米糠微波保鮮的機理與應用

鄭小非，萬紹平，李琳郁，鄭怡鴻

(1.江西省糧油科學技術研究所，江西 南昌 330029；2.南昌格致生物科技有限公司，江西 南昌 330029)

米糠是稻米加工的副產品，約占稻谷總質量的5.5%～6.5%。其中粗脂肪含量為12.8%～22.6%[1]，是提取油脂的重要原料。米糠含有稻谷中2/3的營養成分，而米糠油則因富含谷維素、維生素E、植物甾醇等營養物質而被世界衛生組織稱之為“最健康”食用油。

2015年度我國大米產量約為1.46億t，應有米糠量高達1 500余萬t,而米糠毛油的產量約為80萬t，折算米糠利用率為32.3%。若按毛糠油平均酸價35(KOH)/(mg/g)、精煉率62%計算，成品米糠油約50萬t,其中精煉損耗高達37.5%。采取有效措施降低毛油酸值、提高米糠資源利用率，尤為重要。

米糠中含有活性極強的解脂酶，能迅速分解所含油脂而形成游離脂肪酸，使米糠酸敗變質，從而造成米糠毛油酸值高、精煉得率和效益低等不良后果。針對米糠因解脂酶而酸敗變質的問題，對米糠微波保鮮技術進行了研究。經過中試生產實踐表明：利用微波對出機新鮮米糠進行即時滅酶處理，具有保鮮效果好、貯存期長、工藝簡單、設備配置靈活、易于實現產業化等特點。本文主要就該項技術的原理與特征、中試生產實踐、產業化應用等方面作闡述。

1 微波滅酶原理與特征

米糠微波保鮮的本質是利用微波對米糠中的解脂酶進行滅活處理，其機理包括微波加熱和微波滅酶兩個基本要素。

1.1 微波作用原理與特征

微波加熱原理：在微波交變電磁場的作用下，物質極性分子(水)的正負電荷方向因極化作用而發生高速交替變化產生摩擦熱，使微波能轉化為熱能在物質內部表現出來[2]。

微波加熱的主要特征：吸收微波后被加熱物質本身成為發熱體，里外瞬間同時加熱；熱量傳遞方向與水蒸汽遷移方向相同；加熱速度快、均勻且具有非熱效應(生物效應)的共同作用的結果。

微波對酶的熱效應：使蛋白質變性而致酶失去活性。

微波對酶的非熱效應：微波電場改變細胞膜斷面的電位分布，影響細胞膜周圍電子和離子濃度，從而改變細胞膜的通透性能，酶無法正常發揮作用，細胞結構功能紊亂，生長發育受到抑制而死亡。此外，微波能使酶的正常生長和穩定遺傳繁殖的核酸[RNA]和脫氧核糖核酸[DNA]的若干氫鍵松弛、斷裂和重組，從而誘發遺傳基因突變，或染色體畸變甚至斷裂[2]。

微波滅酶的主要特征：時間短、速度快；滅酶溫度低且均勻徹底；對食品營養成分保持完全和節約能源。

由上可知，微波的熱效應是以極性物質水為必要條件實現的，而其非熱效應是在微波電場形成的同時即開始作用的，兩者相輔相成而達到滅酶目的。

1.2 米糠微波滅酶的效果

微波滅酶除上述的特征外，對于米糠的保鮮處理還具有額外效果：(1)微波滅酶的同時使米糠中的其他有害微生物得到抑制，有效延長了保質貯存時間；(2)米糠含油細胞中的水分因瞬時受熱汽化，壓力升高沖破細胞壁，并使纖維組織膨大而呈微膨化狀，提高了浸出時溶劑的滲透性，而細胞壁破裂使胞內油脂處于游離狀態，提高了萃取油脂的速度和得率，從而使米糠浸出的工藝得到有效改善；(3)由于米糠微波保鮮的溫度低、時間短，在對蛋白質等有益成分損傷較少的同時，色素等物質的析出亦相對有限，毛油色澤較淺，從而使得米糠粕利用價值和毛油精煉得率提高，米糠綜合效益增加。

2 米糠中解脂酶特征與微波保鮮要求

酶是具有生物催化功能的蛋白質。米糠中的解脂酶主要為脂肪酶和脂肪氧化酶，兩者活性適宜條件寬泛，是造成米糠容易酸敗變質的主要因素。

在完整的脫殼糙米中,解脂酶與油脂分別處于不同的層面，互不接觸因而不會產生酸敗。只有在糙米進入碾米工序時，兩者才因逐層切削而相互混合并存于米糠之中，脂肪酶和脂肪氧化酶對油脂的水解和氧化隨即發生,從而導致米糠迅速酸敗。

因此,采取有效措施對脂肪酶和脂肪氧化酶進行處理，即時抑制和鈍化其活性是米糠保鮮的關鍵所在。

2.1 米糠中解脂酶的特征

米糠中的解脂酶主要為脂肪酶和脂肪氧化酶，而對脂肪酶活性的抑制是米糠保鮮的關鍵。脂肪酶具有極抗高溫的特性，這是因為它的活性對水分要求極低，即使米糠的水分活度為0.1(相對應的總含水率為2.8%)時，脂肪酶仍然存有活性。為了使其滅活，就必須提高加熱溫度以降低米糠水分。

因酶只利用米糠中的游離水，當要求總水分含量低于2.8%時，減去4.5%結合水[3]，則游離水的實際含量應≤2%。這對于使用常規加熱方式而言，要快速穩定地達到此指標無疑是十分困難的。由于脂肪酶具有在極低水分下存活的特性，要將其徹底滅活非常困難而且沒必要。因此，米糠保鮮的實質并不要求將脂肪酶徹底滅活，而只需對其活性進行有效抑制，使米糠酸值在有限的貯存期內保持相對穩定即可。

2.2 米糠微波保鮮的要求

目前，大米加工廠一般都采取多機輕碾出白的作業方法，其目的是在保證大米精度的前提下，以獲得較高的成品出米率。同時，為保證碾白效果、緩解因碾米摩擦導致的升溫，糙米加水濕潤、碾米噴濕等技術也得到了廣泛應用。

由于在多次碾白過程中的切削與摩擦，使大米溫度迅速上升，所蒸發出的水分被米糠所吸附，導致米糠的溫度與水分上升，其直接后果是脂肪酶和脂肪氧化酶的活性迅速提高，米糠酸敗隨即開始。因此，應用微波進行米糠保鮮的基本要求是保鮮作業必須與大米生產同步進行，即利用微波的熱效應和非熱效應，對新鮮米糠進行連續滅酶處理，以確保將其酸值控制在最低水平。

3 材料與方法

3.1 材料與設備

原料：早、晚秈稻谷加工的出機新鮮米糠，南昌新建區樂化大米廠。裝備：10 kW米糠微波保鮮中試生產線一條。儀器：常規指標檢測必需儀器一套。

3.2 檢測方法

各項指標均按照國家規定的相關標準、方法與儀器進行檢測。

3.3 試驗方法

在總結與分析原有試驗結果的基礎上，確定中試方案、工藝流程和設備配置。通過試驗對相關因素和設備參數進行優化組合，以得出米糠微波保鮮技術的實施方法、效果及可應用于實際生產的結論。

中試生產規模：100 kg/批·出機新鮮米糠；

米糠品質要求：貯存期≥60 d，酸價變化≤10(KOH)/(mg/g)。

3.3.1 工藝流程

米糠微波保鮮中試工藝流程見圖1。

圖1工藝流程圖

3.3.2 工藝與設備參數優化組合

在中試生產規模條件下，經過反復試驗與調整，對工藝及設備相關參數進行了優化組合，具體數值見表1。

表1 工藝與設備參數優化組合數值

4 結果與分析

4.1 中試生產結果

按照表1所示的工藝及設備優化參數組合數值，以同品種的出機新鮮米糠為原料，在30 min內、按100 kg/批的料重進行連續微波輻照處理。分別提取微波保鮮樣與未經處理的對照樣進行貯存試驗，即在37 ℃條件下強化貯存30 d，所得結果如表2所示。

由表2可知：在中試生產條件下，經微波處理及強化貯存后的米糠，其毛油酸值僅增加20%，表明米糠中脂肪酶的活性得到了有效抑制，保鮮效果明顯；米糠經微波保鮮后的含水率為5.57%，遠高于脂肪酶活性所需的2.8%，但酸值穩定，由此可證明微波非熱效應的真實存在，并且對抑制酶活性發揮了重要作用。另外，兩樣品的終止含油率基本不變的表象，是因索氏抽提只反映脂類的量而非質，即毛油的游離脂肪酸與含油率不相關。

表2 微波米糠保鮮中試結果

注：原糧為早秈谷，加工方法為加濕法。

4.2 相關因素分析

4.2.1 實際生產中米糠及其酸敗的特征

在生產實際中，米糠中的水分、溫度均隨著加工的進程處于動態的變化之中，直接影響到米糠酸值的變化。因此，充分了解與把握米糠的生成條件與特征，對于米糠保鮮的方法與效果都具有十分重要的意義。

通過即時取樣處理的方式，對不同加工方法的出機新鮮米糠進行分析比較，相關指標的檢測結果如表3～表5所示。

表3 出機新鮮米糠基本成分 %

注：取常規加工方法的出機新鮮米糠測定；風運整理后樣，含粞≤0.5%。

出機新鮮米糠的基本成分見表3。由表3可知，米糠中所含淀粉高達33.27%，由于淀粉與水蒸汽結合糊化的特性，因此，該特性在實施米糠微波保鮮時具有重要作用。

分別選擇規模相同而加工方法不同的米廠進行考察，對碾米機新鮮米糠即時取樣與檢測，主要指標檢測結果如表4所示。

表4 不同加工方法出機新鮮米糠主要指標檢測結果

注：原糧均為早秈稻谷，含水13.23%；三機出白后為成品標一大米，含水率14.4%。室溫27 ℃，相對濕度65%。各階段樣品均在取樣后30 min內進入索氏抽提程序。

由表4可知：出機新鮮米糠的酸敗與碾米同步，在米糠形成之際即已開始，且加濕方法快于常規方法；加濕方法雖然溫度較低但酸值高，證明脂肪酶的活性對水分十分敏感，其酸值變化與米糠含水率成正相關。另外，出機新鮮米糠因溫度、水分均處于脂肪酶和脂肪氧化酶活性的最適區間，故其酸值的上升極為迅速：自米糠出機至風運整理的短時間內，其酸值的上升均已超過10%。

經風運整理后的新鮮米糠，在室溫27 ℃、相對濕度65%的條件下，袋裝敞口存放24 h后，提取毛油，檢測其酸值變化，結果如表5所示。

表5 不同加工方法新鮮米糠貯存24 h后酸值變化

由表5可知，盡管在存放期內溫度較出機時低許多，但米糠酸值上升仍十分迅速，證明與水分相比，溫度對米糠中酶活性的影響有限，這正是用冷藏法難以穩定米糠的原因所在。

4.2.2 米糠含水率、料層厚度及微波功率的優化組合

微波滅酶機理包括熱效應與非熱效應兩個要素，其中熱效應是以米糠中極性物質—水分的存在為先決條件。由于微波加熱具有升溫快和水分蒸發迅速的特點，這對于常規微波加熱干燥作業極為有利，但相對于米糠保鮮則存在諸多不利因素，特別是在利用米糠原有水分進行微波保鮮時，顯得更為突出。

如上所述，對出機新鮮米糠進行即時隨機處理，是將其酸值控制于最低水平的必要前提。出機新鮮米糠的含水率約為15.5%～16.5%，經過氣力輸送及整理后含水率一般為15%～16%。因此，在米糠微波保鮮時，其含水率、單位時間處理量以及所必需的微波功率，成為影響米糠保鮮效果的三個主要因素。

通過分析確定，以出機新鮮米糠所含水分為依據，以變化微波功率、料層厚度和排濕風量等參數為條件，進行相互協調和匹配試驗。

經過相關參數優化組合，對樣品進行檢測，檢測結果如表6所示。

表6 米糠微波保鮮優化組合檢測結果

注：出機米糠在0.5 h內作保鮮處理，100 kg/批；貯存條件：37 ℃恒溫貯存30 d。

由表6可知：合理匹配微波功率及料層厚度，可以滿足對不同含水率的米糠實施有效保鮮處理；料層加厚使帶速放慢、微波輻照的時間相應延長，提高了非熱效應的抑酶作用；利用淀粉糊化使米糠呈微粘的特性，通過減少排濕風量以降低水分遷移速率，使料層內保持相對濕熱環境，加強和鞏固了保鮮效果，并從根本上解決了因水分蒸發過快而引起的過熱等問題；中試樣品于37 ℃恒溫貯存30 d，其酸值平均上升≤20%，毛油酸值控制在7.5(KOH)/(mg/g)以內。

4.2.3 米糠微波保鮮對浸出工藝的影響

取微波保鮮處理前后的米糠，在同等條件下進行米糠毛油提取實驗，結果如表7所示。

表7 米糠微波保鮮樣與對照樣萃取所得毛油的檢測結果

注：對照樣為同批米糠，水分由14.1%烘至4.2%；色澤檢測：羅朋比色槽25.4 mm。

由表7可知：在同等條件下，微波保鮮樣具有萃取溫度低、時間短、出油率高、油色淺等特點，這對于改善米糠浸出工藝條件和提高毛糠精煉率都具有重要意義。

5 結論

微波保鮮裝置可不受新、老米廠及生產規模的限制配備，且因其總體尺寸緊湊而便于靈活配置。同時因技術進步所致，現微波發生器的使用壽命已經達到6 500～8 000 h，而價格則為0.4-0.45萬元/kW，性價比高。

因利用米糠原有水分進行保鮮處理，無需加濕調質和干燥，工藝簡單，無需輔助設備，節約了投資和能耗。

經中試生產驗證，米糠微波保鮮的成本約為145元/t，而常溫貯存60 d后毛油的酸值可控制于7(KOH)/(mg/g)以內，這與目前毛糠油酸值普遍高于30(KOH)/(mg/g)相比，其精煉率和成品油等級的提高十分明顯。因此，米糠微波保鮮的經濟和社會效益明顯。

參考文獻：

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