重慶糯小米米糠的穩(wěn)定化及脫脂工藝優(yōu)化

蔣 勇，王友國，梁葉星，鐘 耕,3,*

重慶糯小米米糠的穩(wěn)定化及脫脂工藝優(yōu)化

蔣 勇1，王友國2，梁葉星1，鐘 耕1,3,*

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400716；2.重慶市英棋油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限責任公司，重慶 400716；3.重慶市特色食品研究工程技術(shù)中心，重慶 400716）

采用微波加熱技術(shù)對重慶糯小米米糠進行穩(wěn)定化處理，經(jīng)正交試驗優(yōu)化微波工藝參數(shù)，考察米糠水分含量、處理時間和微波功率對小米米糠貯藏6 周酸值變化情況。結(jié)果表明，當料層厚度為1 cm時，小米米糠穩(wěn)定化最佳工藝參數(shù)為：水分含量27%、微波功率600 W、處理時間90 s。此條件下，樣品37 ℃貯藏6 周后，脂肪酸值為21.40 mg KOH/g，遠小于空白組的171.00 mg KOH/g。通過響應(yīng)面優(yōu)化工藝設(shè)計獲得超聲波輔助重慶糯小米米糠脫脂的最佳工藝，研究脫脂溫度、脫脂時間、料液比對小米米糠脫脂率的影響，得出小米米糠脫脂工藝的最佳組合為：脫脂溫度 59 ℃、脫脂時間17 min、料液比1∶2.5（g/mL）、超聲功率60 W。在此條件下進行小米米糠的脫脂，其脫脂率為90.89%，有較好的脫脂效果。

小米米糠；穩(wěn)定化；脫脂；優(yōu)化

中華糯小米產(chǎn)于重慶北碚靜觀海拔800～1 000 m的中華山上，其種植一直沿用無化肥、無農(nóng)藥的傳統(tǒng)方法，是一種純天然無污染的綠色保健食品[1]。重慶糯小米米糠（以下簡稱小米米糠）是小米碾米過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，富含膳食纖維、蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)及生物活性植物化學(xué)物質(zhì)等[2-3]，是一種優(yōu)質(zhì)的可再生資源，具有非常高的保健開發(fā)價值[4-5]。按照我國小米年產(chǎn)量500萬 t進行計算，每年加工小米將產(chǎn)生小米米糠40萬 t左右[6]。米糠經(jīng)過碾米加工后，原本分離的油脂和脂肪酶相互接觸發(fā)生水解反應(yīng)，脂肪分解酶使油脂迅速分解出游離脂肪酸[7]，并以每天5%～10%的速率酸敗，米糠的酸值會大幅度升高，失去原有的食用營養(yǎng)價值。長期以來，小米米糠由于其口感、口味不佳，難以食用，且不易長期貯藏，通常被用作飼料或肥料，資源浪費嚴重[8-11]。如能充分對小米米糠進行深加工和綜合利用，將會帶來較高的經(jīng)濟效益。因此，穩(wěn)定化和脫脂處理是米糠能夠有效利用的先決條件。

米糠穩(wěn)定化處理是一個降低酶活力及營養(yǎng)成分復(fù)雜變化的過程，關(guān)鍵在于要求酶活力受到足夠抑制的同時，還需要盡可能保留自身的營養(yǎng)成分，主要的方法有化學(xué)法、生物酶法、水酶法、擠壓法、微波加熱法、歐姆加熱法等[12-15]。趙旭等[16]對多種穩(wěn)定方法比較發(fā)現(xiàn)，微波處理具有良好的市場前景。微波加熱能使米糠整體受熱均勻，熱效率高，同時對米糠的營養(yǎng)成分及感官品質(zhì)影響較小，且工藝操作簡單，滅酶效果好，對防止米糠水解和氧化變質(zhì)非常有效[17]。目前多數(shù)研究僅對微波處理時間、溫度、功率等多個單因素進行研究，并未利用有效的手段對各因素之間的相互影響和搭配進行系統(tǒng)研究。此外，小米米糠中脂肪含量為15%～20%[18]，也是影響小米米糠貯藏穩(wěn)定性、色澤風(fēng)味及最終應(yīng)用的重要因素，故小米米糠的開發(fā)利用需要進行脫脂處理。將小米米糠的油脂和小米米糠分離，既能提高其食用價值又能使小米米糠資源的利用率達到最大化。脫脂米糠食品的開發(fā)越來越多，但利用超聲波輔助脫脂的系統(tǒng)研究報道還比較少，對其研究是十分有意義的。

在已有的研究報道中，大多采用稻米米糠為研究對象，而對小米米糠則未見報道。本研究采用微波法對小米米糠穩(wěn)定化工藝進行研究，并進行正交優(yōu)化設(shè)計，以獲取理想經(jīng)濟的小米米糠穩(wěn)定化工藝參數(shù)；通過響應(yīng)面優(yōu)化工藝設(shè)計來獲得超聲波輔助脫脂的最佳工藝，為獲取營養(yǎng)成分損失小、脂肪含量較低的脫脂小米米糠提供參考，也為米糠資源的充分利用和脫脂米糠類保健食品的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮小米米糠由重慶北碚愛心農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供。

乙醇、苯、磷酸氫二鈉、檸檬酸、鄰苯二胺、亞硫酸氫鈉等試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DHP-9272電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；DZF-6020真空干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司；HH-4數(shù)字恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司；5810臺式高速離心機 德國Eppendorf公司；UV-2450紫外-可見分光光度計 日本Shimadzu公司；MS-Ⅱ微波快速制樣系統(tǒng) 上海新儀公司；KQ2200B超聲波清洗器 昆山舒美超聲波儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 小米米糠的穩(wěn)定化處理[19]

取一定量已知水分含量的小米米糠，過60 目篩，將定量的蒸餾水均勻噴灑在小米米糠中，以調(diào)節(jié)小米米糠的水分含量，充分混勻后平鋪在直徑9 cm耐熱玻璃容器中，放入微波快速制樣系統(tǒng)中，在設(shè)定的功率條件下處理一定時間后取出冷卻至室溫，稍作松散冷卻處理后，裝袋密封，置于37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中。

1.3.2 小米米糠的脫脂[20]

稱取5.00 g小米米糠，放入標有編號的錐形瓶中，加入相應(yīng)比例的無水乙醇，放入設(shè)定好溫度的超聲波清洗器中浸提，然后經(jīng)真空抽濾，濾液轉(zhuǎn)入烘干至質(zhì)量恒定已知質(zhì)量的圓底燒瓶中，其質(zhì)量記為M1；將圓底燒瓶中無水乙醇回收，其殘留物一并于烘箱中烘干并稱量，其質(zhì)量記為M2。小米米糠脂肪的質(zhì)量M=M2-M1。

1.3.3 脂肪酸值的測定

參照GB/T 5510—2011《糧油檢驗：糧食、油料脂肪酸值測定》[21]方法。

1.3.4 穩(wěn)定化及脫脂優(yōu)化試驗設(shè)計

1.3.4.1 小米米糠穩(wěn)定化單因素試驗

設(shè)定原料水分含量為19%、處理時間60 s、料層厚度1 cm、微波功率500 W。固定其他條件，分別考察水分含量（11%、15%、19%、23%、27%）、處理時間（30、60、90、120 s）、料層厚度（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 cm）、微波功率（400、450、500、550、600 W）對小米米糠在37 ℃貯藏過程中酸值的影響。

1.3.4.2 小米米糠穩(wěn)定化正交試驗優(yōu)化設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，考慮料層厚度較小時滅酶效果較優(yōu)，酸度升高較慢，且料層厚度增大后容易發(fā)生焦糊現(xiàn)象等因素，故確定了料層厚度，選擇水分含量、處理時間、微波功率三因素進行L9（34）正交試驗。正交試驗因素與水平如表1所示。

表 1 L 1 L9（334）正交試驗因素水平表Table 1 Factor levels used in orthogonal array design

1.3.4.3 小米米糠脫脂單因素試驗

設(shè)定料液比1∶2、脫脂溫度40 ℃、脫脂時間10 min、超聲功率90 W。固定其他條件，分別考察脫脂溫度（30、40、50、60、70、80 ℃）、脫脂時間（5、10、15、20、25、30 min）、超聲功率（60、75、90、105 W）對小米米糠脫脂率的影響。

1.3.4.4 小米米糠脫脂響應(yīng)面試驗優(yōu)化設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken設(shè)計原理，對影響小米米糠脫脂率的料液比、脫脂溫度、脫脂時間3個因素，采用Design-Expert 8.0.6統(tǒng)計分析軟件設(shè)計了三因素三水平響應(yīng)面試驗，并對擬合方程作方差分析及顯著性檢驗，響應(yīng)面因素與水平如表2所示。

表 2 響應(yīng)面設(shè)計因素及水平表Table 2 Factors and levels used in response surface design

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個實驗重復(fù)處理3 次，以平均值表示，采用軟件SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 小米米糠穩(wěn)定化工藝單因素試驗結(jié)果

2.1.1 水分含量對酸值的影響

圖 1 水分含量對貯藏過程中酸值的影響Fig.1 Effect of moisture content on acid value of waxy millet bran during storage

如圖1所示，隨著貯藏時間的延長，樣品酸值均有所升高，水分含量為23%的樣品酸值升高最緩慢，在6 周時間內(nèi)，僅從10.8 mg KOH/g升至37.5 mg KOH/g，而水分含量為27%的樣品則增加到了55 mg KOH/g以上。這是由于水分含量增加到一定程度后，水分吸收微波的能力就到達了極值點，水分吸收微波能量不斷蒸發(fā)而減少，最后微波的能量就會作用于小米米糠中脂肪等物質(zhì)，反而加速脂肪的氧化[22]。綜上，選取23%為較佳水分含量。

2.1.2 處理時間對酸值的影響

圖 2 處理時間對貯藏過程中酸值的影響Fig.2 Effect of microwave radiation time on acid value of waxy millet bran during storage

如圖2所示，貯藏6 周后，處理時間為90 s和120 s的樣品酸值升高較緩慢，其酸值小于30 mg KOH/g，處理時間為60 s的樣品則達到了40 mg KOH/g，而處理時間為30 s的樣品，貯藏5 周時已明顯霉變，失去食用價值?？梢姰斕幚頃r間大于90 s時，能夠有效抑制脂肪酸值升高。但隨著處理時間的延長，小米米糠會產(chǎn)生部分焦糊現(xiàn)象，影響小米米糠的品質(zhì)，這與嚴梅榮等[23]報道米糠的結(jié)果一致，而時間過短，則米糠受熱升溫不足，水分揮發(fā)少含量高，易產(chǎn)生霉變。故本試驗中選取90s為較佳的微波處理時間。

2.1.3 料層厚度對酸值的影響

圖 3 料層厚度對貯藏過程中酸值的影響Fig.3 Effect of material thickness on fatty acid value during the storage

如圖3所示，隨著貯藏時間的延長，料層越厚，酸值增長速率越快，6 周后料層厚度為1 cm的樣品酸值為37 mg KOH/g，而料層厚度為3 cm的樣品酸值達50 mg KOH/g以上。與吳本剛等[24]研究的米糠料層處理厚度在0.9 cm以上時，過氧化值有明顯升高的結(jié)果基本一致。考慮料層厚度較小時滅酶效果較優(yōu)，酸值升高較慢，且料層厚度增大后容易發(fā)生焦糊現(xiàn)象等因素，故選取1cm為最佳料層厚度。

2.1.4 微波功率對酸值的影響

圖 4 微波功率對貯藏過程中酸值的影響Fig.4 Effect of microwave power on acid value of waxy millet bran during storage

如圖4所示，隨著貯藏時間的延長，樣品的酸值明顯增加，而微波功率越高，酸值增加越緩慢，當貯藏時間為6 周時，微波處理功率為550 W和600 W的樣品酸值小于40 mg KOH/g，而功率400 W的樣品酸值則增加到80 mg KOH/g以上。因此，微波功率對脂肪酸值的升高有明顯影響[25]，故選取為550 W為較佳微波處理功率。

2.2 穩(wěn)定性最佳工藝條件的正交試驗優(yōu)化

表 3 正交試驗設(shè)計與結(jié)果Table 3 Orthogonal array design and experimental results

由表3可知，以6周后脂肪酸值為指標，水分含量、處理時間和微波功率3 個因素對米糠穩(wěn)定化的影響主次順序為：A＞C＞B，正交試驗較優(yōu)組合為：A3B2C3。這主要由于米糠中的水分子在微波的作用下發(fā)生共振，引起分子的摩擦產(chǎn)生熱量，使一定厚度的米糠快速吸收微波能量，導(dǎo)致脂肪酶在短時間內(nèi)受熱失活[26]。進行驗證實驗，在37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)6 周后，脂肪酸值上升緩慢，為21.40 mg KOH/g，而空白組的脂肪酸值則高達171.00 mg KOH/g，可見微波加熱處理是米糠穩(wěn)定化的一種有效措施。故確定小米米糠穩(wěn)定化最優(yōu)工藝參數(shù)為：水分含量27%、處理時間90 s、微波功率600 W、料層厚度1 cm。

2.3 小米米糠脫脂工藝的單因素試驗結(jié)果

圖 5 料液比對脫脂率的影響Fig.5 Effect of solid to liquid ratio on degreasing rate of waxy millet bran

圖 6 脫脂溫度對脫脂率的影響Fig.6 Effect of temperature on degreasing rate of waxy millet bran

圖 7 脫脂時間對脫脂率的影響Fig.7 Effect of microwave radiation time on degreasing rate of waxy millet bran

圖 8 超聲功率對脫脂率的影響Fig.8 Effect of microwave power on degreasing rate of waxy millet bran

圖5 ～8為不同條件下各單因素對脫脂效果的影響，由圖可知，脫脂率隨溶劑用量的增大而增大，當料液比到達1∶2.5后，脫脂率增大趨勢減緩，這可能是因為小米米糠中含有大量的膳食纖維、蛋白質(zhì)及淀粉，其吸水后導(dǎo)致小米米糠具有較強的吸水膨脹能力[27]，溶劑用量過小時，物料變得黏稠，流動性變差，脂肪及一些還原性單糖難以完全浸出；脫脂溫度小于70 ℃時，脫脂率隨溫度的升高而迅速增大，脫脂溫度超過70 ℃后，脫脂率反而降低，這是由于溫度達到70 ℃時，已接近無水乙醇的沸點溫度，如果溫度繼續(xù)上升，無水乙醇開始沸騰，導(dǎo)致油脂分子擴散困難，油脂的浸出效果變差[28]；脫脂時間小于20 min時，脫脂率隨著處理時間的延長而增大，而20 min后脫脂率呈現(xiàn)出下降的趨勢，這可能是由于浸出20 min時，米糠油已經(jīng)接近提取完畢，繼續(xù)延長脫脂時間使無水乙醇長時間受熱揮發(fā)，導(dǎo)致已經(jīng)浸出的油脂有少量析出而出現(xiàn)脫脂率下降的現(xiàn)象；經(jīng)超聲波輔助處理后的脫脂率遠高于未經(jīng)超聲輔助處理的，這可能是由于超聲波的空化效應(yīng)提高了無水乙醇溶劑的提取能力。而隨超聲功率的增強脫脂率沒有明顯的升高，較低的超聲功率即可達到提高脫脂率的效果，故選取60 W作為較佳的超聲功率，不作為響應(yīng)面試驗分析因素。

2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化小米米糠脫脂工藝結(jié)果

2.4.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果

在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，以料液比（X1）、脫脂時間（X2）、脫脂溫度（X3）為自變量，以脫脂率（Y）為響應(yīng)值，進行響應(yīng)面分析試驗，試驗結(jié)果見表4。

表 4 響應(yīng)面試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 4 Response surface design and experimental results

表 5 響應(yīng)面二次回歸模型方差分析表Table 5 Analysis of variance (ANOVA) of response surface quadratic regression model

由表5可知，F(xiàn)值和P值反映了模型方程中每一個系數(shù)的重要性，對于某一特定系數(shù)，其F值越大，P值越小，說明該系數(shù)越重要，對響應(yīng)值的影響越大。模型中的一次項X2、X3都極顯著，X1項不顯著，交互項X1X3顯著，X1X2、X2X3不顯著，二次項、、極顯著，因此各個具體試驗因素與響應(yīng)值均不是簡單的線性關(guān)系，要達到更好的脫脂效果需要調(diào)節(jié)脫脂工藝中的脫脂時間、脫脂溫度和料液比。

根據(jù)脫脂率所建立的回歸模型P＜0.000 1是極顯著的，并且該回歸模型的R2為0.991 2，模型與實際試驗的失擬項P=0.053 2不顯著，說明試驗擬合較好，試驗誤差較小，可用該回歸方程代替試驗真實點對小米米糠的脫脂率進行分析和預(yù)測。從表5中可以看出影響脫脂率各因素按影響大小排序依次為：脫脂溫度＞脫脂時間＞料液比。

采用Design-Expert程序?qū)Ρ?所得數(shù)據(jù)進行回歸分析，各因素經(jīng)過回歸擬合后，得回歸方程：

2.4.2 各因素間交互作用對小米米糠脫脂率影響的響應(yīng)面分析

圖 9 脫脂時間和料液比對小米米糠脫脂率影響的響應(yīng)面和等高線Fig.9 Response surface and contour plots showing the effect of solid to liquid ratio and degreasing time on degreasing rate of waxy millet bran

如圖9所示，在因素脫脂溫度最佳時，脫脂率隨溶劑用量的增加出現(xiàn)先上升后下降的變化，中間存在一個高響應(yīng)值范圍，因此料液比應(yīng)控制在1∶2.4～1∶2.6為宜；隨脫脂時間的延長，脫脂率同樣出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但幅度較小，且在脫脂時間的任一水平條件下，隨料液比的變化其變化不明顯，因此兩個因素的交互效應(yīng)不顯著。

圖 10 脫脂溫度和料液比對小米米糠脫脂率影響的響應(yīng)面和等高線Fig.10 Response surface and contour plots showing the effect of solid to liquid ratio and temperature on degreasing rate of waxy millet bran

如圖10所示，脫脂時間控制在較優(yōu)水平時，脫脂率隨溶劑用量增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢；隨脫脂溫度升高，脫脂率出現(xiàn)相同的現(xiàn)象，且曲線均較陡，說明兩個因素對小米米糠的脫脂率交互作用顯著。

圖 11 脫脂溫度和脫脂時間對小米米糠脫脂率影響的響應(yīng)面和等高線Fig.11 Response surface and contour plots showing the effect of degreasing time and temperature on degreasing rate of waxy millet bran

如圖11所示，料液比控制在較優(yōu)水平時，隨脫脂溫度的升高，脫脂率出現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象，但下降較為緩慢。這是由于溫度上升，無水乙醇達到沸點后開始沸騰，使油脂分子擴散困難，油脂的浸出效果變差[28]；脫脂時間延長時，對脫脂率的影響不明顯，說明兩個因素對小米米糠的脫脂率交互作用不顯著。

通過軟件進行數(shù)據(jù)分析，小米米糠脫脂的最佳工藝條件為料液比1∶2.54、脫脂時間17.04 min、脫脂溫度58.8℃。在此條件下的脫脂率理論值為91.08%。為了方便實際操作，并盡可能降低能耗，故將實際條件調(diào)整為料液比1∶2.5、脫脂時間17 min、脫脂溫度59 ℃、超聲功率60 W。在此條件下進行脫脂率的驗證實驗，得出脫脂率為90.89%，與預(yù)測理論值誤差僅為0.21%，與王大衛(wèi)等[29]采用CO2超臨界流體萃取技術(shù)得到的脫脂率92.19%這一結(jié)果相差不大，說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化獲得超聲波輔助脫脂的最佳工藝參數(shù)，具有一定的實用價值且工藝簡單。

3 結(jié) 論

對小米米糠進行微波穩(wěn)定化工藝研究，選取水分含量、處理時間和微波功率3 個因素進行正交試驗，發(fā)現(xiàn)對米糠穩(wěn)定化影響的主次順序為：水分含量＞微波功率＞處理時間，確定正交試驗最佳組合為：水分含量27%、微波功率600 W、處理時間90 s、料層厚度1 cm。在此條件下，37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中樣品培養(yǎng)6 周后，脂肪酸值為21.40 mg KOH/g，而空白組的脂肪酸值則高達171.00 mg KOH/g，極大地降低了米糠食品在貯藏過程中酸值的含量。

采用響應(yīng)面法對小米米糠的脫脂工藝進行研究，發(fā)現(xiàn)對小米米糠脫脂率的影響順序為：脫脂溫度＞脫脂時間＞料液比。最佳脫脂工藝組合為：脫脂溫度59 ℃、脫脂時間17 min、料液比1∶2.5、超聲功率60 W。在此條件下，脫脂率為90.89%，有較好的脫脂效果。

米糠經(jīng)穩(wěn)定化和脫脂工藝處理后，可為食品工業(yè)提供營養(yǎng)豐富的生產(chǎn)原料，有利于進一步開發(fā)米糠的深加工產(chǎn)品，形成米糠綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈，提高米糠的綜合利用價值和經(jīng)濟效益。

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Stabilization and Degreasing of Waxy Millet Bran from Chongqing

JIANG Yong1, WANG Youguo2, LIANG Yexing1, ZHONG Geng1,3,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400716, China; 2. Chongqing Yingqi Oil Camellia Industry Development Co. Ltd., Chongqing 400716, China; 3. Chongqing Special Food Engineering Technology Research Center, Chongqing 400716, China)

The stabilization of waxy millet bran from Chongqing was conducted by microwave heating. The effects of millet bran moisture content, microwave power and radiation time on acid value after 6-week storage were explored using an orthogonal array design to optimize the three factors. The results indicated that a microwave power of 600 W and a radiation time of 90 s were found to be optimal for the stabilization of a 1 cm thick layer of waxy millet bran with 27% moisture content. After 6 weeks of storage at 37 ℃, the resulting product showed an acid value of 21.40 mg KOH/g, far lower than that of the control group (171.00 mg KOH/g). The optimal conditions for degreasing waxy millet bran determined by response surface methodology were 59 ℃, 17 min, 1:2.5 (g/mL) and 60 W for temperature, time, solid-to-liquid ratio and ultrasonic power, respectively. Under these conditions, the degreasing rate of waxy millet bran was 90.89%.

millet bran; stabilization; degreasing; optimization

TS224.2

A

1002-6630（2015）08-0054-07

10.7506/spkx1002-6630-201508010

2014-09-26

重慶市科技攻關(guān)計劃項目（cstc2012gg-yyjs00002）

蔣勇（1990—），男，碩士研究生，主要從事糧食、油脂及植物蛋白工程研究。E-mail：276621167@qq.com

*通信作者：鐘耕（1964—），男，教授，博士，主要從事糧油食品加工及天然產(chǎn)物開發(fā)的研究與教學(xué)。

E-mail：zhongdg@126.com