水分調(diào)節(jié)對原料米糠微波穩(wěn)定化的增效作用

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(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

我國是稻米的生產(chǎn)大國和消費大國,據(jù)農(nóng)業(yè)部2015年發(fā)布的《中國農(nóng)業(yè)展望報告(2015-2024)》指出,稻谷是中國的第二大糧食作物[1],米糠是糙米精碾環(huán)節(jié)產(chǎn)生的副產(chǎn)物,我國年產(chǎn)米糠高達1000萬噸以上。米糠富集了稻米約80%的營養(yǎng),是一種極具開發(fā)潛力的谷物資源[2-3],聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織(UNIDO)將米糠定義為“一種未被充分利用的原料”。然而,由于米糠油脂含量較高,稻米的糊粉層中含有活性較高的脂解酶和氧化酶,糙米精碾過程中這些脂肪酶與米糠中的油脂接觸即引發(fā)酶促氧化,使得米糠后期儲存中極易酸敗變質(zhì),故目前米糠產(chǎn)生后短期內(nèi)迅速飼用仍是其主要利用途徑,儲藏期短導致米糠的有效價值難以開發(fā)利用[4-6]。

米糠的穩(wěn)定化即抑制米糠中油脂的氧化酸敗,保持米糠品質(zhì)穩(wěn)定,從而延長米糠儲存期,是米糠資源開發(fā)利用的首要前提,而鈍化米糠中的各種脂肪酶、抑制酶促氧化是米糠穩(wěn)定化最為行之有效的途徑,各種研究在這一方向持續(xù)展開,目前米糠的穩(wěn)定手段有化學破壞法、生物鈍化法(蛋白酶)、物理抑制法(高溫、低溫、輻射、微波)等[7],上述方法均有不同程度的穩(wěn)定效果。微波穩(wěn)定米糠的優(yōu)勢在于加熱穿透性強、溫度均勻、營養(yǎng)損失少等[8],其原理是基于微波的熱效應(主要)和非熱生化效應,以微波超高頻電磁波作用于極性分子使其發(fā)生劇烈摩擦產(chǎn)生熱能,使米糠溫度快速、均衡上升,米糠中的脂解酶受熱變性失活[9-10],采用微波穩(wěn)定米糠的試驗研究已有報道,主要集中于對微波穩(wěn)定米糠的工藝參數(shù)確定和工業(yè)化實現(xiàn)以及微波對米糠重要組分的影響方面[11-13],而對食品物料中的水分子——這一最常見的強極性分子在微波處理中的增效作用的探索較少涉及。

本實驗依據(jù)水的介電常數(shù)遠高于米糠干物質(zhì),能夠高速大量吸收微波能量活化,進而短時高效提高米糠溫度的特質(zhì),在前人微波穩(wěn)定化米糠研究的基礎(chǔ)上,采用調(diào)節(jié)原料米糠水分含量的方法利用微波穩(wěn)定米糠,以微波處理后米糠脂肪酶殘余活力和米糠加速儲藏實驗中酸價增長情況為主要指標,通過單因素實驗和正交實驗考察含水率、微波功率、微波處理時間對微波穩(wěn)定效果的影響并優(yōu)化微波穩(wěn)定米糠工藝,達到穩(wěn)定米糠、節(jié)能降耗和減小熱效應對米糠不利影響等多重目的,為米糠有效成分的利用和產(chǎn)品開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

米糠 由內(nèi)蒙古興安盟扎賚特旗龍鼎農(nóng)業(yè)股份有限公司提供,天然性狀為棕黃色、不規(guī)則碎屑狀的粉質(zhì)顆粒,吸水性良好,前期實驗采用直接干燥法測得其水分含量為10.83%,索氏提取法測得其粗脂肪含量為18.9%,凱氏定氮法測得其粗蛋白含量為13.6%;鄰苯二甲酸氫鉀、氫氧化鈉、95%乙醇、無水乙醇、酚酞、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、異丙醇、石油醚、氫氧化鈉、硼酸、硫酸、甲基紅、亞甲基藍 天津市風船化學試劑科技有限公司;棕櫚酸對硝基苯酯 上海士鋒生物科技有限公司;曲拉通-100 北京酷來搏科技有限公司,試劑均為分析純(AR)。

UV-2450紫外/可見分光光度計 日本島津公司;LRH-100CA電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海一恒科學儀器有限公司;LWMC-205可調(diào)功率微波化學反應器 南京陵江科技開發(fā)有限責任公司;SQP電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;QL-866旋渦振蕩器 海門市其林貝爾儀器制造有限公司;HH-2雙控數(shù)顯電子恒溫水浴鍋、DGX-9053B-1恒溫鼓風干燥箱 上海福瑪實驗設(shè)備有限公司;K9801凱氏定氮儀 上海析達儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 微波穩(wěn)定化方法 米糠撿除雜質(zhì)后過40目篩,在米糠原始水分含量基礎(chǔ)上,按照實驗設(shè)計加入蒸餾水調(diào)制成一定的含水率后裝入耐熱敞口平皿內(nèi),容器置于微波爐內(nèi),設(shè)定一定的功率和加熱一定的時間進行穩(wěn)定化處理,處理完畢立即移出微波爐腔體,同時以未經(jīng)微波處理米糠為對照組(CK)。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 米糠適宜含水率的選取 經(jīng)測定,米糠原始水分含量為11%,以2%為梯度調(diào)節(jié)原始米糠水分含量,綜合米糠加水后形態(tài),以拌水后潮濕不黏仍呈粉狀為基準,獲得11%(原始)、13%、15%、17%、19%、21%、23%、25%八種不同含水率米糠樣品,微波功率600 W,微波處理時間90 s,以米糠脂肪酶殘余活力、微波后米糠溫度、外加水分蒸發(fā)率及50 ℃恒溫加速儲藏實驗中米糠酸價為指標,選取微波穩(wěn)定米糠的適宜水分含量。

1.2.2.2 微波功率對增濕米糠穩(wěn)定化效果的影響 以原始米糠和23%含水率米糠為樣本,微波處理時間90 s,微波功率設(shè)定200、400、600、800 W四水平,以米糠脂肪酶殘余活力、微波后米糠溫度、外加水分蒸發(fā)率及50 ℃恒溫加速儲藏實驗中米糠酸價為指標,考察水分對微波功率的增效作用并選取適宜微波處理功率。

1.2.2.3 微波處理時間對增濕米糠穩(wěn)定化效果的影響 以原始米糠和23%含水率米糠為樣本,微波功率600 W,微波處理時間設(shè)置60、90、120、150 s四個水平,以米糠脂肪酶殘余活力、微波后米糠溫度、外加水分蒸發(fā)率及50 ℃恒溫加速儲藏實驗中米糠酸價為指標,考察水分對微波處理時間的增效作用并選取適宜微波處理時間。

1.2.3 正交試驗 在單因素實驗基礎(chǔ)上,選取含水率、微波功率、微波處理時間三個實驗因素,以脂肪酶殘余活力為指標,對微波穩(wěn)定米糠條件進行三因素三水平優(yōu)化,篩選出最佳工藝條件。

表1 正交試驗設(shè)計因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal array design

1.2.4 穩(wěn)定效果指標值的測定

1.2.4.1 脂肪酶殘余活力的測定 在夏陳[14]、Qian[15]、張磊科[16]等測定方法基礎(chǔ)上改進。將米糠和蒸餾水以質(zhì)量比1∶4 (w/w)混合成懸濁液,旋渦攪拌1 h,室溫下3000 r/min離心10 min,取上清液0.1 mL加入3 mL含0.5%曲拉通的0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH7.4)中,再加入0.2 mL質(zhì)量濃度為3.33 mg/mL棕櫚酸對硝基苯酯的異丙醇溶液,將上述溶液漩渦混合后置于37 ℃水浴加熱4 h,使其充分反應,之后煮沸終止反應再快速冷卻至室溫,室溫下6000 r/min離心4 min,取上清液于405 nm處測定吸光度,以吸光度為指標比較脂肪酶殘余活力。

米糠脂肪酶殘余活力R(%)=m/M×100

式中:R-脂肪酶殘余活力,%;m-微波處理后米糠脂肪酶活力,以吸光度表示,Abs;M-微波處理前米糠脂肪酶活力,以吸光度表示,Abs。

1.2.4.2 微波后米糠溫度的測定 米糠微波后迅速移出微波爐,以對角線方式選取中心及四周共5點同時測定溫度,取平均值。

1.2.4.3 外加水分蒸發(fā)率的測定 以增濕米糠微波前后重量之差與米糠外加水重量之比(%)表示:

式中:m微波前-增濕米糠微波前重量,g;m微波后-增濕米糠經(jīng)微波處理再冷卻至常溫后的重量,g;m外加水-米糠所加入的蒸餾水的重量,g。

1.2.4.4 酸價的測定 參照GB/T 15684-2015 《谷物碾磨制品 脂肪酸值的測定》,在室溫下用95%乙醇提取米糠中的游離脂肪酸,用0.05 mol/L標準氫氧化鈉乙醇溶液滴定,以標準溶液的耗用量計算米糠酸價。

1.2.4.5 加速儲藏實驗 將上述單因素實驗中不同含水率和微波參數(shù)處理的米糠不加包裝置于白瓷盤中,儲藏于50 ℃恒溫箱中使米糠在相對高溫下加速酸敗,并在儲藏4、12、36、72、108 h時分別測定米糠酸價,以米糠酸價變化作為米糠穩(wěn)定化效果判定指標之一。

1.2.5 長期儲存對比實驗

1.2.5.1 米糠儲藏臨界值的確定 該實驗意在確定當米糠酸敗至無食用價值時其酸價數(shù)值,并將該值作為米糠儲藏的臨界值,即將米糠儲藏臨界狀態(tài)數(shù)值化、指標化,后續(xù)實驗利用這一指標,檢驗微波穩(wěn)定米糠到達該酸價臨界值的時間,從而判斷穩(wěn)定效果。實驗采用50 ℃恒溫加速儲藏實驗,將原始米糠儲藏于50 ℃恒溫箱中使原始米糠快速酸敗,選擇10名嗜好型評價員組成評價小組,每隔2 d進行一次感官評定,并測定米糠酸價,直至米糠酸敗至其滋氣味不為評價員接受,即不可食用時結(jié)束實驗。嗜好型評價人員僅僅從自身的主觀愿望出發(fā),評價是否喜歡或接受所評價的樣品及喜歡與接受的程度,反映普通消費者對所評價樣品的直觀態(tài)度[17],感官指標評定表見表2。

表2 感官評定表Table 2 Sensory scoring criteria

當對米糠的綜合評分數(shù)平均值在60分以下時,即為米糠儲藏終點,測定所對應的酸值作為米糠食用儲藏期終點指標值。

1.2.5.2 長期儲存對比實驗 以未穩(wěn)定處理的米糠為對照,對按最優(yōu)微波穩(wěn)定工藝處理的米糠和僅以功率800 W、加熱時間105 s處理的米糠進行長期儲藏對比實驗,定期測定三組米糠樣品的酸價,以到達米糠儲藏期終點的酸價臨界值為指標,判定三組米糠有效儲藏期限,以驗證水分調(diào)節(jié)協(xié)同微波穩(wěn)定的作用效果。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗指標平行測定5次,使用SPSS 20.0軟件中的Duncan法進行方差分析和差異性分析,作圖采用Origin Pro V8.6進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 米糠適宜含水率的選取 水是強極性分子,介電常數(shù)為60～80,而蛋白質(zhì)、淀粉等固體物質(zhì)的介電常數(shù)僅為2～3,因此,食品的水分含量對微波加熱的影響較其他組分要大得多[18-19],這也說明一定范圍內(nèi),水分的增加可以更有效地將微波能量轉(zhuǎn)化為熱能,米糠升溫快速均勻,米糠內(nèi)各種酶受熱失活的速率也更快,故而可以采取向米糠中添加少量水分的方式增強微波穩(wěn)定米糠的效果[20]。

由圖1可知,米糠含水率對微波抑制米糠脂肪酶活力有較大影響,在相同微波參數(shù)條件下,19%含水率以上的米糠脂肪酶殘余活力下降幅度較大,23%含水率的米糠中脂肪酶殘余活性為各水平最低,說明水分確有增強微波能量的功效。但過多水分亦會導致微波能量不足以活化全部水分而使熱效應降低,抑酶效果下降,由圖1可見25%含水率米糠脂肪酶殘余活力有所回升。故19%～23%水分含量的米糠經(jīng)微波處理后脂肪酶活力有大幅下降,有利于米糠穩(wěn)定。

圖1 不同含水率對微波米糠脂肪酶殘余活力的影響Fig.1 Effects of water content on residual lipase activity注:a～g表示不同含水率米糠微波處理后脂肪酶殘余活力的差異,顯著性水平α=0.05。

水分蒸發(fā)率越高,說明外加水分經(jīng)微波熱效應蒸發(fā)散失越多,微波處理后與米糠原始水分含量越接近,則外加水分對米糠儲存的不利影響越小。由圖2可見,19%～23%含水率米糠經(jīng)微波處理后,外加水分蒸發(fā)率近于100%,說明外加水分基本蒸發(fā)除去,而其他含水率米糠外加水分蒸發(fā)率均低于90%,即米糠微波后米糠含水率上升,可能對米糠后期儲存不利。

圖2 不同含水率對米糠溫度和外加水蒸發(fā)率的影響Fig.2 Effects of different water content on rice bran temperature and added water evaporation rate

由圖3可知,在加速儲存實驗中,微波后原始米糠和增濕米糠的酸價都較對照組下降,酸敗得到不同程度的抑制,說明微波的抑酶作用確實使米糠穩(wěn)定性加強,其中19%～23%含水率的米糠的酸價最低,而25%含水率米糠酸價較19%～23%的米糠稍高,可見該含水率下,微波能量不足以將多余水分蒸發(fā),造成米糠后續(xù)儲藏過程中水分含量偏高,易于酸敗,不利于儲藏。

圖3 不同含水率米糠經(jīng)微波處理后加速儲藏實驗中酸價的變化Fig.3 Effects of different water content on rice bran acid value in acceleration storage experiments

故綜合微波后米糠脂肪酶殘余活力、微波后米糠溫度、外加水分蒸發(fā)率、加速儲存實驗中米糠酸價等指標來看,微波前調(diào)整米糠含水率達到19%～23%可滿足微波穩(wěn)定所需要的效果。

2.1.2 微波功率對增濕米糠穩(wěn)定化效果的影響 大部分介質(zhì)吸收微波功率可用公式P=(1/1.8)fE2εrtanδ×10-2計算,即介質(zhì)吸收微波的功率P與微波頻率f、電場強度的平方E2、介質(zhì)的介電常數(shù)εr及損耗正切tanδ成正比[21],損耗正切tanδ一般估為常數(shù),而f、E都與微波功率有關(guān),所以物料吸收微波的能力總的來說與微波功率和物料介質(zhì)的介電常數(shù)正相關(guān)[22]。

由圖4可知,隨著微波功率增大,原始米糠和增濕米糠(含水率23%)脂肪酶殘余活力均顯著下降,說明微波功率確為微波抑酶的重要條件,且含水率23%米糠的脂肪酶殘余活力均顯著低于原始組,表明米糠增濕對微波功率有明顯增效作用,這也可以從微波熱效應的原理解釋,微波功率越大意味著微波電場強度越大,則物料中極性分子(主要是水)受微波交變電場作用引起運動和摩擦就越強烈,熱效應越顯著,對米糠脂肪酶的抑制作用也就越強;且實驗中發(fā)現(xiàn),800 W功率微波穩(wěn)定過程中,原始米糠表面出現(xiàn)焦糊,色澤變深,說明米糠受到高溫炙烤,可能發(fā)生美拉德反應[23],而含水率23%米糠僅產(chǎn)生米糠香味,色澤稍深,說明水分對米糠有一定保護作用。

圖4 兩種米糠樣品經(jīng)不同微波功率處理脂肪酶殘余活力的變化Fig.4 Effects of different microwave power treatments on residual lipase activity of two rice bran samples注:a～d表示相同含水率米糠微波處理后脂肪酶殘余活力的差異,A～B表示原始米糠和23%含水率米糠微波處理后脂肪酶殘余活力的差異,顯著性水平α=0.05。

圖5加速儲藏實驗中增濕米糠(含水率23%)酸價的變化可以看出,400 W以上處理的增濕米糠其酸價和酸價的增長趨勢明顯小于對照組,而經(jīng)800 W處理的增濕米糠酸價變化最小,同時,要考慮到添加的水分對米糠儲藏的不利影響,最好能夠利用微波的熱效應將外加水分蒸發(fā)除去,結(jié)合圖6所示,600～800 W微波處理的米糠,外加水分蒸發(fā)率近于100%,即外加水分基本去除,綜合以上各因素選擇600～800 W微波功率較為適宜。

圖5 增濕米糠經(jīng)不同微波功率處理后加速儲藏實驗中酸價的變化Fig.5 Effects of different microwave power treatments on rice bran acid value in acceleration storage experiments

圖6 不同微波功率處理對增濕米糠溫度和外加水蒸發(fā)率的影響Fig.6 Effects of different microwave power treatments on humidified rice bran temperature and added water evaporation rate

2.1.3 微波處理時間對增濕米糠穩(wěn)定化效果的影響 結(jié)合圖8加速儲藏實驗中增濕米糠(含水率23%)酸價的變化,90～150 s處理的米糠在加速儲藏實驗中酸價都明顯小于對照組,證實90 s以上的微波處理時間可達到較好的滅活脂肪酶和抑制酶促氧化效果;且由圖9可見,90～120 s微波處理的米糠,外加水分蒸發(fā)率在100%上下,即外加水分基本蒸發(fā)除去,所以平衡水分含量、微波處理時間與米糠品質(zhì)及加工效率間的關(guān)系,選取微波處理時間90～120 s為宜。

圖7 兩種米糠樣品經(jīng)不同微波處理時間脂肪酶殘余活力的變化Fig.7 Effects of different microwave treatment time on residual lipase activity of two rice bran samples注:a～d表示相同含水率米糠經(jīng)不同時間微波處理后脂肪酶殘余活力的差異,A～B表示原始米糠和23%含水率米糠經(jīng)相同微波時間處理后脂肪酶殘余活力的差異,顯著性水平α=0.05。

圖8 增濕米糠經(jīng)不同時間微波處理后加速儲藏實驗中酸價的變化Fig.8 Effects of different microwave treatment time on rice bran acid value in acceleration storage experiments

圖9 不同微波處理時間對增濕米糠溫度和外加水蒸發(fā)率的影響Fig.9 Effects of different microwave treatment time on humidified rice bran temperature and added water evaporation rate

2.2 正交實驗結(jié)果分析

由表3的R值可知,對微波穩(wěn)定米糠影響因素大小依次為:A>B>C,即米糠含水率>微波功率>微波處理時間;根據(jù)k值,微波加熱米糠脂肪酶殘余活力最低的優(yōu)化水平組合為A3B3C2,即米糠含水率23%、微波功率800 W、加熱時間105 s。該優(yōu)化條件下驗證實驗測得脂肪酶殘余活力為20.24%,米糠溫度84 ℃,外加水分蒸發(fā)率113%,可見按此工藝條件處理的米糠,其脂肪酶活力最低,有效降低了脂肪酶對米糠油脂的水解催化作用,使其不易酸敗而品質(zhì)穩(wěn)定,而微波后米糠溫度和外加水分蒸發(fā)率較為適宜,對米糠組分和后續(xù)儲藏的負面影響最低,因此可將A3B3C2作為最優(yōu)工藝方案。

表3 L9(33)正交實驗結(jié)果表Table 3 Results of L9(33) orthogonal experiment

2.3 長期儲存對比實驗

2.3.1 米糠儲藏臨界值的確定 實驗結(jié)果見表4,米糠在加速儲藏實驗的第16 d感官評分為59.2分,第一次處于60分以下,判定為米糠儲藏終點,此時米糠酸價為23.63 mg/g,為實驗方便,確定酸價23 mg/g為米糠儲藏期終點的臨界值。

表4 感官評價結(jié)果與對應酸價Table 4 Sensory evaluation results and AV of rice bran

2.3.2. 長期儲存對比試驗 以原始米糠為對照,按照前述最優(yōu)工藝方案的微波功率和處理時間對含水率分別為11%和23%的米糠進行微波穩(wěn)定,之后將三組樣品保存于同一室溫條件下,每周測定一次米糠酸價,結(jié)果見圖10所示。

圖10 長期儲存實驗中米糠酸價的變化Fig.10 Rice bran acid value change in Long-term storage experiment

由圖10可以看出,三組米糠儲存過程中到達酸價臨界值的時間有所差異,其中原始對照組經(jīng)約5周儲藏酸價已超限,而經(jīng)微波穩(wěn)定的米糠儲藏時間均有延長,以米糠初始水分狀態(tài)進行微波處理的米糠可儲藏至約11周,儲存時間最長的是調(diào)節(jié)水分與微波協(xié)同作用的最優(yōu)工藝處理的米糠可達近17周,是以上二者儲存時間的3.4倍和1.5倍,據(jù)此驗證微波法可有效穩(wěn)定米糠,且基于水分調(diào)節(jié)的微波穩(wěn)定最優(yōu)工藝條件效果顯著。

3 結(jié)論

本實驗以微波抑酶的機理為切入點,重點考察水分在微波抑酶處理中所發(fā)揮的作用,結(jié)論如下:

微波處理可有效抑制米糠脂肪酶活性,穩(wěn)定效果突出,水分對微波熱效應的發(fā)揮確有增效作用,與單純對米糠施以微波處理相比,人工增濕協(xié)同微波處理的米糠脂肪酶殘余活力均小于前者;所以在米糠微波穩(wěn)定化過程中選擇合適的水分含量配合微波功率和微波處理時間對于米糠穩(wěn)定效果至關(guān)重要。

經(jīng)過單因素和正交實驗得出對微波穩(wěn)定米糠影響因素大小依次為:米糠含水率>微波功率>微波處理時間;微波加熱米糠脂肪酶殘余活力最低的優(yōu)化水平組合為A3B3C2,即米糠含水率23%、微波功率800 W、加熱時間105 s。該優(yōu)化條件下米糠脂肪酶殘余活力為20.24%,顯示出高抑酶率。

以原始米糠為對照,對調(diào)節(jié)水分與微波協(xié)同作用的最優(yōu)工藝處理的米糠和僅微波處理的米糠進行長期儲存對比實驗,定期測定米糠酸價以驗證基于水分調(diào)節(jié)的最優(yōu)微波工藝方案的穩(wěn)定效果,實驗證明,以調(diào)節(jié)水分與微波協(xié)同作用的最優(yōu)工藝處理的米糠儲存時間最長達17周,分別為原始米糠儲存時間的3.4倍和僅微波處理米糠的1.5倍,由此證實基于水分調(diào)節(jié)的微波處理對米糠穩(wěn)定有顯著效果,使米糠儲存期明顯延長,為米糠的開發(fā)利用提供了保障。