米糠微波保鮮的機(jī)理與應(yīng)用

鄭小非，萬紹平，李琳郁，鄭怡鴻

(1.江西省糧油科學(xué)技術(shù)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(chǎn)品，約占稻谷總質(zhì)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(yǎng)成分，而米糠油則因富含谷維素、維生素E、植物甾醇等營養(yǎng)物質(zhì)而被世界衛(wèi)生組織稱之為“最健康”食用油。

2015年度我國大米產(chǎn)量約為1.46億t，應(yīng)有米糠量高達(dá)1 500余萬t,而米糠毛油的產(chǎn)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(dá)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(qiáng)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(zhì)，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(zhì)的問題，對米糠微波保鮮技術(shù)進(jìn)行了研究。經(jīng)過中試生產(chǎn)實踐表明：利用微波對出機(jī)新鮮米糠進(jìn)行即時滅酶處理，具有保鮮效果好、貯存期長、工藝簡單、設(shè)備配置靈活、易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等特點。本文主要就該項技術(shù)的原理與特征、中試生產(chǎn)實踐、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(zhì)是利用微波對米糠中的解脂酶進(jìn)行滅活處理，其機(jī)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(zhì)極性分子(水)的正負(fù)電荷方向因極化作用而發(fā)生高速交替變化產(chǎn)生摩擦熱，使微波能轉(zhuǎn)化為熱能在物質(zhì)內(nèi)部表現(xiàn)出來[2]。

微波加熱的主要特征：吸收微波后被加熱物質(zhì)本身成為發(fā)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(yīng)(生物效應(yīng))的共同作用的結(jié)果。

微波對酶的熱效應(yīng)：使蛋白質(zhì)變性而致酶失去活性。

微波對酶的非熱效應(yīng)：微波電場改變細(xì)胞膜斷面的電位分布，影響細(xì)胞膜周圍電子和離子濃度，從而改變細(xì)胞膜的通透性能，酶無法正常發(fā)揮作用，細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能紊亂，生長發(fā)育受到抑制而死亡。此外，微波能使酶的正常生長和穩(wěn)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(fā)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(yǎng)成分保持完全和節(jié)約能源。

由上可知，微波的熱效應(yīng)是以極性物質(zhì)水為必要條件實現(xiàn)的，而其非熱效應(yīng)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(dá)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(zhì)貯存時間；(2)米糠含油細(xì)胞中的水分因瞬時受熱汽化，壓力升高沖破細(xì)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(xì)胞壁破裂使胞內(nèi)油脂處于游離狀態(tài)，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(zhì)等有益成分損傷較少的同時，色素等物質(zhì)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(zhì)。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(zhì)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(chǎn)生酸敗。只有在糙米進(jìn)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(fā)生,從而導(dǎo)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(jìn)行處理，即時抑制和鈍化其活性是米糠保鮮的關(guān)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(guān)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(yīng)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(dāng)要求總水分含量低于2.8%時，減去4.5%結(jié)合水[3]，則游離水的實際含量應(yīng)≤2%。這對于使用常規(guī)加熱方式而言，要快速穩(wěn)定地達(dá)到此指標(biāo)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(zhì)并不要求將脂肪酶徹底滅活，而只需對其活性進(jìn)行有效抑制，使米糠酸值在有限的貯存期內(nèi)保持相對穩(wěn)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(jī)輕碾出白的作業(yè)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(dǎo)致的升溫，糙米加水濕潤、碾米噴濕等技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)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(fā)出的水分被米糠所吸附，導(dǎo)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(yīng)用微波進(jìn)行米糠保鮮的基本要求是保鮮作業(yè)必須與大米生產(chǎn)同步進(jìn)行，即利用微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，對新鮮米糠進(jìn)行連續(xù)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(shè)備

原料：早、晚秈稻谷加工的出機(jī)新鮮米糠，南昌新建區(qū)樂化大米廠。裝備：10 kW米糠微波保鮮中試生產(chǎn)線一條。儀器：常規(guī)指標(biāo)檢測必需儀器一套。

3.2 檢測方法

各項指標(biāo)均按照國家規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、方法與儀器進(jìn)行檢測。

3.3 試驗方法

在總結(jié)與分析原有試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定中試方案、工藝流程和設(shè)備配置。通過試驗對相關(guān)因素和設(shè)備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，以得出米糠微波保鮮技術(shù)的實施方法、效果及可應(yīng)用于實際生產(chǎn)的結(jié)論。

中試生產(chǎn)規(guī)模：100 kg/批·出機(jī)新鮮米糠；

米糠品質(zhì)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(shè)備參數(shù)優(yōu)化組合

在中試生產(chǎn)規(guī)模條件下，經(jīng)過反復(fù)試驗與調(diào)整，對工藝及設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化組合，具體數(shù)值見表1。

表1 工藝與設(shè)備參數(shù)優(yōu)化組合數(shù)值

4 結(jié)果與分析

4.1 中試生產(chǎn)結(jié)果

按照表1所示的工藝及設(shè)備優(yōu)化參數(shù)組合數(shù)值，以同品種的出機(jī)新鮮米糠為原料，在30 min內(nèi)、按100 kg/批的料重進(jìn)行連續(xù)微波輻照處理。分別提取微波保鮮樣與未經(jīng)處理的對照樣進(jìn)行貯存試驗，即在37 ℃條件下強(qiáng)化貯存30 d，所得結(jié)果如表2所示。

由表2可知：在中試生產(chǎn)條件下，經(jīng)微波處理及強(qiáng)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(jīng)微波保鮮后的含水率為5.57%，遠(yuǎn)高于脂肪酶活性所需的2.8%，但酸值穩(wěn)定，由此可證明微波非熱效應(yīng)的真實存在，并且對抑制酶活性發(fā)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(zhì)，即毛油的游離脂肪酸與含油率不相關(guān)。

表2 微波米糠保鮮中試結(jié)果

注：原糧為早秈谷，加工方法為加濕法。

4.2 相關(guān)因素分析

4.2.1 實際生產(chǎn)中米糠及其酸敗的特征

在生產(chǎn)實際中，米糠中的水分、溫度均隨著加工的進(jìn)程處于動態(tài)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(jī)新鮮米糠進(jìn)行分析比較，相關(guān)指標(biāo)的檢測結(jié)果如表3～表5所示。

表3 出機(jī)新鮮米糠基本成分 %

注：取常規(guī)加工方法的出機(jī)新鮮米糠測定；風(fēng)運整理后樣，含粞≤0.5%。

出機(jī)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(dá)33.27%，由于淀粉與水蒸汽結(jié)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(guī)模相同而加工方法不同的米廠進(jìn)行考察，對碾米機(jī)新鮮米糠即時取樣與檢測，主要指標(biāo)檢測結(jié)果如表4所示。

表4 不同加工方法出機(jī)新鮮米糠主要指標(biāo)檢測結(jié)果

注：原糧均為早秈稻谷，含水13.23%；三機(jī)出白后為成品標(biāo)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(nèi)進(jìn)入索氏抽提程序。

由表4可知：出機(jī)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(guī)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(guān)。另外，出機(jī)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(qū)間，故其酸值的上升極為迅速：自米糠出機(jī)至風(fēng)運整理的短時間內(nèi)，其酸值的上升均已超過10%。

經(jīng)風(fēng)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(jié)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(nèi)溫度較出機(jī)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(wěn)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(yōu)化組合

微波滅酶機(jī)理包括熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)兩個要素，其中熱效應(yīng)是以米糠中極性物質(zhì)—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(fā)迅速的特點，這對于常規(guī)微波加熱干燥作業(yè)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(jìn)行微波保鮮時，顯得更為突出。

如上所述，對出機(jī)新鮮米糠進(jìn)行即時隨機(jī)處理，是將其酸值控制于最低水平的必要前提。出機(jī)新鮮米糠的含水率約為15.5%～16.5%，經(jīng)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(jī)新鮮米糠所含水分為依據(jù)，以變化微波功率、料層厚度和排濕風(fēng)量等參數(shù)為條件，進(jìn)行相互協(xié)調(diào)和匹配試驗。

經(jīng)過相關(guān)參數(shù)優(yōu)化組合，對樣品進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表6所示。

表6 米糠微波保鮮優(yōu)化組合檢測結(jié)果

注：出機(jī)米糠在0.5 h內(nèi)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(yīng)延長，提高了非熱效應(yīng)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(fēng)量以降低水分遷移速率，使料層內(nèi)保持相對濕熱環(huán)境，加強(qiáng)和鞏固了保鮮效果，并從根本上解決了因水分蒸發(fā)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(nèi)。

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(jìn)行米糠毛油提取實驗，結(jié)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(jié)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(jié)論

微波保鮮裝置可不受新、老米廠及生產(chǎn)規(guī)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(shù)進(jìn)步所致，現(xiàn)微波發(fā)生器的使用壽命已經(jīng)達(dá)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(jìn)行保鮮處理，無需加濕調(diào)質(zhì)和干燥，工藝簡單，無需輔助設(shè)備，節(jié)約了投資和能耗。

經(jīng)中試生產(chǎn)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(nèi)，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(jīng)濟(jì)和社會效益明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪培德.油脂加工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]周家春，翁新楚.食品工業(yè)新技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] 汪學(xué)德，王玉蘭.油脂制備工藝與設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4] 萬紹平，鄭小非.一種隧道式微波植物細(xì)胞破壁裝置：中國，CN202570152U[P].2012-12-05.

[5]姚斌，鄭勤紅，彭金輝，等.饋口位置及負(fù)荷對微波加熱效果的影響及優(yōu)化[J].材料導(dǎo)報B：研究篇，2012，26(4)：161-163.●