紫外照射對(duì)留胚米穩(wěn)定性的影響

姜 蓓 呂慶云,2 周 堅(jiān),2 金剛強(qiáng) 陳 軒

(武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，武漢 430023)(大宗糧油精深加工省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，武漢 430023)(衢州市庫米賽諾糧食機(jī)械制造有限公司3，衢州 324000)

留胚米是指稻谷在經(jīng)過輕度碾磨加工后，留胚率能達(dá)80%以上的一種米[1]。留胚米與精米相比營(yíng)養(yǎng)豐富，口感相對(duì)于糙米又有所改善，是一種較為理想的優(yōu)質(zhì)主糧[2]。其富含蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和礦物質(zhì)等多種營(yíng)養(yǎng)成分[3]。近年來，隨著人們對(duì)健康營(yíng)養(yǎng)飲食的要求越來越高，留胚米日益成為高品質(zhì)的糧食消費(fèi)品，是大米加工的發(fā)展方向[2]，其市場(chǎng)也隨之越來越大。留胚米中脂類含量豐富，同時(shí)脂類是導(dǎo)致留胚米儲(chǔ)藏品質(zhì)劣變的主要因素。儲(chǔ)藏過程中，由于失去稻殼的保護(hù)，留胚米中的脂類與氧氣接觸而氧化，在脂肪酶的作用下發(fā)生分解，極易氧化酸敗[4]，致使留胚米品質(zhì)劣變[5]。因此開發(fā)有效的穩(wěn)定化技術(shù)是延長(zhǎng)留胚米貨架期的關(guān)鍵，能有效延緩留胚米的品質(zhì)劣變，對(duì)大米加工企業(yè)而言有積極的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外留胚米的穩(wěn)定技術(shù)較為普遍的是低溫處理、微波處理留胚米、充氣包裝。低溫處理只能穩(wěn)定較短時(shí)間并不能長(zhǎng)時(shí)間保證其品質(zhì)，且成本較高，在市場(chǎng)上，既不環(huán)保也不易實(shí)現(xiàn)。微波處理留胚米可使其脂肪酶鈍化，效果不錯(cuò)，但微波處理會(huì)使米粒的溫度升高，易增加碎米率和爆腰率，會(huì)影響留胚米的售出。充氣包裝可以隔絕氧氣，但留胚米在酶的作用下仍然會(huì)發(fā)生緩慢氧化，所以充氣包裝也是只能較短時(shí)間的穩(wěn)定留胚米。紫外線是一種波長(zhǎng)范圍為 136～390 nm 的不可見光線，其波長(zhǎng)在 240～280 nm 的時(shí)候具有殺菌作用[6]。因?yàn)樽贤庹丈湟酝顿Y少、能耗小、操作簡(jiǎn)單方便、無污染等優(yōu)點(diǎn)[7]廣泛應(yīng)用到快速殺滅米粒內(nèi)部的蟲卵和細(xì)菌。紫外照射對(duì)延緩果蔬的成熟衰老腐爛也有一定的效果。鄭楊等[8]發(fā)現(xiàn)紫外照射處理能夠顯著降低韭菜的黃變率和腐爛率，且紫外處理誘導(dǎo)了韭菜中過氧化氫酶(catalase，CAT)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性的增加，得出紫外照射處理有效的延緩了韭菜保質(zhì)期。劉璐等[9]采用紫外照射對(duì)新鮮玉米胚芽進(jìn)行穩(wěn)定化處理，測(cè)定紫外照射處理后玉米胚芽中脂肪酶殘余活性。發(fā)現(xiàn)在照射一定時(shí)間后可以鈍化玉米胚芽中的脂肪酶活性。吳興源[10]研究得出適當(dāng)劑量的紫外輻照, 可以降低柑桔的過氧化物酶活性。本實(shí)驗(yàn)主要研究紫外照射鈍化留胚米的脂肪酶活性，同時(shí)考察留胚米的爆腰率和碎米率、水分散失率，得到紫外處理最優(yōu)的條件，為開發(fā)留胚米的紫外照射穩(wěn)定化技術(shù)與工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

留胚米(晚秈米)，一級(jí)大豆油，其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SW-CJ-2FD凈化工作臺(tái)，DH-420型恒溫培養(yǎng)箱，電熱鼓風(fēng)干燥箱，高速萬能粉碎機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 單因素實(shí)驗(yàn)

取120 g留胚米均勻平鋪在紗布上，鋪料厚度為1 cm，放置于253.7 nm紫外燈下，通過改變樣品與紫外燈之間的距離改變紫外照射強(qiáng)度；由于新鮮的留胚米含水量約為16%，將留胚米放置烘箱40 ℃烘干，每隔30 min快速測(cè)定其水分，得到含水量分別為11%、12%、13%、14%和15%(其實(shí)際含水量為10.55%、11.71%、12.86%、13.78%、15.53%)。以照射時(shí)間為9 min、樣品與紫外燈之間的距離6 cm、留胚米初始水分15%作為基本條件，分別調(diào)整各因素，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。探究照射時(shí)間(3、6、9、12、15 min)、樣品與紫外燈之間的距離(4、5、6、7、8 cm)、留胚米初始水分(11%、12%、13%、14%、15%)對(duì)留胚米穩(wěn)定化的影響，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3.2 脂肪酶活性的測(cè)定

參考GB/T 5523—2008測(cè)定脂肪酶活性，脂肪酶活性定義為：中和1 g(干基)留胚米樣中脂肪酶水解國(guó)標(biāo)一級(jí)油所產(chǎn)生的游離脂肪酸所需的KOH的毫克數(shù)[4]，測(cè)定脂肪酶酶活力，計(jì)算脂肪酶滅活率。

1.3.3 碎米率和裂紋率測(cè)定

參考GB/T 21719—2008的方法測(cè)定碎米率；裂紋率又稱爆腰率，參考GB 1350—2009的方法測(cè)定爆腰率。

1.3.4 水分損失率的測(cè)定

參考GB 5009.3—2016的方法測(cè)定水分，計(jì)算水分損失率。

1.3.5 響應(yīng)面優(yōu)化微波滅酶工藝

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以脂肪酶的活性為主要指標(biāo)，同時(shí)兼顧水分散失率、爆腰率和碎米率等留胚米品質(zhì)特性，選取照射時(shí)間(A)、照射距離(B)、初始含水量(C)進(jìn)行三因素三水平的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用Design-ExpertV 8.0.6軟件中的Box-Benhnken設(shè)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，研究紫外照射條件對(duì)留胚米中脂肪酶滅活率的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)。各因素的編碼值和實(shí)際值見表1。

表1 因素水平編碼表

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS22、Originpro8.5和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測(cè)定結(jié)果均重復(fù)3次。采用多樣本均數(shù)比較(ANOVA)和LSD檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的顯著性差異。誤差與標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫外照射對(duì)留胚米脂肪酶活性的影響

留胚米中脂肪酶的含量與脂肪酸的含量沒有直接關(guān)系，在良好的條件情況下儲(chǔ)藏留胚米，脂肪酶的含量是降低的[11-13]。但無論儲(chǔ)藏環(huán)境如何，都不能鈍化脂肪酶的活性，所以儲(chǔ)藏的留胚米中脂肪酸值會(huì)不斷地升高[14]，引起脂肪氧化酸敗，從而影響留胚米的品質(zhì)。為了延長(zhǎng)留胚米的儲(chǔ)藏期，必須鈍化脂肪酶酶活性。如圖1所示，隨著紫外照射時(shí)間的增加，脂肪酶滅活率會(huì)逐漸增加，當(dāng)照射時(shí)間超過12 min后，再繼續(xù)增加照射時(shí)間，脂肪酶滅活率增加幅度較小。為了節(jié)約能源，應(yīng)盡量縮短照射時(shí)間，因此，選擇紫外照射時(shí)間為12 min。隨著紫外照射距離增加，紫外照射的強(qiáng)度會(huì)降低，脂肪酶滅活率會(huì)逐漸下降，當(dāng)照射距離超過5 cm后，脂肪酶滅活率會(huì)下降的較為明顯，所以照射距離宜為4～5 cm。可見紫外照射處理具有一定程度滅活脂肪酶的效果，從而可以適當(dāng)延長(zhǎng)留胚米的儲(chǔ)藏時(shí)間。朱松等[15]利用微波處理留胚米，脂肪酶滅活率為68%，豁銀強(qiáng)等[4]利用脈沖微波處理留胚米，處理后脂肪酶的活力降低至原來的50%左右，在留胚米脂肪酶滅活方面，紫外處理基本達(dá)到了微波處理的效果。隨著留胚米初始含水量的增加，脂肪酶滅活率呈現(xiàn)先平緩后下降趨勢(shì)，當(dāng)初始含水量為13%時(shí)，脂肪酶滅活達(dá)到最高為61.38%，且較高水分的留胚米比低水分的留胚米食用品質(zhì)好。當(dāng)初始含水量繼續(xù)增加時(shí)，脂肪酶滅活率隨之下降，且含水量過大，會(huì)增加后期儲(chǔ)藏難度，高含水量會(huì)使留胚米呼吸作用旺盛，脂肪酶、蛋白酶活性較高，代謝速度較快，加速留胚米品質(zhì)的劣變[16]。所以留胚米的初始含水量應(yīng)控制在13%左右。

圖1 紫外照射對(duì)脂肪酶滅活率的影響

2.2 紫外照射對(duì)水分散失率的影響

含水量的差別會(huì)影響留胚米的貨架期及食用品質(zhì)，水分過低雖然可抑制微生物的生命活動(dòng)，但米飯的食用品質(zhì)也會(huì)降低很多，留胚米含水量高，脂肪酶活性也會(huì)較高，儲(chǔ)藏期間會(huì)加速留胚米品質(zhì)的劣變；留胚米含水量低，也就能降低脂肪酶的活性，從而穩(wěn)定留胚米品質(zhì)。低含水量雖能保證留胚米的穩(wěn)定性，卻很難保證留胚米的口感和新鮮度[17]。潘巨忠等[18]研究不同含水量大米儲(chǔ)藏效果，得出不同水分條件的大米的保鮮效果不同。因此，適當(dāng)控制留胚米的含水量，既能保證留胚米的口感和新鮮度又能保障留胚米的穩(wěn)定性。由圖2可知，紫外照射時(shí)間從3 min增加到15 min，水分散失率的變化幅度低于0.1%，說明紫外照射時(shí)間對(duì)留胚米的含水量影響不大。紫外照射距離從4 cm增加到8 cm，水分散失率變化幅度低于0.2%，由此可得知改變紫外照射距離不會(huì)影響留胚米的含水量。留胚米的初始含水量不同，經(jīng)紫外照射后，留胚米的水分損失率變化幅度不超過0.17%，所以不同初始含水量的留胚米經(jīng)過紫外照射后，對(duì)含水量影響較小。根據(jù)豁銀強(qiáng)等[4]的研究，脈沖微波處理后，微波熱效應(yīng)導(dǎo)致留胚米溫度升高明顯，從而導(dǎo)致原料含水量下降了3%左右，而原料含水量的變化更容易引起留胚米食用品質(zhì)的變化，與此比較，紫外處理基本不引起原料溫度的升高，含水量損失更少，在穩(wěn)定留胚米食用品質(zhì)方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

圖2 紫外照射對(duì)水分散失率的影響

2.3 紫外照射對(duì)碎米率、爆腰率的影響

碎米率和爆腰率都會(huì)影響留胚米的食用品質(zhì)和市場(chǎng)價(jià)值，因此在處理留胚米時(shí)要控制碎米率和爆腰率。由表2可知，紫外照射條件的變化對(duì)留胚米的碎米率和爆腰率的影響。隨著照射時(shí)間的增加，碎米率會(huì)逐漸增加，增加幅度為0.33%；爆腰率也會(huì)隨之增加，增加幅度為0.53%。由表3可知，紫外照射距離對(duì)碎米率沒有影響。隨著紫外照射距離的增加，爆腰率會(huì)逐漸下降，下降幅度為0.27%。由表4可知，留胚米初始含水量對(duì)碎米率沒有影響。爆腰率會(huì)隨初始水分的降低而增加，增加幅度為3.6%，但不能排除樣品前處理的影響。由2.1可知，初始含水量越低，脂肪酶滅活率越高，但爆腰率也隨之增加，所以留胚米初始含水量應(yīng)控制在12%～13%。該結(jié)論與2.2紫外照射對(duì)水分散失率的影響結(jié)論一致，紫外線照射會(huì)引起留胚米部分水分散失，而紫外線穿透能力不如微波，推測(cè)損失的水分主要在表面，表面水分的散失，造成留胚米內(nèi)外水分重新分布，受力不均勻形成部分裂紋和碎米，與脈沖微波處理后爆腰率和碎米率增加近3%比較[4]，紫外處理具有一定優(yōu)勢(shì)。

表2 不同照射時(shí)間對(duì)碎米率和爆腰率影響

表3 不同照射距離對(duì)碎米率和爆腰率影響

表4 不同初始含水量對(duì)碎米率和爆腰率影響

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化紫外照射最佳條件

2.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)原理，結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)，制訂響應(yīng)面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，見表5。

表5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其響應(yīng)值

2.4.2 響應(yīng)面模型的建立

按照表5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元二次回歸分析，可以獲得脂肪酶滅酶率關(guān)于照射時(shí)間(A)、照射距離(B)、初始含水量(C)的二次多元回歸方程為：

Y=65.5-4.23A-3.11B-0.99C-3.44AB-2.12AC-0.13BC-6.89A2-2.53B2-2.26C2

2.4.3 各因素對(duì)脂肪酶滅活率的影響

模型統(tǒng)計(jì)參數(shù)和方差分析結(jié)果見表6。回歸方程的模型極顯著(P=0.000 1<0.01)，失擬項(xiàng)不顯著(P=0.534 5>0.05)，表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型擬合度較好，代表性達(dá)到良好水平，信噪比為17.418，表明方程的可信度高，選擇恰當(dāng)，可用于預(yù)測(cè)脂肪酶滅活率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，C.V值為0.025 2，說明實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確度高，比較可靠。R2=0.972 3，RAdj2=0.936 7，說明二次模型的模擬合理，可信度較高。由P值可以得出A、B、AB、A2對(duì)脂肪酶滅活率的影響極顯著，AC、B2、C2對(duì)脂肪酶滅活率的影響顯著，C、BC對(duì)脂肪酶滅活率的影響不顯著。

表6 方差分析和統(tǒng)計(jì)模型參數(shù)

2.4.4 交互作用

由回歸方程，做出等高線及響應(yīng)曲面，根據(jù)擬合響應(yīng)面的形狀分析各因素對(duì)脂肪酶滅活率的影響，等高線的形狀反應(yīng)出交互作用的強(qiáng)弱趨勢(shì)。圖3、圖4為AB、AC對(duì)脂肪酶滅酶率影響的響應(yīng)面和等高線圖，由圖7可知，等高線圖形為橢圓，說明照射時(shí)間和照射距離交互作用對(duì)脂肪酶滅活率存在影響，且影響較顯著，即選擇合適的照射時(shí)間和照射距離搭配更加有利于提高脂肪酶滅活率。由圖8可知，等高線圖近似圓形的橢圓，說明照射時(shí)間和初始含水量對(duì)脂肪酶滅活率存在影響，但交互作用較弱。

圖3 照射時(shí)間和照射距離對(duì)脂肪酶滅活率的影響

圖4 照射時(shí)間和初始含水量對(duì)脂肪酶滅活率的影響

2.5 最優(yōu)參數(shù)的確定及模型驗(yàn)證

根據(jù)求解方程，得出脂肪酶滅活率最高的紫外處理?xiàng)l件為照射時(shí)間11.52 min、照射距離4.5 cm，初始含水量12.87%，此時(shí)脂肪酶滅活率為66.69%。由于考慮到計(jì)算優(yōu)方案的實(shí)際操作可行性，將條件修正為照射時(shí)間11.50 min、照射距離4.5 cm、初始含水量13%，通過3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為 66.73%，這與預(yù)測(cè)模型基本一致。且在此條件下，碎米率增加0.12%、爆腰率增加1.63%、水分散失率增加0.38%，處于可以接受范圍內(nèi)，因此，利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的脂肪酶滅活工藝是可行的。

3 結(jié)論

采用紫外照射處理留胚米，發(fā)現(xiàn)紫外照射處理可以有效降低脂肪酶酶活力。以脂肪酶滅活率為主要指標(biāo)，同時(shí)考慮水分散失率、爆腰率和碎米率，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，得到了留胚米紫外照射穩(wěn)定化最佳工藝參數(shù)為：照射時(shí)間11.50 min、照射距離4.5 cm、初始含水量13%。此條件下脂肪酶滅活率達(dá)到66.73%、且碎米率增加0.12%、爆腰率增加1.63%、水分散失率增加0.38%，處于可以接受范圍內(nèi)，因此可以選為紫外照射穩(wěn)定留胚米的工藝參數(shù)。