熱風輔助射頻加熱對米糠儲藏穩定性的影響

廖梅吉， 敬 璞， 高霓思， 湯英杰， 焦順山

(上海交通大學農業與生物學院1，上海 200240)(豐益(上海)生物技術研發中心有限公司2，上海 200137)

米糠是糙米精制過程的副產物，占稻谷總質量的10%左右，但集中了64%的稻米營養素以及90%以上的人體必需元素[1]。我國米糠資源十分豐富，但其綜合利用率及附加值較低，絕大部分被用作畜禽飼料。目前我國只有極少部分米糠被用來提取米糠油，而糠粕中仍含有大量有益物質，尤其是米糠蛋白，可進一步開發利用，提高附加值。然而，新鮮米糠(FRB)貨架期極短，極大程度限制了米糠的進一步精深加工和增值利用。因此需要首先對米糠進行穩定化處理，通過抑制相關酶的活力，減緩米糠中脂肪酸敗速度，提高米糠儲藏穩定性。常用的穩定化方法是熱處理，包括熱風加熱、蒸汽加熱、流化床加熱、紅外加熱、微波加熱和擠壓處理等[2，3]。

射頻(RF)加熱是一種介電加熱方法，具有加熱速度快、穿透能力強、處理效率高、操作便捷、環保安全等優點，而熱風輔助射頻(HA-RF)加熱可進一步改善加熱均勻性并提高處理效率，在農產品/食品加工中有良好應用前景[4]。近年來該技術被越來越多的應用于農產品/食品加工，包括殺蟲[5]、滅菌[6]、干燥[7]、食品熟制[8]、解凍[9]、蔬果漂燙[10，11]和堅果烘烤[12，13]等。Ling等[14，15]采用射頻加熱系統對小麥胚芽和米糠進行穩定化處理，發現在射頻加熱系統中將小麥胚芽和米糠加熱至100 ℃，再將胚芽和米糠移至預熱好的100 ℃烘箱中保溫15 min，可使物料中的脂肪水解酶活性大幅降低，有效延長小麥胚芽和米糠保質期。

本團隊前期采用HA-RF對米糠進行穩定化處理[16]，研究HA-RF穩定化處理對米糠理化性質、營養和生理活性的影響，證明HA-RF穩定化對米糠品質的破壞小于擠壓處理。本研究基于前期研究，繼續深入探討HA-RF穩定化處理對米糠儲藏穩定性的影響，分析米糠儲藏過程中各項品質變化，通過關鍵品質變化動力學模型預測米糠貨架期，并與擠壓穩定化進行對比，以期為米糠穩定化加工提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本實驗中所用的米糠初始含水量為(12.2±0.1) g/100 g(濕基)。主要試劑有無水乙醇、無水乙醚、石油醚、三氯甲烷、冰乙酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、碘化鉀、氫氧化鉀、硫代硫酸鈉、可溶性淀粉和酚酞指示劑等。

1.2 儀器與設備

GJD-6A-27-JY型HA-RF加熱系統，DHP-9162B型電熱恒溫培養箱，MJX-160B-Z型電熱恒溫培養箱，DZF-6020型真空干燥箱，LabScan XE型色度分析儀，FA-st lab型水分活度儀，RE-52AA型旋轉蒸發儀等。

1.3 穩定化處理

前期研究中已確定2種有效的米糠HA-RF穩定化工藝條件，在這2種工藝條件下，采用HA-RF加熱設備(12 kW, 27.12 MHz)對米糠進行加熱處理具有較好的穩定化效果，且對米糠品質破壞較小，本研究中采用這2種工藝條件對米糠進行穩定化處理[16]。低溫熱風輔助射頻處理米糠(LT-RFRB)具體條件為：樣品厚度5.0 cm，極板間距9.2 cm，加熱8 min室溫(25 ℃)升溫至100 ℃(加熱5 min后開啟溫度為65 ℃的熱風)，再通過間斷式開啟射頻使樣品溫度在100～105 ℃下保持15 min，整個穩定化處理過程耗時23 min；高溫熱風輔助射頻處理米糠(HT-RFRB)條件為：樣品厚度5.0 cm，極板間距9.2 cm，加熱10 min從室溫(25 ℃)升溫至110 ℃(加熱5 min后開啟溫度為65 ℃的熱風)，再通過間斷式開啟射頻使樣品溫度在110～115 ℃下保持6 min，整個穩定化處理過程耗時16 min。擠壓處理米糠(ERB)：將FRB加入雙螺桿擠壓機，在(110±5) ℃下擠壓3 s生產得到，擠壓處理過程在某精米加工廠中進行。

1.4 加速貨架期實驗

加速貨架期實驗常用于預測食品的貨架期，可在較短的儲藏時間內完成對某食品在某一儲藏溫度下的保質期預測。本實驗在常溫(25 ℃)和升溫(35和45 ℃)條件下進行米糠的儲藏實驗，研究米糠多種品質的變化，并選取關鍵品質根據其變化動力學預測米糠的貨架期，同時求得米糠Q10值。將FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB分別裝于聚乙烯自封袋(140 mm×200 mm)，每袋裝(100±2) g，各裝30袋，封緊袋口，存放于電熱恒溫箱中，電熱恒溫箱中濕度為75%，具體的儲藏溫度、儲藏時間和品質測定周期如表1所示。

表1 貨架期加速實驗的儲藏條件

1.5 品質測定

1.5.1 含水量與水分活度

含水量測定參考GB 5009.3—2016。取米糠樣品2.00 g，在130 ℃真空干燥箱中將樣品完全烘干，通過干燥前后樣品質量變化求出水分含量。水分活度的測定方法參考GB 5009.238—2016，采用水分活度儀進行測量。

1.5.2 色度

取適量米糠于玻璃測量皿中，采用校準后的色度儀對其進行測量，數據采用Color-CIE-L*、a*、b*表示，其中L*值為明暗程度；a*值為紅綠色彩；b*值為黃藍色彩。儲藏過程中，各米糠樣品顏色變化的程度用該樣品儲藏一定時間后的顏色與樣品第0 d顏色的總色差值ΔE表示：

(1)

1.5.3 米糠油提取

采用有機溶劑浸提法提取米糠油。將50 g米糠與200 mL石油醚混合，攪拌1 h后在常溫下靜置浸提12 h。過濾，保留濾液，并在殘渣中加入100 mL石油醚，攪拌1 h后在常溫下浸提3 h。再次過濾，將濾液與第一次過濾的濾液合并，隨后在45 ℃水浴條件下旋轉蒸發(0.08～0.10 MPa)，待有機溶劑完全蒸發后即得到米糠油。

1.5.4 游離脂肪酸含量

(2)

式中：X為米糠油的游離脂肪酸含量(以油酸計)/g/100 g；V為試樣測定消耗氫氧化鉀標準溶液體積/mL；V0為空白測定消耗氫氧化鉀標準溶液體積/mL；c為氫氧化鉀標準溶液的實際濃度/mol/L；m為米糠油質量/g；282為油酸的摩爾質量/g/mol。

1.5.5 過氧化值

過氧化值的測定參考GB/T 5009.227—2016。取2.0～3.0 g米糠油，加入30 mL三氯甲烷-冰乙酸混合液(體積比2∶3)和1.00 mL飽和碘化鉀溶液，輕搖30 s后在室溫下避光放置3 min。隨后加入100 mL水和淀粉指示劑，用硫代硫酸鈉標準溶液滴定至藍色消失，通過式(3)計算過氧化值：

(3)

式中：X為米糠油的過氧化值/mmol/kg；V為試樣消耗的硫代硫酸鈉標準溶液體積/mL；V0為空白實驗消耗的硫代硫酸鈉標準溶液體積/mL；c為硫代硫酸鈉標準溶液的實際濃度/mol/L；m為米糠油質量/g；1 000為換算系數。

1.6 貨架期預測

研究米糠在儲藏過程中多種品質的變化情況，包括水分含量、水分活度、色度、游離脂肪酸含量和過氧化值。根據實驗結果，選取最具代表性的關鍵品質，分析其品質變化動力學，建立該品質在不同溫度下隨儲藏時間變化的動力學模型。根據行業經驗判斷，室溫下(約25 ℃)FRB的貨架期約為5 d，ERB的貨架期約為2個月。因此，測定FRB在25 ℃下儲藏5 d和ERB在25 ℃下儲藏60 d時的品質，取平均值作為貨架期實驗的終點來進行米糠的貨架期預測。Q10值根據米糠在不同儲藏溫度下的貨架期預測值求出。

1.7 統計學分析

所有實驗均做3次平行(n=3)，結果計算表示為平均值±標準差，在SPSS統計分析軟件(v22.0)中采用Tukey′s ‘Honest Significant Difference’檢驗，在P=0.05水平上進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 含水量與水分活度變化

FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在儲藏過程中的含水量變化情況如圖1所示，水分活度變化情況如圖2所示。FRB在儲藏過程中含水量隨時間增加而不斷下降，且儲藏溫度越高，含水量下降速度越快(圖1)。儲藏溫度為25 ℃時，含水量下降速度很慢，儲藏160 d后僅從12.2 g/100 g降低至10.9 g/100 g，在35 ℃下含水量下降速度較慢，儲藏80 d后降低至9.9 g/100 g，而儲藏溫度為45 ℃時下降速度最快，僅40 d便降低至8.1 g/100 g。由圖2可見，FRB水分活度的變化趨勢與含水量較一致，隨儲藏時間的增加不斷降低，且儲藏溫度越高，下降速度越快。LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的含水量隨儲藏時間的變化趨勢很一致，在儲藏前期，含水量有所上升，這可能是由于穩定化米糠的含水量較低，可從空氣中吸收水分。

圖1 米糠在不同溫度下儲藏過程中的含水量變化

圖2 米糠在不同溫度下儲藏過程中的水分活度變化

儲藏溫度為45 ℃時，FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的含水量和水分活度變化速度比儲藏溫度為25 ℃和35 ℃時快，但即使在45 ℃下，水分含量和水分活度的變化總體上也比較慢。在45 ℃下儲藏40 d后，FRB水分含量和水分活度的降幅均在30%左右，而穩定化米糠含水量和水分活度的幅度均小于FRB。由于儲藏過程中米糠含水量和水分活度的變化速度較慢，這兩項品質不適合作為米糠貨架期預測的品質指標。

2.2 色度變化

圖3、圖4和圖5展示了FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在儲藏過程中色度(L*、a*和b*)的變化情況。米糠在25 ℃下儲藏160 d，35 ℃下儲藏80 d或45 ℃下儲藏40 d后，用肉眼難以感知顏色的變化，采用色度儀測定儲藏過程中米糠的L*、a*和b*值，發現確實均沒有明顯變化。這可以推測在25、35、45 ℃下，米糠中的色素很穩定，長時間儲藏也沒有分解，且在本實驗采用的儲藏溫度下基本不會發生引起米糠褐變的化學反應。

圖3 米糠在不同溫度下儲藏過程中的色度L*值變化

圖4 米糠在不同溫度下儲藏過程中的色度a*值變化

圖5 米糠在不同溫度下儲藏過程中的色度b*值變化

2.3 游離脂肪酸含量變化

FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在儲藏過程中游離脂肪酸含量的變化情況如圖6所示。FRB在儲藏前期游離脂肪酸含量的上升速度非常快，在25 ℃下儲藏20 d后，FRB的游離脂肪酸含量即增長到57.38 g/100 g，約是第0天(5.78 g/100 g)的10倍。在35和45 ℃下儲藏時游離脂肪酸含量增長速度更快，在35 ℃下儲藏10 d和在45 ℃下儲藏5 d的游離脂肪酸含量分別為38.67和34.54 g/100 g。這主要是由于FRB中脂肪水解酶活力很高，且水分含量和水分活度較高，使得FRB中脂肪水解的速度非常快，可在較短的時間內生成大量游離脂肪酸。Sharma等[18]研究發現FRB在室溫下儲藏60 d后游離脂肪酸含量上升至60.6 g/100 g，約為第0天(4.05 g/100 g)的15倍，這與本研究的結果非常一致，本研究中FRB在室溫下儲藏60 d后游離脂肪酸含量為73.40 g/100 g，約為第0天(5.78 g/100 g)的15倍。Irakli等[19]研究紅外加熱對米糠儲藏穩定性的影響時，發現FRB在室溫下儲藏前期，游離脂肪酸含量上升速度非常快，儲藏1個月后游離脂肪酸含量已超過40 g/100 g，儲藏2個月后超過50 g/100 g，但之后游離脂肪酸含量上升速度較慢，儲藏5個月后脂肪酸含量約為60 g/100 g。

在儲藏過程中，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游離脂肪酸含量也隨儲藏時間的增加而增加，但上升速度遠低于FRB，在25 ℃下儲藏160 d、35 ℃下儲藏80 d或45 ℃下儲藏40 d后，3種米糠中的游離脂肪酸含量均在40 g/100 g以下。對比LT-RFRB、HT-RFRB和ERB可以發現，ERB中游離脂肪酸含量的上升速度最快，LT-RFRB次之，HT-RFRB最慢。因此，從游離脂肪酸含量的角度，可認為本研究使用的穩定化工藝中，HT-RF處理對米糠的穩定化效果最佳。從圖6可以看出，在25、35、45 ℃下，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB中的游離脂肪酸含量整體上與儲藏時間均成線性正相關，游離脂肪酸含量適合作為貨架期預測的關鍵品質。

陳志華等[20]研究了FRB和微波穩定化米糠在儲藏過程中酸值的變化情況，發現在半年的儲藏過程中FRB的酸值變化與本研究中FRB的游離脂肪酸含量變化趨勢一致，儲藏前期增長速度非常快，儲藏后期減緩，但整體增長速度很快；而微波穩定化米糠酸值的變化則與LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游離脂肪酸含量變化趨勢一致，總體上與儲藏時間成線性關系。相似地，Kim等[21]采用不同熱處理方法對米糠進行穩定化，研究熱穩定化處理對米糠脂肪酸敗情況的影響，發現在24周的儲藏過程中，FRB游離脂肪酸含量上升速度很快，而干熱和微波加熱處理后的米糠中游離脂肪酸含量上升速度較慢，且游離脂肪酸含量整體上與儲藏時間成線性關系。

2.4 過氧化值變化

圖7描述了FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在儲藏過程中的過氧化值的變化情況。在25、35、45 ℃下儲藏時，FRB、LT-RFRB和ERB的過氧化值均隨儲藏時間的增加而上升，而HT-RFRB的過氧化值在儲藏期間沒有顯著變化。與LT-RFRB和ERB相比，FRB過氧化值的上升速度更快，在25 ℃下儲藏160 d、35 ℃下儲藏80 d或45 ℃下儲藏40 d后，HT-RFRB、LT-RFRB和ERB的過氧化值均不超過5 mmol/kg，而FRB的過氧化值分別為5.7、6.5、8.0 mmol/kg。從FRB、LT-RFRB和ERB的過氧化值變化曲線可以看出，在儲藏的前期，過氧化值上升速度比儲藏后期更快，這與盧慧勇等[22]的研究結果一致。游離脂肪酸含量與過氧化值均反應了米糠中脂肪的氧化情況，但與游離脂肪酸含量相比，米糠過氧化值上升速度較慢，這是由于米糠中脂肪的水解速度很快，使得游離脂肪酸生成速度很快，但游離脂肪酸氧化生成過氧化物的速度較慢。Chi等[23]也發現在180 d的儲藏期內，FRB游離脂肪酸含量增加了10倍，但過氧化值增長速度較慢；米糠在130 ℃下加熱30 min或180 ℃下加熱5 min后，在30 d的儲藏期內游離脂肪酸增長速度較快，但過氧化值變化很小。

本研究中雖然FRB過氧化值的上升速度比LT-RFRB和ERB更快，但穩定化前后米糠過氧化值的上升速度差距并不大，FRB的過氧化值上升速度約為LT-RFRB和ERB的2倍，但FRB游離脂肪酸含量的上升速度比穩定化米糠快很多。嚴梅榮和馬云[24]研究了微波加熱對米糠儲藏穩定性的影響，發現在5周的儲藏期內，FRB和微波加熱穩定化米糠的過氧化值均緩慢上升，且FRB的過氧化值上升速度略快于穩定化米糠，這與本實驗的結果非常相似。GB 19112—2003中規定，米糠原油的過氧化值上限為7.5 mmol/kg，根據本實驗的結果，FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在25 ℃下儲藏160 d、35 ℃下儲藏80 d或45 ℃下儲藏30 d后過氧化值均沒有超出限定范圍，但在實際生產加工中，春秋季節室溫下FRB的貨架期約為5 d，ERB的貨架期約為2個月，因此，米糠油的過氧化值不適合作為米糠貨架期預測的關鍵品質。

圖6 米糠不同溫度下儲藏過程中游離脂肪酸含量變化

圖7 米糠在不同溫度下儲藏過程中的過氧化值變化

2.5 動力學分析

根據本實驗的研究結果，米糠的游離脂肪酸含量隨儲藏時間的增加而上升，且上升速度較快，適合作為米糠貨架期預測的指標。因此，對儲藏過程中FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游離脂肪酸含量變化動力學進行分析。通過觀察圖7中各米糠樣品的游離脂肪酸含量隨儲藏時間變化的曲線，并結合相關儲藏動力學研究[25，26]，可推測FRB的游離脂肪酸含量變化符合Fractional Conversion動力學模型，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游離脂肪酸含量變化符合零級模型。因此，采用Fractional Conversion模型擬合FRB在25、35、45 ℃下儲藏時的游離脂肪酸含量變化，采用零級模型擬合LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在25、35、45 ℃下儲藏時的游離脂肪酸含量變化，結果如表2所示。

表2 米糠儲藏過程中游離脂肪酸含量變化的動力學模型

4種米糠樣品在3個儲藏溫度下的游離脂肪酸含量變化動力學模型(共12個)的R2均大于0.95，說明模型的擬合度較好。FRB的游離脂肪酸含量變化符合Fractional Conversion模型，表明儲藏前期，即t較小時，游離脂肪酸含量(模型表達式中的C)變化速度很快，在隨著儲藏時間的增加，即t增大后，游離脂肪酸含量的增長速度便緩，逐漸趨于Ce。Fractional Conversion模型常用于分析食品在儲藏過程中的品質變化，例如芒果汁和中葡萄糖和果糖含量的變化[25]、青豆質構的變化[27]、番茄顏色和質量的變化[28]，和大米質構與熱特性的變化[26]。對LT-RFRB、HT-RFRB和ERB而言，在本實驗的儲藏溫度和儲藏期內，游離脂肪酸含量隨儲藏時間的延長不斷增加，與儲藏時間成線性關系。零級模型也是常用的分析食品儲藏過程中品質變化動力學的模型，但一般適用于儲藏期較短的情況或儲藏的中前期[25]。由于米糠中脂肪的含量是有限的，游離脂肪酸含量無法無限上升，如果延長本實驗的儲藏時間，推測LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游離脂肪酸含量變化可能也符合Fractional Conversion模型。

2.6 貨架期預測與Q10值計算

FRB在25 ℃下儲藏5 d時的游離脂肪酸含量為24.46 g/100 g，ERB在25 ℃下儲藏60 d時的游離脂肪酸含量為22.84 g/100 g。取這兩個數值的平均值作為貨架期實驗的終點來進行米糠的貨架期預測，即米糠游離脂肪酸含量達到23.65 g/100 g時認為米糠品質不可接受。如表3所示，根據動力學模型求得FRB在25、35、45 ℃下的貨架期預測值分別約為6、4和3 d，可見FRB極易變質，不便于進行深加工。穩定化處理顯著提升了米糠的貨架期，在25 ℃下，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的貨架期預測值分別為88、113和71 d，其中HT-RFRB的穩定化效果最好，其次是LT-RFRB，最后是ERB。在35 ℃下儲藏時，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的預測貨架期分別為55、77、44 d。因此，即使在夏季，HA-RF穩定化米糠的貨架期約2個月，工廠有充足的時間對米糠進行深加工。孫明等[29]發現FRB在35 ℃下儲藏3 d后游離脂肪酸含量便超過24.46 g/100 g，而經微波加熱1 min處理的米糠在35 ℃下儲藏3周內游離脂肪酸含量不超過24.46 g/100 g，經微波加熱1.5 min處理的米糠則可在35 ℃下儲藏4周以上。Ling等[14]發現FRB的貨架期不超過15 d，而采用RF加熱將米糠加熱至100 ℃，再移至預熱好的100 ℃烘箱中保溫15 min可將米糠的貨架期延長至60 d以上。

表3 不同米糠樣品的貨架期預測值和Q10值

Q10值表示溫度為T時某食品的儲存期與溫度為T+10 ℃時的儲存期的比值，即Q10=tT/tT+10。由于tT與tT+10的比值為一個常數，可得出lnt與T應成線性關系，設lnt=aT+b，其中a與b均為常數，此時，tT/tT+10=e(aT+b)/e[a(T+10)+b]=e-10a，即Q10=e-10a。因此，作出FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的貨架期預測值的對數值lnt對儲藏溫度T變化的圖像，采用線性函數擬合lnt與T的關系，并根據擬合的函數求出米糠的Q10值，結果如表3所示。針對FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB，擬合出四個lnt-T線性函數，R2均為0.99，擬合度好。FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的Q10值分別是1.45、1.58、1.61和1.63。盧慧勇等[22]采取感官評定的方法確定FRB的貨架期終點，求得貨架期終點時FRB的酸值和過氧化值并通過動力學分析求出不同溫度下FRB的貨架期預測值，得出FRB的貨架期預測值t與儲藏溫度T之間的關系為lnt=-0.031 3T+4.959 2，從而計算出FRB的Q10值為1.37，與本實驗求出的FRB的Q10值為1.45是較為接近的。李凡姝等[30]通過儲藏實驗求得ERB在40、50、60 ℃下的貨架期分別為119、65、35 d，從而求出ERB的Q10值為1.8，與本實驗得出的ERB的Q10值為1.63較接近。目前關于米糠Q10值的研究較少，不同品種、不同含水量的米糠Q10值也會有所差異，因此一些研究中通過米糠加速貨架期實驗計算常溫下的貨架期時采用的Q10值可能不夠準確，例如Ling等[14]在計算米糠常溫下的貨架期時采用的Q10值為3.4，這可能使得預測出的常溫貨架期值偏高。

3 結論

本研究表明HA-RF加熱穩定化米糠具有良好的儲藏穩定性，穩定化米糠在儲藏過程(25、35、45 ℃)中含水量、水分活度、色度、游離脂肪酸含量和過氧化值變化速度均較慢，但游離脂肪酸含量隨儲藏時間的增加而明顯上升，但穩定化米糠的上升速度遠低于FRB，穩定化米糠中ERB中的游離脂肪酸含量上升速度最快，LT-RFRB次之，HT-RFRB最慢。米糠的游離脂肪酸含量適合作為米糠貨架期預測的品質指標，FRB的游離脂肪酸含量變化符合Fractional Conversion動力學模型，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游離脂肪酸含量變化符合零級模型。在25 ℃下，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的貨架期預測值分別約為88、113、71 d，FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的Q10值，分別是1.45、1.58、1.61和1.63。HA-RF穩定化處理可使米糠在常溫下穩定儲藏約3個月，可為后續增值加工利用提供保障。