射頻聯合熱風加熱對玉米籽粒中黃曲霉毒素B1降解及玉米品質的影響

張金方，李 梅，陳 偉

（1.魯東大學食品工程學院，山東 煙臺 264025；2.煙臺大學生命科學學院，山東 煙臺 264005；3.山東農業大學食品科學與工程學院，山東 泰安 271000）

我國是玉米主要生產國之一，據統計我國31 個省份均有玉米種植，主要產區為北方春玉米區和黃淮海夏玉米區，玉米種植面積占全國70%左右[1]。玉米不僅種植面積大、產量高，而且營養價值也高，淀粉含量70%以上，蛋白質約占7.8%，脂肪為4%～5%[2]。玉米產量中約75%用于糧食和飼料，25%加工成其他多種增值產品，其在飼料、化工、醫藥等行業中占有重要地位[3]。

然而，玉米由于其胚部較大且裸露在外，在生長、收獲、運輸、貯藏過程中極易受到霉菌的危害，并且玉米是黃曲霉菌生長和產生黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）最適合的基質，一旦玉米中生長霉菌就可能存在黃曲霉菌的活動，從而使玉米受到AFB1的污染，因此其安全性一直受到關注[4-5]。針對受AFB1污染的糧食作物，探索有效的毒素脫除方法是目前的研究熱點。AFB1熱穩定性較高，加熱至268～269 ℃才開始分解，普通烹調處理不會對其產生影響。目前對AFB1的脫除途徑可分為脫除毒素、將毒素轉化為無毒化合物和將毒素脫除為小分子物質3 種方法[6]。近年來，除傳統熱加工方法外，越來越多的食品新加工方法被應用到AFB1降解中，如紫外、臭氧等技術，不但能極大縮短處理時間，而且可以減少降解AFB1處理對食品品質的影響。紫外照射技術由于二次污染小、對降解體系影響小等優點，被廣泛應用于糧食真菌毒素的降解與去除[7]。但紫外降解后，真菌毒素降解產物并未完全評估，可能造成二次污染[8]。臭氧是一種不穩定的強氧化劑，是重要的消毒劑和脫毒劑，并且臭氧具有較高的活性和滲透性。但一些糧食種子經臭氧降解后可能降低種子的活力并改變加工產品的流變特性，并且臭氧為強氧化劑，會破壞糧食中的蛋白質和維生素等營養成分[9]。

射頻是一種高頻交流電磁波，其頻率范圍為3 kHz～300 MHz，工業上常用射頻頻率為13.56、27.12、40.68 MHz[10]。射頻具有很強的穿透力，通過物料內部離子振蕩和極性分子轉動產生摩擦，從而在物料內部產生熱能，使物料溫度升高。因此，射頻加熱具有快速和整體加熱的特點，該技術早期在食品加工領域主要應用于肉類解凍及餅干后期焙烤，后來集中于對農產品的殺蟲殺菌及干燥方面的研究[11]。射頻降解黃曲霉毒素目前國內外研究較少。本研究以玉米為原料，通過射頻-熱風聯合技術處理玉米中AFB1，研究不同初始水分含量、射頻不同加熱溫度、加熱持續時間對其AFB1降解效果、升溫速率、水分遷移、粗脂肪、蛋白質和黏度性質的影響，并通過水分弛豫特性與玉米品質進行相關性分析，探究水分遷移對品質的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米為中國農業大學農學院提供的‘農大364’，于2022年10月收獲。

AFB1標準品（純度≥99%）生工生物工程（上海）有限公司；乙腈、甲醇（色譜純）山東禹王實業有限公司化工分公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

SO 6B型6 kW射頻干燥系統 英國Strayfield公司；T200型紅外熱像儀 美國FLIR公司；LC-10A型高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）儀 日本Shimadzu公司；HGC-12D型氮吹儀天津恒奧科技發展有限公司；ST255SoxtecTM型全自動脂肪測定儀 丹麥Foss公司；K-436型全自動凱氏定氮儀 瑞士Buchi公司；MesoMR23-060H-I型低場核磁共振儀 上海紐邁電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 射頻-熱風聯合加熱系統

如圖1所示，加熱設備是一個6 kW、27.12 MHz的中試規模的射頻加熱系統，由6 kW電加熱器提供的熱空氣進行輔助，平行穿孔電極板長寬為40 cm×83 cm，頂部電極和底部電極之間的間隙最大距離為180 mm，通過預實驗確定90 mm距離的加熱速率最快。

圖1 6 kW、27.12 MHz半工業規模的射頻加熱系統[12]Fig.1 Schematic view of pilot-scale RF system with 6 kW and 27.12 MHz[12]

1.3.2 AFB1制備及玉米籽粒感染

將AFB1標準品溶于乙腈制備100 mg/L的儲備液。玉米的平均初始水分質量分數為（10.08±0.20）%。將質量濃度100 mg/L的AFB1乙腈儲備溶液用乙腈稀釋20 倍制備工作液（5 mg/L）。將每個預加工的玉米樣品（500 g）放入聚乙烯袋中，使用霧化器將5 mL AFB1工作液盡可能均勻地噴霧在飼料樣品上。干燥30 min后，間歇攪拌，使AFB1懸液充分侵染在玉米表面，使樣本中AFB1的污染水平達到50 μg/kg[13]。

1.3.3 射頻聯合熱風加熱處理AFB1

選擇不同水分質量分數（19.05%、22.25%、25.55%）的玉米籽粒評價不同射頻目標溫度（55、65、75、85 ℃）、時間（10、15、20、25 min）處理對其AFB1的降解效果，溫度分布通過將光纖傳感器放置在容器內的冷點處獲得，極板間距90 mm。

1.3.4 HPLC法測定玉米中AFB1

玉米中AFB1提取和凈化：取5 g玉米于150 mL錐形瓶中加入25 mL體積分數55%甲醇溶液和20 mL正己烷，用保鮮膜封口，放入超聲波清洗器中超聲20 min后取出，將溶液全部倒入離心管中，3 500 r/min離心5 min。離心結束后，取上層清液5 mL于另一離心管中，加入5 mL氯仿，渦旋后靜置分層，然后用移液槍吸取下層液體于離心管中，再取5 mL氯仿重復上述操作，合并10 mL氯仿，60 ℃水浴氮吹干，注意避免液體飛濺；AFB1的衍生：向剩余物中加入200 μL正己烷和100 μL三氟乙酸，塞上塞子，放入40 ℃水浴鍋中衍生20 min，60 ℃水浴氮吹干，用15%乙腈定容至1 mL，將其置于注射器中，用0.22 μm濾膜過濾于進樣瓶中。流動相：體積分數15%乙腈溶液；流速1 mL/min；進樣量10 μL；柱溫30 ℃；熒光檢測器：激發波長360 nm，發射波長440 nm[14]。AFB1參照GB/T 5009.23—2006《食品中黃曲霉毒素B1、B2、G1、G2的測定》進行測定。

1.3.5 射頻-熱風聯合干燥玉米干基水分含量和干燥速率的測定

玉米籽粒干燥過程中的干燥曲線用干基水分含量和干燥速率隨干燥時間（t）變化的曲線表示，干基水分含量（Mt）和干燥速率（Vt）分別按式（1）、（2）計算。

式中：Mt為玉米在t時刻的干基水分含量/（g/g）；mt為玉米的實時質量/g；mg為玉米絕對干物質質量/g。

式中：Vt為干燥速率/（g/（g·min））；Mt-1為玉米在t-1時刻的干基水分含量/（g/g）；td為t-1時刻和t時刻的時間間隔/min。

1.3.6 橫向弛豫時間（T2）反演譜采集

取1.00 g玉米粉末樣品放置于直徑18 mm試管中，用封口膜封口以防止水分蒸發，將試管放入核磁共振儀中進行測定，獲得衰減圖譜。設備參數設置：主頻18 MHz，偏移頻率398 523.6 Hz，90°脈沖時間7.00 μs，180°脈沖時間15.00 μs，采樣點數241 614，重復采樣時間2 000.000 ms，累加次數16，回波時間0.151 ms，回波數8 000，模擬增益20.0 db，數字增益3。

1.3.7 射頻加熱處理后的玉米品質分析

采用AOAC（2005）標準[15]的凱氏定氮法測定氮含量，蛋白質含量乘以6.25（玉米）的換算系數；玉米中的脂肪含量采用AOAC（2006）[16]法通過索氏抽提法測定；玉米黏度指標測試參照LS/T 6101—2002《谷物黏度測定 快速黏度儀法》。

1.4 數據處理

采用Excel、SPSS 21.0、Origin 8.0軟件對數據進行分析，并結合方差分析進行總體比較，每次實驗進行3 次平行，實驗結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 熱風輔助射頻加熱升溫曲線

由圖2可知，射頻加熱將玉米籽粒升溫到55、65、75、85 ℃，水分質量分數為19.05%的玉米籽粒加熱升溫所需時間分別為7.2、9.9、13.5、18.0 min，水分質量分數為22.25%的玉米籽粒所需時間分別約為9.0、11.7、15.3、19.8 min，水分質量分數為25.55%的玉米籽粒所需時間分別約為10.8、13.5、17.1、20.7 min。結果表明，水分質量分數19.05%的玉米籽粒射頻加熱升溫速率高于水分質量分數22.25%和25.55%的玉米籽粒。可能是因為水分含量較高的玉米籽粒具有較大的介電損耗因子，導致介質加熱過程中消耗更多射頻能量，使射頻加熱升溫速率降低[17]，其結果與Huang Zhi等[18]研究結果相似，射頻加熱升溫速率也受許多其他條件影響，如射頻加熱功率、電極間隙、樣品體積大小、加熱均勻性和介電性能。

圖2 不同水分含量的玉米樣品在不同溫度下射頻聯合熱風加熱時的升溫曲線Fig.2 Temperature-increasing profiles of corn samples with different moisture contents under RF-hot air treatment at different temperatures

2.2 射頻聯合熱風加熱玉米籽粒的干基水分含量和干燥速率

由圖3可知，在相同初始水分含量條件下，不同溫度加熱玉米籽粒，干基水分含量降低速率不同。加熱溫度越高，干基水分含量降低速率也隨之變快。加熱溫度85 ℃條件下干基水分含量變化最明顯，且加熱時間持續25 min時，與其他加熱溫度對應的干基水分含量相比最低。說明在射頻加熱初期，加熱溫度越高，越有利于水分的脫除，達到目的干基水分含量所需加熱時間越短。在相同初始水分含量條件下，在射頻加熱初期，隨著加熱溫度的升高，干燥速率也隨之增加，當加熱持續時間為10 min時，加熱速率達到最高，但隨著射頻加熱進行，加熱速率開始下降，這一結果也與謝雨岑[19]的結果一致。可能是隨著射頻-熱風聯合干燥的進行，玉米種子中自由水含量會越來越少，內部水分遷移速率小于表面水分蒸發速率，導致干燥速率逐漸降低。

圖3 射頻聯合熱風加熱不同水分含量的玉米籽粒干基水分含量和干燥速率變化Fig.3 Changes in moisture content and drying rate of corn kernels with different moisture contents under RF-hot air treatment

在相同加熱溫度下，加熱速率隨著初始水分含量的增加而降低，在85 ℃加熱10 min條件下，水分質量分數19.05%、22.25%和25.55%玉米籽粒的加熱速率分別為0.97、0.75、0.65 g/（g·min）。這可能是因為高水分含量的玉米種子需要更長的加熱時間和射頻與熱風提供的更多熱量用于水分蒸發，而且考慮到射頻能量轉化的最關鍵因素電損耗因子與水分含量呈正相關，高水分含量玉米籽粒具有較大的電損耗因子，射頻能量的穿透深度隨物料初始水分含量的升高而降低，導致加熱速率降低[20]。

2.3 射頻聯合熱風加熱降解玉米中AFB1效果

由表1可知，在85 ℃、持續時間20 min下，不同初始水分含量的玉米籽粒AFB1殘留量顯著降低（P＜0.05）。初始水分質量分數19.05%、22.25%、25.55%的玉米籽粒分別降低至15.22、17.18、17.79 μg/kg，說明在高水分含量狀態下，隨水分含量增加，其降解效果降低，結果與3 種水分含量射頻干燥速率結果一致。這可能是由于水分質量分數19.05%玉米籽粒加熱速率高于22.25%和25.55%玉米籽粒，導致高水分含量玉米籽粒降解效果變差。在水分質量分數19.05%條件下，隨著射頻加熱溫度的升高，AFB1殘留量顯著減少（P＜0.05）。當射頻加熱溫度達到85 ℃，AFB1殘留量降低至15.22 μg/kg，其殘留量遠低于其他溫度處理，說明AFB1對加熱溫度敏感，結果與王周利等[21]相一致，表明高溫對AFB1有一定降解作用。

表1 射頻加熱溫度和持續時間對不同水分含量玉米中AFB1的降解效果Table 1 Effects of RF heating temperature and duration on AFB1 residue in corn with different moisture contents

隨射頻加熱時間延長，A F B1污染明顯減少（P＜0.05）。射頻加熱持續時間為25 min時，AFB1污染減少至12.18 μg/kg，在整個處理過程中，殘留量最低，與Vearasilp[13]、Appugol[22]等的結果類似。射頻加熱降解AFB1的效果表明，延長持續處理時間比提高加熱溫度更有效。

2.4 射頻聯合熱風加熱對玉米籽粒內部水分變化規律的影響

由表2可知，在85 ℃加熱20 min條件下，初始水分質量分數19.05%的玉米籽粒T21和T23小于水分質量分數22.25%、25.55%，但無顯著差異（P＞0.05）。水分質量分數19.05%的玉米籽粒結合水峰面積和總面積小于22.25%、25.55%，差異顯著（P＜0.05）。說明在高水分射頻加熱狀態下，水分含量越低越有利于玉米籽粒內部水分流動，直至完全干燥。初始水分質量分數19.05%，加熱時間20 min，隨著加熱溫度的上升，峰面積A21波動降低，而峰面積A22和A23呈現先上升后降低的趨勢，可能是因為射頻加熱過程中，玉米籽粒的結合水向不易流動水和自由水轉變[23]。這說明玉米籽粒在干燥過程中，結合水向不易流動水過度轉化為自由水，更加有利于水分散失。在干燥后期，不易流動水和自由水含量開始降低，說明隨著干燥的進行，玉米籽粒中的不易流動水轉化為自由水被蒸發，一部分轉化為結合水與蛋白質等大分子物質結合更加緊密，結合水相對增加。初始水分質量分數19.05%條件下，加熱溫度85 ℃，隨著加熱時間延長，玉米籽粒的T21、T22、T23總體呈下降趨勢，說明3 種狀態水的T2峰向左移動，隨加熱時間延長，3 種狀態水結合程度不斷增強，射頻聯合熱風加熱過程改變了玉米內部原有的熱力學平衡狀態，使其由低熱熵、低序狀態向高能、有序狀態轉變。對于3 種水的峰面積，結合水峰面積A21呈顯著降低的趨勢（P＜0.05），而不易流動水變化并無規律，可能是不易流動水的流動性介于自由水和結合水之間，與非水物質結合較弱，可以向自由水和結合水轉化。而水的總峰面積不斷降低，說明隨著時間延長，水分流動性不斷加強[24]。

2.5 射頻聯合熱風加熱對玉米籽粒品質的影響

2.5.1 射頻聯合熱風加熱對玉米籽粒蛋白質和脂肪含量的影響

由表3可知，在85 ℃、20 min射頻加熱條件下，蛋白質含量隨著水分含量變化并無顯著差異，說明射頻加熱過程中蛋白質含量變化與玉米籽粒初始水分含量并無顯著相關性。在相同水分含量條件下，蛋白質含量隨加熱溫度的增加和加熱時間的延長而增加，但差異不顯著（P＞0.05），蛋白質含量增加可能是由于射頻處理導致玉米中結合水與氮基結合能力變強，蛋白質含量進而增加，在射頻加熱過程中蛋白質的變化與鄭阿娟[25]的研究一致，射頻處理后大米[26]和板栗[27]中的蛋白質也存在相似的現象。在相同水分含量條件下，脂肪含量隨著加熱溫度的升高和加熱時間的延長輕微增加，但差異并不顯著（P＞0.05），在射頻加熱過程中粗脂肪含量的變化與魏碩等[1]的研究一致。

2.5.2 射頻聯合熱風加熱對玉米黏度的影響

由表4可知，在85 ℃、20 min射頻加熱條件下，初始水分含量越高，其峰值黏度、最低黏度、最終黏度、回生值越高。與低水分含量玉米籽粒相比，高水分狀態下的玉米支鏈淀粉與水相聚合度更強，黏度指標相比更高[26]。在相同初始水分含量下，隨著水分加熱溫度的升高和加熱持續時間的延長，玉米黏度指標整體呈下降趨勢。影響玉米黏度的主要因素有內源淀粉比例和淀粉結構等[28]。在射頻加熱過程中，射頻輻照會對支鏈淀粉長鏈中的碳氫鍵和氫氧鍵造成破壞，導致支鏈淀粉的聚合度下降，而支鏈淀粉的聚合度和玉米淀粉的黏度呈正相關，因此玉米淀粉的黏度也隨之下降。其次，支鏈淀粉聚合度的下降也會使得淀粉顆粒變小且直鏈淀粉含量上升，直鏈淀粉含量越高則回生值越低，因此隨著射頻加熱溫度的增加和時間的延長，回生值呈明顯的下降趨勢[28]。糊化衰減值、最終黏度與食味值呈負相關，峰值黏度降低，使玉米更耐蒸煮[29]，說明射頻可以改善玉米籽粒的食味值，提高蒸煮品質。

表4 射頻聯合熱風不同加熱處理對玉米黏度指標的影響Table 4 Effects of RF-hot air treatment on viscosity properties of corn

2.5.3 玉米品質與水分遷移相關性分析

如表5所示，T21、T23與峰值黏度、最低黏度、最終黏度、回生值呈極顯著正相關（P＜0.01），與蛋白質、脂肪和衰減值呈負相關。T22與峰值黏度、最低黏度、最終黏度、回生值呈負相關，與蛋白質、脂肪和衰減值呈正相關，但不顯著（P＞0.05）。該結果證實射頻加熱過程中，結合水和自由水的散失導致支鏈淀粉與水的聚合度降低[28]，且加熱過程中使直鏈淀粉-脂肪復合物減少，玉米結構更為松散，致使黏度降低。

表5 低場核磁共振參數與不同加熱持續時間下玉米籽粒品質的線性回歸分析Table 5 Correlation analysis between water mobility parameters and quality characteristics of corn grains under different heating durations

結合水峰面積（A21）和總峰面積（A2）與玉米的峰值黏度、最低黏度、最終黏度、回生值呈極顯著正相關性，與蛋白質、脂肪呈負相關；不易流動水峰面積（A22）與峰值黏度、最低黏度、最終黏度、回生值呈負相關，說明在加熱過程中不易流動水在向結合水、自由水轉變減少時，其黏度增加，這與陳潔等[30]研究結果類似。自由水峰面積（A23）與峰值黏度、回生值呈顯著負相關（P＜0.05），與脂肪、最低黏度、衰減值、最終黏度呈顯著正相關（P＜0.05）。因此，在射頻加熱過程中，可以通過水分分布狀態預測玉米籽粒淀粉的糊化程度，從而判斷玉米籽粒品質優劣。

3 結論

AFB1作為玉米貯藏過程中主要的真菌毒素，食用后會給人畜帶來極大危害。本研究通過射頻-熱風聯合處理玉米中的AFB1，對其殘留量和玉米品質進行分析，結果表明：1）不同射頻加熱溫度和持續時間對不同初始水分含量的玉米中AFB1的降解效果不同，降解效果最佳條件為初始水分質量分數19.05%、射頻加熱溫度85 ℃、射頻加熱持續時間25 min，AFB1降解率為75.64%，AFB1殘留量12.18 μg/kg。同時，AFB1降解殘留量隨著水分含量增加而增加，隨著加熱溫度的增加和持續時間的延長而減少，且延長持續時間效果優于提高加熱溫度；2）利用低場核磁共振技術對射頻聯合熱風加熱玉米籽粒過程中水分分布進行研究，并對加熱過程中玉米蛋白質、脂肪、黏度指標進行檢測，結果表明，干燥過程中水分流動性變差，自由水含量降低，結合水與大分子物質結合更為緊密，其蛋白質、脂肪含量與未處理樣品相比無顯著差異，黏度指標呈下降趨勢，說明射頻聯合熱風加熱可有效提高玉米蒸煮品質。本研究證實射頻-熱風聯合處理方法可有效降解玉米中的AFB1，加熱過程中對玉米品質未造成明顯的影響，為消減染毒玉米的AFB1提供了一定的技術支持與理論依據。