蒸汽-滾筒干燥對穩定化白糠的影響

徐志村，王俊仁，王莉，張聰男，陳正行，馮曉宇，蔣潔

（1.江蘇省農墾農業發展股份有限公司現代農業研究院，江蘇 南京 211800；2.江南大學糧食發酵與食品生物制造國家工程研究中心，江蘇 無錫 214122；3.江南大學江蘇省食品安全與質量控制協同創新中心，江蘇 無錫 214122；4.江南大學江蘇省生物活性制品加工工程技術研究中心，江蘇 無錫 214122）

稻米是我國重要的三大主糧之一，對國家的糧食安全有著重要作用，2019年我國大米產量14 673萬t，占全球產量29.8%。米糠是稻米加工過程中的主要副產物，分為黃糠和白糠，占稻米重量的10%左右[1]。稻米近64%營養及功能性成分存在于米糠中，是稻米的營養精華所在，有“天然營養寶庫”之稱[2]。其中白糠更靠近胚乳，主要由糊粉層和亞糊粉層組成，含有豐富的膳食纖維、礦物質、有益脂類、維生素、多酚類和酚酸類化合物以及谷維素、角鯊烯、脂多糖、生育酚、γ-氨基丁酸等100多種生物活性因子，具有調節血糖、預防心腦血管疾病、抗疲勞、抗氧化、預防腫瘤等功能[3]。米糠的蛋白質消化率可達到90%，被認為是低過敏性蛋白質的良好來源[4-6]。

白糠在食品及保健食品行業有廣闊的應用前景，可以廣泛的應用于烘焙食品、休閑食品、米面制品以及代餐粉等產品領域，同時也可以用于膳食纖維、大米蛋白肽等功能性成分的生產制備[7]。但白糠中含有脂肪酶等多種活性內源酶，導致其極易發生氧化而酸敗變質，酸價迅速升高，使得新鮮白糠不易儲存[8]。目前國內外白糠穩定化的方法主要分為化學穩定法、生物酶法和物理穩定法[9]。化學穩定法是通過添加酸及其鹽類等化學試劑，改變米糠體系的pH值或離子強度，達到抑制酶活性的目的[10-11]，但化學物質的添加影響了產品的綜合利用。生物酶法是指用某些蛋白酶水解白糠中的脂肪酶、過氧化酶來抑制氧化[12]，但酶法鈍化成本較高。物理穩定法主要包括低溫儲藏法、紅外處理法、擠壓膨化法、微波法等，其中擠壓膨化法被認為是目前工業上最常用的穩定化方法，但該方法中強烈的攪拌、混合、剪切等作用而使白糠處于高達3 MPa～8 MPa、200℃左右的高溫高壓狀態，會造成白糠中蛋白質嚴重變性、活性成分大量損失[13]，因此擠壓膨化方法會降低白糠的營養價值，影響其綜合利用率。

本研究以武育粳3號稻米新鮮白糠為研究對象，以白糠中脂肪酶滅活率為指標，研究蒸汽-滾筒干燥處理對白糠中脂肪酶活性影響，并研究白糠貯藏穩定性，以期通過該穩定化方法推動稻米白糠產業化的高值化利用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白糠：江蘇省農墾米業集團有限公司；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉、氫氧化鉀、硫酸亞鐵、無水乙醇、乙醚（均為分析純）、甲醇、乙腈、冰乙酸（均為色譜純）：國藥集團化學試劑有限公司；水溶性維生素E、沒食子酸、α-生育酚、γ-谷維素、γ-氨基丁酸標準品（均為分析純）：美國Sigma公司。

1.2 儀器與設備

臺式離心機（AXTD5A）：鹽城市安信實驗儀器有限公司；實驗室和面機（BS20E）：河北泛泰機械設備科技有限公司；膠體磨（JMS-130）：廊坊市通益機械有限公司；超聲振蕩器（KQ3200B）：昆山市超聲儀器有限公司；電子分析天平（FA2204B）：山東晨拓科學儀器有限公司；磁性攪拌器（DF-101S）：金壇區水北盛威實驗儀器廠；旋轉蒸發儀（RE-5220）：蘇州賽恩斯儀器有限公司；紫外-可見光分光光度計（UV1700）：讓奇（上海）儀器科技有限公司；高效液相色譜儀（1260 infinity series）：Agilent公司；自動凱氏定氮儀（KT200&DT208）：福斯分析儀器(蘇州)有限公司；滾筒干燥機（HG-600）：東臺市食品機械廠有限公司。

1.3 方法

1.3.1 基本成分測定

水分含量：參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》中方法測定[14]。蛋白質含量：參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》中方法測定[15]。淀粉含量：參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》中方法測定[16]。脂肪含量：參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》中方法測定[17]。灰分含量：參照GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》中方法測定[18]。膳食纖維含量：參照GB 5009.88—2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》中方法測定[19]。

1.3.2 蒸汽-滾筒干燥穩定化白糠的制備

分別稱取1 000 g白糠置于實驗室和面機，考察設置攪拌桿轉速為110 r/min，邊攪拌邊用噴壺分別均勻噴入 50、100、150、200、250 g 水，分別按照 3、4、5、6、7 cm 厚度平鋪于托盤中，分別用 0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 MPa蒸汽處理 2、5、10、15、20 min，在上述條件下進行單因素試驗。在單因素試驗基礎上設計L9（34）四因素三水平正交試驗，確定最佳加水量、物料厚度、蒸汽壓力和處理時間，以脂肪酶滅活率為關鍵指標，進一步對白糠物料進行滾筒干燥處理，將蒸汽處理后的白糠分別稱重，添加水至白糠∶水=1.5∶1（質量比），膠體磨設置轉速2 000 r/min，將白糠料漿過膠體磨后進行滾筒干燥得穩定化白糠樣品。通過單因素試驗確定滾筒干燥蒸汽壓力和時間。

1.3.3 脂肪酶活性的測定

脂肪酶活性參照GB/T 5523—2008《糧油檢驗糧食、油料的脂肪酶活動度的測定》中方法測定[20]。

1.3.4 儲藏試驗

將原料白糠和穩定化后的白糠用鋁箔袋密封好，放入溫度40℃，相對濕度60%的恒溫恒濕箱中，分別在 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 周取樣，測定其脂肪酸值、過氧化值和羰基值。

脂肪酸值采用GB/T 15684—2015《谷物碾磨制品脂肪酸值的測定》中的方法測定。脂肪酸值以中和100 g干燥試樣物質中游離脂肪酸所需氫氧化鉀的質量表示，單位為mg/100 g。

參照文獻[21-22]方法提取白糠中的油脂。以沸程60℃～90℃的石油醚作為提取劑，液料比 16∶1（mL/g），常溫提取6 h。過氧化值的測定參照Shantha等[23]的方法。準確稱取0.15g樣品于10mL比色管中，加入9.8mL體積比為7∶3的氯仿-甲醇，搖勻，再加入50 μL的硫氰酸銨溶液，旋渦2 s～4 s，加入50 μL硫酸亞鐵溶液，旋渦2 s～4 s，室溫（25℃）反應5 min后于波長 500 nm處測定吸光度。空白樣品為蒸餾水。過氧化值按公式（1）計算。

式中：A1為樣品吸光度；A0為空白吸光度；M為樣品質量，g；ki為標準曲線斜率的倒數；55.84為鐵的相對原子質量。

參照張玲等[22]的方法提取米糠中的油脂。以沸程60℃～90℃的石油醚為提取劑，液料比 16∶1（mL/g），常溫提取6 h。參照裘漢幸[24]方法測定樣品的羰基值。準確稱取樣品0.25 g，加甲苯定容于25 mL容量瓶中，搖勻。準確量取5 mL容量瓶中的樣品，置于25 mL比色管中，加入4.3%三氯醋酸的甲苯溶液5 mL及0.05%2，4-二硝基苯肼的甲苯溶液5 mL，搖勻，60℃水浴30 min，取出，冷卻，加入10 mL 4%氫氧化鉀-乙醇溶液，加乙醇至25 mL，搖勻，室溫（25℃）放置10 min后在波長453 nm處測定吸光度（A）。空白樣品為蒸餾水。羰基值以1 kg油脂中含羰基化合物的毫摩爾數表示，單位為 mmol/kg，按公式（2）計算。

式中：M為油脂的質量，g；854為各種羰基化合物、2，4-二硝基苯肼衍生物的摩爾吸收系數平均值；V1為稀釋總體積，mL；V2為測定用體積，mL；k 為常數，1 000。

1.3.5 功能性成分測定

γ-氨基丁酸含量：參照NY/T 2890-2016《稻米中γ-氨基丁酸的測定高效液相色譜法》測定[25]。維生素B1含量：參照GB 5009.84—2016《食品安全國家標準食品中維生素B1的測定》測定[25]。維生素B2含量：參照GB 5009.85—2016《食品安全國家標準食品中維生素B2的測定》測定[27]。維生素 B6含量：參照 GB 5009.154—2016《食品安全國家標準食品中維生素B6的測定》測定[28]。

總酚酸含量的測定參照Singleton等[29]的方法并稍作調整。于10 mL比色管中加入1 mL去離子水，然后加入250 μL多酚提取液和250 μL福林酚試劑，室溫（25℃）下反應6 min后加入2.5 mL 70 mg/mL Na2CO3溶液終止反應。隨后加入去離子水至刻度后混合均勻，在室溫（25℃）下避光放置90 min，于波長760 nm處測定吸光度。空白樣品為去離子水。以沒食子酸為標準物繪制標準曲線，總酚含量用每克樣品（干重）中所含的沒食子酸物質的量表示，單位為mg/g。

γ-谷維素含量參照Srisaipet等[30]的方法測定。稱取1.00 g白糠，加入4 mL正庚烷，磁力攪拌30 min，3 000 r/min離心5 min后收集上清液，氮吹儀吹干后，用正庚烷定容于5 mL容量瓶中。測定時取0.2 mL提取液加入5 mL比色管中，用正庚烷定容至5 mL。于波長313 nm處測定吸光度，根據吸光度與谷維素含量之間的變化關系作標準曲線。

α-生育酚含量的測定參照王凌云等[31]的方法并略作修改。準確稱取1.00 g白糠試樣于試管中，加入10 mL 1 mg/mL 2，6-二叔丁基對甲酚的乙醇溶液和1 mL 100 mg/mL抗壞血酸溶液，于超聲波清洗器中提取。10 min后用2 mL 0.5 g/mL氫氧化鉀皂化，皂化液用乙酸乙酯萃取3次，收集有機相，并在有機相中加入少量無水硫酸鈉，在氮吹儀上吹至近干，復溶于1 mL甲醇，過0.45 μm濾膜后上機測定。色譜柱采用Agilent EclipseXDB-C18（12.5 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相為甲醇（色譜級）-水（96∶4，體積比），流速1.0 mL/min，進樣量 20 μL，柱溫 30 ℃；紫外檢測器波長設為295 nm。

1.4 數據分析

所有試驗重復3次，試驗結果為平均值±標準差。采用Origin8.0軟件進行數據處理及作圖。

2 結果與分析

2.1 白糠基本成分分析

白糠基本成分見表1。

表1 白糠基本成分Table 1 Basic components of white bran%

由表1可以看出，白糠原料中蛋白質、粗脂肪、淀粉以及膳食纖維的含量分別為10.25%、8.21%、51.55%和10.24%，與文獻報道結果接近[32]。

2.2 蒸汽處理單因素試驗

2.2.1 加水量對脂肪酶滅活率的影響

加水量對脂肪酶滅活率的影響見圖1。

圖1 加水量對脂肪酶活力的影響Fig.1 Effect of water addition on activity of lipase

從圖1可以看出，隨著加水量的增加脂肪酶滅活率先升高后降低，這是因為當水分添加量低于15%時，隨著水分含量增加，蒸汽熱穿透性增強，有利于脂肪酶失活；當加水量為15%時，脂肪酶滅活率達到最高值（51.5%）；加水量超過15%后，高溫蒸汽會引起白糠淀粉快速糊化、結團，導致蒸汽熱穿透性降低、脂肪酶滅活速率降低；加水量超過20%，白糠結團現象嚴重，會堵塞膠體磨進料口，從而影響物料的磨漿過程，同時產品色澤變化明顯，不利于產品品質，綜合考慮，選取加水量10%、15%和20%進行正交試驗。

2.2.2 物料厚度對脂肪酶滅活率的影響

物料厚度對脂肪酶滅活率的影響見圖2。

圖2 物料厚度對脂肪酶活力的影響Fig.2 Effect of material thickness on activity of lipase

從圖2可以看出，隨著物料平鋪厚度增加，脂肪酶滅活率逐漸降低，3 cm～4 cm和5 cm～7 cm降低幅度明顯，而4 cm～5 cm降低幅度不大，這主要是因為物料越厚蒸汽越不容易穿透，滅酶效果越差。3 cm厚度時雖然滅酶效果好，但會導致生產效率降低，能耗升高，綜合考慮效率、能耗和滅酶效果，物料平鋪厚度為4 cm～5 cm較為適宜，因此選取4、5、6 cm進行正交試驗。

2.2.3 蒸汽壓力對脂肪酶滅活率的影響

蒸汽壓力對脂肪酶滅活率的影響見圖3。

圖3 蒸汽壓力對脂肪酶活力的影響Fig.3 Effect of steam pressure on activity of lipase

從圖3可以看出，蒸汽壓力在0.05 MPa～0.15 MPa，隨蒸汽壓力升高，脂肪酶的滅活率迅速上升，主要原因是蒸汽壓力越高，溫度越高，穿透力越強，有利于脂肪酶快速滅活；蒸汽壓力在0.15 MPa～0.25 MPa，脂肪酶滅活率雖然也處于上升趨勢，但是上升速率變慢，主要原因是高溫蒸汽導致白糠淀粉快速糊化，對熱穿透力起到阻礙作用，影響了脂肪酶的滅活速率。結果表明，蒸汽溫度越高，白糠美拉德反應越明顯，產品變色越明顯，同時蒸汽壓力越高，白糠淀粉糊化越嚴重，白糠結團越嚴重，會堵塞膠體磨進料口，從而影響物料的磨漿過程，綜合考慮滅酶效果、產品品質、成本，蒸汽壓力為0.15 MPa左右較為適宜，因此選擇0.10、0.15、0.20 MPa進行正交試驗。

2.2.4 蒸汽時間對脂肪酶滅活率的影響

蒸汽時間對脂肪酶滅活率的影響見圖4。

圖4 蒸汽處理時間對脂肪酶活力的影響Fig.4 Effect of steaming treatment time on activity of lipase

從圖4可以看出，隨著蒸汽處理時間延長，脂肪酶滅活率逐漸升高，但是15 min后產品色澤發生變化，20 min后產品顏色變化明顯，影響產品品質，綜合考慮滅酶效果、產品品質，蒸汽處理時間控制在10 min左右較為適宜，因此選取5、10、15 min進行正交試驗。

2.3 蒸汽處理正交試驗

在單因素試驗結果的基礎上，采用正交試驗對影響脂肪酶滅活率的4個因素（加水量、物料厚度、蒸汽壓力、時間）進行條件優化。正交試驗因素和水平見表2，試驗結果見表3。

表2 正交試驗因素和水平設計Table 2 Factor and level of the orthogonal test

表3 正交試驗結果Table 3 Orthogonal test results

由表3可知，極差值C＞B＞A＞D，故4個因素對試驗結果的影響順序為蒸汽壓力＞物料厚度＞加水量＞蒸汽時間。對于加水量，k2＞k1＞k3，對于物料厚度，k1＞k2＞k3，對于蒸汽壓力，k2＞k3＞k1，對于蒸汽時間，k1＞k3＞k2。由此得到各因素最佳組合為A2B1C2D1，即最佳工藝條件：加水量15%、物料厚度4 cm、蒸汽壓力0.15 MPa、蒸汽時間5 min。在此條件下，白糠脂肪酶滅酶率61.1%，高于正交試驗的最優組。在正交試驗基礎上，以脂肪酶滅活率為關鍵指標，進一步對白糠進行滾筒干燥處理。

2.4 滾筒干燥單因素試驗

2.4.1 滾筒蒸汽壓力對脂肪酶滅活率的影響

滾筒蒸汽壓力對脂肪酶滅活率的影響見圖5。

圖5 滾筒蒸汽壓力對脂肪酶活力的影響Fig.5 Effect of steam pressure on activity of lipase

從圖5可以看出，蒸汽壓力在0.60 MPa～0.70 MPa時，隨著滾筒蒸汽壓力增加，脂肪酶滅活率明顯升高，當滾筒蒸汽壓力為0.70 MPa時，脂肪酶滅活率達到85.1%。蒸汽壓力在0.70 MPa～0.75 MPa時，脂肪酶滅活率變化不明顯，0.75 MPa后白糠出現明顯變色，主要原因是蒸汽壓力越高，滾筒壁溫度越高，越有利于脂肪酶滅活，但是壓力超過0.75 MPa后，白糠因高溫而發生美拉德反應變色、變焦，影響產品品質。綜合考慮滅酶效果、產品品質和設備成本，蒸汽壓力為0.70 MPa較為適宜。

2.4.2 滾筒干燥時間對脂肪酶滅活率的影響

滾筒干燥時間對脂肪酶滅活率和水分含量的影響見圖6。

圖6 滾筒干燥時間對脂肪酶活和水分含量的影響Fig.6 Effect of roller drying time on activity of lipase and moisture content

從圖6可以看出，隨著滾筒干燥時間的延長，脂肪酶滅活率逐漸升高，干燥時間為20 s～30 s和50 s～60 s脂肪酶滅活較快，滅活率分別由70.7%和86.4%上升為84.5%和95.3%，而30 s～50 s時間段，脂肪酶滅活較慢，由84.5%上升為86.4%。這是因為滾筒干燥時間越長，白糠在滾筒壁受熱時間越長，越有利于脂肪酶滅活，而當滾筒干燥時間超過50 s后，白糠出現明顯變色、變焦而影響產品品質，主要原因是長時間高溫而導致發生美拉德反應。白糠水分含量隨著干燥時間延長而降低，干燥時間30 s時產品水分含量為6.5%，40 s時降為3.8%，之后水分含量變化不明顯。綜合考慮滅酶效果、成本和產品品質，滾筒干燥時間在30 s較佳。

綜上所述，白糠穩定化的最優方案為加水量15%、厚度4 cm、蒸汽壓力0.15 MPa、蒸汽處理時間5 min，滾筒蒸汽壓力0.70 MPa、滾筒干燥時間30 s，通過最優方案處理，白糠脂肪酶滅酶率87.3%，水分含量6.5%。

2.5 穩定化白糠儲藏試驗

研究表明，脂類在白糠儲存過程中會發生3類酸敗。第1類，脂肪酶水解三酰基甘油，生成游離脂肪酸（水解酸敗）。第2類，不飽和的脂肪酸被脂肪氧化酶氧化，釋放氫過氧化物（早期氧化酸敗）。第3類，釋放的氫過氧化物不穩定，繼續分解成羰基化合物、烴、呋喃等，造成白糠腐敗味（晚期氧化酸敗）[33-34]。儲存期間白糠的游離脂肪酸、氫過氧化物和羰基化合物的含量變化可分別用來表征白糠的3類酸敗，結果見圖7。

圖7 白糠原料與穩定化白糠儲藏期間脂肪酸值、過氧化值、羰基值Fig.7 Fatty acid value,peroxide value and carbonyl value of raw material and stabilized white bran during storage

由圖7a可知，儲藏12周后，白糠原料的脂肪酸值以較快的速率從28.6mg/100g上升至1 132.5 mg/100 g，而穩定化白糠的脂肪酸值由25.7 mg/100 g上升至90.4 mg/100 g，是白糠原料的8.0%，表明蒸汽聯合滾筒干燥工藝可以有效抑制白糠的水解酸敗。

由圖7b可知，白糠原料的過氧化值圖呈“M”型，分別在第2周和第5周達到峰值，第5周峰值后過氧化值逐漸降低。在第12周時，白糠原料的過氧化值為3.5 mg/100 g，穩定化白糠過氧化值為0.6 mg/100 g，為白糠原料的17.1%，表明蒸汽聯合滾筒干燥工藝可以有效抑制白糠的早期氧化酸敗。

由圖7c可知，白糠原料的羰基值在前2周略微增加，從5.1 mmol/kg增至10.0 mmol/kg，在之后的10周呈快速增長趨勢，從10.0 mmol/kg增至33.2 mmol/kg，而穩定化白糠羰基值整體呈緩慢增長趨勢，在第3周時達到9.0 mmol/kg，之后增長趨勢不再明顯，第12周，穩定化白糠的羰基值為白糠原料的18.7%，表明蒸汽聯合滾筒干燥工藝可以有效抑制白糠的晚期氧化酸敗。

儲藏試驗結果表明，蒸汽-滾筒干燥工藝可以有效抑制白糠氧化酸敗，延長產品貨架期。

2.6 穩定化白糠營養成分分析

對白糠穩定化前后的營養成分進行分析，結果如表4所示。

表4 白糠穩定化前后營養成分含量Table 4 Nutrient component content of white bran before and after stabilization

如表4所示，白糠經穩定化處理后，總酚酸含量由6.53 mg/g上升為6.87 mg/g，增加了5.21%；膳食纖維含量變化不明顯，穩定化后降低了0.39%，γ-谷維素、γ-氨基丁酸和α-生育酚含量穩定化處理后分別降低了3.33%、3.87%和4.62%，維生素B1、B2和B6含量分別降低了5.08%、4.48%和5.21%。從營養指標分析結果可以看出，白糠經蒸汽-滾筒干燥穩定化處理后，整體損失在5.0%左右，表明用該方法穩定化處理白糠，可以有效保留白糠功能性成分。

用本研究方法和擠壓膨化法分別對白糠進行穩定化處理，對比各功能性成分保留情況，結果如表5所示。

表5 蒸汽-滾筒干燥法與擠壓膨化法功能性成分保留率對比結果Table 5 Functional components retention rates between steam-roller drying method and extrusion method

由表5可知，本研究方法總酚酸、B族維生素等功能性成分的保留率分別提高了22.57%～40.13%，用本研究方法穩定化白糠，各功能性成分保留率明顯高于擠壓膨化法，主要原因是在擠壓膨化方法中，強烈的攪拌、混合、剪切等作用會造成白糠中功能性成分的嚴重變性、降解而造成損失[17]。

3 結論

本研究將白糠加水15%，以4 cm的厚度均勻平鋪，用0.15 MPa蒸汽處理5 min，然后用滾筒干燥法進行干燥同時強化滅酶，在滾筒蒸汽壓力0.70 MPa條件下干燥時間30 s，取得了理想滅酶效果，脂肪酶滅酶率87.3%，水分含量6.5%。與處理前白糠原料相比，穩定化白糠的脂肪酸值、過氧化值和羰基值分別是白糠原料的8.0%、17.1%和18.7%，表明蒸汽-滾筒干燥穩定化白糠，可以有效抑制白糠氧化酸敗，延長貨架期。與白糠原料相比，穩定化處理后白糠總酚酸含量增加了5.21%，各營養成分整體損失在5.0%左右。與擠壓膨化穩定化方法相對比，本研究穩定化方法營養功能性成分保留率提高了22.57%～40.13%，該方法穩定化處理白糠，可以有效保留白糠功能性成分。