微波輻射下淀粉的響應(yīng)機(jī)制及研究現(xiàn)狀

程新峰，杭 華，肖子群

（1.安徽師范大學(xué)功能性食品研究所，安徽 蕪湖 241002；2.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241002）

淀粉是自然界中廣泛存在的一類生物聚合物，其數(shù)量僅次于纖維素。淀粉不僅是重要的食品加工原料，同時(shí)作為一種可降解和可再生的綠色資源也被廣泛用于其他工業(yè)領(lǐng)域。淀粉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，它們約占淀粉顆粒干質(zhì)量的98%～99%[1]。由于天然淀粉結(jié)構(gòu)和性能方面存在的缺陷，如不溶于冷水、成膜性差等，這在很大程度上限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。因此，依據(jù)實(shí)際需求，需對淀粉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，改善其理化性質(zhì)，以擴(kuò)大其在工業(yè)上的應(yīng)用范圍。微波是一種非電離輻射能，它能有效改變食品物料的結(jié)構(gòu)及功能特性，是淀粉改性的物理手段之一。本文將結(jié)合國內(nèi)外的文獻(xiàn)報(bào)道，從微波加熱淀粉的作用機(jī)制、淀粉顆粒形態(tài)及晶體結(jié)構(gòu)、淀粉理化性質(zhì)及功能特性等方面詳細(xì)論述微波場下淀粉的響應(yīng)機(jī)制，從而為淀粉質(zhì)食品新型加工技術(shù)的開發(fā)和推廣提供理論依據(jù)。

1 微波加熱淀粉的作用機(jī)制

微波是一種頻率介于300 MHz～300 GHz的高頻電磁波。由于具有加熱均勻、升溫速度快、操作簡單等特點(diǎn)，近年來已被廣泛用于食品領(lǐng)域的各個(gè)單元。微波加熱淀粉的作用機(jī)制可歸結(jié)為微波的介電加熱效應(yīng)和電磁極化效應(yīng)[2-4]。一方面，微波場下淀粉顆粒中的極性分子通過相互摩擦、碰撞產(chǎn)生大量熱能，使淀粉顆粒溫度上升，從而造成淀粉的結(jié)構(gòu)及理化特性發(fā)生改變[5-7]。另一方面，微波光子能量的存在會(huì)影響淀粉分子中化學(xué)鍵及基團(tuán)周圍電子云的排布，從而使淀粉分子構(gòu)象發(fā)生改變[4,8]。需要強(qiáng)調(diào)的是，淀粉分子自身屬于低能耗有機(jī)介電材料的范疇，它們存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)化電磁能的能力相對較弱，在微波場下淀粉質(zhì)材料的升溫速率與其水分、脂類及蛋白質(zhì)等極性分子的含量和存在狀態(tài)密切相關(guān)[2]。因此，研究微波加熱淀粉的作用機(jī)制主要在于揭示微波加熱過程中淀粉質(zhì)材料所含各種極性分子（水、脂類、蛋白質(zhì)等）與淀粉分子間的相互作用關(guān)系。

2 淀粉的介電特性

淀粉作為一類大分子材料，其介電特性反映了物料對微波的響應(yīng)情況，決定了微波在物料中的穿透深度。淀粉介電特性包括介電常數(shù)和介電損耗因子，其中介電常數(shù)對應(yīng)于淀粉的電容，表示從電磁場中貯存能量的能力；而介電損耗因子對應(yīng)于淀粉的電阻，表示從電磁場中耗散的能量。它們與淀粉水分含量、溫度、電磁場頻率、離子強(qiáng)度及淀粉類型密切相關(guān)。水分含量是影響淀粉介電特性的重要因素。相對于淀粉分子，水分子極性強(qiáng)，對電磁場響應(yīng)迅速。依據(jù)對水分子束縛程度的強(qiáng)弱，水可分為自由水、束縛水和結(jié)合水。在高水分含量的淀粉乳中，水分含量越高，樣品介電常數(shù)和損耗因子越大。其原因是水分含量越高，樣品流動(dòng)性越好，極性分子對電磁場的響應(yīng)越強(qiáng)[9]。而對于低水分含量（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于40%）的淀粉而言，水分含量對淀粉介電常數(shù)影響不大。其原因是這些水分主要存在于淀粉的結(jié)晶區(qū)或雙螺旋結(jié)構(gòu)凹陷內(nèi)，它們通過氫鍵與淀粉分子中的羥基緊密結(jié)合[10]。

溫度對淀粉介電特性的影響與淀粉是否發(fā)生糊化和基團(tuán)取向極化密切相關(guān)。首先是淀粉糊化前后介電特性的變化。當(dāng)溫度低于糊化溫度時(shí)，淀粉介電特性主要取決于淀粉濃度。當(dāng)溫度達(dá)到糊化溫度后，淀粉分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力發(fā)生改變，致使淀粉介電常數(shù)較糊化前有較大的提升，而損耗因子隨溫度上升而降低[9]。Ahmed等[9]的研究指出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的米粉漿在糊化溫度（70 ℃）附近損耗因子顯著上升。Motwani等[10]對玉米淀粉漿介電特性研究發(fā)現(xiàn)，在60～72 ℃范圍內(nèi)淀粉糊化程度與其介電常數(shù)呈負(fù)相關(guān)。其次是對基團(tuán)取向極化的影響：當(dāng)溫度上升，分子間相互作用減弱，便于偶極子取向極化；但同時(shí)也加劇了分子熱運(yùn)動(dòng)，反而不利于偶極子取向極化。Venkatesh等[11]指出：在較低溫度下，隨溫度上升，偶極子取向極化加強(qiáng)，介電常數(shù)增大；而當(dāng)達(dá)到一定溫度后，介電常數(shù)會(huì)隨溫度升高而降低。

頻率是影響淀粉介電特性的另一重要因素，通常用頻率譜來表示。在電磁場下，淀粉內(nèi)部的各級結(jié)構(gòu)，包括主鏈、側(cè)鏈、取代基團(tuán)等均會(huì)對電磁場發(fā)生響應(yīng)，致使介電常數(shù)和損耗因子發(fā)生波動(dòng)，在頻率譜上呈現(xiàn)不同的峰形。Motwani等[10]發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉乳損耗因子隨頻率變化呈現(xiàn)“U”型，即在15～450 MHz之間損耗因子隨頻率增加而降低，而在450 MHz～3 GHz范圍內(nèi)損耗因子的變化趨勢正好相反，而且對于高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（＞40%）淀粉乳而言，頻率對介電常數(shù)還具有顯著的影響。

此外，鹽離子的添加也會(huì)對淀粉介電特性產(chǎn)生一定的影響。一般而言，在高水分含量的食品體系中，添加鹽離子可提升體系介電損耗因子，降低介電常數(shù)。Piyasena等[12]發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5% NaCl溶液能顯著提升質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～4%淀粉溶液的介電損耗因子，降低微波在淀粉溶液中的穿透深度，且無論是否添加NaCl溶液，淀粉溶液的介電損耗因子均隨溫度的升高而增加，但無鹽淀粉溶液介電常數(shù)隨溫度的上升而降低。

3 微波輻射對淀粉結(jié)構(gòu)的影響

3.1 對淀粉顆粒形態(tài)的影響

微波輻射引起的淀粉顆粒形貌發(fā)生變化，與淀粉類型、水分含量以及微波作用參數(shù)密切相關(guān)。陳秉彥等[13]發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蓮子淀粉乳經(jīng)加熱至65 ℃，其表面形貌保持光滑，馬耳他十字仍然清晰可見，但隨著微波強(qiáng)度（2.4～8.0 W/g）升高，部分淀粉顆粒會(huì)出現(xiàn)相互黏結(jié)的現(xiàn)象。羅志剛等[8]卻發(fā)現(xiàn)，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蠟質(zhì)玉米淀粉經(jīng)微波處理后（1 W/g），其形狀和大小雖未發(fā)生改變，但淀粉顆粒表面變得粗糙，出現(xiàn)小孔，部分顆粒的臍點(diǎn)表面還出現(xiàn)凹坑。扶雄等[14]采用強(qiáng)度為1 W/g的微波對質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%玉米淀粉乳進(jìn)行處理也得到了類似的結(jié)果。淀粉臍點(diǎn)是淀粉的生長起始點(diǎn)，一般呈現(xiàn)無定形結(jié)構(gòu)，該區(qū)域分子排列紊亂、相互間作用力較弱，易受外界的影響。對于直鏈淀粉含量較高且分支少而短的淀粉顆粒，其臍點(diǎn)的無定形區(qū)穩(wěn)定性相對較好，在微波輻射下淀粉顆粒形貌變化較小[15]。

傳統(tǒng)加熱模式下，淀粉糊化主要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：1）無定形區(qū)吸水可逆性膨脹；2）結(jié)晶區(qū)吸水膨脹，淀粉結(jié)晶區(qū)逐漸消失；3）淀粉顆粒內(nèi)小分子和大分子聚合物溶出，淀粉顆粒破裂，達(dá)到完全糊化狀態(tài)。關(guān)于微波作用下淀粉糊化過程是否異于傳統(tǒng)加熱方式至今還存在爭議。Palav等[3]對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%、5%、7%、8%）的小麥淀粉乳在微波場下的糊化機(jī)制研究后，指出由于微波電磁極化作用的存在，淀粉糊化過程中顆粒膨脹與馬耳他十字消失具有異步性。而Bilbao-Sáinz等[16]通過對質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%小麥淀粉懸浮液的糊化過程進(jìn)行研究卻發(fā)現(xiàn)，2 000 W微波作用下淀粉糊化過程與傳統(tǒng)加熱方式作用下無明顯的差異。馬申嫣[17]比較研究了油浴加熱（油溫200 ℃、升溫速率27.20 ℃/min）、慢速加熱（升溫速率4.68 ℃/min）和微波加熱（升溫速率27.20 ℃/min）對質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%淀粉-水乳液中馬鈴薯淀粉顆粒形態(tài)的影響。結(jié)果表明，無論在何種加熱方式下，淀粉顆粒隨溫度上升均出現(xiàn)了膨脹、破裂、溶解的現(xiàn)象，馬耳他十字則經(jīng)歷了從基本保留到徹底消失的過程，微波處理的淀粉顆粒的膨脹度和馬耳他十字消失的速度介于慢速加熱和油浴加熱之間。

3.2 對淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響

淀粉是由支鏈淀粉和直鏈淀粉構(gòu)成的半結(jié)晶態(tài)大分子碳水化合物，其中支鏈淀粉分支形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)是淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)的主要成分。不同來源的淀粉顆粒呈現(xiàn)不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，大致可分為A型、B型和C型（即A型和B型的混合）。通常谷物淀粉為A型，根莖類淀粉為B型，豆類淀粉屬C型。目前，許多學(xué)者已利用廣角X射線衍射、小角X射線衍射、核磁共振等技術(shù)對淀粉的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，闡明了淀粉糊化、回生等過程中淀粉分子的變化機(jī)制。石海信等[18]研究表明，微波輻射（100 W、3～30 min）增強(qiáng)了對應(yīng)的X射線衍射峰的強(qiáng)度，但并未改變木薯淀粉的結(jié)晶類型，說明微波加熱雖能一定程度上使木薯淀粉顆粒發(fā)生形變或分子鏈斷裂，但卻無法從根本上破壞致密的結(jié)晶區(qū)。Szepes等[19]研究表明：馬鈴薯淀粉經(jīng)微波輻射后（450 W、15 min）結(jié)晶度有所增加，晶型由B型轉(zhuǎn)變成A型；而微波改性玉米淀粉顆粒形態(tài)變化較大，形成了松散的團(tuán)聚物，且結(jié)晶度明顯降低。Fan Daming等[5]采用核磁共振技術(shù)比較研究了3 種加熱方式（油浴加熱、慢速加熱及微波加熱）對大米淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，微波加熱（加熱過程分3 步：1 000 W加熱70 s，350 W加熱50 s，650 W加熱25 s；升溫速率為27.2 ℃/min）對淀粉有序結(jié)構(gòu)的影響與油浴加熱相似。其中加熱速度是影響大米淀粉顆粒內(nèi)V型單螺旋結(jié)構(gòu)、雙螺旋結(jié)構(gòu)以及無定形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，而微波非熱效應(yīng)對大米淀粉有序結(jié)構(gòu)影響不大。之后，F(xiàn)an Daming等[4]采用小角度X射線衍射進(jìn)一步對大米淀粉半結(jié)晶生長環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：微波加熱效應(yīng)使大米淀粉顆粒中無定形層受到壓縮，結(jié)晶層變的更加有序、緊密；而微波的非熱效應(yīng)卻阻礙了微波介電加熱對淀粉界面層的破壞作用，尤其是當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí)，微波非熱效應(yīng)引起的分子振動(dòng)會(huì)加速對淀粉半結(jié)晶生長環(huán)狀結(jié)構(gòu)的破壞。

3.3 對淀粉分子結(jié)構(gòu)的影響

微波輻射對淀粉分子結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制主要表現(xiàn)為直鏈淀粉分子的溶出以及分子質(zhì)量的下降。陳秉彥等[13]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)微波輻射（2.4～8.0 W/g、5 min）后，蓮子淀粉糊的直鏈淀粉溶出量由原淀粉的120.31 mg/g降為87.89 mg/g；紅外光譜分析顯示，微波改性淀粉的紅外光譜中并未出現(xiàn)新的吸收峰，也沒有某個(gè)特征峰消失，但隨著微波功率增加，蓮子淀粉在3 700～3 100 cm?1范圍內(nèi)—OH吸收峰寬度逐漸變窄，說明微波輻射下淀粉分子內(nèi)或分子間的氫鍵發(fā)生了改變，使淀粉形成了更加緊密的微晶結(jié)構(gòu)。此外，微波作用下代表結(jié)晶區(qū)（995 cm?1）和無定形區(qū)（1 022 cm?1）的特征峰值的比值由原淀粉的0.89上升至0.99，說明微波輻射提高了淀粉結(jié)晶區(qū)的密集度。Fan Daming等[6]采用紅外光譜和激光共聚焦顯微拉曼光譜對大米淀粉中極性基團(tuán)和骨架振動(dòng)變化情況進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，微波加熱（加熱過程分3 步：1 000 W加熱70 s，350 W加熱50 s，650 W加熱25 s；升溫速率為27.2 ℃/min）并未改變淀粉原有的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，但相比油浴加熱（油溫200 ℃、升溫速率27.2 ℃/min），微波加熱可使淀粉骨架C—H在糊化溫度附近振動(dòng)強(qiáng)度降低，而對淀粉分子中糖苷鍵、吡喃環(huán)及C—O、C—O—H等的振動(dòng)強(qiáng)度沒有明顯影響。石海信等[18]也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)微波處理（100 W、3～30 min）后木薯淀粉并未出現(xiàn)新的官能團(tuán)，但處于3 600～3 100 cm?1的吸收峰逐漸變窄變高，說明微波介電加熱效應(yīng)使淀粉分子間及分子內(nèi)的氫鍵發(fā)生了變化。

4 微波輻射對淀粉理化性質(zhì)及功能特性的影響

微波輻射能夠致使淀粉的一些理化性質(zhì)發(fā)生改變，如使粗蛋白含量降低、淀粉溶解度和溶脹能力等改變。這些性質(zhì)的變化均與淀粉類型、水分含量以及微波作用參數(shù)密切相關(guān)。Lewandowicz等[7]研究了微波輻射（0.5 W/g、60 min）下3 種谷物淀粉（小麥、玉米和蠟質(zhì)玉米淀粉，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%）理化性質(zhì)的變化情況。結(jié)果表明，微波處理后小麥和玉米淀粉的溶脹能力顯著下降，而蠟質(zhì)玉米淀粉卻沒有明顯變化。Lares等[20]發(fā)現(xiàn)，相比原淀粉，微波改性美人蕉淀粉的礦物質(zhì)（除鈣外）、粗蛋白、粗纖維含量顯著降低，且在60～90 ℃間，微波改性美人蕉淀粉的吸水性、溶解度和溶脹能力均明顯低于原淀粉。

糊化特性是淀粉最重要的功能特性之一。由于微波介電加熱效應(yīng)和電磁極化效應(yīng)的存在，淀粉顆粒內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，致使糊化溫度上升，糊化焓下降。Lewandowicz等[7]以0.5 W/g的微波處理水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的谷物淀粉乳60 min后，發(fā)現(xiàn)其糊化溫度上升，糊化焓下降，但不同淀粉的熱性能變化幅度有所差異，這與淀粉顆粒中直鏈淀粉的含量有關(guān)，因?yàn)橄炠|(zhì)玉米淀粉不含直鏈淀粉，而普通小麥或玉米淀粉含有28%的直鏈淀粉。Stevenson等[21]研究了不同水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（15%～40%）的玉米淀粉經(jīng)微波輻射（0.5 W/g、60 min）后其熱性能的變化情況。結(jié)果表明，相比原淀粉，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～40%的玉米淀粉經(jīng)微波處理后其糊化起始溫度明顯升高，而水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～40%的玉米淀粉的糊化焓顯著降低。Luo Zhigang等[22]發(fā)現(xiàn)，不同玉米淀粉（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）經(jīng)微波處理（1 W/g、20 min）后，其糊化焓降低（高直鏈玉米淀粉＞普通玉米淀粉＞糯玉米淀粉），糊化溫度上升（高直鏈玉米淀粉＞糯玉米淀粉＞普通玉米淀粉），糊化溫度范圍擴(kuò)大（高直鏈玉米淀粉＞普通玉米淀粉＞糯玉米淀粉）。微波處理破壞了存在于淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)或無定形區(qū)的部分雙螺旋結(jié)構(gòu)，致使它們發(fā)生了重排，因此，淀粉表現(xiàn)為糊化焓下降，糊化溫度范圍增大。

淀粉的消化性能不僅取決于淀粉顆粒大小，而且取決于晶體結(jié)構(gòu)及與其他成分間作用力的強(qiáng)弱，同時(shí)也受不同加工條件的影響。關(guān)于微波輻射對淀粉消化性能的影響至今還沒形成統(tǒng)一的結(jié)論。Emami等[23]發(fā)現(xiàn)，大麥淀粉經(jīng)不同微波處理（（330±7） W、180 min；（606±5） W、170 min；（713±5） W、150 min）后，其消化性能有所提升，具體表現(xiàn)為快速消化淀粉含量增加，慢速消化淀粉和抗性淀粉含量降低。Zhang Juan等[24]在對美人蕉淀粉的體外消化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的美人蕉淀粉經(jīng)微波濕熱處理（1 000 W、30 min）后，快速消化淀粉含量降低了50%，而抗性淀粉含量為原來的2 倍多，慢速消化淀粉含量未發(fā)生明顯的變化。Zeng Shaoxiao等[25]對微波改性蓮子淀粉的消化性能進(jìn)行研究也得到了類似的結(jié)論，即微波輻射（2.4～8.0 W/g）提高了慢性消化淀粉和抗性淀粉的相對含量，降低了快速消化淀粉的相對含量，且隨著微波強(qiáng)度的增加這種趨勢更加明顯。說明微波加熱的電磁效應(yīng)破壞了分子間或分子內(nèi)部氫鍵，有利于分子重新排列，從而導(dǎo)致支鏈淀粉的分支程度降低，結(jié)晶區(qū)域增加，形成抗性淀粉。

5 微波輻射對淀粉安全特性的影響

自由基與淀粉的化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)，如淀粉在熱解過程中，分子間或分子內(nèi)脫水形成的自由基會(huì)導(dǎo)致呋喃、醛類等小分子物質(zhì)形成[26]。因此，微波場下淀粉分子自由基形成機(jī)制對控制食品質(zhì)量與安全具有重要的意義。劉意驍?shù)萚26]應(yīng)用電子順磁共振檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)，微波處理（80、160 W/g，1～5 min）后大米淀粉產(chǎn)生了3 種以C為中心的自由基，它們分別為葡萄糖環(huán)C1位置α-H脫去形成的自由基、葡萄糖環(huán)側(cè)鏈C6介導(dǎo)形成的自由基以及C2位置上H和C3位置上OH發(fā)生分子內(nèi)脫水形成的自由基。存儲(chǔ)過程中，自由基信號(hào)呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢。類似地，Dyrek等[27]對馬鈴薯淀粉和玉米淀粉的研究也得到了同樣的結(jié)論。Fan Daming等[28]分析了微波輻射大米淀粉自由基產(chǎn)生與化學(xué)鍵變化之間的關(guān)系，結(jié)果表明，微波功率和淀粉水分含量是影響自由基數(shù)量和組成的關(guān)鍵因素，且淀粉分子內(nèi)化學(xué)鍵振動(dòng)變化與自由基形成一致。此后，F(xiàn)an Daming等[29]探討了微波輻射（150 W/g、7 min）下添加不同金屬離子（Ca2＋、Fe2＋、Mn2＋、Cu2＋）對淀粉自由基形成的影響。結(jié)果表明，淀粉自由基的形成不僅與金屬離子類型有關(guān)，還與金屬離子的質(zhì)量濃度（5、10、15、20、25 mg/L）有關(guān)。金屬離子的加入提高了淀粉的穩(wěn)定性，改變了自由基的數(shù)量，但它對自由基形成機(jī)制沒有影響。根據(jù)半衰期長短，自由基可分為穩(wěn)定型自由基和短壽自由基，后者形成后馬上就會(huì)與其他分子反應(yīng)而淬滅，很難被檢測到，但是這類自由基會(huì)造成細(xì)胞損傷，致使疾病發(fā)生。因此，今后可以探索采用不同方法延長此類自由基的半衰期，從而能有效地檢測其數(shù)量和成分，這對于闡明微波輻射下淀粉自由基形成及衰減規(guī)律是一個(gè)重要補(bǔ)充。

6 微波技術(shù)在淀粉改性及淀粉質(zhì)食品中的應(yīng)用

6.1 淀粉改性

天然淀粉由于性能上的缺陷，需要對其分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，以適應(yīng)工業(yè)上的需求。目前，淀粉改性主要以化學(xué)法和酶法為主，但均受到多種因素的影響，尤其是化學(xué)法還存在反應(yīng)效率低、環(huán)境污染及產(chǎn)品安全性等問題[30]。為此，開發(fā)新型淀粉改性方法、提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品品質(zhì)、減少環(huán)境污染將成為食品科學(xué)領(lǐng)域重要的研究課題。微波加熱由于具有介電加熱效應(yīng)和電磁極化效應(yīng)，近年來已被廣泛用于淀粉的改性過程。微波是一種非電離能，能夠在交變的電磁場下通過分子摩擦產(chǎn)生熱能，導(dǎo)致淀粉結(jié)構(gòu)及理化性能發(fā)生改變。Luo Zhigang等[22]以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的不同玉米淀粉（高直鏈玉米淀粉、普通玉米淀粉、糯玉米淀粉）為研究對象，發(fā)現(xiàn)經(jīng)1 W/g微波處理20 min后，淀粉的溶脹能力、溶解度和糊化焓均降低，脫水縮合現(xiàn)象得到了明顯的改善。另外微波處理還提高了淀粉的糊化溫度，降低了黏度。由于微波頻率與化學(xué)基團(tuán)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率接近，可以活化某些基團(tuán)，加速許多有機(jī)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。因此，將微波技術(shù)用于淀粉化學(xué)改性受到了越來越多的關(guān)注。余巧鶯等[31]探討了淀粉的微波改性對其接枝率和接枝效率的影響。結(jié)果表明，在相同的反應(yīng)條件下（淀粉和L-乳酸的質(zhì)量比為1∶4、催化劑用量為淀粉和L-乳酸總質(zhì)量的0.1%），微波改性木薯淀粉與L-乳酸接枝共聚反應(yīng)的接枝率和接枝效率分別達(dá)到了36.75%和80.00%，相比原淀粉（接枝率和接枝效率分別為6.58%和14.33%）明顯提升。這是因?yàn)槲⒉ㄌ幚砥茐牧说矸鄣木w結(jié)構(gòu)，提高了淀粉的反應(yīng)活性，使接枝反應(yīng)不僅發(fā)生在淀粉顆粒的表面，而且在一定程度上深入淀粉顆粒的內(nèi)部。Horchani等[32]采用響應(yīng)面法優(yōu)化了微波與振蕩聯(lián)合制備長鏈淀粉酯的工藝。結(jié)果表明，在最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件（固定化脂肪酶活力386 U、淀粉/油酸的摩爾濃度比0.18、44 ℃、200 r/min）下，經(jīng)4 h孵化，淀粉的取代度達(dá)到了2.86。孟小華等[33]以玉米淀粉和3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨（3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride，CTA）為原料，優(yōu)化了微波法合成陽離子淀粉醚的工藝。結(jié)果表明，在最佳合成工藝條件（淀粉、CTA和NaOH的質(zhì)量比為100∶9∶2、微波功率為500 W、反應(yīng)時(shí)間為20 min）下反應(yīng)效率為86.5%，所得的季銨鹽型陽離子淀粉醚的取代度為0.034 6。緩慢消化淀粉是近年來新興起的一種新功能性淀粉，具有多種生理功能特性，可作為長跑運(yùn)動(dòng)員的碳水化合物補(bǔ)充劑。畢禮政等[34]以玉米淀粉為原料，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化了微波輔助濕熱法制備緩慢消化淀粉的工藝。結(jié)果表明，在最優(yōu)的工藝條件（微波功率為300 W、韌化溫度為50 ℃、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、微波作用時(shí)間為25 min）下緩慢消化淀粉的得率高達(dá)38.25%。

6.2 微波熟化

關(guān)于微波熟化淀粉質(zhì)食品的應(yīng)用主要集中于米面食品加工方面。Xue Changfeng等[35]為了制備部分預(yù)糊化面條，利用微波對面團(tuán)進(jìn)行了加熱預(yù)處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：微波連續(xù)加熱模式（150 W微波連續(xù)作用170 s，當(dāng)面團(tuán)表面溫度到達(dá)75 ℃時(shí)停止微波加熱）下，即使表面溫度達(dá)到淀粉糊化溫度（60 ℃以上）時(shí)，面團(tuán)表面的淀粉顆粒也未發(fā)生糊化；而在間歇加熱模式（通過開啟和關(guān)閉微波使面團(tuán)的表面溫度維持在60～75 ℃之間，如圖1所示）下，面團(tuán)表面的淀粉顆粒出現(xiàn)了不同程度的糊化現(xiàn)象。因?yàn)槲⒉訜崴俣瓤欤矸酆且粋€(gè)過程，需要充分的時(shí)間。對小麥面團(tuán)糊化程度的預(yù)測表明，在微波間歇加熱模式下，面團(tuán)的糊化度緩慢提升，且面團(tuán)內(nèi)溫度分布的數(shù)值預(yù)測可用二維導(dǎo)熱方程描述[36]。Sánchez-Pardo等[37]比較研究了微波焙烤（240 W、5 min）和傳統(tǒng)焙烤（180 ℃、40 min）對蛋糕微觀結(jié)構(gòu)的影響，電子顯微鏡圖片顯示微波焙烤蛋糕內(nèi)部孔隙較大，蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)狀基質(zhì)較少。Sánchez-Pardo等[37]指出，采用微波焙烤在面團(tuán)配方中提高糖、脂類和水分含量效果更好。Cocci等[38]的研究發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)加熱方式，微波熟制意大利面外層具有更緊密的面筋網(wǎng)絡(luò)，糊化度較高，柔韌性較好。

圖1 微波間歇加熱模式下面團(tuán)表面溫度變化情況[35]Fig. 1 Change in surface temperature of wheat flour dough under microwave irradiation with intermittent heating[35]

6.3 微波解凍

微波復(fù)熱是一種新型的食品加工技術(shù)，目前主要用于冷凍肉制品和水產(chǎn)品的解凍過程，而其在冷凍淀粉質(zhì)食品解凍方面的研究還鮮有報(bào)道。在面包和饅頭的生產(chǎn)過程中，冷凍面團(tuán)解凍是決定產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)劣的重要步驟。杜浩冉等[39]比較了不同解凍方式對冷凍面團(tuán)和成品饅頭品質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比恒溫恒濕解凍（相對濕度85%、35 ℃、解凍60 min），微波解凍（微波爐中解凍210 s）過程升溫速度快且不易控制，解凍后面團(tuán)發(fā)酵不充分，成品饅頭品質(zhì)較差。彭登峰等[40]比較了4 種解凍方式（自然空氣解凍、微波解凍、常壓蒸煮解凍和超聲波解凍）對速凍蕎面碗托品質(zhì)的影響，結(jié)果表明速凍蕎面碗托的最佳解凍方式為微波解凍（800 W、50 s）。陳衛(wèi)等[41]通過分析微波復(fù)熱過程中冷凍饅頭內(nèi)溫度和水分遷移情況，指出微波米面食品質(zhì)構(gòu)和風(fēng)味上存在的問題主要源自于微波加熱造成的溫度分布不均勻和水分過多流失，只有調(diào)節(jié)配方，提高面團(tuán)的持水性，才能開發(fā)出高品質(zhì)的微波米面食品。

醬汁是一類常用于快餐食品的調(diào)味品，為了便于運(yùn)輸和貯藏，它們通常需要經(jīng)歷殺菌、冷藏及解凍等一系列加工步驟，然而傳統(tǒng)解凍方式下，由于淀粉回生等問題，解凍后產(chǎn)品的品質(zhì)往往不好。因此，需要優(yōu)化解凍工藝才能生產(chǎn)出高品質(zhì)的醬汁。Arocas等[42]比較研究了微波復(fù)熱（450 W微波加熱直到樣品溫度達(dá)到60 ℃終止）和水浴解凍對淀粉質(zhì)白味湯汁的溫度分布、流變學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)微波復(fù)熱后淀粉質(zhì)白味湯汁較好地保留了原有的微觀結(jié)構(gòu)和流變學(xué)特性，這是由于微波快速加熱降低了淀粉回生程度，同時(shí)形成的局部高溫也能破壞已老化的淀粉。Seyhun等[43]通過有限差分法對微波復(fù)熱過程中馬鈴薯醬內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行了模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測值一致。

7 結(jié) 語

微波加熱是一項(xiàng)新型的食品加工技術(shù)，其作用效果與食品物料介電特性密切相關(guān)。淀粉介電特性與淀粉顆粒組分、水分含量、溫度及頻率有關(guān)。微波處理可以引發(fā)淀粉顆粒內(nèi)分子結(jié)構(gòu)重排，導(dǎo)致淀粉的理化性質(zhì)（如溶解度、溶脹能力、熱性能、消化特性等）、分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。此外，微波處理還能引發(fā)淀粉產(chǎn)生自由基而影響其安全特性。基于微波的介電加熱和電磁極化的特點(diǎn)，微波技術(shù)已被用于淀粉質(zhì)食品的加工過程，主要涉及淀粉微波改性、微波熟化和微波復(fù)熱3 個(gè)方面。

關(guān)于微波處理對淀粉及淀粉質(zhì)物料的理化特性、結(jié)構(gòu)等的影響已有不少研究報(bào)道，但由于微波處理?xiàng)l件不同，所得結(jié)論也有所差異。為了擴(kuò)大微波技術(shù)在淀粉質(zhì)食品加工中的應(yīng)用，今后還需從以下幾個(gè)方面開展工作：1）針對不同質(zhì)量濃度的淀粉乳液，考察微波加熱過程中淀粉顆粒及其聚集形態(tài)的變化對其微波吸收特性的影響；2）針對不同來源和品種的淀粉，如谷物淀粉、豆類淀粉等，探討不同微波條件下，淀粉分子結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的變化情況，找出淀粉微觀結(jié)構(gòu)與宏觀理化性質(zhì)間的內(nèi)在聯(lián)系；3）以淀粉質(zhì)物料為對象，研究微波場下淀粉質(zhì)物料的理化性質(zhì)及溫度分布情況，從而為微波食品的工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)；4）依據(jù)淀粉質(zhì)食品建立相關(guān)模擬體系，討論有機(jī)分子（如蛋白質(zhì)、脂肪等）在微波場中相互之間是否存在促進(jìn)或抑制作用，揭示復(fù)雜食品體系的自由基生成規(guī)律，為微波食品的安全評價(jià)提供依據(jù)。