稻谷微波處理工藝條件的優化

萬忠民 王勝錄 馬倩婷

(南京財經大學食品科學與工程學院；江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心，南京 210023)

糧食在儲藏過程中由于自身劣變影響及易受有害生物侵襲污染，致使谷物營養價值降低、產生異味、糧粒損傷、質量減輕、加工品質變劣、腐敗霉變加劇[1]。其中有害生物侵染過程中，儲糧害蟲是造成糧食品質下降的主要原因之一[2]。目前經濟低廉的化學殺蟲劑熏蒸處理作為主要防蟲手段。隨著化學殺蟲劑的大規模廣泛使用，儲糧環境的污染問題及儲糧害蟲的抗藥性問題日益突出，但高效、廉價、環保的新藥劑開發挑戰巨大[3]。而微波具有良好的選擇加熱性，良好的穿透能力，不產生余熱和粉塵，不引進新的污染源，不損耗額外的熱能[4]，其簡潔環保的使用屬性，為綠色儲糧害蟲防治提供良好基礎。因此，對微波技術在保證糧食品質前提下完全殺蟲的研究具有開拓意義。

微波殺蟲及處理糧食已具有一定的研究基礎。Fakude[5]將玉米象、谷蠹、雜擬谷盜等放入10 g玉米中進行2 kW微波功率處理，12 s內試蟲及其卵均完全死亡。Hartulistiyoso[6]用720 W功率微波處理被感染50只玉米象的200 g玉米樣品60 s，試蟲完全致死，但此時玉米溫度為74 ℃。因此在微波完全殺蟲的前提下往往要考慮對稻谷品質的影響。梁禮燕[7]、王素雅等[8]均在稻谷微波干燥中發現微波處理可顯著提高稻谷的爆腰率，而緩蘇操作能有效降低糧粒爆腰損傷[9，10]。此外，稻谷經微波處理后，米飯彈性降低，糊化穩定性增強，吸水率、米湯干物質、淀粉顆粒膨脹度明顯增大，大米食味品質明顯得到改善[11]。本研究對稻谷微波處理并進行緩蘇操作，以期在完全殺蟲的條件下優化操作參數，取得最佳的稻谷品質，且為微波技術在糧食倉儲中的實際應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粳稻(淮五，2017年產)；試蟲(米象、谷蠹、雜擬谷盜)。

連續隧道式微波裝置(XOGZ-7 kW)；大米食味測定儀； 礱谷機(BLH-3250)；電熱鼓風干燥箱(101-3AS)。

1.2 實驗方法

1.2.1 單因素實驗

稱取1 kg稻谷倒入PP塑料盒中，平鋪為2 cm厚，并用聚四氟乙烯涂抹四周，放置谷蠹、米象、雜擬谷盜成蟲各50頭。分別采用不同微波加熱溫度(45、50、55、60、65 ℃)、不同微波功率(2.4、3.2、4.0、4.8、5.6 kW)、不同緩蘇時間(0、1、2、3、4 h)探究對樣品中試蟲死亡率、稻谷爆腰增率及食味值的變化情況，以便選擇出較適宜的因素固定水平。

1.2.2 響應面優化

為了分析各因素間交互作用對指標的影響，綜合單因素實驗結果，采用Design-Expert 10軟件進行Box-Benhnken中心組合實驗，以微波功率4.8 kW、微波加熱溫度60 ℃和緩蘇時間2 h為中心水平進行三因素三水平優化，見表1。并以實驗處理后試蟲死亡率、稻谷的爆腰增率、食味值為響應指標，綜合滿意度函數，確定最優參數。

表1 因素水平表

1.2.3 各響應指標的測定

1.2.3.1 試蟲死亡率測定 試蟲樣品經處理后待冷卻至常溫，置于原培養條件下培養。于48 h后用Φ 2.5 mm篩子篩出，用毛筆輕觸其腹部，一直未有反應的視為死亡。每次實驗做3組平行，并設2個空白對照。死亡率按式(2)計算[12]。

(1)

(2)

1.2.3.2 稻谷爆腰增率測定 稻谷樣品經處理后冷卻至室溫參照GB 1350—2009《稻谷》進行爆腰粒統計，爆腰增率按式(3)計算[13]。

(3)

式中：A1為干燥后100粒稻谷中爆腰顆粒數；A0為干燥前 100 粒稻谷中爆腰顆粒數。

1.2.3.3 食味值測定 稻谷樣品經處理后冷卻至室溫，礱谷機、精米機去糠、去皮至精米。開啟大米食味測定儀，調試并校準，稱取精米樣品150 g進行測試，每個樣品測3次，取平均值。

1.2.4 滿意度函數

滿意度函數指通過賦予每個響應指標不同重要度ω，以便計算出最佳滿意值。在稻谷殺蟲保質的優化中，實驗操作條件對試蟲致死趨勢與稻谷保質趨勢并不完全一致，故在完全殺蟲的前提下還需盡可能保證稻谷品質的不變甚至提優。本實驗綜合優化中，將試蟲致死率預期設為完全致死(d=1)，對爆腰增率、食味值賦予不同重要度，以期待獲取總體滿意度最高方案。采用滿意度函數將各響應指標按式(4)轉化為無綱量的期望值di(0

(4)

(5)

式中：Ymax,i、Ymin,i分別為最大和最小響應值；di為各響應值的期望值；ω為重要度(1～5)；n為響應值個數。其中，試蟲死亡率為實驗研究基礎，其重要度設為3，并選定致死值100%，使得d1=1；爆腰率為稻谷重要的加工指標，其重要度設為3；食味值指示大米蒸煮后口感，重要度設為2。

1.3 數據處理

采用Origin 9作圖，通過 SPSS 22 進行數據統計和方差分析，應用 Duncan 新復極差法進行多重分析。使用 Design Expert 10 軟件進行 Box-Benhnken 中心組合實驗設計和滿意度函數分析。

2 結果與分析

2.1 單因素對各響應指標的影響

注：相同字母表示差異不顯著(P>0.05) ，不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同。圖1 微波加熱溫度對試蟲致死率、爆腰增率及食味值的影響

2.1.1 微波加熱溫度的確定

由圖1可知，隨著微波加熱溫度的增大，試蟲死亡率、稻谷爆腰增率、食味值均顯著增大。微波加熱溫度越大，致死率與爆腰增率增幅越緩。加熱溫度超過60 ℃后，致死率與爆腰增率的增長斜率明顯減小。這是由于微波對稻谷加熱時，由于樣品局部糧層糧粒結構組分略有不同，試蟲個體耐熱性及所處空間位置不同，使得增大微波加熱作用也未能顯著增強處理效果。隨著微波加熱溫度升高，稻谷食味值在60 ℃時達最大，后開始下降。原因是微波加熱中稻谷籽粒內部蛋白質、脂肪酸的降低，使得食味值迅速升高。之后由于稻谷籽粒水分的降低，直鏈淀粉含量的增大，食味值綜合評分出現下降[16]。根據實驗結果，微波加熱溫度初步選取為60 ℃最為適宜。

2.1.2 微波功率的確定

如圖2所示，隨著微波功率的增大，試蟲致死率與稻谷食味值逐漸上升，稻谷爆腰增率逐漸下降，且微波功率越大，各指標變化趨勢越緩。經Duncan多重比較發現，微波功率超過4.8 kW后，繼續增大微波功率各指標均變化無顯著差異(P>0.05)，可能是因為快速且過大的微波能量傳輸使得試蟲及稻谷能量吸收效率相對降低。結合實驗結果及微波能耗效率，初步確定選取微波功率4.8 kW最為適宜。

圖2 微波功率對試蟲致死率、爆腰增率及食味值的影響

2.1.3 緩蘇時間的確定

將樣品微波加熱至設定溫度，迅速裝于10號自封袋中密封，放于電熱干燥箱中并設置加熱溫度值，進行不同時長緩蘇。由圖3可得，當緩蘇時間超過2 h時，因緩蘇期間持續的熱作用使得蟲體自身溫度升高，體內蛋白質、脂類物質凝固、液化等，最終致其完全死亡。稻谷緩蘇2 h后其爆腰增率降幅明顯放緩，此時延長緩蘇時間對爆腰增率影響無顯著差異(P>0.05)，原因是緩蘇溫度為60 ℃，高于其玻璃態轉變溫度，稻谷在同相態下緩蘇，籽粒內部溫度梯度迅速降低，水分梯度持續減小，內部結構趨于均衡穩定，緩蘇的延時作用效果逐漸減弱[17]。稻谷食味值在緩蘇時間的延長過程中先增大后減小，這是由于稻谷的食味值與籽粒內部蛋白質、脂肪酸值、堊白度等呈顯著負相關，與直鏈淀粉、水分、黏度等呈顯著正相關[18]。稻谷在微波加熱及緩蘇過程中，籽粒蛋白質含量急劇降低，脂肪酸值、黏度及直鏈淀粉含量逐漸降低[19]，稻谷初始水分含量降低后保持不變，各因素綜合作用使得稻谷食味值發生變化。因此，綜合考慮實驗結果及節約時間成本，選擇緩蘇時間2 h最為適宜。

圖3 緩蘇時間對試蟲致死率、爆腰增率及食味值的影響

2.2 響應面優化結果

2.2.1 響應面設計及結果

實驗設計及結果見表2。

表2 響應面實驗設計及結果

2.2.2 響應指標回歸方程及方差分析

各響應值的回歸擬合方程見表3，回歸方程的方差分析見表4。響應值Y1、Y3與三因素的回歸方程均為極顯著(P<0.01)，決定系數R2值分別為0.989 2、0.996 8，變異系數(C.V.)分別為0.24%、0.30%，說明響應值與自變量間的多元回歸關系極其顯著且誤差較??；R2極趨近于1，說明可以應用該方程對實驗結果進行預測和分析。響應值Y2與三因素之間回歸關系較顯著(P<0.05)，失擬項影響不顯著(P>0.05)，表明擬合度較高，可作為實驗科學預測?；貧w方程中各因素對響應值并不止線性關系，還存在各因素間的交互作用影響。其中二次項X1X3、X2X3均對Y3呈極其顯著影響(P<0.01)，二次項X2X3、X1X2分別對Y1、Y3呈顯著影響(P<0.05)。

表3 響應值對因素的回歸方程

表4 回歸模型的方差分析

注：**為差異極顯著(P<0.01)；*為差異顯著(0.010.05)。

2.2.3 響應面分析

2.2.3.1 試蟲致死率

由圖4可見，隨著微波功率、微波加熱溫度、緩蘇時間的增大，試蟲死亡率顯著增大。由圖4a可以看出，微波加熱溫度超過60 ℃，隨著緩蘇時間的延長，試蟲死亡率均能達到100%。原因是微波加熱過程中，稻谷快速升溫傳熱及試蟲成蟲自身吸收微波能量，致使蟲體溫度過高，新陳代謝急劇加快或紊亂。圖 4c中延長緩蘇時間，即持續熱作用，可使得試蟲進一步處于熱麻痹狀態，同時由于蟲體內水分過分的蒸發，蛋白質的變性及類脂質液化等最終致其完全死亡[20]。

2.2.3.2 稻谷爆腰增率

由圖5可知，當微波功率增大，微波加熱溫度降低，緩蘇時間延長，稻谷的爆腰增率顯著降低。這是因為稻谷初始水分為16.5%，其玻璃化轉變溫度為40～45 ℃[21]，而微波加熱溫度均已超過45 ℃，故稻谷內部的玻璃態轉變及水分梯度的產生不可避免。圖 5a中緩蘇時間的延長可使得籽粒內部水分梯度逐漸平衡，彈性應變能力有效恢復，從而減少了稻谷玻璃態層產生的銀紋，降低了稻谷的爆腰率。圖 5b中增大功率快速升溫可降低稻谷內部水分梯度的形成，從而降低爆腰率[22]。圖 5c中微波加熱溫度的降低可使稻谷內部的溫度梯度減小，進而降低籽粒內部的水分梯度，減少稻谷爆腰[23]。

2.2.3.3 大米食味值

由圖6可以看出，微波加熱溫度和微波功率、微波功率和緩蘇時間、微波加熱溫度和緩蘇時間所對應的響應曲面坡度均較為陡峭，圖像顏色層次對比強烈，說明各因素間交互作用對食味值影響顯著，此結論與回歸方程分析所得結論一致。圖6a反映出微波功率和微波加熱溫度交互作用時，微波功率的增大，食味值先增大后后減小。圖6b表示微波功率和緩蘇時間交互作用時，食味值隨緩蘇時間的延長而增大。由圖6c可知微波加熱溫度和緩蘇時間交互作用時，食味值隨微波加熱溫度的增大而先增大后減小。這是由于稻谷籽粒內直鏈淀粉、蛋白質、水分、脂肪酸值等發生改變，綜合引起食味值變化。

圖4 各因素交互作用對試蟲致死率的響應面

圖5 各因素對稻谷爆腰增率影響的響應曲面

圖6 各因素對大米食味值影響的響應曲面

2.3 響應面優化與驗證

2.3.1 滿意度函數

在微波處理稻谷的殺蟲保質實驗中，預期稻谷中試蟲致死率達100%，且稻谷品質保持最優。本實驗中將各響應值指標的滿意度函數分別定義為：最大化試蟲致死率、食味值，重度ω分別取3、2，并將試蟲致死率d1設為1；最小化爆腰增率，重度ω取3。最終優化的參數結果為：微波功率5.36 kW，微波加熱溫度59.71 ℃，緩蘇時間為2.45 h，此時試蟲致死率為100%，爆腰增率為6.76%，食味值為73.8，最大滿意度函數值為0.867。

2.3.2 實驗結果驗證

為了檢驗優化預測結果的可靠性，以原實驗設備條件進行對應工藝參數驗證，考慮到實際操作條件情況，將最優工藝參數修正為：微波功率5.4 kW，微波加熱溫度為59.7 ℃，緩蘇時間2.45 h。此時試蟲致死率為100%，爆腰增率為6.8%，食味值73.7，滿意度函數值為0.866。與預測值0.867差異不顯著(P>0.05)，模型可靠。

3 結論

研究稻谷微波處理及緩蘇操作對試蟲致死率及稻谷品質影響，對試蟲致死率、稻谷爆腰增率、食味值3個響應指標進行分析，并綜合衡量稻谷微波處理對殺蟲保質的滿意度效果。微波加熱溫度、微波功率和緩蘇時間的變化對試蟲死亡率、稻谷爆腰增率、食味值均有顯著影響，通過滿意度函數在各響應值間的合理均衡，實驗優化得最大滿意度預期值為0.867。結合實際設備情況，得出實驗操作的最優工藝參數為：微波功率5.4 kW、微波加熱溫度59.7 ℃、緩蘇時間2.45 h，所得試蟲致死率為100%，稻谷爆腰增率6.8%，食味值為73.7，此時滿意度函數值為0.866。且經檢驗，以最佳實際工藝參數進行優化的滿意度值與預測值無顯著差異(P>0.05)，說明優化工藝可靠有效。