水分調節協同微波處理米糠儲藏期品質變化規律的研究

楊剴舟，魏 征，欒 霞，薛雅琳，段章群

（國家糧食和物資儲備局科學研究院糧油加工研究所，北京 100037）

米糠作為稻谷加工過程中重要的副產物，約占稻谷產量的5% ～6%。米糠具有較高的附加值，稻谷中65%的活性成分存在于米糠中，富含γ －谷維素、生育酚、生育三烯醇和多酚等生理活性物質［1］；米糠中油質量分數為15% ～20%，富含不飽和脂肪酸，油酸和亞油酸分別占不飽和脂肪酸質量的42%和38%，脂肪酸組成符合國際衛生組織推薦的最佳比例［2］。然而，米糠中富含脂肪和脂肪酶，在碾米過程中二者在機械作用下發生接觸，會發生快速的酶催化酸敗反應，導致米糠的酸價快速上升而失去高值化利用價值，因此目前大部分只能作為動物飼料使用［3］。抑制和鈍化酶的活性是米糠的穩定化效果核心所在，可大大提高米糠的利用水平。米糠的穩定化方法主要有擠壓法、微波法、紅外法、射頻法、歐姆加熱法、化學法、生物酶法以及冷藏法等［4］。其中，擠壓法的應用最為成熟，工業化應用最為廣泛，鈍酶效果也較好，但是高溫高壓操作會導致一些活性物質如生育酚和谷維素出現不同程度的降解［5］。

微波是超高頻的電磁波，通過分子摩擦使其能量轉化為熱能，從而對物料進行均勻、迅速加熱，作用時間短、效率高，物料溫度上升快速，節能和易于控制［6］。目前，國內外對微波穩定化米糠開展了大量的研究，主要集中在米糠酶活性、米糠含水量、米糠品質以及米糠儲藏期等方面。郭錦杰等［7］采用微波功率4. 2 kW、轉動速度10 r／min、進料速度180 kg／h、水質量分數22%等條件，發現米糠過氧化物酶的殘余酶活力為4.87%，脂肪酶的平均殘余酶活力為14. 30%，40 ℃下儲藏30 d 其酸值上升了2.92；楊曉清等［8］研究發現提高米糠初始含水量對微波有明顯的增效作用，米糠含水率23%、微波功率800 W、微波處理時間105 s，米糠脂肪酶殘余活力為20.24%，顯示出高抑酶率且對米糠無熱損傷；Bo等［9］在微波功率4 kW，微波時間10 min，通風量80 N·m3／h，脂肪酶殘余活力為7.94%，脂氧合酶活性完全被破壞，脂肪酸、生育酚和谷維素含量均無明顯變化，儲藏60 d，游離脂肪酸質量分數和過氧化值分別增加1.06%和2.66 mmol／kg，最佳儲存水分活度為0.14；Pongrat等［10］在微波功率6.4 kW，微波時間15.75 min，水質量分數21%下處理米糠，分別在4 ℃和25 ℃下儲存16 周，研究發現16 周儲藏期，4、25 ℃下游離脂肪酸質量分數從4.47%分別增加到5.00%和5.21%；過氧化值從0.63 mmol／kg 分別增加到3.28 和3.58 mmol／kg；TBA值從0.40 mg／kg分別增加到0.44、0.53 mg／kg。目前系統研究微波參數協同初始水分含量對酶活性、儲藏期米糠品質及生理活性物質影響變化規律的研究鮮見報道，而這對于科學合理評價微波穩定化效果、實現米糠高值化利用至關重要。

實驗對微波參數協同初始水分含量對酶活性、儲藏期米糠品質及生理活性物質影響變化規律開展深入研究，為揭示微波穩定化機制和拓展工業化應用前景提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

新鮮米糠（粉碎過20 目篩，置于－20 ℃冰箱待用），磷酸氫二鈉（12 水）、磷酸二氫鈉，阿拉伯樹膠粉、異丙醇、4 －硝基苯基十二酸酯（≥98%）、愈創木酚（≥98%）、鄰苯二酚（≥99%）、Triton X － 100、α－、β－、γ－、δ －生育酚（純度≥98%）、α －、β －、γ－、δ－生育三烯酚（純度≥98%），谷維素（純度≥98%）。實驗所需其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

XH－2kW變頻微波設備，E2695 高效液相色譜，Tu－1810DS紫外可見光分光光度計，Soxtec 8000 型粗脂肪測定儀，2010 型全自動纖維分析系統，Synergy HT型酶標儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 微波穩定化工藝［8］

稱取約100 g米糠樣品于耐熱敞口平皿內，容器置于微波爐內，采用定制變頻微波設備，按照表1 的參數進行穩定化處理，處理完畢后立即移出微波爐腔體，樣品冷卻至室溫后用自封袋封存放置在陰涼干燥處進行12 周儲藏期實驗。

表1 微波處理參數設計表

1.3.2 初始水分調節［11］

稱取100 g米糠，往米糠中加入一定量蒸餾水，采用混勻器攪拌均勻，調節米糠的初始水質量分數分別為15%、18%、21%、24%、27%。

1.3.3 脂肪酶活性測定［12］

稱取2.0 g米糠，然后加入10 mL的磷酸鹽緩沖液（0.1 mol／L，pH ＝7.0），在25 ℃下超聲40 min，在8 000和10 000 r／min下分別離心10 min后收集上清液備用。溶液A：40 mg 4－硝基苯基十二酸酯溶于12 mL異丙醇中；溶液B：0.4 g Triton X－100和0.1 g阿拉伯膠溶于90 mL 磷酸鹽緩沖液（0.1 mol／L，pH ＝7.0）。

取0.2 mL溶劑A和0.2 mL溶劑B于試管中混勻，然后加入0.2 mL米糠上清液，在37 ℃搖床中振搖20 min，然后再煮沸5 min，冷水中降至室溫后在10 000 r／min 下離心10 min，然后用分光光度計在410 nm處測定樣品吸光度，空白樣品中用煮沸的米糠上清液。新鮮米糠的活性記作100%，脂肪酶活性表示為相對新鮮米糠的活性。

1.3.4 多酚氧化酶活性測定［13］

稱取2.0 g米糠，然后加入10 mL的磷酸鹽緩沖液（0.2 mol／L，pH ＝6.0），在25℃下超聲30 min，在8 000、10 000 r／min 下分別離心10 min 后收集上清液備用。

取0.2 mL鄰苯二酚溶液（0.8 mol／L）和3.0 mL磷酸鹽緩沖液（0.2 mol／L，pH ＝6.0）于試管中混勻，加入0.2 mL米糠上清液，然后用分光光度計在425 nm處測定樣品反應1、3 min 的吸光度，空白溶液為0.2 mL鄰苯二酚溶液和3.2 mL 磷酸鹽緩沖液混合制得。新鮮米糠的活性記作100%，多酚氧化酶活性表示為相對新鮮米糠的活性。

1.3.5 過氧化物酶活性測定［13］

采用1.3.4制備的米糠上清液測定過氧化物酶活性，取1.0 mL愈創木酚溶液（0.5 g／L）、0.2 mL 過氧化氫溶液（1 g／L）和2.0 mL 磷酸緩沖液（0.2 mol／L，pH ＝6.0）于試管中混勻，加入0.2 mL 米糠上清液，然后用分光光度計在470 nm 處測定樣品反應1、3 min的吸光度，空白溶液為0.2 mL雙氧水溶液和2.2 mL磷酸鹽緩沖液混合制得。新鮮米糠的活性記作100%，過氧化物酶活性表示為相對新鮮米糠的活性。

1.3.6 評價指標測定

酸價和過氧化值測定參考GB／T 5530—2005《動植物油脂酸值和酸度測定》和GB 5009.227—2016《食品安全國家標準食品中過氧化值的測定》；谷維素含量測定參照LS／T 6121.1—2017《糧油檢驗植物油中谷維素含量的測定分光光度法》；生育酚含量的測定參考GB／T 26635—2011《動植物油脂生育酚及生育三烯酚含量測定高效液相色譜法》；脂肪酸組成測定參考GB／T 5009.168—2016《食品安全國家標準食品中脂肪酸的測定》。

1.4 數據分析

所有實驗平行測定3 次，采用SPSS22.0 軟件對測定數據進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 微波處理對于米糠中殘留酶活性的影響

微波處理對米糠中殘留酶活性影響見圖1。可以看出，微波功率越大（≥1 250 W），時間越長（≥240 s），料層厚度越大（≥1.5 cm），脂肪酶（質量分數10% ～30%）、多酚氧化酶（質量分數30% ～50%）以及過氧化物酶（質量分數0% ～5%）的殘留酶相對活性越低，其中對于多酚氧化酶的滅活效果較差，對于過氧化物酶的滅活效果最好，這與嚴梅榮等［14］研究報道并不一致，之前的研究認為過氧化物酶比較耐高溫，如果過氧化物酶殘留酶活很低時，其他酶比如脂肪酶等殘留酶活應該更低；實驗中發現微波功率超過1 000 W后米糠出現部分焦糊，同樣的在微波時間超過180 s以及料層厚度大于1.5 cm后也出現類似現象，為了保證米糠穩定化產品的品質，采用微波功率1 000 W，微波時間180 s 和料層厚度1.5 cm進行初始水分含量對殘留酶活性研究。

圖1 微波處理對米糠中殘留酶活性影響

圖1d為初始含水量對米糠殘留酶活性的影響，隨著初始含水量的增加，脂肪酶、多酚氧化酶以及過氧化物酶的殘留酶相對活性出現顯著性直線下降，在初始水質量分數24%時達到最低，其中過氧化物酶酶活為0，脂肪酶約為7%，多酚氧化酶約為3%，遠遠低于微波功率、微波時間以及料層厚度下殘留酶活，這與楊曉清等［8］研究基本一致，可能是由于在高溫高濕下，米糠中的酶分子構象被較完全的改變而失去活性。同時對微波處理前后米糠的水分進行了研究，微波處理對米糠中殘留含水量影響如圖2 所示。高功率和長時間下，米糠中的含水量變化與殘留酶活的變化基本一致（脫水率14% ～96%），而料層厚度下的殘留酶活變化與殘留含水量變化無相關性（脫水率55% ～70%），低初始含水量下殘留含水量變化與殘留酶活變化呈現負相關（脫水率55% ～74%），在9.7%（脫水率約60%）時出現臨界點，說明一定程度上，脫水程度并不是微波穩定化米糠效果的關鍵點，在保證脫水率在60%左右時，初始含水量是微波穩定化米糠的關鍵環節。

圖2 微波處理對米糠中殘留水分含量影響

2.2 微波處理對米糠儲藏期穩定化的影響

2.2.1 微波功率對米糠儲藏期穩定化的影響

采用儲藏期實驗評價米糠穩定化的效果，微波功率對儲藏期米糠酸價和過氧化值的影響如圖3 所示。研究發現，微波處理后的米糠酸價在12 周儲藏期內顯著低于未處理的米糠樣品，過氧化值呈現線性增加趨勢，比未處理的米糠低20% ～40%，變動范圍為1 ～6 mmol／kg。微波功率1 000 W 時，12 周儲藏期后的米糠酸價和過氧化值分別為33. 62 mg KOH／g 和5. 39 mmol／kg。在微波功率≥1 000 W時，1 250 和1 500 W時的米糠酸價差別不大，過氧化值進一步降低，但功率較高時，米糠出現局部溫度過高而變糊。

圖3 微波功率對儲藏期米糠酸價和過氧化值的影響

2.2.2 微波時間對米糠儲藏期穩定化的影響

微波時間對儲藏期米糠酸價和過氧化值的影響如圖4 所示。研究發現，隨著微波時間的增加，在微波時間≥180 s時，酸價隨著儲藏期的增加變化不大，基本維持在30 mg KOH／g 左右；而過氧化值隨著時間的增加逐漸增加，微波時間越長過氧化值相對較高，并隨著儲藏期的延長，長微波時間下過氧化值越高，與空白對照基本一致，約為6 mmol／kg。微波時間對酸價的影響程度要高于過氧化值，而儲藏期對于過氧化值影響較大。

圖4 微波時間對儲藏期米糠酸價和過氧化值的影響

2.2.3 料層厚度對米糠儲藏期穩定化的影響

料層厚度對儲藏期米糠酸價和過氧化值的影響如圖5 所示。研究發現，隨著料層厚度的增加，酸價呈現先增加后下降的變化趨勢，在料層厚度≥1. 5 cm時，不同料層厚度下的酸價之間不存在顯著性差異，隨著儲藏時間的增加變化不大；而過氧化值除了料層厚度2.5 cm下，與未處理米糠沒有顯著性差異。其余料層厚度下過氧化值基本一致，并隨著儲藏時間增加逐漸增大，維持在1 ～5 mmol／kg之間。

圖5 料層厚度對儲藏期米糠酸價和過氧化值的影響

2.2.4 初始含水量對米糠儲藏期穩定化的影響

初始含水量對儲藏期米糠酸價和過氧化值的影響如圖6 所示。初始含水量的提高可以顯著降低米糠的酸價和過氧化值，酸價隨著初始含水量的增加出現先下降后增加的趨勢，而過氧化值出現逐漸下降的趨勢，分別在初始水質量分數為24%和27%時達到最低，這是由于在高溫高濕環境下，加熱產生的高溫蒸汽加速酶、細菌和微生物的失活，從而降低儲藏過程中的酸價和過氧化值，而當含水量超過一定量時，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，從而加速脂肪的水解和氧化；過氧化值隨著初始含水量的增加一直降低是由于油脂氧化過程生成初始氧化產物逐漸轉變為二級氧化產物。楊曉清等［8］和吳雨等［15］研究表明，23%和28%水質量分數的米糠經微波處理后脂肪酶活力大幅下降，在37 ℃和室溫下分別儲存30 d 和17 周分別達到17.5 mg KOH／g 和臨界值23.3 mg KOH／g，與本研究的區別主要在于原料初始酸價，本研究米糠初始酸價是15 mg KOH／g，而有研究報道初始酸價是11 mg KOH／g［8，15］。因此，在微波功率1 000 W，微波時間180 s和料層厚度1.5 cm，初始水質量分數24%下，米糠在12 周儲藏期內的酸價和過氧化值分別為21.45 mg KOH／g和4.22 mmol／kg。

圖6 初始含水量對儲藏期米糠酸價和過氧化值的影響

2.3 微波處理對米糠儲藏期品質影響

2.3.1 微波處理對米糠儲藏期脂肪酸組成影響

微波處理對米糠儲藏期脂肪酸組成影響如圖7所示，分別展示的是微波功率、微波時間、料層厚度和初始含水量下儲藏期內的脂肪酸組成變化箱線圖。不同微波功率下米糠在儲藏期內棕櫚酸、油酸和亞油酸的質量分數變化范圍分別為13. 79% ～16.55%、38. 45% ～39. 91%和40.93% ～42.07%，變化幅度分別為2.76%、1.46%和1.14%；不同微波時間下米糠在儲藏期內棕櫚酸、油酸和亞油酸的變化范圍分別為13. 52% ～16. 55%、38. 44% ～39.79%和40.66% ～43.65%，變化幅度分別為3.03%、1.35%和2.99%；不同料層厚度下米糠在儲藏期內棕櫚酸、油酸和亞油酸的變化范圍分別為14.44% ～16.55%、38.77% ～40.07%、40.93% ～42.12%，變化幅度分別為2.11%、1.30%、1.19%。而初始水質量分數下只有棕櫚酸出現一定變化，變化范圍為14.44% ～15.28%，變化幅度為0.82%。主要是由于油脂的氧化和甘油三酯的水解，造成不飽和脂肪酸亞油酸和油酸含量降低，從而提高了棕櫚酸的相對含量，其次是不飽和脂肪酸的反式異構化［16－18］，而在本研究中并未檢測到反式脂肪酸，因此前者是造成儲藏期脂肪酸變化的主要原因。

圖7 微波處理對米糠儲藏期脂肪酸組成影響

2.3.2 微波處理對米糠儲藏期生育酚和生育三烯酚含量影響

微波處理對米糠儲藏期總生育酚含量影響如圖8所示。不同微波功率和微波時間處理下米糠儲藏期內總生育酚含量（582.25 mg／kg）出現升高后直線下降的趨勢，在12 周時降為0，其中微波時間240 s時，在第8 周降為0。不同料層厚度和初始水質量分數處理下米糠儲藏期內總生育酚含量下降趨勢離散性更強，低料層厚度（≤1.5 cm）下和高水分質量分數（≥15%）下下降速度更快，其中0.5、1.0 cm以及15%、18%和24%下在第8 周總生育酚含量基本趨近為0，料層越薄，含水量越高，米糠越容易與空氣、水分接觸發生氧化，更易消耗生育酚等抗氧化劑；但是在初始水質量分數21%和27%下，第8 周出現上升趨勢然后在12 周時降為0，可能是由于生育酚的氧化產物被其他抗氧化劑重生所引起的；同時初始水質量分數為10.32%時，生育酚的降解最慢，主要由于水分活度低，米糠氧化酸敗進度變緩，從而消耗的抗氧化劑如生育酚含量降低。

圖8 微波處理對米糠儲藏期總生育酚含量影響

微波處理對米糠儲藏期總生育三烯酚含量影響如圖9 所示。初始生育三烯酚的含量比生育酚含量約高190 mg／kg，除了含量不一致外，微波處理后米糠在儲藏期生育三烯酚含量的變化與生育酚含量變化高度一致，可能是由于生育酚異構體的結構的高度同源性。Ko 等［19］在微波功率800 W下穩定化米糠0 ～120 s，發現隨著時間的增加生育酚和生育三烯酚的總含量出現先升高后下降的趨勢，均在30 s 時達到最大值，其中最高的α－生育酚和α－生育三烯酚分別為677、490 mg／kg，和本研究趨勢一致，但報道中未處理米糠的總生育酚含量（675 mg／kg）和總生育三烯酚的含量（925 mg／kg），比本實驗中原料中要高很多，這可能與原料品質有關。

圖9 微波處理對米糠儲藏期總生育三烯酚含量影響

為了進一步闡述微波處理對于米糠中生育酚含量變化影響，本研究選擇含量較高α－生育酚、γ－生育酚、α－生育三烯酚和γ －生育三烯酚4 種特征生育酚異構體進行研究，其中含量α －生育酚（449.7 mg／kg）＞γ－生育三烯酚（407.5 mg／kg）＞α －生育三烯酚（310.5 mg／kg）＞γ －生育酚（92.1 mg／kg），微波處理對于米糠中特征生育酚含量影響見圖10。

圖10 微波處理對于米糠中特征生育酚含量影響

微波處理對γ－生育酚和γ－生育三烯酚含量影響最大，分別從初始的92.1、407.5 mg／kg 降低到約40、250 ～300 mg／kg，質量分數降低50%和26% ～39%，而不同微波條件下含量差別不大；不同微波條件下，α －生育酚均出現略升高再下降的趨勢，Ko 等［19］得到的結論與本研究一致；微波處理對α－生育三烯酚破壞性較小，質量分數比初始降低20% ～30%；較高初始水質量分數處理下的米糠，α －生育三烯酚含量（200 mg／kg）明顯低于其余3 個參數處理。

2.3.3 微波處理對米糠儲藏期谷維素變化影響

微波處理對米糠儲藏期谷維素含量影響如圖11所示。隨著儲藏時間的增加，谷維素的含量在不同微波參數下均出現先增加后下降的趨勢，在8 周時質量分數均達到最大，為1.35%左右，約比原料中質量分數高0.1%，這主要是由于在儲存期前期，谷維素作為抗氧化劑防止油脂被氧化，同時分解降解，在儲藏期中期，生成的谷維素自由基被其他抗氧化劑如生育酚或生育三烯酚所還原重生，因此質量分數逐漸上升，而在后期生育酚和生育三烯酚消耗殆盡，谷維素又重新作為抗氧化劑保護油脂，因此質量分數再次下降。微波功率越高，微波時間越長，谷維素含量相對越低，料層厚度影響相對較小，而初始水分含量越高，谷維素含量相對越高。余誠瑋等［6］在800 W微波下分別處理米糠0、4、6 min，在60 d 儲藏期內谷維素的質量分數無顯著性變化，在0.9% ～1.1%之間波動。Yilmza 等［20］采用近紅外對不同功率和不同時間下的γ－谷維素含量研究發現，不同參數組合下的γ－谷維素質量分數基本不變（0.42% ～0.48%）。

圖11 微波處理對米糠儲藏期谷維素含量影響

3 結論

調節初始含水量對微波穩定化米糠具有明顯的協同增效作用，初始水質量分數24%時，過氧化物酶酶活為0，脂肪酶約為7%，多酚氧化酶約為3%；初始水分質量分數24%，微波功率1 000 W，微波時間180 s和料層厚度1.5 cm，米糠在12 周儲藏期時的酸價和過氧化值分別為21. 45 mg KOH／g 和4. 22 mmol／kg，相比較原料（初始水質量分數11%），酸價降低約35%，過氧化值降低約26%；影響因素大小依次為：米糠初始含水量＞微波功率＞微波時間＞料層厚度；生育酚和生育三烯酚總含量12 周儲藏期內線性下降趨近于0，只有在較高初始含水量下第8 周時出現階段上升后再下降，微波處理對γ－生育酚和γ －生育三烯酚含量影響較大，質量分數平均降低50%和33%，較高初始含水量處理的米糠α －生育三烯酚含量（200 mg／kg）較低；米糠油脂肪酸組成在儲藏期內棕櫚酸含量增加，油酸和亞油酸含量降低；谷維素質量分數出現先增加后下降的趨勢，在8 周時達到最大1.35%。水分調節對儲藏期米糠脂肪酸組成和谷維素含量無顯著性影響。綜合考慮，為了得到較好品質的米糠原料，儲藏的時間不宜超過2 周。