糙米微波穩(wěn)定化技術(shù)研究

向 芳，吳保承，王 繹，王 莉，楊春霞，李曉暄，陳正行*

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇省生物活性制品加工工程技術(shù)研究中心，江蘇 無錫 214122)

糙米微波穩(wěn)定化技術(shù)研究

向 芳，吳保承，王 繹，王 莉，楊春霞，李曉暄，陳正行*

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇省生物活性制品加工工程技術(shù)研究中心，江蘇 無錫 214122)

對微波處理糙米的穩(wěn)定效果進(jìn)行研究。以米糠作為對照組，探討比較二者過氧化物酶、脂肪酶的酶滅活情況，同時考察大米品質(zhì)的變化。結(jié)果表明：微波對糙米穩(wěn)定化效果非常顯著，而大米品質(zhì)也受到影響，因此為獲得大米品質(zhì)損失最小、滅酶效果最好的工藝條件，通過三因素三水平響應(yīng)面分析，對糙米微波穩(wěn)定進(jìn)行優(yōu)化得最佳工藝參數(shù)為微波功率700W、微波時間100s、水分含量21%，理論脂肪酶活、碎米率分別為15.66μmol/(g·h)、18.92%，實(shí)際脂肪酶活、碎米率分別為16.25μmol/(g·h)、17.33%，強(qiáng)化儲藏4周后的游離脂肪酸值較未處理糙米減少13.7%，說明所得的糙米微波穩(wěn)定工藝可用于糙米穩(wěn)定的實(shí)踐。

糙米；微波處理；響應(yīng)面分析；脂肪酶活；大米品質(zhì)

糙米是保留胚芽、皮層而具備發(fā)芽能力的活米，含有豐富的營養(yǎng)素和多種精白米所缺乏的天然生物活性物質(zhì)[1]，最近被美國FDA(Food and Drug Administration)列為全谷物健康食品，倡議直接食用[2]。此外，從糧食流通、經(jīng)營管理的角度考慮，以糙米替代稻谷進(jìn)行儲藏周轉(zhuǎn)逐漸成為研究探討的熱點(diǎn)。因?yàn)椴诿紫啾扔诘竟壬僬?0%～40%的倉容，降低運(yùn)輸裝卸量及經(jīng)營管理費(fèi)[3]。但是由于糙米保留了胚和糊粉層，其脂類尤其是非極性脂含量高，這些脂類在礱谷時與脂酶接觸，導(dǎo)致在儲藏過程中發(fā)生脂肪的水解性和氧化性酸敗[4]，使得糙米的保質(zhì)期很短。而目前糙米儲運(yùn)多采用低溫技術(shù)[5]，不僅投入維護(hù)成本高，而且效果不顯著。

因而，無論是從營養(yǎng)健康的角度，還是從糧食流通經(jīng)濟(jì)的角度，對糙米的穩(wěn)定化研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。國外已有許多研究致力于此，先后有熱處理[6]、有機(jī)溶劑提取[7]、乙醇處理[8]、油減壓加熱法[9]、輻照處理[10]以及過熱蒸汽處理[11]。但是化學(xué)試劑的殘留、輻照的安全性、以及熱處理營養(yǎng)成分的損失等都會使得糙米品質(zhì)受損。

微波法作為研究近20年的米糠經(jīng)典穩(wěn)定方法之一[12]，不僅滅酶效果顯著，而且具有加熱迅速、均勻、對營養(yǎng)成分影響小、動力消耗小、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)外關(guān)于微波穩(wěn)定技術(shù)的報(bào)道，多集中于鈍化米糠的脂酶[13-14]，對糙米的穩(wěn)定化效果尚未見報(bào)道。因米糠微波穩(wěn)定已被認(rèn)為滅酶效果顯著[13-14]。所以本研究以米糠微波的酶活為對照，衡量微波對糙米的穩(wěn)定效果，并考察微波處理對大米品質(zhì)影響，同時對糙米微波穩(wěn)定工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，為糙米穩(wěn)定化研究提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

新鮮糙米 無錫蘇惠米業(yè)。

酚紅、雙-(2-乙基己基)磺基丁二酸鈉(AOT)、異辛烷、鄰苯二胺、過氧化氫等(均為分析純)。

MZG1500S型微電腦微波實(shí)驗(yàn)儀 南京匯研微波系統(tǒng)工程有限公司；MRD570型碾米機(jī)、RCTA11A型米粒食味計(jì) 日本佐竹機(jī)械有限公司；722型可見分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；HHS型電熱恒溫水浴鍋 上海醫(yī)療器械五廠。

1.2 方法

1.2.1 微波處理糙米、米糠對照

將100g糙米調(diào)至不同的水分含量，置于耐熱玻璃皿中攤勻，在不同微波功率條件下處理不同時間，其中微波每工作20s、間歇40s。取出冷卻至25℃。米糠對照組采用同樣的處理方法。對微波處理后的糙米碾白，所得米糠與對照米糠均裝入聚乙烯密封袋，測定過氧化物酶活、脂肪酶活；所得大米測定食味值及各品質(zhì)指標(biāo)。

1.2.2 糙米微波條件的響應(yīng)面優(yōu)化

以微波功率、微波時間、水分含量為3因素，根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)，采用響應(yīng)面法對糙米穩(wěn)定條件進(jìn)行三因素三水平優(yōu)化，因素和水平見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素及水平Table 1 Factors and levels in response surface design

1.3 分析測定方法

1.3.1 大米碎米率

按GB/T 5503—85《糧食、油料檢驗(yàn)：碎米檢驗(yàn)法》測定，結(jié)果參照原始大米，表示為二者的差值。

1.3.2 大米堊白率與爆腰率

按GB/T 17891—1999《優(yōu)質(zhì)稻谷》測定，結(jié)果處理同上。

1.3.3 游離脂肪酸、相對過氧化物酶活力

游離脂肪酸測定參考文獻(xiàn)[14]進(jìn)行；相對過氧化物酶活參照改進(jìn)的文獻(xiàn)[15]測定方法，結(jié)果以相對值表示，計(jì)算公式如下：

1.3.4 殘余脂肪酶活性測定

在GB/T 5523—2008《糧食、油料檢驗(yàn)：脂肪酶活動度測定法》、Qian等[16]、嚴(yán)梅榮等[17]測定方法基礎(chǔ)上改進(jìn)。稱0.3g米糠入密封瓶，加0.3mL三油酸甘油酯(化學(xué)純)和1.5mL 0.05mol/L磷酸鉀緩沖液(pH7.0)，搗成稀糊狀，置于37℃烘箱保溫5h。取出加5mL石油醚(60～90℃)，密封后沸水浴5min，3000r/min離心10min，取0.1mL上清液測定。以Tris/HCl-AOT-異辛烷溶液為參比，0.1mL樣液加入3mL酚紅-Tris/HCl-AOT-異辛烷溶液，旋渦振蕩1min 后測定波長560nm處的吸光度。另稱0.3g米糠做空白對照，除不用37℃保溫外，其余操作相同。對照油酸標(biāo)準(zhǔn)曲線，脂肪酶活以每小時每克干基產(chǎn)生的μmol油酸當(dāng)量表示，按下式計(jì)算：

式中：OD樣、OD空白分別為樣品、空白的吸光度；K為標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率；m為樣品質(zhì)量/g；M為樣品水分含量/%。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波處理對糙米酶活及大米品質(zhì)的影響

2.1.1 微波時間的影響

調(diào)節(jié)原料水分含量至27%，在700W條件分別微波40、80、120、160、200s，結(jié)果見圖1。

圖1 微波時間對酶活及大米品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of treatment time on residual peroxidase and lipase activity as well as rice quality

過氧化物酶耐熱性高，在食品工業(yè)中常用作滅酶指標(biāo)[15]，本實(shí)驗(yàn)中用其酶活表示除脂肪酶以外其他酶的滅活程度。由圖1A、1B可知，相對于原始米糠，微波處理不同時間后，米糠和糙米中的過氧化物酶降低了30%～95%，脂肪酶從原有的160μmol/(g·h)降低到了35～10μmol/(g·h)，方差分析顯示微波處理120s后的相對過氧化物酶活、脂肪酶活與原酶活的差異極顯著(P＜0.01)，表明微波處理對糙米和米糠的滅酶穩(wěn)定效果均十分顯著。相對過氧化物酶、脂肪酶均隨著微波時間延長而顯著降低，說明微波通過熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)[18]對酶變性作用顯著，且輻照劑量的大小決定了酶變性的程度。糙米穩(wěn)定的酶活較米糠穩(wěn)定的小，說明在同樣微波輻照劑量下，糙米滅酶效果比米糠好。這可能是由于米糠形態(tài)比糙米疏松，加之糙米調(diào)濕水分集中于表層(脂酶存在處)，在微波下產(chǎn)生吸熱差異造成的。由圖1C可知，相對于原始大米，微波時間對大米品質(zhì)各指標(biāo)均有不同程度的影響，主要是因?yàn)槲⒉芰康囊徊糠直粌?nèi)部大米吸收了，從而產(chǎn)生碎裂[19]。綜合考慮使過氧化物酶活、脂肪酶活最低，而大米品質(zhì)最好，微波時間以120s為宜。

2.1.2 微波功率的影響

將原料水分含量調(diào)至27%，分別在500、600、700、800、900W微波功率條件下處理120s，結(jié)果如圖2所示。

圖2 微波功率對糙米酶活及大米品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of microwave power on residual peroxidase and lipase activity as well as rice quality

由圖2A、2B可知，過氧化物酶活、脂肪酶活均隨著微波功率升高而減小，這是由于高功率的微波不僅產(chǎn)熱迅速，而且具很強(qiáng)的穿透力，酶等蛋白質(zhì)類物質(zhì)很容易變性[18]。糙米穩(wěn)定與米糠穩(wěn)定相比，過氧化物酶活、脂肪酶活均較小，可能與糙米米糠的不同結(jié)構(gòu)、不同吸熱性質(zhì)以及調(diào)濕水分分布差異有關(guān)，因而充分證明了微波對于糙米滅酶效果的有效性。由圖1C、2C可知，相比于微波時間，微波功率對大米品質(zhì)指標(biāo)影響較小，可能是因?yàn)楦吖β饰⒉ㄗ饔玫倪x擇性。綜合考慮微波功率以800W為宜。

2.1.3 原料水分含量的影響

圖3 水分含量對糙米酶活及大米品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of moisture content on residual peroxidase and lipase activity as well as rice quality

在原料水分含量分別為19%、21%、23%、25%、27%的條件下，800W微波處理120s。結(jié)果見圖3。

水對微波有強(qiáng)吸收作用，樣品水分含量不同，微波處理時就會有不同的效應(yīng)[18]，因而滅酶效果不盡相同。由圖3A、3B可知，除米糠穩(wěn)定的過氧化物酶以外，其余過氧化物酶活、脂肪酶活均在21%出現(xiàn)最低點(diǎn)。可能因?yàn)樗趾刻停蠈ξ⒉ㄎ沼邢蓿指哂谂R界值，原料吸收微波產(chǎn)生的熱效應(yīng)達(dá)到最大限度，酶活不再受影響。米糠穩(wěn)定的過氧化物酶活在27%出現(xiàn)最低點(diǎn)的原因可能是米糠加濕分散，不像糙米集中于表皮糠層，因而需要較大的水分含量才能吸收足夠微波能量滅酶。糙米穩(wěn)定與米糠穩(wěn)定相比，過氧化物酶活、脂肪酶活均較小，再次證實(shí)微波對糙米的滅酶效果顯著。由圖3C可知，水分含量除對食味值的影響較小外，對其他指標(biāo)均影響顯著，并在21%和27%時出現(xiàn)低點(diǎn)，可能是水分含量低吸收微波產(chǎn)熱有限，對大米品質(zhì)影響小，而水分含量高于一定程度反而與淀粉在高溫下產(chǎn)生糊化作用，碎裂減少[20]。綜合考慮原料水分含量以21%為宜。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

對微波功率Z1、時間Z2及原料水分含量Z3作如下轉(zhuǎn)換：X1=(Z1－800)/100，X2=(Z2－120)/40，X3=(Z3－21)/2。以X1、X2、X3為自變量，以脂肪酶活Y1、碎米率Y2為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面分析，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Scheme and experimental results of response surface design

2.3 回歸分析及方差分析

采用SAS RSREG程序?qū)λ脭?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析(ANOVA)分析結(jié)果見表3、4。

表3 回歸分析結(jié)果Table 3 Regression analysis of experimental results

表4 方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance of experimental results

以脂肪酶活為主要響應(yīng)值、碎米率為次要響應(yīng)值(限定范圍15%～20%)，3個因素經(jīng)回歸擬和后，得回歸方程：Y=2.1560－0.2541X1－0.2409X2＋0.2450X12－0.2307X1X2＋ 0.3617X22＋ 0.6913X32。

由表3及回歸方程可知，X1、X2、X22、X32的P值均小于0.01，對脂肪酶活影響高度顯著；X1X2、X12的P值均小于0.05，對脂肪酶活影響顯著，可知一次項(xiàng)和二次項(xiàng)都對響應(yīng)值有顯著影響。

由表4可知，方程的F=16.6425、P=0.0032＜0.01，方程是高度顯著的，可以較好描述各因素與響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系。校正系數(shù)為90.96%，說明此方程擬合度較好，響應(yīng)值的變化有90.96%來源于所選3個因素，因此可用此方程對糙米微波穩(wěn)定工藝進(jìn)行分析預(yù)測。

2.4 響應(yīng)面分析優(yōu)化

根據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得不同因素的響應(yīng)面分析圖及相應(yīng)等值線圖，結(jié)果見圖4、5。

圖4 各兩因素的交互作用對脂肪酶活的影響Fig.4 Response surface and contour plots showing the effects of microwave power and rice moisture content on residual lipase activity

圖5 各兩因素的交互作用對碎米率的影響Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of treatment time and rice moisture content on rice broken rate

綜合圖4、5可知，微波功率和微波時間交互項(xiàng)對脂肪酶活、碎米率的影響顯著，這與方差分析的結(jié)果吻合，說明微波輻照劑量對酶的失活起到?jīng)Q定性的作用。相比之下，水分含量和微波時間、水分含量和微波功率交互作用較小。從圖4還可以看出各因素對脂肪酶活的影響順序?yàn)槲⒉üβ剩疚⒉〞r間＞水分含量，也印證了表3、4回歸分析結(jié)果。經(jīng)優(yōu)化后的最佳穩(wěn)定工藝為微波功率700W、微波時間100s、水分含量21%，預(yù)測的脂肪酶活理論值15.66μmol/(g·h)、碎米率18.92%。對此條件進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)際平均脂肪酶活為16.25μmol/(g·h)、碎米率17.33%，與理論值分別相差3.79%、8.39%。因此，響應(yīng)面法對糙米穩(wěn)定條件的優(yōu)化具有實(shí)際應(yīng)用價值。將原始糙米與最佳條件處理后糙米置(35±1)℃進(jìn)行4周的強(qiáng)化儲藏后，游離脂肪酸值分別為19.3%、5.6%，證明微波穩(wěn)定糙米具有儲藏應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)對糙米進(jìn)行微波穩(wěn)定化的研究，通過與對照米糠組酶活的比較，衡量微波對糙米的穩(wěn)定效果，同時為獲得對大米品質(zhì)影響最小、滅酶效果最好的工藝參數(shù)，利用響應(yīng)面法進(jìn)行條件優(yōu)化，結(jié)論如下：

微波處理對糙米穩(wěn)定效果十分顯著。以水分含量27%在700W微波處理120s為例，糙米、米糠的過氧化物酶分別降低77.8%、72.7%，脂肪酶從原有的160 μmol/(g·h)分別降低到21.1、24.3μmol/(g·h)，糙米穩(wěn)定的酶活均低于對照米糠組。然而微波處理對大米品質(zhì)產(chǎn)生影響，因此通過響應(yīng)面分析，獲得對大米品質(zhì)影響最小、酶活最低的工藝條件，顯得十分必要。

用脂肪酶活和碎米率作為衡量糙米穩(wěn)定效果和大米品質(zhì)的主要指標(biāo)，通過響應(yīng)面及方差分析得出影響因素順序?yàn)椋何⒉üβ剩疚⒉〞r間＞水分含量；糙米微波處理最佳工藝為微波功率700W、微波時間100s、水分含量21%，實(shí)際脂肪酶活、碎米率與理論值基本相符。原始糙米與最佳條件處理的糙米經(jīng)強(qiáng)化儲藏4周后，游離脂肪酸值分別為19.3%、5.6%，證明微波穩(wěn)定糙米具有儲藏應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義。此外，探討微波穩(wěn)定糙米的穩(wěn)定性、物化特性、功能特性在儲藏中的變化將是下一步研究的重點(diǎn)。

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Stabilization of Brown Rice by Microwave Treatment

XIANG Fang，WU Bao-cheng，WANG Yi，WANG Li，YANG Chun-xia，LI Xiao-xuan，CHEN Zheng-xing*
(Jiangsu Engineering Research Center for Bioactive Products Processing Technology, College of Food Science and Technology,Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The present study aimed to comparatively investigate the effect of microwave treatment on residual peroxidase and lipase activity in brown rice using rice bran as control and to explore the change in rice quality during microwave treatment.Microwave was found to have a very significant stabilizing effect on brown rice, and the quality of rice was also affected. For the least quality loss and the best enzyme inactivation, the treatment conditions microwave power, treatment time and rice moisture content were optimized to be 700 W, 100 s and 21%, respectively by three-level, three-factor response surface analysis. Under such conditions, the theoretical residual lipase activity and rice broken rate were 15.66μmol/(g·h) and 18.92%, respectively,with their experimental values being 16.25μmol/(g·h) and 17.33%. After 4 weeks of the enhanced storage, the free fatty acid value was decreased by 13.7% compared to the untreated rice, demonstrating that the optimized microwave treatment is applicable for the stabilization of brown rice in practice.

brown rice；microwave stabilization；response surfaces analysis；lipase activity；rice quality

TS201.7

A

1002-6630(2011)08-0043-07

2010-06-12

科技部星火計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2010GA690007)；國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(200903043)；

教育部中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(JUSRP11018)

向芳(1985—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣任餇I養(yǎng)化學(xué)。E-mail：fangsure1@163.com*通信作者：陳正行(1960—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)楣任锘瘜W(xué)。E-mail：zxchen2007@126.com