1、超高压米饭的技术经济价值及其产业化前景贾培起 王晓娥 张 晗 编译天津市华泰森淼生物工程技术有限公司一、大米的营养成分及其加工的影响大米是人类食品的主要谷物，它的营养丰富，为人类提供丰富的营养成分。它含有 75%的碳水化合物、7%的蛋白质、 2%的脂肪、维生素、微量元素和食用纤维等。大米的营养成分每 100 公克的含量 白米 糙米 糯米热量（大卡） 354 340 354蛋白质（公克） 6.5 6.7 6.5脂肪（公克） 0.5 2 1.2醣類（公克） 78.1 75.4 76.8纤维（公克） 0.3 0.3 0.2鈣（毫克） 15 21 8磷（毫克） 151 280 120铁（毫克） 0.6
2、 1.5 2.2維生素 B1（毫克） 0.11 0.3 0.13維生素 B2（毫克） 0.04 0.05 0.04菸鹼酸（毫克） 1.4 4.6 1.6糙米是由谷皮、糊粉层、胚及胚乳组成（图 1）。胚乳占糙米的最大部分，占米粒总量的 80左右。它含有大量淀粉，一定数量的蛋白质和少量的矿物质和维生素。胚中含有大量蛋白质，脂肪、矿物质、维生素和纤维素、可溶性糖等成分。维生素含量占整粒米维生素含量的 56。糊粉层含有纤维素、蛋白质、脂肪、矿物质和维生素。在大米加工过程中，谷皮、糊粉层和胚被碾磨掉，保留了胚乳。碾磨的越彻底，大米越加精制，外观质量越好，但是营养成分损失的越多。大米在进行加工时，最初的去
3、皮抛光，就会损失 35的重量，同时也破坏了营养成分；在淘米时，VB1 会减少 60，煮饭时又会减少 25。图 1 米的组织结构二、超高压加工大米的研究及产业化1989 年月日林力丸在他的著作超高压在食品上的利用（出版）中提出：在精米时加水浸泡后，装入塑料袋子中抽出空气，经真空封装，施加 5000 个气压的静水压，时间为半小时，温度为，然后取出。此时水基本上全被米所吸收，米粒膨胀、富含水分，品尝的话，感觉有硬芯，像发芽的大米。食用时在沸水中煮 5 分钟即可变成香喷喷的米饭。1990 年林力丸先生做为申请人，申请了发明专利“超高压米饭的制造方法和调理用的容器 ”（）。2000 年日本越後制菓成功地
4、推出了采用超高压技术加工的方便米饭（图 2）。超高压米饭方便，只需要在微波炉加热 2-3 分钟即可食用。超高压加工的米饭的米粒不仅晶莹剔透，香气浓郁、有弹性、口感好，而且充分地保留米粒原有的营养成分，受到高度评价。这种食品于 2000 年 9 月进入市场，第一年的销售额就达到了 13 亿日圆，2005 年达到 23 亿日元。目前超高压米饭已经是日本最热销的超高压食品，它遍布各地超市，几乎成为超高压食品产业化最为成功的标志。生产高压熟大米的大型生产线已在日本逐步完善，生产线从开始的一条发展到五条（图 3、4）。现在，中国、韩国都在引进了超高压米饭生产线，目前加拿大等国也都提出引进日本超高压加工米
5、饭的意向，出现迅速扩大的产业化趋势。图 2 超高压方便米饭图 3 超高压加工设备图 4 超高压米饭生产线越後制菓董事长山崎彬先生，是一位学者型的企业家，他针对超高压米饭做了大量的深入研究，多次发表论文，并且申请了 10 多项专利（表 2），2005 年日本文部省授予“科学技術振興功績者”奖。越 後 制 菓 的 专 利特 許 公 開 名 称1997 - 182565低化米製造方法並加工食品製造方法 加工食品並食品調理方法 容器封入食品殺菌処理方法 容器封入食品殺菌処理方法 炊飯米 炊飯米 炊飯米 玄米加工方法 複数種穀物麹製造方法及複数種穀物麹用複数種穀物麹味噌製造方法超高压方便米饭利用超高压加
6、工技术，可以改善大米米粒的组织结构，生产出一种具有划时代意义的超高压大米，它与普通米相比有很多优点。图 1 超高压方便米饭 图 2 米粒晶莹剔透米在浸泡后施加高压处理，然后煮制，米饭的粘性增加，硬化加快，与无处理的米饭(对照)老化的状态是不同的。渡边等提出了对陈米的米质改善有价值的报告。研究表明，将浸泡过的米加上高压处理与无处理的场合比较，明确在吸水，煮饭，糊化，老化等的不同点显示了米饭的新的物性。并且高压处理的煮饭米，老化后微波加热烹调，其糊化度超过普通的煮饭。1、 消除气泡图 3 所示，左侧纵列所表示的是普通米，米粒内部有气泡，因此存在没有水的部分。将精白米浸泡于液体中，在经过 100MP
7、a 以上 400MPa 以下的高压处理以后，便可得到右侧那样米粒内部（见图 米粒 1）不含气泡的超高压大米。图 3 米粒中的气泡对比2、 改善形状普通的食用大米与精白米相比，煮饭时，长径长接近 1.52 倍，因含水分，米粒整体不会膨胀，呈细长型。图 4 所示的是米粒的尺寸，超高压大米米粒是一种和精白米米粒略相似的稍圆的米粒，它的特点是与普通大米相比长径 L 更短、截面最短径 0更长、L/ 0值小。用 1表示最最长的短径，用 L 表示长径，用 0表示米粒最厚的上述短径方向的截面的最短径的情况下，设定. 0.。此例中，以. 0.为方法，如上述那样，将精白米浸泡在液体中，经过 10MPa 以上 40
8、0MPa 以下的高压处理以后，再用来煮饭。图 4 米粒的长径与短径如果采用实施高压处理这个方法，只需要对煮饭前的精白米施以高压，就能得到长径短、截面最短径长、稍圆米粒的超高压大米。这对批量性生产是有利的。换句话说，改善成与普通食用大米相比，不是又长又细，而是略似精白米米粒的、接近有圆感的球形的超高压大米是容易实现的。具体来说，精白米的最短径 0.、长径/最短径之比 0.，而在此例中，经超高压处理的大米的长径/最短径之比 0.，和精白米的 2.50 很接近，煮饭以后仍能维持略似精白米米粒的、稍圆的、接近球形的米粒形状。另外，没有经过超高压处理的普通食用大米的短径 1虽然和经过超高压处理的大米的短
9、径 1接近（如果用平均值表示的话， 1.），但是，所测得的所有 0值都超过了 3.0、有的还超过了 4.0。也就是说，没有经过超高压处理的普通大米 0值的范围是 0.、L 较长，呈细长形。将精白米浸泡在液体中，经过 10MPa 以上 400MPa 以下的高压处理以后，就能得到.0.的那种特征的超高压大米。普通米径长是高压米的 1.52 倍，形状细长，体积重量比不太稳定。而高压米近似球形，体积重量比容易控制，计量比较准确，更便于重量或容积的自动控制。这对饭团子，寿司，便当等的自动细分的精度和效率很好，这对稻米业生产加工是很有贡献的。同时，普通的米饭，形状重量不稳定，分量容易产生过量与不足,而该发
10、明的食用大米，不容易产生计量上的偏差，并能提高自动细分的精度和效率。3、良好的外观图 5 表现了无处理的煮饭米和 400MPa 的高压处理煮饭米的外观。无处理的煮饭米(A)裂缝和破裂能清晰可见，高压处理煮饭米(B)，大致按照谷粒的外形的那样膨胀湿润，看不到裂缝和破裂的痕迹。这样(A)形状不良，没有光泽，(B)有光泽，大米粒有饱满的印象。4、显微组织用电子显微镜进行观察，400MPa 的高压处理浸渍米，根据压力处理大米粒的胚乳细胞破坏形式，在很大范围的淀粉粒之间观察到水浸入的迹象。同时，高压处理煮饭米与对照比较，胚乳细胞的形式崩溃。推而广之，在对照组，残留着未膨胀润的淀粉颗粒，糊化网络的壁薄且空
11、隙小。可是，高压处理的煮饭米，部分厚壁被构成了的糊化的网络。这样，高压处理煮饭米，由于压力对大米粒内的淀粉强制产生的水和作用，煮饭时继续了它的糊化。5、水分均匀普通米因为淀粉和水分分布不均匀，离水之后，米粒的表面就会发黏，因此自动检测也不稳定。比如说，体积和重量的比例不协调，对饭团，寿司，便当的自动分检就会出现超重或分量不足等等，存在自动控制的精度误差、效率低、失水等问题。同时炒饭添加的佐料也难以附着，米粒容易破损，不易炒制。另外，因为普通米表面积比较大，和液体接触的面积也会增大，从而很容易溶到沸水中煮得稀烂。像茶水泡饭和菜粥，ragout 等与汁液一起煮饭，普通的食用大米会煮得稀烂，淀粉流出
12、，汁液白而浑浊不清，但是，如果用高压大米加工粥和茶水泡饭，因为表面积小，跟液体的接触面积也很小，所以很少会溶化到沸水中和煮得稀烂。与普通大米相比，因为高压米的水分分布均匀，冷冻米饭的时候，水的结晶化也会均匀进行，解冻也不会产生冷冻瑕疵，很少发生液体滴漏和脱水现象。淀粉和水是均匀分布的，用微波炉加热，糨糊化度高，复原性好。从而能提供即使冷食也美味可口的超高压米饭，因此最适合做饭团，便当等。普通大米不适合接种种麴，那样必须一边用水蒸气向浸渍米上洒水，一边不断地翻蒸。而高压大米跟菌种的混合性很好，它能渗入到内部，因此就能产生因为有一定厚度而比较稳定的麹。6、米饭的物性表 2 显示了由使用伸展压力加工
13、 koshihikari 的煮饭米(对照)和高压处理煮饭米煮饭后 1 小时和 24 小时后的硬度(H1)、粘粘(H2)、平衡度(H2/H1) 8)。在煮饭 1 小时后与对照组比较高压处理煮饭米平衡度高，有类似糯米的粘性。煮饭米的硬度和粘性随时间延长一起下降。高压处理煮饭米的平衡度的降低，是由于硬度的降低和粘性的降低引起的。它的粘性，比对照组相对高，没有 24 小时后老化后米饭特有的崩溃感，残留着弹性的食感。 7、糊化度图 6 表示了煮饭米的保存日期的糊化度的变化和微波加热的复原性。高压处理煮饭米与无处理比较，煮饭后的全程保存期的糊化度都高。微波加热后表现了比刚刚煮饭后的糊化度高。有趣的是，随保
14、存日期增加，微波加热的复原时的糊化度增高，保存日数 15 日以后糊化度变成了 100。因此，用高压处理，接近完全糊化的煮饭米，是应该特别注意的现象。 8、超高压米饭产业的利用(i)、对于和米粒组织一样复杂的淀粉粒，压力处理是均匀吸水的有效手段。它能促进缩短煮饭加工的浸渍时间，提高烤米粉片和年糕的制造工序的连续化和质量的稳定化等。同时，一般认为陈大米，indika米也能获得平衡度高的煮饭米。(ii)、高压处理煮饭米，有粘性，有光泽漂亮，煮饭后 515保存的话，口感保持较好。这可以促进餐饮业和便利店等延长销售时间和消费期限，减少了过期品和退货。(iii)、高压处理煮饭米，因为粒形保持性好，能容易与
15、多种多样的配料辅料混合，促进工业的高效化。可以认为，将来能开发低卡路里的多水分的米饭。超高压处理的低过敏原熟大米最近几年，日本食品-过敏病人数量上升。过去人们普遍认为蛋、牛奶、鱼等动物性食品是引起食物过敏的原因食品。但是，近年来由米、小麦、大豆等谷类引起的过敏症也意外地多，正如学术论文（山田等，食物过敏，40，12，1485，（1999）所报道的那样，谷类里都存在过敏原物质（蛋白质）（引起食物过敏的抗原物质称为过敏原）。特别是米中所包含的过敏原物质明确地被定性、定量。据报道谷物中含有过敏原性蛋白质，依据其溶解性可分为：清蛋白和球蛋白。在 200 万食品-过敏病人中，据统计大约有 40 万大米-
16、过敏病人。一般的食物过敏的治疗方法是在患者的餐单上逐步排除可能会引致过敏的食物。但是，问题在于这可能会引起营养不良（实际上，排除过敏食物的治疗方法会引起精神疲劳等问题）。自然，为了弥补营养不良也就有必要寻找替代食品。但是谷类都会存在前面提到过的过敏原物质，所以作为一个现实问题，寻找食物的替代品是很困难的。总而言之，排除过敏食物的治疗方法并不值得大家期待，最好的方法还是食用低过敏原大米。1、消除过敏原的酶处理方法某些科研组已寻找出一条新方法消除大米中的这些过敏原性蛋白质。例如，Watanabe et al.借助酶处理已成功消除大米中过敏性成分。低过敏原大米的制造方法在特开平 2167040 号公
17、报中已经报道过，就是通过让米中的蛋白酶起作用、加水分解所含的蛋白质，除去过敏原蛋白质。详细地说就是在低压下，将大米浸泡在含有表面活性剂的强碱性溶液中，加上蛋白质酶放置。接着再在酸性溶液中浸泡，进行中和处理。然后通过等温沸腾处理而防止米粒破碎。特开平 2167040 号公报中所报道的方法存在如下一些问题。制造工序复杂，成本高，导致这种低过敏原大米的价格也很高。正如在学术论文（山田等，食物过敏，40，12，1485，（1999）所报道的那样，确认了大米经过在含有表面活性剂的溶液中浸泡后，形成比较硬的谷壳，煮饭后饭粒的密度不均匀。另外，米因为浸泡在酶溶液中，因此也会带上酶的味道。用这种米做的米饭，一
18、旦凉了以后会极度变硬，即使再加热，原来的味道也会显著下降。通过等温沸腾处理，煮饭前的吸水时间有一定的限制，时间如果过长，米饭会变软。发黏。另外，特开平 5292904 号公报中也报道了将粉质米浸泡于盐水溶液，提取过敏原蛋白质的技术。它确认了 1g 的米粉末中加入 10 毫升 1 摩尔的 NaCl，所提取的上面的那部分澄清溶液中的蛋白质浓度低于100g/毫升。抗原抗体反应试验也证明了如果蛋白质浓度低于 100g/毫升，低过敏原大米是极其有效果的。特开平 5292904 号公报中所报道的方法存在如下一些问题。如果是不是粉质米而是普通的精白米，就不会产生低过敏性效果，因此只能用粉质米，而且成品率也非
19、常低。另外，作为稻米品种改良的，使用药剂处理过的变种米时，低过敏原大米的用途就被限定了，价格也非常高。还有，因为是粉质米，所以在提取处理工序前后、烹饪过程中，很容易破碎，成品率也极低。米中的蛋白质按其性质可以分为四种：清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶谷蛋白。众所周知，除了醇溶谷蛋白，其他三种蛋白均溶解在酸性溶液或碱性溶液中（例如，京都大学农学部食品工学教室编，食品工学试验书上卷，養賢堂，(1970）,602603，或者神立誠编，蛋白质的知识，辛书房，(1971)，2729）。因此，如果米粒磨碎浸泡在上述的溶液中，除了醇溶谷蛋白，其他三种蛋白质都能从米粉中除去。但是，那样得到的米粉必须复原成米粒（造
20、粒），得到的造粒米也基本上全是淀粉质，因此，做成的米饭的形状、口感、营养价值很明显地都较差。将米粒浸泡于上述溶液中，能够抽去外层的蛋白质，所以大量的过敏原蛋白质也能除去。而且米粒里有细胞壁、细胞膜、amiropurasuto 膜的存在，所以内层的蛋白质不能提取。以上所述可以看出，米中所含有的物质也就是能够明确地定性、定量的 1 摩尔的食盐水提取物区分的清蛋白、白蛋白，尽管如此，为制造低过敏原大米，必须使用繁杂的酶处理工序、粉质米等特殊的大米。2、超高压加工消除过敏原高压处理可代替酶处理，并有效消除过敏原性蛋白质。压力高于 400MPa 可消除熟大米中的过敏原。这种无过敏原大米可被蒸-煮和无菌包
21、装，送到那些遵循医师建议而食用这些大米的病人。在市场上也可以看到用这种无过敏原米粉制成的面包食品。2000 年这种大米的年销售量大概为 1 亿日圆。低过敏原大米制造方法的特征是，通过对大米施以超高压处理后(急速加压以及急速减压,升压速度在以上、保持压力在之间、保持时间在以上、减压速度也在以上。)，浸泡于中性盐溶液中(氯化钠作为中性盐,中性盐溶液的浓度在 0.001摩尔以上，1 单位的经超高压处理的大米对应 0.5 单位的中性盐溶液)，而有选择性地提取清蛋白、球蛋白。发明者们发现，通过对普通米施以超高压处理，能够容易、简便、有效率、有选择性地提取米中所含的蛋白质，特别是 1 摩尔食盐水中提取物区
22、分的清蛋白、球蛋白。确认了 1g 蛋白质含量低的米粉末中加入 10毫升 1 摩尔的 NaCl，所提取的上面的那部分澄清溶液中的蛋白质浓度低于 100g/毫升。还有，用电泳法确认了 1 摩尔食盐水中提取物区分的蛋白质（过敏原蛋白质）与普通大米相比，含量大大降低。使用大米过敏患者的血清，通过抗原抗体反应试验极大地降低了此处理大米的抗原量。Kato,T 等研究了高压加工过程中过敏性蛋白质从大米中的释放。将精白米置于蒸馏水中并在 100400MPa的压力下进行加压处理，大量的过敏性蛋白质从大米中被释放（每克米中大约释放 0.20.5 毫克）。通过钠十二烷基硫酸盐聚丙烯酰胺凝胶体电泳和 immunobl
23、ot 分析（By sodiumdodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis and immunoblot analyses），已鉴定出释放的大多数蛋白质为16 kDa 白蛋白，alpha 血球素以及 33 kDa 血球素，这些都是主要的大米过敏原。通过在 300mpa 压力下对大米进行扫描电子显微观察发现，胚乳细胞的局部形态发生变化，但并没有明显的蛋白质形体的结构变化。增压使得这些过敏原蛋白质的含量减少，通过对存在的蛋白质水解酶的增压，大米中的过敏性蛋白质几乎完全消失。这个结果表明，增压对胚乳细胞的局部破坏提高了周围溶液对大米的渗透性，由
24、此，一部分蛋白质被溶解，随后释放到周围的溶液中。3、超高压消除大米过敏原的机理通过对普通米施以超高压处理，根据波义耳定律，在加压、减压的过程中米中的气泡会压缩、飞散、膨胀。气泡的这些变化会址米的细胞壁等产生龟裂、出现小孔。根据帕斯卡原理对米粒施以等方向的压力，米粒不会破碎。在超高压处理的同时，或者在超高压处理以后，将米浸泡于食盐水等中性盐溶液，由此提取液侵入到米细胞的细微部分。这里在学术论文（中村，日本食品工業学会誌，39，3，287（1992）中已经有所论述，即米中称为主体蛋白的部分集积成颗粒状，而过敏原蛋白质却呈游离态。因此，由此学术论为所记载的事实和前述的经超高压处理的大米的状态得出的结
25、果是，过敏原蛋白质的清蛋白、球蛋白对中性盐极具有亲和力，可以溶化，所以不会使米粒破碎，能够容易、简便、有效率地、有选择性地提取米中所含的蛋白质，特别是 1 摩尔食盐水中提取物区分的清蛋白、球蛋白。这里说所的中性盐是指氯化钠、碳酸钙、硫酸钾等酸的氢原子用金属原子置换而得到的物质。食用盐是最佳的。4、各种参数对超高压消除过敏原的影响在将大米浸泡于像食盐水这样的中性盐溶液中时，超高压处理在浸泡工序前后均可以。也就是说，米在中性盐溶液中浸泡之后再施以超高压处理；经超高压处理之后再把米放入中性盐溶液中浸泡；以及米在中性盐溶液中浸泡之后施以超高压处理，就以超高压处理的状态而浸泡在中性盐溶液；只要对大米施以
26、超高压处理，浸泡工序的顺序对提取过敏原蛋白质没有影响。经超高压处理的大米的浸泡条件中，提取液的浓度、提取时的温度以及浸泡时间分别用 C(摩尔)、T()、t（Hour）表示，所提取的蛋白质 p（干燥米）与温度、浓度、时间的比例用关系式（1）来表示。DC （1） 是各种中性盐中固有的提取率、是各种品种米（糯米，粳米，品种，产地等）中固有的固体内部溶质的有效扩散系数。0.01(2)溶液的凝固点()0.5() 提取蛋白质是，如果就那样放置的话关系式（）成立，搅拌等物理方法并用时，关系式（）中的 增大，定义域（）、（）及（）缩小。（）中，如果是不到摩尔的话提取溶媒的浸透压过低，即使采用搅拌等物理方法，摩
27、尔食盐水提取物区分的蛋白质也会大量的残留在大米中。另外，随着提取液浓度的增加，提取效率也会大大提高，但如果是摩尔以上的话就没有变化，所以也没有必要。（）中，温度如果低于溶液的凝固点，抽出溶媒就会凝固、不能进行提取处理。另外，如果是以上的话，蛋白质变性、对中性盐不溶化，所以提取效率会剧减。（）中，如果不足小时的话因提取时间过短，摩尔食盐水提取物画分的蛋白质也会大量的残留在大米中。但如果是小时以上的话，因残留的蛋白质含量没有差异，所以也没有必要。对大米实施超高压处理的最好的条件是急速加压、急速减压。详细的就是升压速度在以上、保持压力在之间、保持时间在以上、减压速度也在以上。升压速度在以上，能急速地
28、压缩米中所含的气泡。另外，通过与浸泡工序并用，使中性盐溶液的浸透力增加，从而使米快速地融入到中性盐溶液中。如果以下的话，气泡的飞散效果不明显、米的细胞壁等也很少发生皲裂。再就是在浸泡工序中，中性盐溶液浸透压的增加效果也差。保持压力如果在以下时，因浸透力不足，导致中性盐溶液对米的浸透不充分。而如果在以上的话，因米细胞致密化，也导致中性盐溶液很难浸透。如果是更高的压力的话，蛋白质发生变性，对中性盐溶液的不溶性化，所以也变得难以被提取。提取工序完成以后如果蛋白质变性，在区分、计量残留在米中的蛋白质时，外观上摩尔食盐水提取物画分的蛋白质降低，不能准确地计量。根据帕斯科原理，如果瞬时且均等地传达压力、压
29、力的保持时间在以上的话，蛋白质和中性盐充分地亲和、溶解。通过保持减压速度在以上，被压缩的飞散的气泡急速地膨胀，从而米细胞中产生微细的空隙，从中性盐溶液中提取过敏原蛋白质是有可能的。以及在浸泡工序中，也能够从米中抽出可溶化的蛋白质。如果减压速度在以下，气泡的膨胀力弱、空隙少。压力较差小、可溶化的蛋白质残留在米中。并用超高压处理时，根据浸透力的增幅关系式（1）的定义域（2）和（4）发生的变化如下所述。0.001() 超高压处理时的保持时间()根据由超高压处理的浸透力的增大效果，提取操作中使用的中性盐的浓度的下限值如果在 0.001 摩尔以上的话，关系式（1）成立。如果浓度低于这个值的话，即使是经过
30、超高压处理，因为溶质中性盐）的绝对量少，所以蛋白质可溶化难。其他，根据由超高压处理的浸透力的增大效果，因为中性盐溶液瞬时且均等地浸透到米中，所以浸泡时间只需要是超高压处理时的保持时间，关系式（1）就成立。提取蛋白质的中性盐溶液在使用量上，如果满足 1 单位的经超高压处理过的米对应 0.5 单位的中性盐溶液，关系式（1）成立，中性盐溶液的使用量没有上限。但是，从排水以及其他的经济方面的因素来考虑的话，3 单位以下是最佳的。在提取处理上使用的中性盐因为残留在米中，使食味下降时，通过水洗可以除去中性盐。只是这种水洗处理依赖于定义域（2），浓度低时可以省去。对中性盐溶液的蛋白质提取操作不仅仅是间歇式，也能是单独的连续式或者和间歇式并用。此发明所能得到的蛋白质含量特别是 1 摩尔食盐水提取物区分的蛋白质含量低的大米，除了只作为米来使用以外，加工成米饭（粳米）、年糕（糯米）、脆饼干及团子也可以。表 1 超高压处理与未处理米的过敏原比较
