紫外照射对留胚米稳定性的影响

姜 蓓 吕庆云,2 周 坚,2 金刚强 陈 轩

(武汉轻工大学食品科学与工程学院1，武汉 430023)(大宗粮油精深加工省部共建教育部重点实验室2，武汉 430023)(衢州市库米赛诺粮食机械制造有限公司3，衢州 324000)

留胚米是指稻谷在经过轻度碾磨加工后，留胚率能达80%以上的一种米[1]。留胚米与精米相比营养丰富，口感相对于糙米又有所改善，是一种较为理想的优质主粮[2]。其富含蛋白质、脂肪、维生素和矿物质等多种营养成分[3]。近年来，随着人们对健康营养饮食的要求越来越高，留胚米日益成为高品质的粮食消费品，是大米加工的发展方向[2]，其市场也随之越来越大。留胚米中脂类含量丰富，同时脂类是导致留胚米储藏品质劣变的主要因素。储藏过程中，由于失去稻壳的保护，留胚米中的脂类与氧气接触而氧化，在脂肪酶的作用下发生分解，极易氧化酸败[4]，致使留胚米品质劣变[5]。因此开发有效的稳定化技术是延长留胚米货架期的关键，能有效延缓留胚米的品质劣变，对大米加工企业而言有积极的意义。

目前，国内外留胚米的稳定技术较为普遍的是低温处理、微波处理留胚米、充气包装。低温处理只能稳定较短时间并不能长时间保证其品质，且成本较高，在市场上，既不环保也不易实现。微波处理留胚米可使其脂肪酶钝化，效果不错，但微波处理会使米粒的温度升高，易增加碎米率和爆腰率，会影响留胚米的售出。充气包装可以隔绝氧气，但留胚米在酶的作用下仍然会发生缓慢氧化，所以充气包装也是只能较短时间的稳定留胚米。紫外线是一种波长范围为 136～390 nm 的不可见光线，其波长在 240～280 nm 的时候具有杀菌作用[6]。因为紫外照射以投资少、能耗小、操作简单方便、无污染等优点[7]广泛应用到快速杀灭米粒内部的虫卵和细菌。紫外照射对延缓果蔬的成熟衰老腐烂也有一定的效果。郑杨等[8]发现紫外照射处理能够显著降低韭菜的黄变率和腐烂率，且紫外处理诱导了韭菜中过氧化氢酶(catalase，CAT)、过氧化物酶(peroxidase，POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性的增加，得出紫外照射处理有效的延缓了韭菜保质期。刘璐等[9]采用紫外照射对新鲜玉米胚芽进行稳定化处理，测定紫外照射处理后玉米胚芽中脂肪酶残余活性。发现在照射一定时间后可以钝化玉米胚芽中的脂肪酶活性。吴兴源[10]研究得出适当剂量的紫外辐照, 可以降低柑桔的过氧化物酶活性。本实验主要研究紫外照射钝化留胚米的脂肪酶活性，同时考察留胚米的爆腰率和碎米率、水分散失率，得到紫外处理最优的条件，为开发留胚米的紫外照射稳定化技术与工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

留胚米(晚籼米)，一级大豆油，其他化学试剂均为分析纯。

1.2 实验设备

SW-CJ-2FD净化工作台，DH-420型恒温培养箱，电热鼓风干燥箱，高速万能粉碎机。

1.3 实验方法

1.3.1 单因素实验

取120 g留胚米均匀平铺在纱布上，铺料厚度为1 cm，放置于253.7 nm紫外灯下，通过改变样品与紫外灯之间的距离改变紫外照射强度；由于新鲜的留胚米含水量约为16%，将留胚米放置烘箱40 ℃烘干，每隔30 min快速测定其水分，得到含水量分别为11%、12%、13%、14%和15%(其实际含水量为10.55%、11.71%、12.86%、13.78%、15.53%)。以照射时间为9 min、样品与紫外灯之间的距离6 cm、留胚米初始水分15%作为基本条件，分别调整各因素，进行单因素实验。探究照射时间(3、6、9、12、15 min)、样品与紫外灯之间的距离(4、5、6、7、8 cm)、留胚米初始水分(11%、12%、13%、14%、15%)对留胚米稳定化的影响，每个处理3次重复。

1.3.2 脂肪酶活性的测定

参考GB/T 5523—2008测定脂肪酶活性，脂肪酶活性定义为：中和1 g(干基)留胚米样中脂肪酶水解国标一级油所产生的游离脂肪酸所需的KOH的毫克数[4]，测定脂肪酶酶活力，计算脂肪酶灭活率。

1.3.3 碎米率和裂纹率测定

参考GB/T 21719—2008的方法测定碎米率；裂纹率又称爆腰率，参考GB 1350—2009的方法测定爆腰率。

1.3.4 水分损失率的测定

参考GB 5009.3—2016的方法测定水分，计算水分损失率。

1.3.5 响应面优化微波灭酶工艺

根据单因素实验结果，以脂肪酶的活性为主要指标，同时兼顾水分散失率、爆腰率和碎米率等留胚米品质特性，选取照射时间(A)、照射距离(B)、初始含水量(C)进行三因素三水平的中心组合实验设计，采用Design-ExpertV 8.0.6软件中的Box-Benhnken设计方法对数据进行回归分析，研究紫外照射条件对留胚米中脂肪酶灭活率的影响，优化工艺参数。各因素的编码值和实际值见表1。

表1 因素水平编码表

1.3.6 数据分析

采用SPSS22、Originpro8.5和Excel软件进行数据分析。测定结果均重复3次。采用多样本均数比较(ANOVA)和LSD检验计算结果的显著性差异。误差与标准差相对应。

2 结果与分析

2.1 紫外照射对留胚米脂肪酶活性的影响

留胚米中脂肪酶的含量与脂肪酸的含量没有直接关系，在良好的条件情况下储藏留胚米，脂肪酶的含量是降低的[11-13]。但无论储藏环境如何，都不能钝化脂肪酶的活性，所以储藏的留胚米中脂肪酸值会不断地升高[14]，引起脂肪氧化酸败，从而影响留胚米的品质。为了延长留胚米的储藏期，必须钝化脂肪酶酶活性。如图1所示，随着紫外照射时间的增加，脂肪酶灭活率会逐渐增加，当照射时间超过12 min后，再继续增加照射时间，脂肪酶灭活率增加幅度较小。为了节约能源，应尽量缩短照射时间，因此，选择紫外照射时间为12 min。随着紫外照射距离增加，紫外照射的强度会降低，脂肪酶灭活率会逐渐下降，当照射距离超过5 cm后，脂肪酶灭活率会下降的较为明显，所以照射距离宜为4～5 cm。可见紫外照射处理具有一定程度灭活脂肪酶的效果，从而可以适当延长留胚米的储藏时间。朱松等[15]利用微波处理留胚米，脂肪酶灭活率为68%，豁银强等[4]利用脉冲微波处理留胚米，处理后脂肪酶的活力降低至原来的50%左右，在留胚米脂肪酶灭活方面，紫外处理基本达到了微波处理的效果。随着留胚米初始含水量的增加，脂肪酶灭活率呈现先平缓后下降趋势，当初始含水量为13%时，脂肪酶灭活达到最高为61.38%，且较高水分的留胚米比低水分的留胚米食用品质好。当初始含水量继续增加时，脂肪酶灭活率随之下降，且含水量过大，会增加后期储藏难度，高含水量会使留胚米呼吸作用旺盛，脂肪酶、蛋白酶活性较高，代谢速度较快，加速留胚米品质的劣变[16]。所以留胚米的初始含水量应控制在13%左右。

图1 紫外照射对脂肪酶灭活率的影响

2.2 紫外照射对水分散失率的影响

含水量的差别会影响留胚米的货架期及食用品质，水分过低虽然可抑制微生物的生命活动，但米饭的食用品质也会降低很多，留胚米含水量高，脂肪酶活性也会较高，储藏期间会加速留胚米品质的劣变；留胚米含水量低，也就能降低脂肪酶的活性，从而稳定留胚米品质。低含水量虽能保证留胚米的稳定性，却很难保证留胚米的口感和新鲜度[17]。潘巨忠等[18]研究不同含水量大米储藏效果，得出不同水分条件的大米的保鲜效果不同。因此，适当控制留胚米的含水量，既能保证留胚米的口感和新鲜度又能保障留胚米的稳定性。由图2可知，紫外照射时间从3 min增加到15 min，水分散失率的变化幅度低于0.1%，说明紫外照射时间对留胚米的含水量影响不大。紫外照射距离从4 cm增加到8 cm，水分散失率变化幅度低于0.2%，由此可得知改变紫外照射距离不会影响留胚米的含水量。留胚米的初始含水量不同，经紫外照射后，留胚米的水分损失率变化幅度不超过0.17%，所以不同初始含水量的留胚米经过紫外照射后，对含水量影响较小。根据豁银强等[4]的研究，脉冲微波处理后，微波热效应导致留胚米温度升高明显，从而导致原料含水量下降了3%左右，而原料含水量的变化更容易引起留胚米食用品质的变化，与此比较，紫外处理基本不引起原料温度的升高，含水量损失更少，在稳定留胚米食用品质方面具有一定优势。

图2 紫外照射对水分散失率的影响

2.3 紫外照射对碎米率、爆腰率的影响

碎米率和爆腰率都会影响留胚米的食用品质和市场价值，因此在处理留胚米时要控制碎米率和爆腰率。由表2可知，紫外照射条件的变化对留胚米的碎米率和爆腰率的影响。随着照射时间的增加，碎米率会逐渐增加，增加幅度为0.33%；爆腰率也会随之增加，增加幅度为0.53%。由表3可知，紫外照射距离对碎米率没有影响。随着紫外照射距离的增加，爆腰率会逐渐下降，下降幅度为0.27%。由表4可知，留胚米初始含水量对碎米率没有影响。爆腰率会随初始水分的降低而增加，增加幅度为3.6%，但不能排除样品前处理的影响。由2.1可知，初始含水量越低，脂肪酶灭活率越高，但爆腰率也随之增加，所以留胚米初始含水量应控制在12%～13%。该结论与2.2紫外照射对水分散失率的影响结论一致，紫外线照射会引起留胚米部分水分散失，而紫外线穿透能力不如微波，推测损失的水分主要在表面，表面水分的散失，造成留胚米内外水分重新分布，受力不均匀形成部分裂纹和碎米，与脉冲微波处理后爆腰率和碎米率增加近3%比较[4]，紫外处理具有一定优势。

表2 不同照射时间对碎米率和爆腰率影响

表3 不同照射距离对碎米率和爆腰率影响

表4 不同初始含水量对碎米率和爆腰率影响

2.4 响应面优化紫外照射最佳条件

2.4.1 实验设计及结果

根据Box-Behnken响应面设计原理，结合单因素实验，制订响应面设计实验方案，见表5。

表5 响应面实验设计及其响应值

2.4.2 响应面模型的建立

按照表5进行实验，并对响应面实验结果进行多元二次回归分析，可以获得脂肪酶灭酶率关于照射时间(A)、照射距离(B)、初始含水量(C)的二次多元回归方程为：

Y=65.5-4.23A-3.11B-0.99C-3.44AB-2.12AC-0.13BC-6.89A2-2.53B2-2.26C2

2.4.3 各因素对脂肪酶灭活率的影响

模型统计参数和方差分析结果见表6。回归方程的模型极显著(P=0.000 1<0.01)，失拟项不显著(P=0.534 5>0.05)，表明实验数据与模型拟合度较好，代表性达到良好水平，信噪比为17.418，表明方程的可信度高，选择恰当，可用于预测脂肪酶灭活率实验结果分析，C.V值为0.025 2，说明实验操作的准确度高，比较可靠。R2=0.972 3，RAdj2=0.936 7，说明二次模型的模拟合理，可信度较高。由P值可以得出A、B、AB、A2对脂肪酶灭活率的影响极显著，AC、B2、C2对脂肪酶灭活率的影响显著，C、BC对脂肪酶灭活率的影响不显著。

表6 方差分析和统计模型参数

2.4.4 交互作用

由回归方程，做出等高线及响应曲面，根据拟合响应面的形状分析各因素对脂肪酶灭活率的影响，等高线的形状反应出交互作用的强弱趋势。图3、图4为AB、AC对脂肪酶灭酶率影响的响应面和等高线图，由图7可知，等高线图形为椭圆，说明照射时间和照射距离交互作用对脂肪酶灭活率存在影响，且影响较显著，即选择合适的照射时间和照射距离搭配更加有利于提高脂肪酶灭活率。由图8可知，等高线图近似圆形的椭圆，说明照射时间和初始含水量对脂肪酶灭活率存在影响，但交互作用较弱。

图3 照射时间和照射距离对脂肪酶灭活率的影响

图4 照射时间和初始含水量对脂肪酶灭活率的影响

2.5 最优参数的确定及模型验证

根据求解方程，得出脂肪酶灭活率最高的紫外处理条件为照射时间11.52 min、照射距离4.5 cm，初始含水量12.87%，此时脂肪酶灭活率为66.69%。由于考虑到计算优方案的实际操作可行性，将条件修正为照射时间11.50 min、照射距离4.5 cm、初始含水量13%，通过3次重复实验进行模型验证，实验结果为 66.73%，这与预测模型基本一致。且在此条件下，碎米率增加0.12%、爆腰率增加1.63%、水分散失率增加0.38%，处于可以接受范围内，因此，利用响应面分析法优化得到的脂肪酶灭活工艺是可行的。

3 结论

采用紫外照射处理留胚米，发现紫外照射处理可以有效降低脂肪酶酶活力。以脂肪酶灭活率为主要指标，同时考虑水分散失率、爆腰率和碎米率，根据单因素实验结果，设计响应面优化实验，得到了留胚米紫外照射稳定化最佳工艺参数为：照射时间11.50 min、照射距离4.5 cm、初始含水量13%。此条件下脂肪酶灭活率达到66.73%、且碎米率增加0.12%、爆腰率增加1.63%、水分散失率增加0.38%，处于可以接受范围内，因此可以选为紫外照射稳定留胚米的工艺参数。