微波处理工艺对米糠酸价的影响

孔杭如，梅玉，亓盛敏，陈珺，盖华伟，张连慧，由高铭，白术群*

（1.中粮营养健康研究院营养健康与食品安全北京市重点实验室，北京 102200；2.中粮粮谷控股有限公司，北京 102200）

米糠是稻米精细加工过程中所产生的主要副产物之一，其主要组成成分包括糙米的外表皮层、少量的米胚和碎米[1]。作为国际公认的“营养源”[2]，米糠中富含脂肪、蛋白质和碳水化合物等基础营养素，并含有多种抗氧化物质如谷维素、生育酚等[3]，可广泛应用于食物、医疗、工业、保健、饲料等多个行业[2]。但由于米糠中脂肪酶和氧化酶活性较高，在夏季高温、高湿环境中极不稳定，易在运输及贮藏过程中发生酸败变质，从而导致其综合利用率降低[4]。因此，米糠在储藏期内的酸价处于相对稳定状态是提高米糠综合利用率的前提。

米糠稳定技术主要包括物理法、化学法及生物法。微波稳定技术属于物理法，其原理是利用超高电磁波快速均匀加热米糠，作用于酶，在温度和电场的双重作用下使蛋白质变性，进而使脂肪酶、氧化酶等酶类失去活性[5-6]。微波稳定技术具有时间短、速度快、保鲜效果好、延长贮存期、营养成分保持较完全且节约能源等优势，微波设备具有工艺简单、设备配置灵活、易于实现产业化等特点[4，7]，在食品工业上的应用前景十分广阔。

脂质是米糠的主要成分，储藏期间水解增加的游离脂肪酸决定了米糠的品质和新鲜程度，而酸价是衡量谷物中游离脂肪酸含量的依据[6]。米糠用于榨油或进一步制备谷维素等价值较高产品时，对其品质要求较高，通常会要求米糠的酸价指标处于一定限值以下。目前关于微波处理米糠的研究主要集中在对米糠过氧化值和酶活力的考察，而很少有研究从延长米糠保质期的角度出发，考察微波处理工艺对米糠酸价的影响[5，8-9]。本文以酸价作为评价指标来确定米糠的水解酸败程度，衡量米糠保质期期限，试验从微波处理温度、微波作用频率和铺料厚度3 个因素出发，将米糠连续储藏时间的酸价作为指标，通过单因素和正交试验确定微波处理米糠的最佳工艺条件，从而达到延缓其酸价变化、延长保质期的目的，为改善米糠货架期、提高米糠的利用率及开发米糠相关产品提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

米糠：中粮（沈阳）米业有限公司；乙醚、乙醇、无水硫酸钠、石油醚、酚酞（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

BP-24kWGSM 型实验室微波设备：山东华诺微波设备有限公司；RE-52A 旋转蒸发仪：北京神泰伟业仪器设备有限公司；LHS-250HC-II 型恒温干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；HH-M8 恒温水浴锅：江苏春兰仪器有限公司；4760151 型自动电位滴定仪：德国普兰德公司；X3R 离心机：赛默飞世尔科技公司。

1.3 方法

1.3.1 单因素试验设计

1.3.1.1 处理温度对米糠稳定化效果的影响

以米糠为样本，微波作用频率恒定（6 Hz），铺料厚度恒定（3 cm），处理温度设置65、75、85、95、105 ℃5 个水平，以37 ℃、40%相对湿度（Relative humidity，RH）条件下米糠储藏4 周后，其酸价变化水平为指标，研究处理温度对米糠稳定化效果的影响。

1.3.1.2 微波作用频率对米糠稳定化效果的影响

以米糠为样本，处理温度恒定（95 ℃），铺料厚度恒定（3 cm），微波作用频率设置6、7、8、9、10 Hz 5 个水平，以37 ℃、40% RH 条件下米糠储藏4 周后，其酸价变化水平为指标，研究微波作用频率对米糠稳定化效果的影响。

1.3.1.3 铺料厚度对米糠稳定化效果的影响

以米糠为样本，处理温度恒定（95 ℃），微波作用频率恒定（8 Hz），铺料厚度设置1、2、3、4、5 cm 5 个水平，以37 ℃、40% RH 条件下米糠储藏4 周后，其酸价变化水平为指标，研究铺料厚度对米糠稳定化效果的影响。

1.3.2 正交试验设计

在单因素试验基础上，选取处理温度、微波作用频率、铺料厚度3 个试验因素，以米糠酸价为指标，进行三因素三水平优化，筛选出微波处理米糠的最佳工艺条件。正交试验因素及水平设计见表1。

表1 正交试验因素及水平设计Table 1 Orthogonal experiment factors and levels

1.3.3 米糠酸价的测定

采用GB 5009.229—2016《食品安全国家标准食品中酸价的测定》[10]作为米糠酸价的测定方法。取干净的锥形瓶，称取试样mg，加入乙醚-异丙醇混合液50～100 mL 和3～4 滴的酚酞指示剂，充分振摇溶解试样。再用装有氢氧化钾标准滴定液（c为标准滴定溶液的摩尔浓度，mol/L）的刻度滴定管对试样溶液进行手工滴定，当试样溶液初现微红色，且15 s 内无明显褪色时，即为滴定终点，记录下此滴定所消耗的标准滴定溶液的毫升数，此数值为V。

另取一个干净的250 mL 的锥形瓶，准确加入与试样相同体积的乙醚-异丙醇混合液和酚酞指示剂，振摇均匀。然后再用装有标准滴定溶液的刻度滴定管进行手工滴定，当试样溶液初现微红色，且15 s 内无明显褪色时，即为滴定终点，立刻停止滴定，记录下此滴定所消耗的标准滴定溶液的毫升数，此数值为V0。

酸价（XAV，mg/g）按照以下公式进行计算。

XAV=[（V-V0）×c×56.1]/m

式中：56.1 为氢氧化钾的摩尔质量，g/mol。

1.3.4 储藏对比试验

将米糠样品置于37 ℃、40%RH 的恒温恒湿箱中储藏，每隔1 周取样进行酸价测定，连续测定4 周，研究随着储藏时间的变化，米糠酸价的变化趋势。

1.4 数据处理

采用Excel 软件对数据进行整理，结果表示为平均值±标准差。显著性检验采用SPSS 19.0 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 微波处理温度的确定

微波处理温度对米糠酸价的影响见图1。

图1 微波处理温度对米糠酸价的影响Fig.1 Effect of microwave treatment temperature on the acid value of rice bran

由图1 可知，随微波处理温度的升高，米糠酸价呈先下降后上升的趋势，微波处理温度过高或过低，均会影响脂肪酶活性，从而影响米糠的酸价变化。米糠脂肪酶是一类蛋白酶，脂肪酶的活性与米糠的酸价密切相关，可能是在稻米碾磨过程中，米糠脂质暴露在空气中与米糠脂肪酶接触发生水解反应产生游离脂肪酸，导致酸价上升[11-12]。理论上，微波处理温度越高，对脂肪酶活性的抑制作用越强。米糠酸价在5 个温度水平中波动范围为27～30 mg/g，85 ℃时达到最低值26.63 mg/g。温度低于85 ℃时，酸价随温度升高呈下降趋势，这与袁建等[13]的研究结果一致。温度高于85 ℃后，酸价有呈轻微上升的趋势，可能原因是水分蒸发过快对脂肪酶的影响。研究表明，米糠含水量较低时（10%），米糠脂肪酶的耐热性增强[14]。此外，过氧化物在高温下不稳定，易分解为小分子物质，进而对酸价产生影响[15]。相比较于用140 ℃高温处理米糠达到最低酶活值的挤压稳定法，本试验中微波稳定技术在85 ℃下也可以产生抑制米糠脂肪酶的效果，既降低了耗能，也避免了因温度过高导致的成色反应、成分损失等不良现象[16]。因此选择微波处理温度75、85、95 ℃进行正交试验。

2.1.2 微波作用频率的确定

微波作用频率对米糠酸价的影响见图2。

图2 微波作用频率对米糠酸价的影响Fig.2 Effect of microwave frequency on the acid value of rice bran

由图2 可知，随微波作用频率的增加，米糠酸价呈上升趋势，微波作用频率越大，酸价越高。微波作用频率越小，米糠中心易产生焦糊现象。在一定的处理温度和铺料厚度下，微波作用频率变小导致米糠对能量的吸收逐渐增加，体系温度升高，对脂肪酶活性的抑制作用增强。根据图2 可知，本试验中米糠酸价变化范围为25～27 mg/g，酸价与微波作用频率呈正相关，与文献[17-19]的结果一致。随着微波作用频率降低，微波能量转换效率提高导致米糠温度升高，酶失活速率加快进而酸价降低[20]。虽然微波作用频率越小，米糠酸价越低，有利于稳定米糠，但会导致米糠水分过度蒸发变得干燥易焦煳，影响米糠品质。微波作用频率过大，米糠吸收微波能量所增加的温度无法使脂肪酶灭活，也不利于米糠的储存，因此，适当降低微波作用频率可降低米糠酸价，在保证米糠品质的前提下防止米糠的水解酸败。因此选择微波作用频率6、7、8 Hz 进行正交试验。

2.1.3 铺料厚度的确定

米糠铺料厚度对米糠酸价的影响见图3。

图3 铺料厚度对酸价的影响Fig.3 Effect of the spreading thickness on acid value of rice bran

铺料厚度是影响微波穿透程度的重要因素，过厚或者过薄都会影响微波作用稳定米糠的效果[4，8]。由图3 可知，随着铺料厚度的增加，米糠酸价呈先下降后上升的趋势。米糠铺料厚度为2 cm 时，酸价降低到24.68 mg/g，此后，酸价随铺料厚度增加而升高，铺料厚度过高或过低，均会对酸价产生影响。黄宏飞等[21]发现，固定微波功率、处理时间的试验条件下，米糠铺料厚度超过2.5 cm 时容易发生焦糊现象。吴本刚等[22]发现，米糠铺料厚度为0.3～0.9 cm 时，酸价变化不明显，而后酸价含量随着铺料厚度的增加而显著增大，其可能的原因为铺料厚度增加，米糠整体吸收能量不均，相比于物料表面，中心部分和底部的物料水分蒸发量较小，温度较低，对脂肪酶的抑制作用存在差异。在本次试验中，铺料厚度超过2 cm 后微波辐射的穿透效能较低，影响微波对米糠内层脂肪酶活性的抑制，导致酸价上升。因此选择铺料厚度1、2、3 cm 进行正交试验。

2.2 正交试验结果分析

正交试验结果见表2。

表2 正交试验结果Table 2 Results of the orthogonal experiment

试验响应指标为储藏4 周后米糠酸价值，为负向指标，越小越好。由表2 可知，微波处理工艺各因素对指标影响力大小依次为微波作用频率（B）>微波处理温度（A）>铺料厚度（C）；根据k 值，微波处理米糠酸价最低的最优组合A3B1C3，即微波处理温度95 ℃、微波作用频率6 Hz、铺料厚度3 cm。优化微波处理工艺条件作用后的米糠，酸价较低，可有效降低脂肪酶与米糠油脂的水解催化反应，使其不易酸败而品质稳定。

2.3 储藏对比验证试验

不同工艺处理的米糠随储藏时间延长酸价的变化趋势见图4。

图4 米糠储藏不同时间的酸价变化趋势Fig.4 Changing trend of the acid value of rice bran during different storage time

由图4 可知，随储藏时间的延长，未经微波处理的米糠（0 组）酸价呈现逐步上升的趋势，微波处理后的米糠（X 组、Y 组）酸价显著低于未经微波处理的米糠（P＜0.05），且X 组2、3、4 周的酸价显著高于Y 组，因此可确定微波处理米糠的最优组合为A3B1C3，即微波处理温度95 ℃、微波作用频率6 Hz、铺料厚度3 cm。此工艺处理的米糠酸价上升趋势较缓，储藏4 周后酸价＜25 mg/g。微波处理技术可有效抑制米糠在储藏期间的酸价上升，这与Lavanya 等[23]和Ramezanzadeh 等[24]获得的结果一致，在其分别为90 d 和112 d 的储藏试验周期内，游离脂肪酸、酸价及过氧化值随微波功率和作用时间呈缓慢变化趋势。本试验4 周的储藏期内，前2 周酸价的上升趋势较快，2 周后的趋势呈较缓增长状态，与Lavanya 等[23]试验所得游离脂肪酸增长趋势相同，初期增长较快，后期缓慢逐渐增长。储藏对比试验的结果可证实微波处理显著延缓了酸价的增长趋势，因此，在较高微波功率短时处理下可抑制脂肪酶的活性，在保证其品质前提下达到稳定化米糠、延长保质期的目标。

3 结论

以微波技术处理米糠后其储藏期内酸价的变化趋势为切入点，从微波处理温度、微波作用频率和铺料厚度3 个因素出发，将酸价变化作为评价指标，在单因素试验的基础上，通过正交试验设计，得到各因素影响大小依次为微波作用频率>微波处理温度>铺料厚度。储藏对比试验表明，A3B1C3组合（微波作用温度95 ℃、微波作用频率6 Hz、铺料厚度3 cm）处理后效果最佳，酸价上升趋势较缓，储藏4 周后米糠酸价＜25 mg/g，确定此组合为最佳微波处理工艺。本研究可为米糠保质期延长及可食用化米糠及其相关制品开发提供一定的理论依据。