微波處理對糙米制粉多樣產物的自由基水平及貯藏穩定性的影響

林露芬，胡博，高藝書，黃略略，范大明*，連惠章，趙建新，張灝，陳衛

1(江南大學 食品學院, 食品科學與技術國家重點實驗室, 江蘇 無錫，214122)　2(深圳職業技術學院 應用化學與生物技術學院，廣東 深圳，518055)　3(無錫華順民生食品有限公司，江蘇 無錫，214218)

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微波處理對糙米制粉多樣產物的自由基水平及貯藏穩定性的影響

林露芬1，胡博1，高藝書1，黃略略2，范大明1*，連惠章3，趙建新1，張灝1，陳衛1

1(江南大學 食品學院, 食品科學與技術國家重點實驗室, 江蘇 無錫，214122)2(深圳職業技術學院 應用化學與生物技術學院，廣東 深圳，518055)3(無錫華順民生食品有限公司，江蘇 無錫，214218)

以糙米制粉的多樣產物為研究對象，采用電子順磁共振(electron paramagnetic resonance，EPR)技術，對米粉自由基進行研究，考察不同微波處理條件對米粉加熱后自由基生成及貯藏穩定性的影響。結果發現：在米粉的EPR譜圖中均檢測到Fe3+(g=4.30)和碳自由基(g=2.00)的特征峰，并且在米糠和糙米中還出現了Mn2+的典型六重峰(g=2.00)。相同微波條件下，精米較糙米和米糠所產生自由基信號強度小；米粉樣品的自由基信號強度均隨微波時間和功率的提高而增大，尤其在精米中上升的幅度最大；對微波處理后米粉自由基的貯藏穩定性研究發現精米和糙米的自由基信號強度在微波處理后出現迅速下降并緩慢上升至穩定，而米糠的自由基信號強度在迅速下降后持續上升。

微波；米粉；自由基；貯藏

微波以其加熱速度快、熱效率高、均勻性好和易于控制等多方面優點被廣泛應用到蔬菜、糧食等食品的微波干燥、殺菌、殺蟲、烘烤膨化等領域。并且在淀粉類食品微波加工領域，以熟化為主旨的加工技術已逐漸攻克許多質構和風味問題，諸如微波蒸制饅頭硬心、微波烘焙面包香味不足等問題。伴隨著社會輿論的影響，微波加工引發的食品安全問題成為目前的焦點，已有初步研究表明微波致淀粉自由基的存在[8]。本研究以糙米制粉的多樣產物(精米，糙米，黃糠，白糠)為研究對象，探究在民用微波頻率(2 450 kHz)下，米粉自由基的生成規律和貯藏穩定性，通過電子順磁共振儀測定自由基的種類和強度。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

黃糠、白糠、糙米、精米：江西金農米業集團有限公司。

石油醚(30～60 ℃)，CuSO4·5H2O，NaOH，H3BO3溶液，乙酸鉛(PbC4H6O2·H2O)，Na2SO4，HCl，乙醚(C8H9NO3)，體積分數95%乙醇，甲基紅指示劑(C15H15N3O2)，溴甲酚綠指示劑(C21H14Br4O5S)，亞甲基藍指示劑(C16H18ClN3S·3H2O)。

1.2儀器與設備

MultiSYNTH微波單模多模合成儀，意大利milestone公司；EMX-8/2.7型電子自旋共振儀，德國Bruker公司；FA-st lab水分活度儀，法國GBX公司；光纖溫度探針、溫度測定系統，加拿大Fiso公司；500克搖擺式高速中藥粉碎機，溫嶺市林太機械有限公司；NS-750實驗室分散機，上海嫩谷機電設備有限公司。

1.3實驗方法

1.3.1米粉的制備

用中藥粉碎機將精米、糙米、米糠粉碎過40目篩。

1.3.2米粉基本成分測定

水分含量測定:直接干燥法，GB 50093—2010；脂肪含量測定：索氏抽提法，GB/T 5009.6—2003；蛋白質含量測定：凱氏定氮法，GB 5009.5—2010 ；淀粉含量測定：酸水解法，GB/T 5009.9—2008；金屬含量測定:原子吸收法，GB/T 5009.90—2003。

1.3.3米粉水分調節

稱取300 g米粉樣品，平鋪于容器中，表面均勻噴灑50.0 mL去離子水，一邊用實驗室分散機以500 r/min速度不斷攪拌物料直至分散均勻。用直接干燥法測定水分調節后的米粉樣品水分含量，若測得水分含量低于或高于20.0%則根據結果加入適量去離子水或米粉，再攪拌。重復上述步驟直至樣品水分含量達到(20.0±0.05)%。

1.3.4米粉的微波加熱方法

稱取(1.00±0.05) g經過水分含量調節的米粉于內徑1.20 cm的石英試管內，試管套于不產生電磁吸收的聚酯套管內，置于milestone公司的MultiSYNTH微波合成儀腔體樣品池內，進行微波單模處理，微波頻率2 450 kHz，最大功率400 W/g。設定溫度，加熱時間，微波功率。系統可通過紅外溫度探頭實時探測試管溫度。微波合成儀通過調節樣品池的振動頻率來保證樣品接受輻射的均勻性和溫度分布的均衡，消除輻射不均勻帶來的誤差，設置振動頻率60%。處理完成后立即進行順磁共振檢測，每組樣品平行測定3次。

1.3.5米粉的貯存方法

將150 W/g微波頻率處理7 min后的米粉轉移至密封容器，在室溫(20 ℃)下避光保存15、30、45 min、1、1.5、2.5、4、4.4、7.5、11、1、10、20、30、40、60、80、100、120、150 d后，分別進行順磁共振檢測。

1.3.6自由基的順磁共振測定

準確稱取(60.0±0.5) mg微波處理前后的米粉樣品于內徑3.00 mm的樣品核磁管內，樣品管置于諧振腔。儀器的微波頻率為9.85 Hz，調試頻率為100 kHz。圖譜在室溫20 ℃下測定，中心磁場(center field)=350 mT，掃場寬度(sweep width)=10.0 mT，調制幅度(modulate amplitude)=0.60 T，微波功率設定為20.0 mW。g值采用比較法測定，將一個已知g值的標準樣品(Bruker公司的mark，g=1.98)和待測樣品分別置于雙樣品諧振腔的前后腔中, 分別記錄兩樣品的譜圖。由于兩樣品在同一微波頻率ν下產生共振，則由共振條件式得：

hv=gsβHs=gxβHx

(1)

(2)

式中：下標s、x 分別表示標準樣品和未知樣品，Hs和 Hx可用核磁共振高斯計測得，則gx可由公式(1)求得。

2　結果與分析

2.1米粉基本組分測定

米粉樣品的基本組分測定結果如表1。糙米和米糠的水分，脂肪，蛋白質含量均高于精米。并且從表2可看出，精米的金屬元素含量遠低于糙米和米糠，主要是由于大米的金屬元素大部分集中于糊粉層，在大米精制過程中，皮層、糊粉層和胚通過碾白工藝除去[9]。

表1　米粉基本組分　　單位：%(濕基含量)

表2　主要金屬成分　　單位：mg/kg(干基含量)

2.2微波加熱米粉自由基種類

通過之前對米粉樣品的金屬元素測定發現米粉粗加工產物如糙米、米糠中含有較多金屬元素。由于Fe、Mn、Cu都屬于過渡金屬元素，含有未成對電子，因此在EPR電子順磁共振譜圖中會呈現特征峰。為了驗證上述結果，同時進一步探究米粉在微波場下產生自由基的類型和信號強度，對微波處理前后的不同品種米粉進行了EPR檢測。從圖1中可觀察到米糠的EPR譜中有1個g=2.00的六重峰，此為Mn2+通過偶極-偶極相互作用產生的特征峰[10]，并且在微波處理以后，該峰強度有所下降，由于部分Mn2+的價態由正二價轉變為正三價。另外還發現，在米粉的EPR譜圖中都出現了Fe3+的特征峰(g=4.30)并且其信號強度在微波處理后顯著增強，可能是由于更多的二價Fe被氧化成三價[11]。

圖1　不同米粉樣品在150 W/g 處理7 min前后EPR譜圖(掃場寬度350 mT)Fig.1　The experimental spectra of rice flours,before and after 7 min of microwave treatment(sweep width 350 mT)

為了更清晰地分辨米粉自由基類型，圖2為黃糠米粉樣品進行小范圍掃場所得的EPR順磁共振譜圖。而通過比較法與順磁共振儀中所帶的標準樣品mark的g值計算得到的樣品自由基信號g值均在2.00左右，是典型的碳自由基的g值[12]。且在微波處理以后可觀察到自由基信號強度明顯增強。

圖2　黃糠米粉樣品在150W/g處理7min前后的EPR譜圖(掃場寬度10 mT)Fig.2　The experimental spectra of rice flours before and after 7 min of microwave treatment (sweep width 10 mT)

2.3微波加熱米粉自由基生成規律

實驗設置微波功率為50、100、150W/g，將黃糠米粉樣品置于相應功率的微波場下微波2～7min后利用順磁共振波譜儀對自由基進行檢測，得到不同微波功率下米粉自由基信號的增長曲線。將得到的自由基EPR信號圖譜峰高值進行計算，做出自由基信號強度與微波時間的關系圖(圖3)。由結果可知，在較低微波功率下，自由基信號強度隨微波時間的增長沒有明顯變化，可能是由于樣品體系中的水分對自由基具有較強的淬滅作用，或者是樣品體系還未將電磁能轉化為足以引發自由基反應的熱能和化學能。但在較高微波功率(100、150W/g)下，米粉自由基信號強度隨處理時間明顯升高，尤其是在后半段時間(5～7min)。并且在150W/g微波功率下，微波時間達到5min后，部分樣品轉為褐色，米粉在高溫下發生淀粉碳化，蛋白降解等反應[13]。

圖3　不同微波功率下黃糠米粉自由基信號隨時間增長曲線Fig.3　The growing curve of rice yellow bran radicals under different microwave radiation

2.4不同米粉微波場下自由基生成特點對比

根據之前所測得的米粉自由基信號增長曲線選定50、100、150W/g微波功率，3、5、7min微波時間為處理條件，分別對米粉樣品進行微波處理。并通過電子順磁共振測定米粉微波處理后的自由基信號強度得到圖4。

圖4　不同加工精度米粉微波處理生成自由基信號強度Fig.4　The signal intensity of radicals generated thermally in different rice samples under various microwave radiation

由圖4可看出在微波處理之前，米粉中已存在一定的自由基，并且米糠的自由基信號強度明顯大于糙米和精米。通過之前的基本成分測定(表1)可知，米糠和糙米較精米含有更加豐富的營養物質如蛋白質脂肪和礦物質等。熱解蛋白分子鏈的斷裂[14]，脂肪氧化[15]，金屬離子價態的變化[16]均對自由基的種類和信號強度有較大影響。另外，隨著微波功率及微波時間的增長，米粉的自由基信號強度隨之增大，尤其在微波功率達到100W/g以后增長迅速。在未經微波處理的精米的順磁共振圖譜上基本上觀察不到自由基信號，然而在劇烈的微波處理條件(150W/g，7min)下，精米樣品的自由基信號強度提高了200倍，出現部分變成褐色的現象。米糠和糙米的自由基信號強度也較微波處理之前提高了8～27倍?？傮w而言，無論是微波前后，米糠在米粉樣品中都表現出最高的自由基信號強度。對黃糠和白糠進行比較發現黃糠較白糠的自由基信號強度高1倍左右。這可能與米糠中的金屬含量差異有關。從表2看出，黃糠的錳元素含量是白糠的2.15倍，而相關研究表明鐵錳銅等過渡金屬元素在高溫處理下會發生氧化還原反應，改變其與蛋白質的結合狀態，產生新型自由基，并對自由基的信號強度產生影響[17]。在米糠樣品的順磁共振圖譜(圖1)中，也觀察到了鐵元素和錳元素的特征EPR信號。

2.5微波致米粉自由基的貯藏穩定性變化規律

為了研究微波處理后的米粉自由基在貯藏過程中的穩定性，將微波150W/g處理7min后的米粉樣品室溫避光保存0～150d后，分別進行順磁共振檢測(圖5)。

圖5　儲存時間對不同米粉自由基的影響Fig.5　Influence of storage time on microwave-treated rice-flour radicals

不同米粉在貯存初期的自由基穩定性表現基本一致，在2h內，自由基信號迅速衰減，降至處理結束時的70%左右之后，其信號強度又逐漸升高。這種先迅速下降又逐漸升高的現象是由于微波加熱過程中伴隨著長壽及短壽自由基的產生，米粉中存在一部分快速自旋的短壽自由基，這些自由基分子性質不穩定，反應能力極強，能夠在短時間內相互猝滅，使自由基信號迅速衰減。2h之后，由于自由基之間的偶極-偶極相互作用減弱，使得原先未被檢測到的自由基信號出現。貯存1～5d后，精米和糙米的自由基信號強度逐漸上升至穩定狀態，而米糠的自由基信號強度仍然保持上升趨勢。由于蛋白和淀粉生成的自由基之間也存在偶極-偶極相互作用，這種相互作用既可能是各自分子內的相互作用，即淀粉葡萄糖環分子內脫水反應生成C1位置上的自由基及蛋白表面氨基酸殘基失去電子生成自由基的相互作用，也可能是蛋白與淀粉生成的碳自由基進一步耦合所致，相關研究表明微波加熱蛋白所產生的自由基大部分屬于長壽自由基[18]。因此蛋白含量較高的米糠在貯藏后期仍然保持著較高的自由基水平。并且米糠中還存在大量油脂，在貯藏期內在空氣中氧氣的作用下發生氧化生成氫過氧化物和新型自由基[19]。

3　結論

本研究以糙米制粉的多樣產物(精米，糙米，黃糠，白糠)為對象，探究米粉組分和微波處理條件對米粉在微波加熱過程及貯藏期間自由基水平變化的影響。對比實驗結果發現4種米粉隨微波時間和功率的提高都表現出自由基信號強度的升高。并且，在相同微波條件下，米粉所產生自由基信號強度大小的順序為：黃糠>白糠>糙米>精米。通過貯藏穩定性實驗發現，在貯藏初期米粉的自由基水平先快速衰減而后緩慢上升，精米和糙米的自由基在貯藏后期基本保持穩定，米糠由于蛋白質含量較高且自身油脂氧化導致自由基水平持續上升。

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Theinfluenceofmicrowaveirradiationonthethermalradicalgenerationandstoragebehavioroftheproductofbrownricepowderprocess

LINLu-fen1，HUBo1，GAOYi-shu1，HUANGLue-lue2，FANDa-ming1*，LIANHui-zhang3，ZHAOJian-xin1，ZHANGHao1，CHENWei1

1(StateKeyLaboratoryofFoodScienceandTechnology,SchoolofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)2(SchoolofAppliedChemistryandBiologicalTechnology,Shenzhenpolytechnic,Shenzhen518055,China)3(WuxiHuashunMinshengFoodCo.,Ltd.,Wuxi214218,China)

Therelationshipbetweenradicalgenerationandprocessingmethodofriceflourundermicrowaveradiationwasinvestigated.Electronparamagneticresonance(EPR)wasappliedtoinvestigatethenatureofradicalsinmicrowavedriceflour.TheresultsshowedthatthecharacteristicpeakofFe3+(g=4.30)andcarbonradicals(g=2.00)weredetectedinEPRspectrumofriceflour,andthetypicalsixpeakofMn2+radicals(g=2.00)werealsoobservedinricebranandbrownrice．Withtheincreaseofmicrowavepowerandradiationtime,theintensityofradicalsgrowfaster,andtherankisricebran>brownrice>polishedrice.Studiedonthestoragestabilityofriceflourradicalsaftermicrowavetreatmentfoundthatthesignalintensityofpolishedriceandbrownriceradicalsdecreasedrapidlyandslowlyrisingtostabilityaftermicrowavetreatment，whilethesignaIintensityofricebranradicalsdecreasedrapidlyandcontinuedtorise．Theintensityoffreeradicalsandthestoragestabilityofriceflourweresignificantlyaffectedbytheprocessingprecision.

microwave;miceflour;radicals;storage

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201608015

碩士(范大明副教授為通訊作者，E-mail：fandm@jiangnan.edu.cn)。

江蘇省自然科學基金(BK20130141)；國家自然科學基金(31301504)；國家自然科學基金(31571879)

2015-12-30，改回日期：2016-03-02