熱處理在小麥儲藏與加工中的應用研究進展

劉遠曉，李萌萌，卞 科*，關二旗，劉遠方

（河南工業大學糧油食品學院，河南 鄭州 450001）

小麥是面制食品的主要原料，在小麥儲藏與加工中，熱處理是常用的加工工藝。在傳統的小麥儲藏與加工工藝中，熱處理主要用于小麥干燥。近幾十年來，經研究發現，熱處理具有一定的殺蟲和殺菌作用，可以減少化學熏蒸劑的使用量。相比于食品添加劑和化學熏蒸劑，熱處理后的小麥對人體的安全性更高。此外，熱處理還可以替代溴酸鉀、抗壞血酸、偶氮甲酰胺、亞硫酸鈉、L-半胱氨酸和變性淀粉等食品添加劑[1-2]，用于小麥粉品質改良。因此，近年來，熱處理在小麥儲藏與加工中的應用得到了越來越廣泛的關注。

雖然熱處理具有許多優點，但若條件控制不當，則可能對小麥品質造成不利影響，例如使面筋強度和沉降值過度降低、面團品質破壞、淀粉酶活性過度降低、淀粉糊化、產生大量破損淀粉和小麥粉色澤變暗等。這些品質變化最終可能對面筋網絡強度、面團流變學特性造成嚴重影響，從而影響面制食品的品質。因此，選擇適當的熱處理條件是提升小麥品質的關鍵。本文介紹了常用的熱處理方法，綜述熱處理在小麥和小麥粉殺蟲、殺菌脫毒、酶活性抑制和品質改良中的應用，并分析熱處理對小麥品質的不利影響及預防措施，以期為熱處理在小麥及其制品加工中的合理應用提供參考。

1 常用熱處理方法

小麥儲藏與加工中常用的熱處理方法包括濕熱處理[3]、熱風處理（干熱處理）[4]、噴霧干燥處理[5]、過熱蒸汽處理[6]、擠壓處理[7]、微波處理[8-9]和紅外熱處理[10]等。濕熱處理是指在較高水分體積分數（20%～30%）條件下，在一定溫度范圍（高于淀粉玻璃化轉變溫度但低于糊化溫度）內處理小麥粉、淀粉等物料的一種熱處理方法[11]。濕熱處理的主要作用是對淀粉改性[12]，對小麥或小麥粉進行濕熱處理可以顯著提高其中的慢消化淀粉和抗性淀粉含量[5]。熱風處理是最常見的熱處理方式，是指采用熱空氣對物料進行加熱，主要用于農產品的干燥。噴霧干燥是指將液體物料或者固體顆粒溶于水形成的溶液或懸濁液在熱風中以微粒狀態分散，經高溫瞬時干燥轉變成粉末，具有干燥效率高、產品質量好和環保等優點[13-14]。過熱蒸汽是在恒定壓力下對飽和蒸汽進行加熱的產物，其溫度高于飽和蒸汽，由于水的比熱容遠大于空氣，因此過熱蒸汽具有傳熱效率高的優點[15]。此外，過熱蒸汽還具有安全、無污染等特點[16]。擠壓加工是一種新型的食品熱加工技術，是指物料經預處理（粉碎、調濕、混合）后，經機械作用使其通過一個專門設計的孔口（模具），以形成一定形狀和組織狀態的產品[17]。擠壓技術集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型等為一體[18]。微波加熱是指采用特定波長（1～1 000 mm）的電磁波對固體物料進行加熱的熱處理方式，具有加熱速度快、加熱均勻以及安全、衛生、無污染等優點[19-20]。紅外熱處理是利用波長介于可見光和微波（0.75～1 000 μm）的紅外線對食品進行熱處理的方法，在谷物、果蔬等食品的干燥[21-23]及食品焙烤[24]中得到了一定應用。以上熱處理方法具有不同的優缺點，在小麥儲藏與加工中均有一定的應用。

2 熱處理在小麥儲藏與加工中的應用現狀

2.1 熱處理的殺蟲效應

小麥在收獲后常受到害蟲的侵害[25]，不僅造成小麥的直接損失，而且可能通過呼吸產熱促使糧堆發熱霉變[26]，降低小麥的營養品質、食用品質和衛生品質[27]。在小麥的儲藏過程中，若溫度、空氣濕度等儲藏條件不適宜，小麥可能受到害蟲的侵害。由于我國小麥儲備量大、儲藏期長，害蟲生長會導致其產生巨大損失。小麥粉由于營養物質豐富，在儲藏過程中也極易受到害蟲侵害。因此，在小麥收獲后、儲藏過程中和制粉后，殺滅害蟲是保障小麥品質、儲藏穩定性和小麥粉品質的重要手段。

害蟲的最適生長和繁殖溫度通常為25～33 ℃[28]，當溫度高于33 ℃時，害蟲生長受到抑制甚至死亡[29]。因此，在小麥和小麥粉儲藏時，可考慮采用熱處理法殺滅害蟲或抑制害蟲的生長和繁殖。但是，熱處理對害蟲的殺滅效果可能受很多因素的影響，主要包括：1）害蟲對高溫的耐受程度和耐受時間；2）熱處理過程中熱傳遞的效率；3）倉房或包裝材料的保溫效果。基于此，近年來國內外學者研究了不同熱處理方式對小麥和小麥粉儲藏中害蟲的殺滅效果（表1）。

表1 熱處理對小麥和小麥粉儲藏中害蟲的殺滅效果Table 1 Application of heat treatment in killing insect pests of wheat and flour

由以上研究可知，熱處理對小麥和小麥粉中的害蟲均具有較好的殺滅效果，采用45～70 ℃的熱處理即可對部分害蟲起到較好的殺滅效果。對于不同的害蟲，需要采用不同的溫度和不同的方法進行熱處理。熱處理主要通過影響害蟲代謝平衡、引起害蟲體內水分流失和蛋白質凝固、造成害蟲體內脂類物質液化等作用殺滅害蟲[37-38]。此外，熱處理還可以通過打破水分含量和相對濕度之間的平衡狀態來影響昆蟲的生理活動，從而抑制害蟲的生長[37]。

2.2 熱處理的殺菌脫毒作用

隨著生活水平的提高，消費者對小麥粉食用安全品質的要求越來越高。因此，殺菌在小麥制粉中的重要性逐漸提高。小麥在生長期間如遇連續陰雨天氣，容易受到真菌的感染，產生真菌毒素。此外，在儲藏期間，若儲藏條件不良，糧堆的局部發熱也會導致小麥中滋生微生物。在小麥制粉后，由于小麥粉富含蛋白質、淀粉等營養物質，也容易滋生微生物。這些都對食品安全造成了一定威脅。因此，小麥和小麥粉的殺菌脫毒對于保障糧食安全具有重要意義。利用高溫對微生物及其孢子的致死作用可以達到殺滅小麥和小麥粉中微生物的目的，熱處理在小麥和小麥粉的殺菌和脫毒中已有一定的研究。

過熱蒸汽具有熱效率高、傳熱速率快等優點。研究表明，利用溫度為175 ℃的過熱蒸汽在5 min內即可殺滅小麥中90%的微生物孢子，在過熱蒸汽處理的1～5 min內，其對孢子的殺滅速度最大[39]。此外，當溫度達到200 ℃時，過熱蒸汽可在80 s內殺滅小麥中99.9%的細菌和全部的真菌（其中芽孢桿菌的殺滅率可達81.8%）[40]。除了殺菌，也可利用過熱蒸汽降解赤霉病小麥中的脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON）（一種致病性真菌毒素），當采用160 ℃以上的過熱蒸汽處理赤霉病小麥時，其中的DON含量即可顯著降低[41-42]。

熱處理對細菌的殺滅作用主要是由于熱對細菌蛋白質的破壞作用和對細菌膜（尤其是細胞質膜）的透性化作用[43-44]。除此之外，水分活度對殺菌效果也有顯著影響。在水分活度較低時，細胞的滲透壓會導致細胞中水分的流失和細胞皺縮，從而引起細胞膜增厚，這對細胞起到一定的保護作用[45]。熱處理對DON的降解作用則主要是依靠高溫對DON分子結構的破壞。雖然熱處理可以殺滅小麥和小麥粉中的微生物并降低真菌毒素含量，但所需熱處理溫度通常較高，可能對小麥品質產生不利影響。

2.3 熱處理對酶活性的抑制作用

小麥中的酶主要包括淀粉酶、蛋白酶、脂類轉化酶、過氧化物酶和多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）等，其中某些酶的催化作用會對小麥及其制品的品質產生不利影響。小麥發芽后，其中的α-淀粉酶活性顯著升高，從而導致淀粉發生水解，嚴重影響小麥粉的營養品質和加工品質[46]。小麥中的PPO不僅會通過酶促反應引起面制品的褐變[47]，而且會降低小麥粉中蛋白質的營養價值[48-50]。此外，麥胚中的脂肪氧合酶可催化不飽和脂肪酸過氧化生成脂氫過氧化物，從而影響小麥及其制品的儲藏穩定性，產生不良氣味[51]。因此，在小麥及其制品加工過程中，采取適當方法抑制其中某些酶的活性對于保障小麥制品品質具有重要意義。

不同熱處理方式對酶的鈍化效果不同，吳艷博等[52]比較了熱風、微波、常壓蒸汽和高壓蒸汽4 種熱處理方式對麥胚中脂肪酶的鈍化效果，結果表明，蒸汽處理的效果明顯優于微波和熱風處理，顯著提高了麥胚的儲藏穩定性。Yadav等[53]通過對比水浴、高壓蒸汽和微波3 種熱處理方式對全麥粉中PPO活性和全麥粉品質的影響，發現盡管熱處理對面團品質有一定的不利影響，但可以顯著降低PPO活性，3 種熱處理方式分別可使PPO活力降低38.3%、56.9%和71.2%。Vadlamani等[54]在100 ℃條件下對水分體積分數15%的小麥進行8 min的濕熱處理，使小麥中PPO活力降低75%，顯著改善了面條的色澤，且對面條的蒸煮品質和質構無顯著影響。發芽小麥中α-淀粉酶活性顯著升高，嚴重影響小麥的食用品質和儲藏穩定性，因此可采用熱處理法鈍化α-淀粉酶。江瀟瀟等[55]研究了濕熱處理對小麥粉品質的影響，采用溫度為80～110 ℃的濕熱法處理由發芽小麥制備小麥粉，結果表明，經濕熱處理后，小麥粉降落數值顯著升高，說明α-淀粉酶活性顯著降低。微波處理和紅外焙烤處理作為新型的熱處理方法，在小麥加工中的應用也有許多研究。劉靜等[56]研究表明，微波加熱處理可以顯著降低發芽小麥中α-淀粉酶的活性，提高小麥粉的降落數值，改善發芽小麥品質。由于脂肪氧合酶對小麥儲藏穩定性有嚴重的不利影響，因此鈍化脂肪氧合酶對于延緩小麥氧化變質、保持清新氣味、提高儲藏穩定性具有重要意義。Qu Chenling等[57]研究表明，微波處理可顯著抑制脂肪酶和脂肪氧合酶的活性，從而延長全麥粉的貨架期。張蘭月等[24]研究發現，相比于干熱處理，紅外焙烤處理可以更有效地抑制脂肪酶和脂肪氧化酶的活性，從而延緩胚芽油的水解酸敗和氧化酸敗、提高小麥胚的儲藏穩定性。Marti等[58]采用烘烤法處理麥胚，顯著降低了其中的脂肪酶活性，延緩了脂肪酸敗，從而顯著延長了含麥胚面包的貨架期。

由以上研究可知，不同方式的熱處理對小麥和小麥粉中脂肪酶、脂肪氧化酶、PPO和α-淀粉酶等的活性均具有一定的抑制作用，不同熱處理方式對酶活性的抑制效果不同。研究表明，微波處理比傳統熱處理具有更高效的抑制酶活性的效果，這主要是由于微波處理既存在熱效應，又存在非熱效應[59]。熱處理對酶活性的抑制作用主要是由于高溫下蛋白質的變性。因此非酶蛋白質在熱處理時也可能發生變性，影響小麥品質。

2.4 熱處理對小麥及其制品品質的改良作用及應用

以小麥粉為主要原料的食品種類眾多，而以現有小麥制得的小麥粉通常無法很好地滿足某些食品加工的要求。因此，經常需要對小麥品質進行改良，以滿足食品加工多樣化的要求。與傳統的氯氣處理和添加食品添加劑等方法相比，熱處理對食品安全性的影響更小，因此近年來得到了更多的關注。

對小麥品質進行改良的主要目的包括增強面筋筋力、生產專用小麥粉、提高慢消化淀粉和抗性淀粉含量、提高小麥粉營養品質、改變蛋白質特性、改變淀粉特性和促進小麥粉后熟等。在熱處理時，由于高溫的作用，小麥及其制品中蛋白質發生部分變性，淀粉發生部分糊化，α-淀粉酶活性降低[60]，淀粉鏈發生重組，從而導致慢消化淀粉和抗性淀粉含量增加[61]。在不同的熱處理方式下，小麥面筋強度的變化趨勢不同。適當的熱處理可以增強面筋強度，而溫度較高、時間較長的熱處理則會弱化面筋強度。在實際應用中，可根據不同的改性目的選擇合適的熱處理方法和條件。表2列出了近年來熱處理在小麥及其制品品質改良中的應用概況。

表2 熱處理在小麥及其制品品質改良中的應用Table 2 Application of heat treatment in quality improvement of wheat and wheat products

續表2

除了以上應用外，熱處理也在蛋糕用小麥粉的品質改良中得到了廣泛應用。氯氣處理是傳統的改善蛋糕用小麥粉品質的方法，由于其可能對環境和人體健康產生影響，逐漸被熱處理法所取代[77]。在歐盟氯氣處理法已被禁用。Russo等[78]于20世紀70年代首先研究了熱處理在改善蛋糕用小麥粉品質中的應用，經熱處理后，小麥粉沉降值減小、蛋白質溶解度降低、淀粉糊化時黏度升高，蛋糕的質構和風味得到顯著改善。在此之后，相關研究者根據實際生產狀況對熱處理工藝進行了改進，并對熱處理改善小麥粉品質的機理進行了研究。van Steertegem等[79]通過小麥粉經熱處理后溶劑保持力的變化來研究熱處理對小麥粉功能特性的影響，結果表明，經100 ℃熱處理后，小麥粉的水溶劑和蔗糖溶劑保持力顯著升高，碳酸鈉溶劑保持力無顯著變化，乳酸溶劑保持力顯著降低。熱處理后小麥粉溶劑保持力的變化與經氯氣處理后小麥粉溶劑保持力的變化趨勢類似。Neill[77]和Chesterton[80]等均對蛋糕用小麥粉的熱處理工藝進行了優化，最優工藝分別為120～130 ℃處理30 min和130 ℃處理15 min，最優工藝存在的差別主要是由所用熱處理設備的差異造成的。Bean等[81]對小麥粉的熱處理工藝進行改進，在71 ℃下對小麥粉進行4～5 d的熱處理，該工藝不僅可以顯著改善蛋糕的質構、色澤、感官等品質，而且未使用和產生對人體有害的物質。Nakamura等[82]采用干熱法在120 ℃下處理軟麥粉，其在制作日本海綿蛋糕時蛋糕糊的氣泡穩定性顯著增強，使蛋糕體積顯著增大。

在熱處理過程中，淀粉的部分糊化[83]和蛋白質的部分變性[84]導致小麥粉品質發生變化，從而改善蛋糕品質。其中，熱處理所導致的淀粉黏度變化是引起蛋糕體積變化的最關鍵因素[85]，而淀粉黏度的變化則是由淀粉顆粒表面蛋白質疏水性的變化[86]、淀粉糊化[77]和淀粉破損等因素引起的。此外，熱處理后小麥粉的水分體積分數也是影響蛋糕品質的重要因素，熱處理后小麥粉水分體積分數低于8%且接近4%時，所制得蛋糕的品質最佳，因此水分體積分數的變化可以作為控制熱處理條件的依據。

3 熱處理對小麥品質的不利影響及預防措施

熱處理雖然在小麥儲藏與加工中得到了廣泛應用，但條件控制不當時容易對小麥品質產生不利影響。這主要是由于小麥中的蛋白質、淀粉、酶等大分子物質對熱較為敏感，容易受到熱處理的影響。對于某些高水分含量的小麥，需要采用熱風對其進行干燥以保障其儲藏品質，但在干燥時若溫度過高，則會導致所制得小麥粉的面團品質劣變、烘焙品質變差[64]。董召榮等[87]研究發現，在適當條件下，對發芽小麥進行熱處理可以降低α-淀粉酶活性，改善發芽小麥品質。但在90 ℃下處理發芽小麥則會加速小麥品質的劣變，主要表現為面筋強度顯著降低和沉降值降低。Vázquez等[88]研究了小麥熱風干燥和流化床干燥過程中工藝品質的變化，結果表明，相比于硬質小麥，軟質小麥在熱處理時品質更容易受到影響，這可能與其蛋白質含量的不同有關。而在水分體積分數為17%時，采用40 ℃或60 ℃流化床干燥小麥，對小麥的烘焙品質有改善作用。Mann等[89]研究發現，熱處理可能導致面筋蛋白的聚集，從而降低蛋白質的溶解度、減弱面筋網絡強度。

綜上可知，熱處理對小麥品質的不利影響主要包括淀粉酶鈍化、面團品質變差、烘焙品質變差等，而小麥品質與面制食品的品質直接相關。為了減少或避免熱處理對小麥品質的不利影響，需要對小麥品質變化的機理進行研究，并在此基礎上采取預防措施。在熱處理過程中，溫度、時間和物料水分含量是影響小麥品質的最主要因素，因此可以通過優化這3 個工藝參數減少熱處理對小麥品質的影響。采用500 W微波處理小麥時，28 s內即可殺滅全部害蟲[36]。在使用過熱蒸汽殺滅小麥中微生物時，其殺菌作用主要發生在過熱蒸汽處理開始后的10～40 s，繼續延長處理時間時，殺菌效率顯著降低[40]。因此，在進行小麥熱處理時，可在保障食品安全的前提下適當縮短熱處理時間，以減少其對小麥品質的影響。針對不同的目標，在熱處理時使用的溫度不同。當采用熱處理法進行殺蟲時，所需溫度相對較低；而當進行殺菌脫毒和抑制酶活性時，所需溫度則相對較高。因此應根據熱處理目的選擇溫度。同時，在滿足處理目的的前提下，應盡可能選擇較低溫度。在熱處理時，水分直接參與淀粉的糊化和蛋白質的變性過程，因此水分含量對熱處理過程中小麥品質的變化有顯著影響。通常來說，水分含量較低時，小麥品質受熱處理的影響較小[88]。此外，在熱處理過程中，溫度、時間和物料水分含量之間通常具有交互作用。例如，在使用熱處理法進行殺菌、殺蟲、酶鈍化等的過程中，提高溫度或縮短時間可以達到相似的處理效果。因此可以采用正交試驗設計法或響應面法優化熱處理工藝參數，以減少對小麥品質的影響。除了以上工藝條件，小麥自身特性（如硬度指數）也對熱處理時小麥品質的變化有一定影響。由于軟質小麥的品質更容易受到熱處理的影響[88]，因此在處理軟質小麥時，應適當降低處理溫度或縮短處理時間。

4 結 語

熱處理具有安全、無污染等優點，可以有效替代部分化學熏蒸劑和食品添加劑用于小麥和小麥粉的殺蟲、殺菌脫毒、酶鈍化和品質改良，并可用于改善蛋糕用小麥粉的品質。但熱處理同時也可能對小麥和小麥粉品質造成不良影響，這是阻礙其在小麥加工中規模化應用的主要原因。近年來，國內外研究人員對熱處理時小麥和小麥粉品質變化研究不斷深入，了解了許多品質變化的原因，并找到了一些解決方法，但仍存在許多有待解決的問題。鑒于此，筆者認為，未來對小麥和小麥粉熱處理技術的研究應考慮以下要點：1）更加全面地了解熱處理過程中小麥和小麥粉品質的變化，并研究熱處理對最終食品品質的影響；2）深入研究熱處理過程中小麥和小麥粉品質變化的機理和分子機制，以有針對性地改善熱處理工藝；3）開發適用于工業化應用的熱處理設備，降低熱處理成本。隨著研究的不斷深入，熱處理必將在小麥儲藏與加工中得到更合理的應用。