微波對糙米品質特性的影響研究進展

王澤倫 宋懷玉 仲際帆 戴智華 曹洪偉,2* 宋洪東

（1 上海理工大學健康科學與工程學院，上海 200093；2 國家糧食產業（城市糧油保障）技術創新中心，上海 200093；3 麥稻智慧糧食有限公司，上海 200241；第一作者：756076863@qq.com；*通信作者：chwei@usst.edu.cn）

稻米是大多數亞洲國家重要的主糧作物，也是碳水化合物的主要膳食來源[1]。稻米含有豐富的維生素、礦物質和必需氨基酸，這些營養成分在稻米的外層組織中含量居多，而我們日常食用的精白米是稻谷經過完整的精制加工過程，包括碾磨和拋光等，留下的精米僅保留了胚乳部分，精米外層的麩皮和胚芽被去除，大量營養物質流失[2]。糙米是稻米脫殼后仍然保留胚芽、糊粉層等外層組織的產品。得益于這些外層組織，比起精白米，糙米的蛋白質、脂質和維生素含量高，而且含有γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）、亞油酸、植酸等對人體有益的功能性分子[3]。糙米已被美國FDA（Food and Drug Administration）列為全谷物健康食品，倡議直接食用。此前的研究表明，用糙米代替精白米可以降低患心血管疾病和代謝疾?。òǚ逝趾廷蛐吞悄虿。┑娘L險[4]。但由于糙米外層中大量的纖維素、半纖維素和果膠等物質形成了致密的結構，使得糙米在蒸煮過程中吸水性遠低于精白米，水分無法與內部的淀粉充分接觸，阻礙了淀粉糊化[5-6]。這就直接導致糙米烹飪質量差、烹飪時間長、硬度高、咀嚼性差、口感粗糙的缺點，使得糙米的食用價值和市場份額遠落后于精白米，無法作為主食進行推廣。當前，隨著人們對生活品質提高的需要，糙米以其較高的營養價值將越來越受到關注，使用新技術對糙米的品質特性進行改良顯得尤為重要。

目前，改善糙米品質特性的方法主要有浸泡法、預糊化法和發芽糙米等方法[7]。這些方法雖然能提高糙米的食用品質，但大多操作繁瑣、成本較高且會造成溶劑殘留。微波是頻率在300 MHz～300 GHz、波長在1 mm～1 m 可產生高頻電磁場的電磁波，能夠對極性分子進行選擇性加熱。在高頻變化的微波場中，極性分子會產生高頻振動從而引起分子間髙速摩擦，使得含有極性分子的物料迅速升溫[8]。微波區別于傳統的加熱方法，具有很強的穿透能力，加熱速率極快，并且可以減少食品加工后的營養流失。微波可以在短時間內使糙米淀粉改性并且可以增加裂隙提高糊化程度，從而提高糙米的蒸煮品質和食用品質。本文綜述了近年來國內外關于微波處理糙米對糙米品質影響的最新研究進展，以為研究微波加工糙米提供參考。

1 微波對糙米食用品質的影響

蒸煮品質是微波改善糙米性質的重要指標之一，它直接決定了糙米的食用價值。SHEN[9]等從微觀結構的角度對糙米的遮蔭干燥和微波干燥進行了對比分析，發現在低干燥速率下，遮蔭干燥對水稻籽粒的淀粉結構和質地特性的影響并不顯著，煮熟后的內部淀粉顆粒排列緊密，使煮熟的糙米硬度較高，不能改善糙米的蒸煮品質。而在微波干燥條件下，微波誘導水分子進行高頻振動，使水分在糙米中強烈擴散，進而破壞了緊密排列的淀粉顆粒，形成了裂縫或空隙[10]。這些缺口為水向糙米籽粒滲透提供了合適的途徑，提高了糙米的蒸煮品質。然而，由于糙米的初始水分含量較高，隨著微波功率的提升，淀粉顆粒逐漸形成了淀粉-脂質復合物，甚至部分淀粉直接糊化。在隨后的蒸煮過程中，水在糙米中的吸收和擴散會被復合物阻礙從而降低糙米的蒸煮品質。研究表明，裂縫程度會影響糙米的蒸煮品質，當微波強度在3～4 w/g、裂隙在3～4 范圍內的多混合裂隙是糙米微波干燥的最佳裂隙范圍。微波引起的籽粒裂隙量有利于糙米蒸煮品質提高。這項研究從裂縫的角度為評估糙米等谷物材料的蒸煮品質提供了新的觀點。

KRONGWORAKUL 等[11]從糙米的加熱時間、加熱溫度、微觀結構、粘度和消化率5 個角度對微波加熱和傳統電飯煲加熱進行了比較，發現微波烹飪糙米的效率是電飯煲的4 倍，并且微波加熱可以烹飪出更易消化的糙米飯，且不會影響米飯質地。

微波干燥形成的裂隙可以有效提高糙米淀粉的糊化程度，改善其口感；微波加熱是一種有效的煮飯方法，烹飪時間極短，而且對設備的要求不高。對兩種形式結合產生的糙米特性值得研究者探索。

2 微波對糙米宏量營養素的影響

糙米的宏量營養素主要包括淀粉、蛋白質和脂肪。微波在糙米中主要通過內部偶極分子高頻往復運動，產生“內摩擦熱”而使糙米溫度升高，使糙米內外同時加熱，短時間內使糙米淀粉和蛋白質改性，穩定其脂肪結構。

2.1 微波對糙米淀粉的影響

大多數植物的碳水化合物是以淀粉的形式儲存在根、塊莖和種子中[12]。淀粉主要由不同比例的直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。這兩種淀粉成分約占淀粉干物質量的98%～99%[13]。淀粉的功能和理化性質受到兩種淀粉成分的比例、鏈長分布以及脂質等微量成分的影響[14-16]。天然淀粉的應用有限，因為它們對工業中常有的高溫和剪切等極端加工條件的抵抗力很差。因此，必須對淀粉進行改性以克服這些缺點并增加它們對各種工業應用的利用性。淀粉改性可以通過酶、化學和物理方法或其中一些方法的組合來實現，微波技術的運用為淀粉改性提供了新的思路[17]。表1 總結了微波處理對于糙米淀粉的影響。

表1 微波對稻米淀粉的影響

淀粉是糙米的主要成分之一，其含量占糙米的75%左右，所以對淀粉性質的研究是改善糙米品質特性的重中之重。微波處理能破壞淀粉顆粒的結晶結構，增加淀粉的糊化焓、粒徑、峰值黏度、崩解值和G' 值（儲能模量），減小tanδ（損耗因子）并促進淀粉退火的效果，這些為微波改善糙米性質奠定了基礎。微波的調控能提高糙米淀粉的消化率和功能性，從而提高其營養價值。但是單一微波加熱或不穩定的微波強度似乎對淀粉結構的影響有限，這一點還需要更深入的研究。

2.2 微波對糙米蛋白質的影響

糙米中的蛋白質含量在7%～8%左右，其蛋白質中的極性基團會在高頻變化的微波場影響下發生高頻振蕩，會對蛋白含量、蛋白結構及性質造成一定影響。

CHENG 等[24]研究表明，微波加速了米蛋白和葡聚糖之間的美拉德反應（羰氨反應）。常規加熱5 min，糙米蛋白溶解度24.22%，而微波處理相同時間糙米蛋白溶解度為64.25%。微波處理的美拉德反應活化能（達到化學反應活性狀態所需的最小能量）為28.52 kJ/mol，低于常規加熱75.09 kJ/mol。相對分子質量分析和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）表明，美拉德反應引起相對分子量和化學結構的變化。光譜分析表明，微波美拉德反應使米蛋白三級結構擴展更廣泛，從而使共軛物具有更好的溶解性?？傮w而言，微波處理美拉德反應產物的功能性優于常規加熱美拉德反應產物，這表明微波處理更能改善糙米性能。

FAN 等[25]探討了蛋白質在微波場中是否會產生自由基，以及影響自由基形成和穩定性的因素。結果顯示，經過電子順磁共振（EPR）技術處理的大米蛋白質樣品中含有碳中心自由基。大米蛋白質的光譜分析表明，不僅熱處理樣品中存在自由基，大米蛋白質的天然樣品中也存在自由基。自由基的生長受到水活度的強烈影響。在微波輻射下，蛋白質自由基的強度隨著水活度的降低和微波功率的提高而增加。輻射強度和生長速率隨輻射時間的延長而增加。

酶是具有催化活性和特異性的功能有機物，絕大部分酶本質是蛋白質，微波處理能引起酶活力變化，而谷物食品中一些酶與在谷物食品加工中營養成分的變化以及貯藏過程中食品的變質有很大關系。適當的使用微波加熱可以在不影響食品品質的前提下改變酶的活性。HEMANDEZ-INFANTE 等[27]以大豆為原料，研究了微波和傳統方法對抑制脂肪氧合酶酶活力的效果，以及對谷類蛋白品質的影響，結果表明，微波能對谷類蛋白不造成顯著影響的前提下大幅提升滅活脂肪氧合酶的效率。

微波加熱能加速米蛋白和葡聚糖之間的美拉德反應，使得米蛋白三級結構得到擴展，顯著改善米蛋白的功能性，使米蛋白在食品、藥品、化妝品行業的大規模運用成為可能；但微波加熱誘導蛋白質自由基的形成，對糙米的品質造成不利影響，如何控制自由基的形成應該引起研究者的重視。

2.3 微波對糙米脂肪的影響

糙米中的脂肪占比約為2%，根據與淀粉的關系，大米脂質分為非淀粉脂質和淀粉脂質。包括甘油脂和甘油磷脂的非淀粉脂質主要存在于糊粉層和胚的油體中，而與淀粉顆粒結合的淀粉脂質位于水稻胚乳[26]。

ZHAO 等[27]研究發現，隨著微波處理能耗的提高，糙米中游離脂肪酸含量降低。WU 等[28]發現，微波熱濕處理對于直鏈淀粉-油酸配合物的結構和消化率有顯著影響。雙螺旋分數和吸光度比在1 044/1 022 cm 處的降低表示在微波之后螺旋結構的破壞和表面分子短程階的減少。微波處理也促進了分子運動和相互作用，導致更多的直鏈淀粉和油酸分子鏈可形成單個螺旋和V 型微晶（圖1）。

圖1 微波熱濕處理后直鏈淀粉-油酸配合物結構變化示意圖（參照WU 等[28]修改）

3 微波對糙米活性成分的影響

除了蒸煮品質還有營養品質，稻米中很多活性營養成分在微波場中也會受影響。糙米中存在多種天然植物營養素，不僅含有豐富的維生素B、E 和礦質元素鎂、鐵、鈣等，還含有豐富的生物活性物質，如多酚、γ-氨基丁酸、谷胱甘肽。特別是酚類化合物具有天然的抗氧化活性和抗炎作用，食用糙米可以降低慢性疾病的風險。然而，這些活性物質大多存在于米糠層，在碾磨、熱處理等后續加工過程中容易被破壞，造成資源浪費。

SUKANYA 等[29]通過蒸汽烹飪和微波烹飪的對照實驗，證實烹飪過程是影響總酚含量和總花青素含量的關鍵因素，烹飪過程降低了糙米的抗氧化活性和DPPH 自由基清除能力。與傳統蒸汽烹飪相比，微波烹飪方式具有較短的蒸煮時間，可以有效保存糙米中的活性物質。陳培棟[30]研究發現，微波穿透性強，可以使酚類物質更易溶解于有機溶劑，在一定微波處理條件下，多酚類物質含量甚至能高于未經處理的糙米。然而，隨著處理時間延長，微波的熱效應也會使多酚類物質流失。因此，適宜微波處理糙米不會對其多酚類物質造成影響。在針對總黃酮量和DPPH 自由基清除能力的實驗中也發現，相比于傳統糙米加工方法（擠壓膨化、研磨、超高壓處理）50%左右的活性物質損失率來說，微波不僅能夠保留糙米中的抗氧化活性物質，還能保留物質本身最重要的體外抗氧化活性。

微波加速了糙米的干燥過程，但是升溫和減濕的復合作用并不能激發谷氨酸脫羧酶（GAD）活性合成γ-氨基丁酸，加熱不均勻反而會導致γ-氨基丁酸的降解[31]。

4 微波對糙米水分活度的影響

水分含量是影響糙米質量的關鍵指標。過高的水分含量會導致糙米發芽和發霉。相反，當水分含量過低時，糙米的物理結構會被破壞，導致營養流失，影響食用價值。糙米的干燥是一個復雜的過程，由熱能驅動同時傳熱和傳質[32]。目前，已經有多種干燥技術運用于糙米的干燥過程，如日光干燥、熱風干燥和流化床干燥[33-35]。然而，日光干燥和熱風干燥耗時長且品質不容易控制[36]。相比于熱風干燥，流化床干燥可以讓產品表面與熱空氣和過熱蒸汽等干燥介質充分接觸，干燥效率高且品質相對均勻，是糙米干燥的常用方法[37-38]。盡管上述方法已實際應用于糙米的干燥，但糙米仍然需要干燥速度快、能耗低、產品質量好的先進干燥技術[39]。微波干燥作為一種容積式加熱方式，具有能源效率高、成本低、易控制等顯著優勢，是糙米干燥的一種可行方法[40]。SHEN 等[31]研究發現，3～4 W/g 的微波強度適合糙米干燥。在微波干燥過程中，糙米在較強微波輻射下內部會產生孔隙，從而提高初期干燥速度，而溫度升高則會引起淀粉顆粒糊化，從而阻礙后期干燥速度，這個現象與SHEN[9]的研究結果吻合。較高的微波強度導致籽粒內部溫度不均勻，顯著影響糙米水分含量和最終質量指標。而為了使微波加熱更均勻，CHEN 等[41]研究了連續微波干燥系統（例如連續帶式微波干燥器），食品在傳送帶上的連續移動可以提高加熱均勻性，縮短干燥過程。SHEN 等[42]為了解發芽糙米的復雜干燥過程，闡明其干燥特性，對連續微波干燥條件下糙米的傳熱傳質進行了數值模擬和實驗驗證。為了描述糙米在連續微波干燥器中的干燥過程，建立了一個涉及微波場傳輸、傳熱和質量（水分）傳遞的多物理場復合的三維模型。提出了基于離散組合法的策略，在計算機仿真軟件和自主開發程序代碼的相互配合下，實現了移動物料的連續微波干燥仿真。對于糙米的連續微波干燥，施加在顆粒層上的電場強度的相對均勻分布取決于磁控管的合理排列方式和合適的微波功率輸出。物料的運動可以有效減少谷物層對微波能量的過度吸收，并在微波加熱、水分蒸發和通風對流的協同作用下，實現溫度和水分含量的均勻分布和較高的干燥均勻性。其所建立的模型和模擬策略可為理解和分析糙米等顆粒狀食品材料的連續微波干燥過程提供指導。SHEN 等[43]通過臺架實驗和數值模擬，研究了微波干燥條件（微波強度，氣體流速，料層厚度和每個通道的干燥時間）對連續微波干燥下糙米干燥特性和視覺質量（裂縫和顏色）的影響。研究表明，由于糙米在移動中經歷不均勻電場，最終的干燥溫度分布具有較高的均勻性。增加氣體流速可能會削弱水分含量梯度引起的內部應力對糙米內核內部裂縫形成。料層厚度低于10 mm 有益于形成金黃色外觀的糙米。金黃色的形成可能是由于糙米中氨基酸和淀粉組分之間的部分美拉德反應或酶促反應，而更深顏色的形成可能是麩皮區域中色素被釋放出來[44]。微波加熱雖然優勢顯著，但加熱的不均勻性對干燥品質和有益營養成分（GABA）的影響較大。盡管SHEN 已經對連續微波干燥器進行了研究，但也還是停留在表征，對微波干燥下糙米的干燥特性需要進一步研究。

5 微波對糙米儲藏穩定性的影響

脂類物質的降解是儲藏過程中糙米品質受到破壞的主要原因。脂類的降解是從水解酸敗，接著是氧化酸敗開始，通過酶或非酶反應來影響稻米品質。在長時間貯藏過程中，脂類的氧化作用會使賴氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸和色氨酸轉變為不可利用的衍生物。由于內源性淀粉酶的作用，與之相隨的還有碳水化合物的降解。

黃文艷等[45]發現，微波處理顯著抑制了糙米的酸度和細菌生長，這可解決快速酸敗和異味產生。還有研究得出，微波輻照具有殺菌抑菌作用，從而抑制微生物和脂肪酶活性。而菌落總數降低是因為微波輻照后溫度升高，蛋白質變性，使細菌失去營養和生存的條件而死亡。另外，微波輻照改變了細胞膜的通透性，使細胞生長發育受到抑制而死亡。陳培棟[30]研究發現，微波處理能夠顯著降低糙米中多酚氧化酶活性和過氧化物酶活性。儲藏期間微波處理糙米樣和原始樣的酶活性均呈下降趨勢，且原始樣的下降速率高于微波處理樣。張志慧等[46]得出，以1.5 kW/kg 低強度的微波處理稻谷,脂肪酶活力和游離脂肪酸含量均有提高，亞油酸含量降低，可減少對影響稻谷品質的副反應發生。而這些影響對于穩定稻谷的儲藏品質具有一定積極作用。吳雨等[47]用600W 的微波處理稻米90 s 后發現，過氧化物酶殘余相對活力小于最大允許值范圍，并且發現實驗組稻米經過儲藏后的酸值相比對照組大幅度降低，同時發現，微波穩定化處理對稻米中主要脂肪酸的組成影響較小。

微波處理可以抑制多酚氧化酶、過氧化物酶和脂肪酶活性，并且可以抑制微生物生長，延緩糙米腐敗，是一種快速、高效、值得深入研究的處理方式。

6 展望

目前，我國的糙米加工工藝仍不夠成熟，相比于國外成熟的糙米、留胚米生產線，國內加工的糙米由于口感差、硬度高、烹飪時間長等缺點而得不到市場認可。微波技術憑借其效率高、成本低、易操作等優勢，無疑可作為國內發展糙米加工工藝過程的重要一環。本文總結了近年來利用微波對糙米品質特性改善的研究進展。微波處理可以顯著提高糙米蒸煮的效率，使糙米淀粉短時間內改性增加糊化焓、粒徑、峰值黏度、崩解值和G'值；使糙米蛋白溶解度提高，促進其與葡聚糖發生美拉德反應，改善米蛋白功能性；使糙米中游離脂肪酸減少，并使淀粉-脂質復合物的消化率減少，穩定其結構，提升糙米的營養價值和風味。微波處理對淀粉晶體結構的改變和對退火性質的改善和對美拉德反應產物功能性的拓展為今后大規模工業化利用谷物淀粉和蛋白質提供了新思路。相比于傳統干燥方式，微波干燥能耗低、時間短這些優勢將會是食品干燥行業的新推力。適宜條件下的微波處理對于糙米中多酚和抗氧化活性的影響很小。但是微波的輻射強度變化大，因此對γ-氨基丁酸含量和干燥質量都會有顯著影響。微波加工也會抑制多酚氧化酶和過氧化物酶的活性，并且抑制微生物的繁殖，提高糙米儲藏的穩定性和貨架期。綜合來看，微波處理對于提升糙米加工工藝有著極大作用。