青睐[2].但由于其水分含量较高，极易受到酶等其他因素的影响，使其在贮藏过程中发生褐变，影响产品色泽，降低消费者的购买欲，从而导致其商品价值大大降低，是制约鲜湿面市场推广和快速发展的主要原因[3,4].因此，如何抑制鲜湿面在储存过程的褐变，对于提高鲜湿面的品质具有重要意义.

国内外研究表明，影响面制品颜色或者其在加工储藏过程中发生色泽变化主要有四种因素[5]：(1)小麦粉的内在属性，包括蛋白质含量、麦麸颜色、灰分含量、破损淀粉含量、降落数、多酚氧化酶含量及其活性、类胡萝卜素等色素类物质含量以及多酚类等活性物质含量、面粉颜色[6]；(2)加工工艺的影响，包括面粉料流(指生产小麦粉时不同粉路流出的面粉)的选择、出粉率、面条的加工方法；(3)非酶促褐变(包含美拉德反应(又称作羰氨反应)、焦糖化褐变反应、抗坏血酸褐变反应以及多元酚氧化缩合)形成的有色物质[7]；(4)酶促褐变，是指在有氧气存在的条件下，面粉中的二酚及三酚类化合物被多酚氧化酶催化，也可催化单酚，使其转换成邻苯二酚，这些酚类再被进一步催化得到醌类物质，醌类物质再经过复杂的氧化聚合形成黑色或褐色的色素类物质的反应过程[8](催化反应机理如图1所示).其中，酶促褐变是导致鲜湿面生产加工及储存过程中发生色泽劣变的最重要的原因，而多酚氧化酶则是导致鲜湿面发生酶促褐变反应最重要的因素之一，其占面团颜色变化原因的50%～70%[9].

在多酚氧化酶催化作用下，面粉中的单酚转化为邻苯二酚，其再经催化氧化转化为邻苯醌，具有高反应活性的邻苯醌迅速聚合生成黑色素类聚合产物，从而导致鲜湿面的褐变[10]；ppo:多酚氧化酶.

目前，主要通过基因改良育种出多酚氧化酶含量低、活性低的小麦品种，以及在小麦粉加工过程中降低出粉率、热处理降低酶活、添加品质改良剂等方法使得鲜湿面的褐变被抑制[11].其中，在面粉或者面条加工过程中添加改良剂被广泛应用，但这可能会降低产品的安全性，并且在大多数情况下，只有通过多种抑制剂联合作用才能保证有效且持久的抑制作用[12]，这不仅增大了生产成本，也与消费者日益健康的饮食习惯和需求相背离.相比而言，物理处理技术绿色安全,也可以保留鲜湿面中固有的营养成分、风味和色泽，比其它方法具有明显的优势.近年来，对物理处理技术改善小麦粉及面条品质特性方面的相关机理探究已逐渐成为热点，并且众多研究结果表明，这些技术在改善鲜湿面褐变问题方面也可发挥强有力的功效.主要包括微波、辐照、臭氧等.

1 微波处理

微波是频率范围为300 MHz～300 GHz的电磁波.工业用微波频率为915 MHz或2.45 GHz[13].当物料至于微波中，微波不仅会使得被加热物料中的水分子迅速振动，产生热效应，还会以高速的分子振荡的形式激发出极性分子不停地改变取向而产生非热效应[14](其作用机理如图2所示).众多文献研究结果均表明该技术具有穿透力强、热效率高等的优点[15].

被加热的物料在微波的作用下，其中的水分子发生高速振动产生热效应，微波也可激发极性分子不停地改变取向产生非热效应，导致微生物细胞膜破裂，细胞内流物泄露、细胞内的DNA、蛋白质被破坏，致使微生物死亡；微波产生的热效应和非热效应也会破坏多酚氧化酶的结构，导致其活性降低，同时也可以抑制蛋白质结构的变化，改变面条表面的反射率，从而导致面条亮度值的改变，来抑制鲜湿面的褐变.

提升面粉的加工特性、对鲜湿面进行除菌保鲜、干燥方便面等是微波处理技术在面条制品加工中的主要应用[16].众多研究表明，微波处理能够显著改善或者抑制鲜湿面的褐变问题，其主要通过两种作用方式来实现:处理原料粉和处理鲜湿面[17].近年来微波抑制鲜湿面褐变的相关研究结果(如表1所示)，可以看出，微波处理可在一定程度上改善鲜湿面在储存过程中褐变的发生，其作用效果与所使用微波的功率、时间有关.

表1 微波处理技术抑制鲜湿面褐变的相关研究结果

经微波处理，面粉中多酚氧化酶的结构被破坏，从而极大地降低了其活性，使酚类化合物的氧化被抑制，以此来达到减弱或者抑制鲜湿褐变的目的[22]；另一方面，微波处理也抑制了蛋白质的氧化，在一定程度上抑制了蛋白质分子结构的变化.研究表明，蛋白质分子结构的变化，可能会改变面条表面的反射率，从而导致面条L* 值(亮度值)的变化[23].

微波处理面粉或者鲜湿面均可以抑制鲜湿面的褐变，作用效果与微波处理的时间和功率、以及所作用对象的基本性质有关.卢帮贵[24]用功率为500 W的微波处理水分含量为14.02%的面粉时发现，当面粉被作用时间超出60 s时，会引起其中的水分子的高速运动而迅速放热，致使面粉因局部受热过度而被烤糊，从而严重影响面粉的使用价值.Zhu等[25]经研究后推测，水分含量为13.5%的面粉经800 W的微波处理50 s可能是微波处理面粉的最优参数，这样面粉中的多酚氧化酶等酶类不会因为处理时间过短活性升高，也不会因为处理时间过长影响面粉品质.

经微波处理后，鲜湿面的保质期虽被大大延长，但其糊化度也会升高，使其品质受到影响[26].而且，由于微波还可吸收电磁波辐射能产生热效应，而这些热效应也不易散失，积存在小麦粉内造成体系温度升高，有可能会破坏其中的维生素等营养成分，易使小麦粉含水量略微下降，不利于保持生鲜面的最佳食用及营养品质[27].

2 辐照技术

食品辐照技术，全球公认的成熟食品加工技术[28].数十年的研究证明了其安全性，并得到了国内外专家的认可[29].其实，早在1999年，WHO(世界卫生组织)等国际化组织就曾指出当使用低于10 kGy的剂量辐照食品时，并不会导致任何毒理性危害、营养或微生物安全问题[30].该技术在食品工业中通常有三种辐照剂量，分为低、中和高剂量.低剂量的辐射强度在0.4～2.5 kGy范围内，用于减少食品中发现的微生物数量并延缓其成熟，中剂量的辐射范围从1～10 kGy，用于杀死细菌孢子(沙门氏菌和李斯特菌除外)，高剂量(也称完全杀菌)，辐照范围介于30～50 kGy之间，可杀死食品中的全部微生物病原体[31]，该剂量用于延长食品的有效期.辐照技术是利用X射线、γ射线、电子束穿透被作用物质，通过产生一定的效应来处理被作用物质,以达到预期目标的方法[32](其作用机理如图3所示).其中，γ射线因其具备较强的穿透力，最为被普遍应用[33].辐照作为具有安全性高、无污染等优势的物理技术[34]，已经应用于食品加工、化工、材料等诸多领域.在我国，该技术在食品行业已有了广泛应用，2005年我国辐照食品占世界辐照食品总产量的36%[35].并且我国已颁布了八种不同的辐照食品卫生标准，包括熟肉制品、花粉、干果、调味料、新鲜果蔬、新鲜肉制品、冷冻包装肉以及谷物，并设定了不同的剂量限制，微生物学和化学指标[36].

X射线、γ射线、电子束穿透被作用物料，通过使其中病原微生物的DNA分子损伤、细胞膜和细胞蛋白质受损，造成病原微生物死亡；辐照产生抗氧化效应，使鲜湿面的褐变被抑制.

相关研究表明，辐照技术可在一定程度上改善鲜湿面色泽品质劣变的问题.史依沫[37]用1～4 kGy剂量的电子束和γ射线分别辐照鲜湿面后发现，鲜湿面的L* 值(亮度值)均随着辐照剂量的增大而增大，且经电子束辐照后的鲜湿面的亮度值高于经γ射线辐照的，黄度值明显低于经γ射线辐照的鲜湿面，说明电子束辐照较γ射线更有利于鲜湿面保持其明亮的色泽.张春红等[38]等的研究也得到了相似的结论，其研究发现，当鲜湿面被辐照源强为1.5×105Ci，剂量率约为20 Gy/min、剂量为1～5 kGy的γ射线辐照时，其亮度可被显著提高.与未经辐照处理的鲜湿面相比，经5 kGy的γ射线辐照的鲜湿面亮度值提高了16.86%；经2～4 kGy的γ射线辐照，鲜湿面的黄度值虽增加，但仍在感官接受范围内.辐照处理鲜湿面不仅可以抑制鲜湿面的褐变，而且还能降低鲜湿面中的菌落总数.但选择合适的辐射剂量至关重要，因为高剂量的辐照可能会引起面条品质的下降[37].

对于辐照处理技术抑制鲜湿面褐变的机理，目前尚不明确.有相关方面的研究学者推测这或许是电子束或γ射线辐照产生的抗氧化效应引起的[38].而经γ射线辐照后鲜湿面变黄可能是碳、氮、氧等原子的价态发生改变及鲜湿面本身存在的导致褐变的酶等因素共同作用导致的结果，关于该方面的机理还需要进行更加深入的研究[39].

迄今为止，食品辐照技术已被五十多个国家作为六十多种食品的卫生和植物检疫加工方法.由于辐照过程不涉及食品温度的升高，所以与其他加工方法(例如加热)相比，辐照处理并不会减弱食品的风味和香气.并且辐照技术在延长鲜湿面保质期方面较传统的热处理技术更优.更有研究表明，当辐照剂量合适时，电子束辐照能够有效改善生湿面条的蒸煮特性和质构特性，保持生鲜面的良好品质.

3 臭氧处理

臭氧具有强氧化性，半衰期为17～23 min，在常温下可被分解成O2[40].自1997年以来其就被美国环境保护局(USEPA)普遍认为是安全的，并得到了美国食品和药物管理局(FDA)的批准，可作为食品添加剂来使用[41].其通常以气态或溶解于水中的形式应用于食品工业，以确保食品的安全性、新鲜度和储存稳定性(作用机理如图4所示).其已被应用于面粉、鲜湿面条中，用于抑制微生物、延长货架期[42].并且近年来，国内外大量研究了臭氧在粮食加工和产品配方方面的应用，这些新的结果不仅极大地扩展了我们对臭氧与食品成分相互作用的理解，并使得该技术在食品工业中的应用被进一步夯实[43].

臭氧发生器产生臭氧，臭氧作用于物料，利用其强氧化性使得其中病原微生物的细胞膜、DNA分子、细胞核被破坏，从而造成病原微生物死亡；臭氧也可氧化多酚氧化酶导致其结构被破坏、面粉中的色素类物质被氧化降解、含量减少，生物活性物质流失，从而使得鲜湿面的褐变被抑制.

相关研究证明，臭氧能有效改善谷物加工贮藏中面粉的品质，并且能够在一定程度上抑制鲜湿面褐变的发生.闵照永等[44]用臭氧均匀处理面粉0～30 min后，发现所制得面条的总色度值随着处理时间的延长基本呈增加趋势，未经处理的面粉制得的面条L* 值(亮度值)为80.40，而经臭氧处理30 min的面粉制得的面条L* 值为85.33.分别将未经臭氧处理和处理的面粉所制得的鲜湿面存放72 h后发现，处理组制得的面条的L* 值为78，远高于未经臭氧处理所制得的面条L* 值72.Li等[45]研究发现，未经臭氧处理的小麦粉制得的鲜湿面片的亮度值为79.45，而小麦粉经臭氧处理30 min、60 min后，制得的鲜湿面片的亮值分别为84.09和84.38.而且在储藏过程中，未经臭氧处理的小麦粉制得的鲜湿面片L*值迅速下降，48 h后为59.06，但经但经臭氧处理30 min、60 min后，储存48 h后，鲜湿面片的L* 值分别为69.12和71.42.说明臭氧处理面粉，不仅能够提高鲜湿面的亮度值，而且能够减小其在储存过程中的褐变程度.

经臭氧处理，鲜湿面的褐变问题能被抑制[46].一方面是因为多酚氧化酶被强氧化剂臭氧氧化后变性失活使得鲜湿面的酶促褐变反应速率极大地降低，从而改善了鲜湿面色泽；另一方面可能是由于面粉中类胡萝卜素等色素类物质经臭氧氧化后降解，含量减少，使得面粉亮度增大，从而赋予鲜湿面以绝大多数消费者所喜爱的洁白光亮的外观[47].另有相关文献[48]表明，经用臭氧水真空和面制得的半干荞麦面条，随着水中臭氧浓度的增加，荞麦面条中的总黄酮和多酚含量显著降低，这可能是由于臭氧的强氧化性，导致酚类、总黄酮等生物活性化合物的流失，而酚类物质作为酶促褐变反应发生的三个必需条件之一，通过消减底物浓度的途径来达到抑制酶促褐变反应的目的.

近年来，臭氧技术的应用已得到了深入开发，并且随着臭氧技术的不断发展，其也越来越受到食品工业的重视与青睐.与化学药剂相比，其具有无残留、安全、环保等优势,必将在食品安全应用方面得到长足的高速发展.臭氧不仅能够抑制鲜湿面的褐变，而且还可以显著减少鲜湿面中的菌落总数，延长其货架期，提高商业价值.当然，在实际应用中臭氧技术也有自己的劣势.目前的研究仍处于初级阶段，工业级的臭氧处理方法、行业应用标准等问题还有待解决[49].

表2是相关文献报道的微波、辐照、臭氧这三种物理技术抑制鲜湿面褐变的机理、该技术在食品工业应用中的优缺点以及主要应用范围，这三种物理技术各有其优缺点.相比于其他两种技术，无论是从成本上还是从食品工业应用的广度上来看，微波技术均具有较大的优越性.

表2 微波、辐照、臭氧三种物理处理技术方法的比较

4 其他物理处理技术

目前，国内外报道的关于物理处理技术抑制面条褐变的文献已有许多.除了微波、辐射、臭氧之外，其他物理技术如超声、低温等离子体技术也可以提高鲜湿面的亮度，抑制鲜湿面的褐变.

Niu等[61]的研究表明，超声-抗坏血酸联合处理全麦粉，可使得制得得鲜湿面得褐变程度降低48%.其探究后发现多酚氧化酶活性被抑制是鲜湿面褐变程度减少的直接原因；其次，作用底物量游离多酚含量减少也促进了鲜湿面褐变的减小.陈玥[62]发现，用低温等离子体处理后鲜湿面L*(亮度值)为79.04，而未经处理的鲜湿面L* 值为78.72，因此低温等离子体技术可在一定程度上提高鲜湿面的亮度，但在储存过程中，经低温等离子体处理的鲜湿面的亮度值却低于未处理的鲜湿面的亮度值.这可能是鲜湿面固有的酶促褐变和非酶褐变以及大气压介质阻挡放电等离子体处理共同作用产生的结果.

5 总结与展望

微波、辐射、臭氧等物理处理技术不仅可以非常有效地提高鲜湿面的亮度值，抑制其在储存过程中褐变的发生，而且能够使得鲜湿面的货架期被大大延长，保留其最佳风味.这三种物理技术从投入成本和已有研究报道对鲜湿面褐变抑制的效果来看，可行性最高的是微波，臭氧次之，最后是辐射技术.除了这三种物理技术，超声处理，低温等离子体技术均可以有效抑制鲜湿面褐变，但低温等离子体技术对鲜湿面褐变的抑制机制尚不清楚，需进一步深入研究.

在抑制鲜湿面褐变方面未来还有以下三点需要进一步研究：

(1)单一的物理技术在使用时可能会存在一定的缺陷和不足，所以需要多种物理方法复合处理，从而使得鲜湿面的褐变得到更有效的抑制.

(2)筛选合适的包装技术对于抑制鲜湿面褐变也至关重要.

(3)除了从抑制酶促褐变反应的发生来抑制鲜湿面的色泽劣变，从控制非酶褐变反应出发也是一个切入点.但截止目前,从这方面的机理来探究如何抑制或者改善鲜湿面的褐变，国内外相关研究还较少.在未来，随着各种高新技术的快速发展和应用水平的完善，同时从这两个方面出发来改善或者抑制鲜湿面的褐变，对于增长其货架期，促进鲜湿面市场化具有极其广阔的研究以及应用前景.