微波處理對稻谷品質(zhì)及脂肪酶活性的影響

袁建，趙騰，丁超，邢常瑞，張斌，陳尚兵，何榮，鞠興榮

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微波處理對稻谷品質(zhì)及脂肪酶活性的影響

袁建，趙騰，丁超，邢常瑞，張斌，陳尚兵，何榮，鞠興榮

（南京財經(jīng)大學食品科學與工程學院/江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇高校糧油質(zhì)量安全控制及深加工重點實驗室，南京 210046）

【目的】研究不同微波條件對稻谷水分遷移狀況、品質(zhì)、脂肪酶活力、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，從而篩選出最佳微波干燥條件以實現(xiàn)稻谷快速有效干燥，縮短干燥時間。【方法】本文使用不同微波劑量（0.69、1.29、1.92 W·g-1）將稻谷處理至50℃、60℃、70℃后，經(jīng)過緩蘇（不緩蘇）處理，對照組樣品采用熱風60℃，干燥時間為60 min，緩蘇4 h進行。研究加工品質(zhì)、爆腰率及相關理化指標，并通過核磁和掃描電鏡觀察稻谷水分遷移狀況和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。【結(jié)果】微波劑量、稻谷溫度是影響品質(zhì)的關鍵因素。在微波劑量為1.29 W·g-1，60℃，緩蘇條件下稻谷的加工品質(zhì)較好，爆腰率低至8.65%，碎米率、出糙率、整精米率分別為6.76%、83.9%、68.07%，與熱風干燥相比無顯著差異。同時微波對脂肪酶活力有顯著抑制作用，1.92 W·g-1，70℃，緩蘇條件下脂肪酶活力最低（5.65 U），比對照組樣品脂肪酶活力低4.65 U。利用隸屬度綜合評分法對干燥后各項品質(zhì)評判，1.29 W·g-1，60℃，緩蘇條件下稻谷得分排名第3，綜合考慮升溫速率及各項品質(zhì)得分，為最適宜的微波處理條件。低場核磁和掃描電鏡結(jié)果表明，經(jīng)微波干燥后的稻谷結(jié)合水含量下降，并產(chǎn)生明顯左遷，水分與其他組分結(jié)合地更加緊密；稻谷胚乳細胞破裂及淀粉裸露程度增加，呈放射性排列的結(jié)構(gòu)逐漸消失，內(nèi)部裂紋增加；復合淀粉粒逐漸崩解，單粒淀粉粒增多?！窘Y(jié)論】微波干燥對稻谷的升溫速率、品質(zhì)以及酶活有顯著影響，稻谷中各狀態(tài)水分和其他組分結(jié)合的牢固性更強。干燥中水分散失會引起稻谷內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變化，與熱風處理相比，微波處理后樣品內(nèi)部裂隙較小。

微波干燥；水分遷移；加工品質(zhì)；脂肪酸值；脂肪酶；稻谷

0 引言

【研究意義】水稻是我國最主要的糧食作物之一，水稻的播種面積約占糧食作物總面積的1/4[1]。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2016年稻谷產(chǎn)量達2億噸。據(jù)統(tǒng)計，我國糧食收獲后在脫粒、晾曬、儲存等過程中的損失率高達15%，其中每年因不能及時干燥而造成的霉變、發(fā)芽等損失率至少在5%以上[2]。常用的低溫分段降水、多次緩蘇的慢速干燥工藝，不適用于水稻的應急干燥處理[3]，因此稻谷快速干燥技術(shù)的應用尤為重要?！厩叭搜芯窟M展】現(xiàn)有的稻谷干燥方式主要有熱風干燥、真空干燥、遠紅外干燥、微波干燥等[4-8]。作為新興的干燥技術(shù)，微波加熱具有熱穿透力強，加熱均勻、速度快、營養(yǎng)物損失少、能耗小和調(diào)控方便等特點，具有干燥、滅酶、滅菌的功效[9]。張習軍等[10]通過不同微波劑量和時間處理，研究稻谷的品質(zhì)變化，結(jié)果表明適宜的微波條件對碎米率、爆腰率影響較小，且有利于提高稻谷的出糙率及整精米率，降低稻谷水分含量和游離脂肪酸含量。張玉榮等[11]發(fā)現(xiàn)一定功率的微波處理可顯著地降低小麥胚芽脂肪酶活力，起到鈍化脂肪酶的作用。Ruen-Ngam等[12]通過測定米糠中脂肪酸含量探究脂肪酶活性，也發(fā)現(xiàn)經(jīng)微波處理1 min后，米糠中的脂肪酸值急劇下降。以上研究表明微波技術(shù)在糧食干燥領域擁有廣闊應用前景?！颈狙芯壳腥朦c】水分含量是影響稻谷加工品質(zhì)的重要指標，偏高水分含量下稻谷的正常籽粒所占比例最高，未熟率、裂紋率、損傷率等相對較低[13]。目前研究大多數(shù)局限在將稻谷干燥至安全水分后進行儲藏，對將稻谷經(jīng)微波和熱風干燥至偏高水分后，溫度和微波劑量對加工品質(zhì)、水分狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的改變、脂肪酶活力變化等缺乏詳細的研究。【擬解決的關鍵問題】對淮陰5號粳稻進行不同的微波和熱風處理，將高水分稻谷微波干燥處理至偏高水分范圍（14.5%—16%），探究熱風和微波處理對稻谷的水分含量、加工品質(zhì)、水分狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、脂肪酸值和脂肪酶活力的影響，為偏高水分稻谷入倉儲藏研究提供參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粳稻為淮陰5號，濕基水分含量（17.01±0.1）%。XOGZ-7KW連續(xù)隧道式微波干燥生產(chǎn)線，南京先歐儀器制造有限公司；MB-EHR12型陶瓷紅外-熱風聯(lián)合干燥裝置，鎮(zhèn)江美博紅外科技有限公司；JFYZ-II分樣器，蘇州奇樂電子科技有限公司；101-308電熱鼓風干燥箱，上海蘇進儀器設備廠；歐達時探針溫度計，潮州市潮安區(qū)保德儀器具有限公司；TESTO830-S1紅外線測溫儀，德圖德國集團；MicroMR20-030V-I核磁共振分析儀，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；BLH-3250實驗礱谷機，浙江伯利恒儀器有限公司；JNMJ6檢驗碾米機，浙江臺州市糧儀廠；PHX-150B智能培養(yǎng)箱，寧波海曙賽福實驗儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 微波實際功率的測定 參照高超等[14]的研究方法測量微波設備的有效輸出功率。將微波設備分別調(diào)至不同功率進行預熱，量?。? 000.0±5.0）g水并記錄下初始溫度T0；放入微波設備中，調(diào)整傳送帶速度，處理120 s后取出，用探針溫度計測量水溫為T1。公式（1）計算設備的有效輸出功率，每個試驗重復3次，取平均值。

式中，為水的比熱容，4.2×103J·(kg·℃)-1；為水的質(zhì)量，kg；0為試驗用水的初始溫度，℃；1為處理后水的溫度，℃；為水的汽化潛熱，約為2.28×103kJ·kg-1；△為處理前后水分質(zhì)量差，kg；為處理時間，s。

選取有效輸出功率為523.52 W、980.34 W、 1 456.83 W進行試驗。

1.2.2 微波處理稻谷方法 將水分含量（17.01±0.1）%稻谷除雜后備用，稱?。?60.0±0.5）g平鋪于傳送帶上，稻谷層面積為1 155 cm2，稻谷層厚度為（1.0± 0.1）cm。首先通過預試驗確定稻谷在不同微波功率下加熱到特定溫度所需時間，然后使用有效功率為523.52 W、980.34 W、1 456.83 W進行試驗，微波有效輸出功率所對應的微波劑量如表1所示，調(diào)整傳送帶的速度，處理一定時間后立刻用紅外測溫儀測量稻谷中層中心及同一平面上距離中心相等的4個點的溫度，取平均值作稻谷最終溫度。將稻谷分別處理至最終溫度為50℃、60℃、70℃后，使用鐘鼎式分樣器分成兩份，取其中一份樣品放于自封袋中平鋪并密封起來，分別放入預先設定好溫度（50℃、60℃、70℃）的電熱恒溫鼓風干燥箱中緩蘇4 h。另一份不做緩蘇處理。對照組采用熱風60℃對樣品進行處理，干燥時間為60 min，緩蘇4 h，為預試驗得到的熱風處理最適條件。樣品取出室溫下放置24 h后，4℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 微波設備有效輸出功率和微波劑量對應表

1.2.3 水分含量的測定 采用GB 5009.3—2016直接干燥法。

1.2.4 低場核磁橫向弛豫時間參數(shù)測定 將高水分粳稻加去離子水調(diào)節(jié)至所需水分梯度[15]（淮陰5號，調(diào)制后水分含量為（19.40±0.1）%），在微波劑量為1.29 W·g-1的條件下處理120 s至60℃，取出后平鋪冷卻至室溫，重復上述操作，分別處理1、3、5、7、9次，將稻谷水分降至18.01%—10.87%。稱?。?60.0± 0.5）g稻谷在熱風60℃條件下分別處理1、2、3、4、5 h，將水分降至17.42%—12.97%。

稱?。?.00±0.01）g帶殼的籽粒置于直徑25.4 mm的核磁管中，采用CPMG（carr-purcell-meiboom-gill）脈沖序列測定樣品的橫向弛豫時間，每個樣品做6次平行。CPMG脈沖序列的參數(shù)設置為：主頻SF= 20 MHz，采樣頻率SW= 100 KHz，90°硬脈沖射頻脈寬P1=13 μs，180°硬脈沖射頻脈寬P2=11 μs，信號采樣點數(shù)TD= 30 006，重復采樣等待時間TW= 5 500 ms，重復采樣次數(shù)NS=16，回波個數(shù)NECH= 500。

1.2.5 稻谷加工品質(zhì)的測定

稻谷爆腰率的測定：參考GB 1350—2009方法，以100顆完整糙米中含有裂紋的糙米占有的百分比表示。選用稻谷干燥后100粒取樣，經(jīng)人工剝皮后在自制爆腰燈下檢查爆腰率。

稻谷出糙率的測定：采用GB/T 5495—2008方法。稻谷出糙率以凈稻谷試樣脫殼后的糙米占試樣質(zhì)量分數(shù)表示。

稻谷整精米率的測定：采用GB/T 21719—2008方法。稻谷整精米率以整精米占凈稻谷試樣的質(zhì)量分數(shù)表示。

稻谷碎米率的測定：采用GB/T 5503—2009方法。稻谷碎米率以碎米占全部精米的質(zhì)量分數(shù)表示。

脂肪酸值的測定：采用GB 5510—2011中苯提取法。準確稱?。?0±0.01）g糙米粉于250 ml錐形瓶中，加入50 ml苯振蕩30 min，過濾。取25 ml濾液用標準氫氧化鉀標準溶液滴定。游離脂肪酸的含量以中和每100 g干稻谷中游離脂肪酸所需的KOH毫克數(shù)表示。

1.2.6 脂肪酶活力測定 參照王靜[16]、Schmidtdannert等[17]的分光光度法。

標準曲線的繪制：配制一系列不同濃度的油酸-甲苯溶液，分別取5 mL于10 mL離心管中，加入1 mL脂肪酸顯色劑（5%醋酸銅溶液，用吡啶調(diào)節(jié)至pH= 6.2），磁力攪拌3 min，離心后取上層有機相在714 nm處測定吸光度。

脂肪酶活力的測定：取（0.500±0.001）g樣品加入0.0667 mol·L-1的磷酸鹽緩沖液5 ml，進行冰浴勻漿；12 000×，4℃離心10 min，取上清液置于冰上備用。取0.5 ml樣品上清液，依次加入0.0667 mol·L-1的磷酸鹽緩沖液和1 ml橄欖油，37℃振蕩反應10 min后加入8 ml的甲苯中止反應。在37℃振蕩反應10 min后，在25℃，8 000×，離心10 min。取上清液4 ml，加入顯色劑1 ml，混勻后于710 nm處測定樣品吸光度，同時做空白對照組。

酶活定義及計算公式：脂肪酶酶活力單位定義為在一定條件下，每分鐘釋放出1 μmol脂肪酸的酶量為1個脂肪酶活力單位（U）。利用公式（2）計算酶活：

式中，為脂肪酶活力，U·mL- 1；為脂肪酸濃度，μmol·mL-1；為脂肪酸溶液的體積，mL；為酶液的用量，mL；為作用時間，min。

1.2.7 大米微觀結(jié)構(gòu)的測定 參照張曉紅等[18]的方法進行樣品前處理。取20—25粒完整大米，用2.5%的戊二醛浸泡2 h固定；磷酸緩沖液（pH 7.8）漂洗3次，超純水清洗3次；分別用30%—100%的乙醇梯度脫水10 min；用50%、70%、100%叔丁醇（乙腈1﹕1混合干燥10 min后自然風干）過渡。處理完畢后，放入離子濺射儀的噴金室，濺射電流為1.5 A，加速電壓為15 kV，濺射時間90 s。

掃描電鏡下觀察糙米的胚部結(jié)構(gòu)及淀粉微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.8 綜合評分的計算 運用隸屬度綜合評分法[19]，對經(jīng)微波處理后的稻谷整精米率、爆腰率、脂肪酸值、脂肪酶活力、升溫速率5項指標進行綜合評分。其中，整精米率越高品質(zhì)越好，升溫速率越大干燥效率越高，隸屬度計算使用公式（3）；爆腰率、脂肪酸值和脂肪酶活力越小稻谷品質(zhì)越好，隸屬度使用公式（4）；利用公式（5）進行加權(quán)得到微波稻谷的綜合得分S。

S

=

aM

1

+

bM

2

+

cM

3

+

dM

4

+

eM

5

（5）

式中，max和min分別為試驗中各指標的最大值和最小值，C為第組試驗所得的數(shù)據(jù)；12345分別為整精米率、爆腰率、脂肪酸值、脂肪酶活力、升溫速率的隸屬度，分別為5項指標的權(quán)重系數(shù)，且1。

微波的升溫速率反應了其干燥效率，但微波的升溫速率應建立在良好的品質(zhì)基礎上，因此加工品質(zhì)應作為主要評價指標，其次為升溫速率，兩者權(quán)重分別為0.8和0.2。稻谷加工成精米進行食用，整精米率和爆腰率反映了其加工品質(zhì)，兩者的權(quán)重系數(shù)分別為0.3和0.2[18-19]。脂肪酸值是大米儲藏中的重要指標，根據(jù)GB/T 20569—2006《稻谷儲存品質(zhì)判定規(guī)則》，粳稻脂肪酸值小于25 （KOH mg·(100g)-1干基）時宜存，權(quán)重取0.2。稻谷中脂肪酶的水解作用是產(chǎn)生脂肪酸的重要途徑，因此脂肪酶活性也是判斷稻谷儲存品質(zhì)的 重要指標，權(quán)重取0.1。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及偏差計算分析，SPSS 22.0進行顯著性分析，Origin8.5進行圖形繪制。

2 結(jié)果

2.1 微波升溫速率和失水速率的變化

由圖1可知，微波功率及處理時間增加，稻谷溫度上升加快。微波功率為0.69 W·g-1時，稻谷溫度由19.4℃升至70℃需345 s，而微波功率為1.92 W·g-1時只需80 s。稻谷升溫速率隨微波功率增加而增大，在微波功率為1.92 W·g-1時溫度趨近于直線上升。

稻谷水分含量和失水速率變化如圖2所示。干燥時間長、微波劑量增加，稻谷水分含量下降，失水速率逐漸上升。這是由于長時間的微波處理和高劑量的微波輻射均會導致稻谷溫度升高，高溫下水分擴散較快，因此失水速度上升。在0.69 W·g-1，30 s時稻谷失水速度最慢，1.92 W·g-1，90 s時失水速度最快。

圖1 微波處理對稻谷最終溫度的影響

2.2 熱風和微波處理后稻谷各狀態(tài)水分的變化

由圖3可知，不同水分含量的稻谷籽粒的低場核磁總信號強度和水分含量存在極顯著相關的線性關系（＜0.01），表明通過低場核磁的總信號強度能準確地預測籽粒中的水分含量。

使用熱風和微波2種干燥方式將稻谷水分含量由19.4%分別干燥至10.78%和10.27%，研究不同干燥方式對稻谷水分狀態(tài)的影響。對核磁共振試驗圖譜進行反演，得到稻谷橫向弛豫時間圖譜，反演后得到的3個峰分別代表3種不同流動性的水，其中T21代表結(jié)合水，T22代表不易流動水，T23代表自由水，自由度強弱為T21＜T22＜T23（圖4）。

圖2 微波干燥時間對稻谷水分含量和失水速率的影響

圖3 不同水分含量稻谷籽粒的總信號強度與水分含量線性擬合

稻谷經(jīng)微波和熱風處理后的低場核磁信號強度和橫向弛豫時間T2反演圖譜如圖4-A和4-C所示。圖譜顯示，微波干燥后稻谷中各狀態(tài)水分整體向左遷移，起峰時間由0.344896 ms提前至0.026431 ms，表明在微波干燥過程中稻谷中的水與其他組分結(jié)合的牢固性逐漸加強。熱風干燥后，稻谷內(nèi)部的結(jié)合水整體向右遷移，但遷移幅度很小，表明熱風干燥后稻谷中結(jié)合水與其他組分的結(jié)合牢固性略有下降，但下降不明顯。

觀察圖4-B和4-D，熱風干燥后的稻谷中各狀態(tài)水分所占的比例起伏較明顯，結(jié)合水和不易流動水所占比例緩慢下降，自由水所占比例略有上升；微波處理后稻谷中各狀態(tài)水分的比例總體處于平穩(wěn)狀態(tài)，但不易流動水比例略有上升，自由水略有下降，結(jié)合水的比例基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。

2.3 微波處理后稻谷加工品質(zhì)、脂肪酸值和脂肪酶活力的變化

2.3.1 微波功率和溫度對稻谷加工品質(zhì)的影響 溫度對稻谷干燥后品質(zhì)有一定的影響。同一微波功率下，60℃緩蘇的稻谷整精米率較高，而爆腰率和碎米率相對較低（表2）。0.69 W·g-1，60℃緩蘇條件下稻谷的出糙率和整精米率最高，分別為84.33%和69.06%，分別比熱風對照組樣品高了0.5%和3.15%，并且與熱風干燥組相比，微波干燥效率大幅提高。同時，微波功率對稻谷品質(zhì)也存在影響作用。微波功率由0.69 W·g-1上升至1.29 W·g-1時，碎米率變化不顯著，但當微波劑量由1.29 W·g-1增加到1.92 W·g-1時，碎米率顯著增加，表明使用微波進行干燥時，微波劑量應控制在1.29 W·g-1左右。

研究結(jié)果表明，經(jīng)過緩蘇的稻谷加工品質(zhì)普遍優(yōu)于未經(jīng)緩蘇的稻谷。經(jīng)緩蘇的樣品整精米率、出糙率較高，爆腰率和碎米率較低，在60℃時尤為明顯。

2.3.2 微波功率及溫度對稻谷脂肪酸值和脂肪酶活力的影響 原始稻谷的脂肪酸值較低，經(jīng)過測定為11.12 mg·(100g)-1，由圖5可知，50℃時稻谷脂肪酸值比微波干燥70℃條件下高；1.92 W·g-1、70℃緩蘇條件下的脂肪酶活力最低，為5.65 U，比熱風對照組酶活（10.3 U）低4.65 U；0.69 W·g-1、50℃未緩蘇條件下脂肪酶活力最高，為10.84 U。這是因為高溫會使脂肪酸降解，同時抑制脂肪酶活力，脂肪酶水解脂肪產(chǎn)生的脂肪酸數(shù)量減少。由于緩蘇組和未緩蘇組脂肪酸的測定需要在室溫下放置24 h進行降溫和平衡水分，在這個過程中導致脂肪酸值都高于原始樣品的脂肪酸值。

圖4-A，4-C分別為熱風和微波處理后稻谷籽粒橫向弛豫時間T2反演圖譜。圖4-B，4-D分別為熱風和微波處理后稻谷籽粒各峰所占的比例。UT：未處理樣品，HAT-1 h、HAT-2 h、HAT-3 h、HAT-4 h、HAT-5 h分別為熱風處理1 h、2 h、3 h、4 h、5 h的樣品。MW-2 min、MW-6 min、MW-10 min、MW-14 min、MW-18 min分別為在1.29 W·g-1的微波劑量下處理2 min、6 min、10 min、14 min、20 min的樣品。下同

隨著微波干燥溫度的提高，脂肪酸含量降低，脂肪酶活力降低。微波處理后的樣品脂肪酶活力總體低于熱風對照組，并且樣品脂肪酶活力隨著微波功率的升高而下降。低功率短時間的微波對稻谷中的脂肪酶有一定的激活作用[20]，使得脂肪酶在低功率下表現(xiàn)出較強的活性。

2.4 熱風和微波處理對稻谷胚乳橫斷面及淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)的影響

由胚乳細胞表面結(jié)構(gòu)（圖6）可以看出，未經(jīng)處理的樣品表面遍布以稻谷籽粒中心或近中心的同心圓放射開來的胚乳細胞，靠近籽粒中心的胚乳細胞較外部細胞小，淀粉顆粒遍布其中，且此試驗結(jié)果和Yang等[21]研究所示水稻胚乳細胞結(jié)構(gòu)的圖解說明一致。隨著處理時間的延長，稻谷胚乳表面細胞破裂程度加大，中心部位尤為明顯，呈放射狀排列逐漸消失，淀粉粒裸露程度增加，同時經(jīng)熱風干燥的樣品內(nèi)部裂紋比微波處理樣品明顯。

掃描電鏡放大2 000倍觀察到的大米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)如圖7所示。由大米的剖面微觀結(jié)構(gòu)可以看出，主要以復合淀粉粒，單粒淀粉粒，脂肪滴，蛋白膜等組成。觀察微波處理后糙米淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)隨著處理時間增加，稻谷內(nèi)部的復合淀粉粒內(nèi)部裂紋增多，逐漸崩解為單粒淀粉粒結(jié)構(gòu)，張曉紅等[18]的研究也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。同時，經(jīng)微波處理的樣品復粒淀粉粒內(nèi)部裂紋較為細小，結(jié)構(gòu)緊致，而熱風處理后的樣品裂隙較大。

表2 不同處理條件對稻谷水分含量和加工品質(zhì)的影響

圖5-A為不同處理條件下稻谷的脂肪酸值；圖5-B為不同處理條件下稻谷脂肪酶的活力。UT：未處理樣品；HAT-60℃：熱風60℃對照組；MW-1、MW-2、MW-3、MW-4、MW-5、MW-6：0.69 W·g-1緩蘇組、0.69 W·g-1未緩蘇組、1.29 W·g-1緩蘇組、1.29 W·g-1未緩蘇組、1.92 W·g-1緩蘇組、1.92 W·g-1未緩蘇組

A為未經(jīng)處理樣品的糙米胚乳橫斷面結(jié)構(gòu)，B、D、F、H為熱風60℃處理組，水分含量分別為17.42%、14.25%、12.97%、10.27%的糙米胚乳橫截面結(jié)構(gòu)；C、E、G、I為1.29 W·g-1微波處理組，水分含量分別為17.69%、14.26%、12.73%、10.78%的糙米胚乳橫截面結(jié)構(gòu)。下同

2.5 微波處理后稻谷品質(zhì)的綜合評分

隸屬度綜合評分結(jié)果顯示，稻谷最終溫度為60℃時綜合分普遍高于50℃及70℃的樣品組，經(jīng)緩蘇組的評分普遍高于未經(jīng)緩蘇組。綜合評分最高的是0.69 W·g-1、60℃緩蘇組，為0.68；最低的為0.69 W·g-1、50℃未緩蘇組，綜合評分為0.19。得分排名結(jié)果見表3。

3 討論

3.1 微波干燥速率及不同干燥方式下水分遷移的規(guī)律

微波劑量與時間決定稻谷溫度。低功率條件下溫度上升較慢，處理延長，熱量的散失多；而微波功率增加后，升溫速度快，加熱到達所需溫度的時間較短，熱量散失少，水分散失快。同一功率下，溫度越高的稻谷水分含量越低。隨著微波功率的增加稻谷溫度上升速度加快，當微波功率上升到1.92 W·g-1時，稻谷溫度升高趨近于直線。

稻谷干燥過程中的水分變化是衡量干燥效果的一項重要指標。在休眠的種子和越冬的植物中結(jié)合水含量較多，結(jié)合水多的植物抗干旱和抗鹽漬等能力都比較強，能夠抵御外界不良環(huán)境的影響[22]。一般認為稻谷水分有兩種存在狀態(tài)，分別是自由水（游離水）與結(jié)合水（束縛水）[23]。利用低場核磁技術(shù)可實現(xiàn)上述兩種狀態(tài)水分的無損檢測，在微觀層面上揭示微波處理后不同狀態(tài)水分的存在相態(tài)及其遷移和轉(zhuǎn)化。宋偉[24]等利用低場核磁技術(shù)研究了粳稻谷的反演峰與其含水量的關系，發(fā)現(xiàn)粳稻谷不同含水量與T2峰面積呈極顯著正相關（2=0.9984，＜0.01），證明了LF-NMR技術(shù)在快速檢測粳稻谷水分含量和水分分布中的應用。本文在利用低場核磁共振技術(shù)研究處理前后稻谷水分分布時，信號強度和稻谷水分含量也呈顯著線性相關關系。試驗中經(jīng)微波干燥的稻谷籽粒中各狀態(tài)水分整體向左遷移，而經(jīng)熱風干燥的稻谷籽粒各狀態(tài)水分遷移幅度不大，表明稻谷籽粒中的水分經(jīng)微波處理后與其他組分結(jié)合更加緊密。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，熱風干燥后的稻谷中自由水所占比例略有上升，微波處理后稻谷中不易流動水的比例略有上升。水分含量不降反增現(xiàn)象的產(chǎn)生可能由于各狀態(tài)的水分之間會相互轉(zhuǎn)換所致。李東[25]和張緒坤[26]等的研究中也從側(cè)面證實了這點，他們發(fā)現(xiàn)在T21峰和T23峰之間除了T22峰之外，還存在其他小峰，表明除結(jié)合水、不易流動水和自由水之外還存在其他狀態(tài)的水，同時也表明各狀態(tài)的水之間存在一定程度的相互轉(zhuǎn)化與滲透，解釋了稻谷在干燥后自由水和不易流動水的含量不降反增的原因。

圖7 不同處理條件下糙米淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)

表3 不同微波處理下稻谷品質(zhì)的隸屬度及綜合分

3.2 不同干燥條件對稻谷相關品質(zhì)指標的影響

稻谷儲藏后的加工品質(zhì)直接決定了稻米在市場上是否具有競爭力。出糙率和整精米率的高低體現(xiàn)了稻谷的品質(zhì)并影響其加工品質(zhì)[27]，爆腰率是決定稻谷品質(zhì)的關鍵因素，不僅會影響其碾米品質(zhì)與外觀品質(zhì)，而且會影響加工過程中整精米率和碎米率，并對米飯食味品質(zhì)產(chǎn)生一定影響[28]。

本研究表明，經(jīng)緩蘇的稻谷其加工品質(zhì)普遍優(yōu)于未經(jīng)緩蘇的稻谷，在干燥溫度和緩蘇溫度均為60℃時尤為明顯，其出糙率和整精米率較高，而爆腰率相對較低。任廣躍等[29]通過設置不同初始含水率、干燥溫度、緩蘇溫度及緩蘇時間，對稻谷進行薄層干燥，結(jié)果也表明將稻谷進行緩蘇，緩蘇溫度控制在60℃—70℃時，干燥后稻谷爆腰率增幅明顯降低，證實了增加緩蘇階段會對稻谷的品質(zhì)有所改善。根據(jù)Tg理論解釋緩蘇溫度對稻谷爆腰率的影響，可知緩蘇使顆粒內(nèi)部的濕熱進行交換，降低了籽粒內(nèi)部的水分梯度，使?jié)穸鹊淖兓蔀橐粋€均勻的過程。

脂肪酶是影響稻谷陳化的重要原因，稻谷中的脂質(zhì)在脂肪酶的作用下，水解產(chǎn)生脂肪酸、甘油等，當微波溫度升高時，脂肪酶活力下降，脂質(zhì)在脂肪酶的作用下水解產(chǎn)生的脂肪酸減少。在試驗中我們發(fā)現(xiàn)，50℃、60℃、70℃游離脂肪酸含量隨著溫度上升而下降，原因可能是游離脂肪酸在較高溫度下較易轉(zhuǎn)化和分解。

張習軍等[10]也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，當微波劑量分別為1.5 kW·kg-1和3.0 kW·kg-1時，隨著微波干燥時間增加，稻谷脂肪酸值先上升后下降。另外，高溫下游離脂肪酸穩(wěn)定性較差，較易分解。Zhou等[30]對不同品種的稻谷，分別在4℃和37℃條件下儲存4—7個月發(fā)現(xiàn)，高溫儲存下的游離脂肪酸含量低于低溫儲存下的游離脂肪酸含量，表明游離脂肪酸在高溫下穩(wěn)定性較差。

微波熱效應和非熱效應的綜合作用對脂肪酶的活 力產(chǎn)生影響。熱效應作用于物料，溫度升高，使酶分子變性，導致酶活下降，而微波的非熱效應主要對酶的空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾和破壞，致使酶的分子結(jié)構(gòu)中氫鍵松弛、斷裂，使酶的親和力降低，最終導致酶活力下降[31-32]。

3.3 不同干燥條件對稻谷籽粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響

觀察糙米胚乳橫截面結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，熱風及微波處理時間延長，樣品胚乳表面細胞破裂程度及淀粉粒裸露程度增加，胚乳細胞呈放射狀排列逐漸消失。熱風干燥和微波干燥后的稻谷胚乳橫斷面結(jié)構(gòu)均有此現(xiàn)象，可能是干燥過程會造成稻谷內(nèi)部應力增大，但并未到達臨界值，且細胞壁的強度并未被嚴重削弱，因此在淀粉顆粒的界面上出現(xiàn)的破裂會比細胞壁上的更多[21]。未經(jīng)處理的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊致，未見明顯裂紋，且多為復合淀粉粒，經(jīng)熱風和微波處理的樣品隨著處理時間的延長，糙米內(nèi)部結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)裂紋增多且明顯，復合淀粉粒崩解，內(nèi)部裂紋增加，并逐漸有轉(zhuǎn)化為單粒淀粉粒的趨勢，結(jié)果與張曉紅[18]及周顯青等[33]的結(jié)論一致。

3.4 稻谷品質(zhì)綜合評價

本文利用隸屬度綜合評分法對不同處理條件下的稻谷品質(zhì)及脂肪酶活力進行評定，將整精米率、爆腰率、脂肪酸值、脂肪酶活力、稻谷升溫速率等指標按照對稻谷品質(zhì)影響的大小進行權(quán)重分配，得出綜合評分最高的4組，依次分別為（1）0.69 W·g-1，60℃緩蘇；（2）0.69 W·g-1，70℃緩蘇；（3）1.29 W·g-1，60℃緩蘇；（4）1.29 W·g-1，70℃緩蘇。但稻谷綜合評分無顯著差異，分別為0.68、0.67、0.63、0.62。第1、2組樣品升溫速率評分較低，表明稻谷升溫速度慢，耗時較長。第4組樣品的品質(zhì)評分較低，表明在此條件下稻谷品質(zhì)較差，不宜選用。第3組樣品各項評分均較高，因此選取第3組（1.29 W·g-1，60℃緩蘇組）為最佳微波處理條件。

4 結(jié)論

微波劑量和最終溫度（即處理時間不同）均會影響稻谷的水分含量和失水速率。微波輻射增加到一定劑量時稻谷升溫趨近于直線。微波干燥后結(jié)合水明顯左遷，水分與其他組分的結(jié)合更為緊密，且在干燥過程中稻谷中各狀態(tài)水分之間存在相互轉(zhuǎn)換的可能性。微波60℃緩蘇條件下稻谷品質(zhì)較好，且微波劑量越低稻谷加工品質(zhì)越好?？傮w上，微波干燥后降溫和水分平衡過程脂肪酸值比原始樣品脂肪酸高。微波處理比傳統(tǒng)熱風干燥抑制脂肪酶活力效果更佳。同時，微波劑量和溫度是影響脂肪酶活力的重要因素。長時間微波處理會使稻谷表面胚乳細胞劈裂明顯，稻谷內(nèi)部復合淀粉粒崩解，內(nèi)部產(chǎn)生細且數(shù)量多的裂紋。同時，熱風處理后的糙米內(nèi)部裂隙比微波處理后大。對微波處理后稻谷的相關品質(zhì)進行隸屬度分析后，得出最適微波處理條件為1.29 W·g-1，60℃緩蘇，此時干燥速率較高，稻谷各項品質(zhì)均較優(yōu)。

[1] 梁禮燕. 熱風、微波薄層干燥稻谷品質(zhì)研究[D]. 南京: 南京財經(jīng)大學, 2012.

LIANG L Y. Research on the quality of hot air and microwave drying of thin layer rough rice[D]. Nanjing: Nanjing university of finance and economics, 2012. (in Chinese)

[2] 方茜, 陶誠. 當前我國高水分糧處理的現(xiàn)狀與對策. 糧食儲藏, 2010, 39(2): 14-20.

FANG Q, TAO C. Status quo and strategy on treatment of post-harvest grain of high moisture content in china.2010, 39(2): 14-20. (in Chinese)

[3] 楊國峰, 周雯, KINGSLY A R P, 夏寶林, 仇紅娟, 劉強, 張越, 陳江. 高溫連續(xù)干燥與干燥-通風聯(lián)合對稻谷品質(zhì)的影響. 食品科學, 2014, 35(17): 1-7.

YANG G F, ZHOU W, KINGSLY A R P, XIA B L, QIU H J, LIU Q, ZHANG Y, CHEN J. Effects of high temperature single-pass drying process and drying-aerating process on post-drying quality of rough rice.2014, 35(17): 1-7. (in Chinese)

[4] 張銀. 熱風溫度對種子稻谷干燥速率與發(fā)芽率的影響[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學, 2004.

ZHANG Y. The effect of hot air on paddy drying and germination rate[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2004. (in Chinese)

[5] PARK I, PARK J D, LEE H Y, Kum J S. Effects of air, microwave, and micro vacuum drying on brown rice quality., 2012, 55(4): 523-528.

[6] 羅劍毅. 稻谷的遠紅外干燥特性和工藝的實驗研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2006.

LUO J Y. Study on drying characteristic and technology of paddy dried by far-infrared[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2006. (in Chinese)

[7] 于秀榮, 趙思孟, 周長智, 鄭德斌. 微波干燥稻谷的研究. 鄭州糧食學院學報, 1997(1): 65-69.

YU X R, ZHAO S M, ZHOU C Z, ZHENG D B. Study on the process of microwave drying rice.1997(1): 65-69. (in Chinese)

[8] CHO K H, AOKI M, MIYATAKE Y, YOSHIZAKI S. Some experiments on microwave drying of paddy rice., 1990, 21: 43-49.

[9] 王紹林. 微波食品工程. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1994.

WANG S L.. Beijing: China machine press, 1994. (in Chinese)

[10] 張習軍, 熊善柏, 趙思明. 微波處理對稻谷品質(zhì)的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2009, 42(1): 224-229.

ZHANG X J, XIONG S B, ZHAO S M. Effect of microwave on paddy quality.2009, 42(1): 224-229. (in Chinese)

[11] 張玉榮, 周顯青, 果玉茹. 小麥胚微波滅酶工藝參數(shù)研究. 河南工業(yè)大學學報(自然科學版), 2008(2): 7-10.

ZHANG Y R, ZHOU X Q, GUO Y R. Study on the technological parameters of deactivating enzyme in wheat germ by microwave., 2008(2): 7-10. (in Chinese)

[12] RUEN-NGAM D.. Biocontrol Isbb, 2014.

[13] KIM S Y, LEE H. Effect of quality characteristics on brown rice produced from paddy rice with different moisture contents., 2013, 56(3): 289-293.

[14] 高超, 賈梅蘭, 王亞東.放射性廢物微波處理裝置有效輸出功率的測定. 干燥技術(shù)與設備, 2015, 13(3): 13-17.

GAO C, JIA M L, WANG Y D. Determination the effective output power of microwave treatment equipment of radioactive waste., 2015, 13(3): 13-17. (in Chinese)

[15] 董瑞婷, 陸暉, 趙麗芹, 楊德池, 許楠. 低溫儲藏稻谷品質(zhì)變化及其指標差異性分析. 糧油食品科技, 2011, 19(6): 1-4.

DONG R T, LU H, ZHAO L Q, YANG D C, XU N. Analysis of change in low temperature storage paddy and the quality indexes.,2011, 19(6): 1-4.

[16] 王靜, 朱永義. 米糠中脂酶酶學性質(zhì)的研究. 中國糧油學報, 2000, 15(5): 10-13.

WANG J, ZHU Y Y. A study on enzymatic properties of rice bran lipase., 2000, 15(5): 10-13. (in Chinese)

[17] SCHMIDTDANNERT C, SZTAJER H, ST?CKLEIN W, MENGE U, SCHMID R D. Screening, purification and properties of a thermophilic lipase from Bacillus thermocatenulatus., 1994, 1214(1): 43-53.

[18] 張曉紅, 萬忠民, 孫君, 陳培棟, 劉兵. 微波處理對大米RVA譜特征值和微觀結(jié)構(gòu)的影響. 食品工業(yè)科技, 2017, 38(12): 87-91, 96.

ZHANG X H, WAN Z M, SUN J, CHEN P D, LIU B. Effect of microwave treatment on RVA spectrum characteristic values and microstructure of rice., 2017, 38(12): 87-91, 96. (in Chinese)

[19] 李云雁，胡傳榮．試驗設計與數(shù)據(jù)處理. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2008: 134-136.

LI Y Y, HU C R.. Beijing: Chemical Industry Press, 2008: 134-136. (in Chinese)

[20] VETRIMAN R, JYOTHIRMAYI N, RAO P H, RAMADOSS C. Inactivation of lipase and lipoxygenase in cereal bran, germ and soybean by microwave treatment., 1992, 25(6): 532-535.

[21] YANG W, EARP C E, Howard L. Tracing fissure information by scanning electron microscopy characterization of naturally fissured surfaces of rice kernels., 2003, 46(6): 1583-1588.

[22] 顏啟傳. 種子學. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2001.

YAN Q C.. Beijing: China Agriculture Press, 2001. (in Chinese)

[23] 宋平. 基于低場核磁共振技術(shù)的水稻浸種過程種子水分檢測研究[D]. 沈陽: 沈陽農(nóng)業(yè)大學, 2016.

SONG P. Study of water content detection in the rice seed soaking process based on low field NMR techniques[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University,2016(in Chinese)

[24] 宋偉, 李冬珅, 喬琳, 蘇安祥, 胡婉君. 對不同含水量粳稻谷T2峰面積和MRI圖像的定量分析. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2015, 48(22): 4529-4538.

SONG W, LI D S, QIAO L, SU A X, HU W J. Quantitative analysis of T2peak area and the MRI images ofrice with different moisture contents., 2015, 48(22): 4529-4538. (in Chinese)

[25] 李東, 譚書明, 陳昌勇, 鄧毅, 張程榕, 王建明. LF-NMR對稻谷干燥過程中水分狀態(tài)變化的研究. 中國糧油學報, 2016, 31(7): 1-5.

LI D, TAN S M, CHEN C Y, DENG Y, ZHANG C R, WANG J M. LF-NMR study on variations of different moisture states during the process of rice drying., 2016, 31(7): 1-5. (in Chinese)

[26] 張緒坤, 祝樹森, 黃儉花, 徐剛, 徐建國, 李華棟. 用低場核磁分析胡蘿卜切片干燥過程的內(nèi)部水分變化. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2012, 28(22): 282-287.

ZHANG X K, ZHU S S, HUANG J H, XU G, XU J G, LI H D. Analysis on internal moisture changes of carrot slices during drying process using low-field NMR., 2012, 28(22): 282-287. (in Chinese)

[27] 唐為民. 食用稻米的品質(zhì)及其指標. 糧食科技與經(jīng)濟, 2004(2): 43-45.

TANG W M. The quality of edible rice and its index.2004(2): 43-45. (in Chinese)

[28] 鄭先哲, 周修理, 夏吉慶. 干燥條件對稻谷加工品質(zhì)影響的研究. 東北農(nóng)業(yè)大學學報, 2001, 32(1): 48-52.

ZHENG X Z, ZHOU X L, XIA J Q. The study on drying condition influencing paddy mill quality., 2001, 32(1): 48-52. (in Chinese)

[29] 任廣躍, 王芳, 張忠杰, 尹君. 干燥溫度及緩蘇操作對稻谷爆腰的影響. 食品研究與開發(fā), 2013, 34(19): 112-114.

REN G Y, WANG F, ZHANG Z J, YIN J. Effects of drying temperature and tempering on kernel cracking of paddy., 2013, 34(19): 112-114. (in Chinese)

[30] ZHOU Z, BLANCHARD C, HELLIWELL S, ROBARDS K. Fatty acid composition of three rice varieties following storage., 2003, 37(3): 327-335.

[31] VENKATESH M S, RAGHAVAN S V. An overview of microwave processing and dielectric properties of agri-food materials., 2004, 88(1): 1-18.

[32] 胡國洲, 胡鵬, 陳光靜, 王輝, 闞建全. 食品中酶的微波鈍化技術(shù)研究進展. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2013, 39(3): 141-146.

HU G Z, HU P, CHEN G J, WANG H, KAN J Q. Research progress on microwave inactivation of enzyme in food., 2013, 39(3): 141-146. (in Chinese)

[33] 周顯青, 張玉榮, 李里特. 不同模擬儲藏條件下粳米胚乳顯微結(jié)構(gòu)變化. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2010, 26(5): 329-334.

ZHOU X Q, ZHANG Y R, LI L T. Microscopic structure changes ofmilled rice endosperm under typical simulating storage conditions., 2010, 26(5): 329-334. (in Chinese)

Effects of Microwave Treatments on Rice Quality and Lipase Activity

YUAN Jian, ZHAO Teng, DING Chao, XING ChangRui, ZHANG Bin, CHEN ShangBing, HE Rong, JU XingRong

(College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics/Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety/Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing, Nanjing 210046)

【Objective】this paper researched the influence of the different microwave conditions on water migration, quality, lipase activity, internal structure of paddy, and it aimed to improve the drying rate of rice, shorten the drying time and select the optimum conditions of microwave drying, realizing fast and efficientdrying. 【Method】In this paper, rice was treated to 50℃, 60℃and 70℃with additional tempering or no-tempering by the microwave dosage of 0.69, 1.29, 1.92 W·g-1. The quality as well as physical and chemical indexes of paddy were determined, and the changes of water migration and internal structure were observed by LF-NMR and SEM. 【Result】Microwave dose and rice temperature were key factors that affected rice quality. The processing quality of paddy rice was better under the condition of 1.29 W·g-1, 60℃. The rate of crack, broken rice, brown rice, head rice were 8.65%, 6.76%, 83.9%, and 68.07%, respectively. Whereas, the processing quality of paddy rice had no significant difference with hot air drying. Meanwhile, at the same time, microwave had obvious inhibitory effect on lipase activity. The activity of lipase was lowest (5.65 U) inthetemperedcondition of 1.92 W·g-1, 70℃, and the results showed that the lipase activity in this condition was 4.65 U less than that under control. By using the membership degree comprehensive scoring method to judge the quality after drying, in the condition of 1.29 W·g-1, 60℃-tempering, the rice score ranked third, therefore, with considering the heating rate and the quality score, it was the most suitable microwave treatment condition. The results of LF-NMR and SEM showed that the water content of paddy rice decreased and gradually moved towards the left. It suggested that water was more tightly bonded to other components. The results of SEM showed that the rupture of the endosperm cells and the degree of starch exposure were increased, the structure of radioactive arrangement gradually disappeared, the composite starch gradually disintegrated, and the single grain and the internal cracks in rice increased. 【Conclusion】Microwave drying had a significant effect on the heating rate, quality and enzyme activity of rice. The firmness of the combination of water and other components was stronger after microwave. During drying process the loss of water could cause the change of the internal structure of paddy to different degree. Compared with control group, the internal cracks of microwave treated sample were smaller.

microwave drying; moisture migration; processing quality; fatty acid value; lipase; rice

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.21.011

2018-03-23；

2018-05-16

現(xiàn)代糧倉綠色儲糧科技示范工程（2016YFD0401603）、江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目、糧食采后“全程不落地”技術(shù)模式示范工程（2017YFD0401404）

袁建，E-mail：yjian_nj@163.com

（責任編輯 楊鑫浩）