胚芽米微波滅酶工藝

朱 松， 宋善武， 李進(jìn)偉， 杜朝東， 謝文軍， 張 鵬， 劉元法*

（1.食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122；2.北京古船米業(yè)有限公司，北京 101301；3.江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫214122）

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

胚芽米：北京古船米業(yè)有限公司；脂肪酶：美國Sigma公司；傘形酮酰酯：美國Sigma公司；三羥甲基氨基甲烷，鹽酸：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

101-1 -BS電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；微波爐：廣東美的微波爐制造有限公司；EL204分析天平：METTLER TOLEDO公司；熒光分光光度計：日本島津公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 單因素實驗

1）胚芽米初始水分對脂肪酶滅活率的影響：控制胚芽米初始水分采用的文獻(xiàn)[12]的方法。分別調(diào)節(jié)初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、10%、12%、14%、16%和18%，準(zhǔn)確稱取3 g胚芽米，物料厚度為3.00 cm，在微波劑量為2.0 kW/kg情況下處理2 min，測定脂肪酶酶活，計算其滅活率。

2）微波劑量對脂肪酶滅活率的影響：將胚芽米的初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在14%，物料厚度為3.00

胚芽米又稱留胚米，是稻米在加工過程中保留了其胚芽部分的一種精制米[1-2]。胚芽米既有糙米的營養(yǎng)又有精白米的口感。胚芽米可以使人的體質(zhì)堿性化、保持皮膚光澤、降低身體膽固醇、降低高血壓、心臟病、肥胖、便秘的發(fā)生率[3-5]。長期以來，國內(nèi)外對胚芽米的研究多側(cè)重于加工設(shè)備的改進(jìn)，對胚芽米儲藏的研究相對較少。由于胚芽米中胚芽部分存在較多的脂肪酶，導(dǎo)致其貨架期較短。為延長胚芽米的儲藏時間，確保胚芽米安全，需要對胚芽米中脂肪酶進(jìn)行鈍化處理。微波作為一種高新技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域，微波加熱可從食品內(nèi)部加熱，加熱均勻、速度快、營養(yǎng)物質(zhì)損失少，具有能耗小和調(diào)控方便等特點[6-8]。張玉榮等[9]研究表明，微波對小麥胚中的脂肪酶和脂肪氧化酶鈍化效果顯著，對小麥胚起到穩(wěn)定作用。徐浩等[10]研究了米糠微波滅酶工藝，微波加熱時，溫度場和電磁場共同作用于物料，破壞脂肪酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使脂肪酶鈍化或完全失活[11]。因此，作者以胚芽米為研究對象，以鈍化脂肪酶酶為目的，獲取微波處理最優(yōu)的條件，研究了微波對胚芽米的營養(yǎng)成分產(chǎn)生的影響，為推動胚芽米產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供科學(xué)依據(jù)。cm，在不同微波劑量（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0 kW/kg）下加熱2 min，測定脂肪酶酶活，計算脂肪酶滅活率。

3）微波時間對脂肪酶滅活率的影響：將胚芽米的初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在14%，物料厚度為3.00 cm，微波劑量為2.0 kW/kg條件下，加熱不同時間（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 min） 后測定胚芽米中脂肪酶酶活，計算其滅活率。

4）物料厚度對脂肪酶滅活率的影響：在胚芽米的初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%，微波劑量為2.0 kW/kg條件下，物料厚度分別選擇 1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 cm，分別測定脂肪酶酶活力，計算脂肪酶滅活率。

1.3.2 響應(yīng)面優(yōu)化微波滅酶工藝 采用響應(yīng)面的中心組合設(shè)計來研究微波滅酶條件對胚芽米中脂肪酶滅活率的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)。根據(jù)單因素實驗結(jié)果，選取初始水分（X1）、微波劑量（X2）、微波時間（X3）和物料厚度（X4）進(jìn)行四因素三水平的中心組合實驗設(shè)計，其中包括6個中心點，共有29組實驗，各因素的編碼值和實際值見表1。采用二次回歸模型對微波滅酶工藝進(jìn)行模擬，應(yīng)用Desige expert軟件進(jìn)行回歸系數(shù)和方差分析，驗證模型的顯著性。

表1 響應(yīng)面試驗因子水平表Table 1 Independent variables and their levels used for the CCRD

其中，Y 為預(yù)測值；βi為線性系數(shù)；β0為截距；βij為交互作用系數(shù)；βii為平方系數(shù)

1.3.3 脂肪酶酶活的測定 采用傘形酮酰酯熒光法測定脂肪酶酶活[13]。準(zhǔn)確稱取0.1 g粉碎的胚芽米樣品，加入 20 mL 0.2 mol/L Tris-HCl（pH 7.4）緩沖液，冰浴振蕩提取30 min，離心后上清液供測試用。取 2 900 μL 0.2 mol/L Tris-HCl（pH 7.4）緩沖液，50μL胚芽米提取液，50 μL不同濃度的傘形酮酰酯，振蕩30秒后，在發(fā)射波長為440 nm，激發(fā)波長為330 nm處檢測5 min內(nèi)熒光強(qiáng)度的變化，以每分鐘熒光強(qiáng)度的變化來表示脂肪酶的活力。

1.3.4 胚芽米中主要指標(biāo)檢測 蛋白質(zhì)含量測定參照GB/T5009.5-2003中的方法；脂肪含量測定參照GB/T5009.6-2003中的方法；VB1含量測定參照GB 5413.11-2010中的方法；VB2含量測定參照GB 5413.12-2010中的方法；Ca含量測定參照 GB/T 5009.92-2003中的方法。胚芽米的總淀粉含量和直鏈淀粉含量分別用蒽酮比色法和碘比色法測定，支鏈淀粉含量為總淀粉與直鏈淀粉含量之差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始水分對脂肪酶滅活率的影響

由圖1可知，隨著胚芽米初始水分的增加，其中脂肪酶酶活滅活率呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。在初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時脂肪酶滅活率最高。主要是因為水的吸收微波能力較強(qiáng)，水在胚芽米各處均有分布，水分的存在使微波加熱效果更好，加熱更加均勻[14]。隨著物料初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，脂肪酶的抗熱性也隨之下降，微波滅活脂肪酶的效果越來越明顯。但水分含量增加到一定程度后，隨著水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，脂肪酶滅活率呈下降趨勢，且水分過大，后期干燥耗能高。因此胚芽米的初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在12%左右。

圖1 初始水分對脂肪酶滅活率的影響Fig.1 Effect of initial water content on the inactivationof lipase inembryo-remaining rice

2.2 微波劑量對脂肪酶滅活率的影響

微波處理用于酶的滅活主要是由于微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)[15]。微波熱效應(yīng)是指微波能被物料吸收后內(nèi)部溫度升高，導(dǎo)致其內(nèi)部的脂肪酶發(fā)生蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致其鈍化失活。非熱效應(yīng)是指在外電磁場的作用下，物料中細(xì)胞的細(xì)胞膜發(fā)生功能障礙，導(dǎo)致其正常代謝功能受到干擾和破壞，使細(xì)胞RNA和DNA分子結(jié)構(gòu)中的氫鍵松馳、斷裂或重新組合，從而誘發(fā)其基因突變或染色體畸變，中斷細(xì)胞的正常功能，最終導(dǎo)致酶活下降[16]。

微波劑量是影響脂肪酶滅活率的一個重要因素，由圖2可知，隨著微波劑量的增大，脂肪酶滅活率也逐漸增大。在處理時間為2 min的情況下，當(dāng)微波劑量為3.0 kW/kg時，脂肪酶滅活率高達(dá)62.1%，這說明微波處理能顯著降低脂肪酶酶活，起到鈍化脂肪酶的作用。但微波劑量繼續(xù)增大后，胚芽米加熱過度，導(dǎo)致其顏色加深，甚至?xí)a(chǎn)生淺黃色，使胚芽深度熟化，因此微波功率不宜過大。綜上考慮微波劑量宜為2.0～3.0 kW/kg。

圖2 微波劑量對脂肪酶滅活率的影響Fig.2 Effect of microwave dose on the inactivation of lipase in embryo-remaining rice

2.3 微波處理時間對脂肪酶滅活率的影響

由圖3可看出，隨微波處理時間的增加，脂肪酶滅活率逐漸提高，當(dāng)處理時間超過2.0 min后，再增加微波處理時間，脂肪酶滅活率增加的趨勢變得較為緩慢。這是由于隨著微波處理時間繼續(xù)延長，胚芽米中自由水不斷減少，導(dǎo)致其吸收微波的能力下降，其脂肪酶滅活率隨著自由水的減少，其下降趨勢開始變得比較緩慢，而且微波處理時間過長，也會導(dǎo)致胚芽米焦化，所以處理時間宜為2.5～3.5 min，不宜過長。

2.4 物料厚度對脂肪酶滅活率的影響

物料厚度對胚芽米脂肪酶滅活率的影響見圖4。隨著物料厚度的增加，脂肪酶滅活率呈先增加后下降趨勢，當(dāng)物料厚度較薄時，物料會把微波能反射到其表面，從而造成能量的損失，不利于物料對微波的吸收。隨著物料厚度的增大，當(dāng)增大到一定程度后，胚芽米的脂肪酶滅活率上升，這是由于微波對所處理的物料都有一個最佳的穿透深度，當(dāng)物料的厚度繼續(xù)增大，大于微波在該物料最佳穿透深度時，物料內(nèi)部的加熱效果將受到很大的影響，導(dǎo)致脂肪酶滅活率下降，因此物料厚度以控制在2～3 cm為宜。

圖3 微波處理時間對脂肪酶滅活率的影響Fig.3 Effectofmicrowavetreatmenttimeonthe inactivation of lipase in embryo-remaining rice

圖4 物料厚度對脂肪酶滅活率的影響Fig.4 Effect of materials thickness on the inactivation of lipase in embryo-remaining rice

2.5 響應(yīng)面優(yōu)化微波滅酶條件

2.5.1 數(shù)學(xué)模型模擬 響應(yīng)面的實驗結(jié)果和脂肪酶滅活率預(yù)測值見表2。模型統(tǒng)計參數(shù)和方差分析結(jié)果見表3。理想情況下，R2值越小，模型中各變量之間的相關(guān)性越差；R2越接近1，模型的擬合度越好。經(jīng)Desige expert軟件分析得到，模型擬合度R2和校正擬合度R2分別為0.948 7、0.896 7，信噪比為12.55，這些數(shù)據(jù)說明二次模型的模擬是合理的，并且可信度較高，此模型適合不同處理條件下對胚芽米中脂肪酶滅活率的預(yù)測。數(shù)學(xué)模擬得到的二次線性回歸方程為：

表2 響應(yīng)面實驗的實驗值和預(yù)測值結(jié)果Table 2 Complete experimental conditions tested and corresponding observed and predicted values

2.5.2 方差分析 在脂肪酶滅活率預(yù)測模型中，F(xiàn)值為18.52，說明該模擬具有顯著性，可以用于微波處理情況下脂肪酶滅活率的預(yù)測。從實驗結(jié)果可以看出，X3、X1X2、X1X3、X2X3、X3X4、X12、X32對脂肪酶 滅活率影響不顯著，X1、X2、X4、X1X4、X2X4、X22、X42對脂肪酶滅活率影響非常顯著。預(yù)測模型中失擬項F值為2.36，具有不顯著性。這些分析結(jié)果充分說明該預(yù)測模型實用可靠。

表3 方差分析和統(tǒng)計模型參數(shù)Table 3 ANOVA analysis and statistical parameters of the model

2.5.3 交互作用 圖 5（a）、（b）是（X1，X2）響應(yīng)面的等值線圖和3D圖，在微波時間和物料厚度相對固定的條件下，它反映了初始水分和微波劑量以及他們的交互作用對脂肪酶酶活滅活率的影響。在最低的初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（12%）與最低的微波劑量（1.5kW/kg）條件下，脂肪酶滅活率僅為51.23%。增加初始水分（15%）和提高微波劑量（2.5 kW/kg）可能將轉(zhuǎn)化率提高到64%以上。這說明初始水分（X1）和微波劑量（X2）對脂肪酶滅活率影響較大。

微波時間和物料厚度交互作用對脂肪酶滅活率的影響，詳見圖 5（c）、（d）。 實驗中，微波時間和物料厚度對脂肪酶滅活率的影響是顯著的，隨著物料厚度的增加，脂肪酶滅活率呈增加趨勢，隨后有所下降。當(dāng)微波時間為2.5 min時，滅活率達(dá)到62.25%，然而，繼續(xù)增加微波時間，滅活率有所降低，處理時間的增加導(dǎo)致水分減少所致。

2.5.4 最優(yōu)參數(shù)的確定及模型驗證 根據(jù)等值線圖確定最優(yōu)條件：初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%；微波劑量為2.0 kW/kg；微波時間為2.6 min；物料厚度為3.3 cm，該條件下模型預(yù)測脂肪酶滅活率為68.08%。通過3次重復(fù)實驗進(jìn)行模型驗證，實驗結(jié)果為68.12%，這和預(yù)測模型基本一致。

2.6 微波處理對胚芽米主要指標(biāo)的影響

微波處理前后，胚芽米的主要指標(biāo)檢測結(jié)果見表4。結(jié)果表明，微波處理前后胚芽米的主要指標(biāo)的測定結(jié)果都沒有顯著性差異，即微波處理后胚芽米品質(zhì)不會發(fā)生明顯變化。

3 結(jié) 語

采用微波技術(shù)處理胚芽米可以有效降低脂肪酶酶活力，延長胚芽米的儲藏時間。研究發(fā)現(xiàn)，其滅活效果受胚芽米初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微波劑量、微波時間以及物料厚度等因素的影響，各因素間均有顯著的交互作用。微波滅酶的最佳條件是：初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%；微波劑量為2.0 kW/kg；微波時間為2.6 min；物料厚度為3.3 cm；在此條件下胚芽米脂肪酶滅活率為68.12%。微波處理后對胚芽米主要指標(biāo)沒有明顯影響。

圖5 Y=f（X1，X2）、f（X3，X4）的響應(yīng)面圖和等值線圖Fig.5 Response surface and contours of Y=f（X1，X2）、f（X3，X4）

表4 胚芽米的主要指標(biāo)檢測結(jié)果Table 4 Detection results of the main indicators of embryo-remaining rice