热风辅助射频加热对米糠储藏稳定性的影响

廖梅吉， 敬 璞， 高霓思， 汤英杰， 焦顺山

(上海交通大学农业与生物学院1，上海 200240)(丰益(上海)生物技术研发中心有限公司2，上海 200137)

米糠是糙米精制过程的副产物，占稻谷总质量的10%左右，但集中了64%的稻米营养素以及90%以上的人体必需元素[1]。我国米糠资源十分丰富，但其综合利用率及附加值较低，绝大部分被用作畜禽饲料。目前我国只有极少部分米糠被用来提取米糠油，而糠粕中仍含有大量有益物质，尤其是米糠蛋白，可进一步开发利用，提高附加值。然而，新鲜米糠(FRB)货架期极短，极大程度限制了米糠的进一步精深加工和增值利用。因此需要首先对米糠进行稳定化处理，通过抑制相关酶的活力，减缓米糠中脂肪酸败速度，提高米糠储藏稳定性。常用的稳定化方法是热处理，包括热风加热、蒸汽加热、流化床加热、红外加热、微波加热和挤压处理等[2，3]。

射频(RF)加热是一种介电加热方法，具有加热速度快、穿透能力强、处理效率高、操作便捷、环保安全等优点，而热风辅助射频(HA-RF)加热可进一步改善加热均匀性并提高处理效率，在农产品/食品加工中有良好应用前景[4]。近年来该技术被越来越多的应用于农产品/食品加工，包括杀虫[5]、灭菌[6]、干燥[7]、食品熟制[8]、解冻[9]、蔬果漂烫[10，11]和坚果烘烤[12，13]等。Ling等[14，15]采用射频加热系统对小麦胚芽和米糠进行稳定化处理，发现在射频加热系统中将小麦胚芽和米糠加热至100 ℃，再将胚芽和米糠移至预热好的100 ℃烘箱中保温15 min，可使物料中的脂肪水解酶活性大幅降低，有效延长小麦胚芽和米糠保质期。

本团队前期采用HA-RF对米糠进行稳定化处理[16]，研究HA-RF稳定化处理对米糠理化性质、营养和生理活性的影响，证明HA-RF稳定化对米糠品质的破坏小于挤压处理。本研究基于前期研究，继续深入探讨HA-RF稳定化处理对米糠储藏稳定性的影响，分析米糠储藏过程中各项品质变化，通过关键品质变化动力学模型预测米糠货架期，并与挤压稳定化进行对比，以期为米糠稳定化加工提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

本实验中所用的米糠初始含水量为(12.2±0.1) g/100 g(湿基)。主要试剂有无水乙醇、无水乙醚、石油醚、三氯甲烷、冰乙酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、碘化钾、氢氧化钾、硫代硫酸钠、可溶性淀粉和酚酞指示剂等。

1.2 仪器与设备

GJD-6A-27-JY型HA-RF加热系统，DHP-9162B型电热恒温培养箱，MJX-160B-Z型电热恒温培养箱，DZF-6020型真空干燥箱，LabScan XE型色度分析仪，FA-st lab型水分活度仪，RE-52AA型旋转蒸发仪等。

1.3 稳定化处理

前期研究中已确定2种有效的米糠HA-RF稳定化工艺条件，在这2种工艺条件下，采用HA-RF加热设备(12 kW, 27.12 MHz)对米糠进行加热处理具有较好的稳定化效果，且对米糠品质破坏较小，本研究中采用这2种工艺条件对米糠进行稳定化处理[16]。低温热风辅助射频处理米糠(LT-RFRB)具体条件为：样品厚度5.0 cm，极板间距9.2 cm，加热8 min室温(25 ℃)升温至100 ℃(加热5 min后开启温度为65 ℃的热风)，再通过间断式开启射频使样品温度在100～105 ℃下保持15 min，整个稳定化处理过程耗时23 min；高温热风辅助射频处理米糠(HT-RFRB)条件为：样品厚度5.0 cm，极板间距9.2 cm，加热10 min从室温(25 ℃)升温至110 ℃(加热5 min后开启温度为65 ℃的热风)，再通过间断式开启射频使样品温度在110～115 ℃下保持6 min，整个稳定化处理过程耗时16 min。挤压处理米糠(ERB)：将FRB加入双螺杆挤压机，在(110±5) ℃下挤压3 s生产得到，挤压处理过程在某精米加工厂中进行。

1.4 加速货架期实验

加速货架期实验常用于预测食品的货架期，可在较短的储藏时间内完成对某食品在某一储藏温度下的保质期预测。本实验在常温(25 ℃)和升温(35和45 ℃)条件下进行米糠的储藏实验，研究米糠多种品质的变化，并选取关键品质根据其变化动力学预测米糠的货架期，同时求得米糠Q10值。将FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB分别装于聚乙烯自封袋(140 mm×200 mm)，每袋装(100±2) g，各装30袋，封紧袋口，存放于电热恒温箱中，电热恒温箱中湿度为75%，具体的储藏温度、储藏时间和品质测定周期如表1所示。

表1 货架期加速实验的储藏条件

1.5 品质测定

1.5.1 含水量与水分活度

含水量测定参考GB 5009.3—2016。取米糠样品2.00 g，在130 ℃真空干燥箱中将样品完全烘干，通过干燥前后样品质量变化求出水分含量。水分活度的测定方法参考GB 5009.238—2016，采用水分活度仪进行测量。

1.5.2 色度

取适量米糠于玻璃测量皿中，采用校准后的色度仪对其进行测量，数据采用Color-CIE-L*、a*、b*表示，其中L*值为明暗程度；a*值为红绿色彩；b*值为黄蓝色彩。储藏过程中，各米糠样品颜色变化的程度用该样品储藏一定时间后的颜色与样品第0 d颜色的总色差值ΔE表示：

(1)

1.5.3 米糠油提取

采用有机溶剂浸提法提取米糠油。将50 g米糠与200 mL石油醚混合，搅拌1 h后在常温下静置浸提12 h。过滤，保留滤液，并在残渣中加入100 mL石油醚，搅拌1 h后在常温下浸提3 h。再次过滤，将滤液与第一次过滤的滤液合并，随后在45 ℃水浴条件下旋转蒸发(0.08～0.10 MPa)，待有机溶剂完全蒸发后即得到米糠油。

1.5.4 游离脂肪酸含量

(2)

式中：X为米糠油的游离脂肪酸含量(以油酸计)/g/100 g；V为试样测定消耗氢氧化钾标准溶液体积/mL；V0为空白测定消耗氢氧化钾标准溶液体积/mL；c为氢氧化钾标准溶液的实际浓度/mol/L；m为米糠油质量/g；282为油酸的摩尔质量/g/mol。

1.5.5 过氧化值

过氧化值的测定参考GB/T 5009.227—2016。取2.0～3.0 g米糠油，加入30 mL三氯甲烷-冰乙酸混合液(体积比2∶3)和1.00 mL饱和碘化钾溶液，轻摇30 s后在室温下避光放置3 min。随后加入100 mL水和淀粉指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定至蓝色消失，通过式(3)计算过氧化值：

(3)

式中：X为米糠油的过氧化值/mmol/kg；V为试样消耗的硫代硫酸钠标准溶液体积/mL；V0为空白实验消耗的硫代硫酸钠标准溶液体积/mL；c为硫代硫酸钠标准溶液的实际浓度/mol/L；m为米糠油质量/g；1 000为换算系数。

1.6 货架期预测

研究米糠在储藏过程中多种品质的变化情况，包括水分含量、水分活度、色度、游离脂肪酸含量和过氧化值。根据实验结果，选取最具代表性的关键品质，分析其品质变化动力学，建立该品质在不同温度下随储藏时间变化的动力学模型。根据行业经验判断，室温下(约25 ℃)FRB的货架期约为5 d，ERB的货架期约为2个月。因此，测定FRB在25 ℃下储藏5 d和ERB在25 ℃下储藏60 d时的品质，取平均值作为货架期实验的终点来进行米糠的货架期预测。Q10值根据米糠在不同储藏温度下的货架期预测值求出。

1.7 统计学分析

所有实验均做3次平行(n=3)，结果计算表示为平均值±标准差，在SPSS统计分析软件(v22.0)中采用Tukey′s ‘Honest Significant Difference’检验，在P=0.05水平上进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 含水量与水分活度变化

FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在储藏过程中的含水量变化情况如图1所示，水分活度变化情况如图2所示。FRB在储藏过程中含水量随时间增加而不断下降，且储藏温度越高，含水量下降速度越快(图1)。储藏温度为25 ℃时，含水量下降速度很慢，储藏160 d后仅从12.2 g/100 g降低至10.9 g/100 g，在35 ℃下含水量下降速度较慢，储藏80 d后降低至9.9 g/100 g，而储藏温度为45 ℃时下降速度最快，仅40 d便降低至8.1 g/100 g。由图2可见，FRB水分活度的变化趋势与含水量较一致，随储藏时间的增加不断降低，且储藏温度越高，下降速度越快。LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的含水量随储藏时间的变化趋势很一致，在储藏前期，含水量有所上升，这可能是由于稳定化米糠的含水量较低，可从空气中吸收水分。

图1 米糠在不同温度下储藏过程中的含水量变化

图2 米糠在不同温度下储藏过程中的水分活度变化

储藏温度为45 ℃时，FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的含水量和水分活度变化速度比储藏温度为25 ℃和35 ℃时快，但即使在45 ℃下，水分含量和水分活度的变化总体上也比较慢。在45 ℃下储藏40 d后，FRB水分含量和水分活度的降幅均在30%左右，而稳定化米糠含水量和水分活度的幅度均小于FRB。由于储藏过程中米糠含水量和水分活度的变化速度较慢，这两项品质不适合作为米糠货架期预测的品质指标。

2.2 色度变化

图3、图4和图5展示了FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在储藏过程中色度(L*、a*和b*)的变化情况。米糠在25 ℃下储藏160 d，35 ℃下储藏80 d或45 ℃下储藏40 d后，用肉眼难以感知颜色的变化，采用色度仪测定储藏过程中米糠的L*、a*和b*值，发现确实均没有明显变化。这可以推测在25、35、45 ℃下，米糠中的色素很稳定，长时间储藏也没有分解，且在本实验采用的储藏温度下基本不会发生引起米糠褐变的化学反应。

图3 米糠在不同温度下储藏过程中的色度L*值变化

图4 米糠在不同温度下储藏过程中的色度a*值变化

图5 米糠在不同温度下储藏过程中的色度b*值变化

2.3 游离脂肪酸含量变化

FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在储藏过程中游离脂肪酸含量的变化情况如图6所示。FRB在储藏前期游离脂肪酸含量的上升速度非常快，在25 ℃下储藏20 d后，FRB的游离脂肪酸含量即增长到57.38 g/100 g，约是第0天(5.78 g/100 g)的10倍。在35和45 ℃下储藏时游离脂肪酸含量增长速度更快，在35 ℃下储藏10 d和在45 ℃下储藏5 d的游离脂肪酸含量分别为38.67和34.54 g/100 g。这主要是由于FRB中脂肪水解酶活力很高，且水分含量和水分活度较高，使得FRB中脂肪水解的速度非常快，可在较短的时间内生成大量游离脂肪酸。Sharma等[18]研究发现FRB在室温下储藏60 d后游离脂肪酸含量上升至60.6 g/100 g，约为第0天(4.05 g/100 g)的15倍，这与本研究的结果非常一致，本研究中FRB在室温下储藏60 d后游离脂肪酸含量为73.40 g/100 g，约为第0天(5.78 g/100 g)的15倍。Irakli等[19]研究红外加热对米糠储藏稳定性的影响时，发现FRB在室温下储藏前期，游离脂肪酸含量上升速度非常快，储藏1个月后游离脂肪酸含量已超过40 g/100 g，储藏2个月后超过50 g/100 g，但之后游离脂肪酸含量上升速度较慢，储藏5个月后脂肪酸含量约为60 g/100 g。

在储藏过程中，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游离脂肪酸含量也随储藏时间的增加而增加，但上升速度远低于FRB，在25 ℃下储藏160 d、35 ℃下储藏80 d或45 ℃下储藏40 d后，3种米糠中的游离脂肪酸含量均在40 g/100 g以下。对比LT-RFRB、HT-RFRB和ERB可以发现，ERB中游离脂肪酸含量的上升速度最快，LT-RFRB次之，HT-RFRB最慢。因此，从游离脂肪酸含量的角度，可认为本研究使用的稳定化工艺中，HT-RF处理对米糠的稳定化效果最佳。从图6可以看出，在25、35、45 ℃下，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB中的游离脂肪酸含量整体上与储藏时间均成线性正相关，游离脂肪酸含量适合作为货架期预测的关键品质。

陈志华等[20]研究了FRB和微波稳定化米糠在储藏过程中酸值的变化情况，发现在半年的储藏过程中FRB的酸值变化与本研究中FRB的游离脂肪酸含量变化趋势一致，储藏前期增长速度非常快，储藏后期减缓，但整体增长速度很快；而微波稳定化米糠酸值的变化则与LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游离脂肪酸含量变化趋势一致，总体上与储藏时间成线性关系。相似地，Kim等[21]采用不同热处理方法对米糠进行稳定化，研究热稳定化处理对米糠脂肪酸败情况的影响，发现在24周的储藏过程中，FRB游离脂肪酸含量上升速度很快，而干热和微波加热处理后的米糠中游离脂肪酸含量上升速度较慢，且游离脂肪酸含量整体上与储藏时间成线性关系。

2.4 过氧化值变化

图7描述了FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在储藏过程中的过氧化值的变化情况。在25、35、45 ℃下储藏时，FRB、LT-RFRB和ERB的过氧化值均随储藏时间的增加而上升，而HT-RFRB的过氧化值在储藏期间没有显著变化。与LT-RFRB和ERB相比，FRB过氧化值的上升速度更快，在25 ℃下储藏160 d、35 ℃下储藏80 d或45 ℃下储藏40 d后，HT-RFRB、LT-RFRB和ERB的过氧化值均不超过5 mmol/kg，而FRB的过氧化值分别为5.7、6.5、8.0 mmol/kg。从FRB、LT-RFRB和ERB的过氧化值变化曲线可以看出，在储藏的前期，过氧化值上升速度比储藏后期更快，这与卢慧勇等[22]的研究结果一致。游离脂肪酸含量与过氧化值均反应了米糠中脂肪的氧化情况，但与游离脂肪酸含量相比，米糠过氧化值上升速度较慢，这是由于米糠中脂肪的水解速度很快，使得游离脂肪酸生成速度很快，但游离脂肪酸氧化生成过氧化物的速度较慢。Chi等[23]也发现在180 d的储藏期内，FRB游离脂肪酸含量增加了10倍，但过氧化值增长速度较慢；米糠在130 ℃下加热30 min或180 ℃下加热5 min后，在30 d的储藏期内游离脂肪酸增长速度较快，但过氧化值变化很小。

本研究中虽然FRB过氧化值的上升速度比LT-RFRB和ERB更快，但稳定化前后米糠过氧化值的上升速度差距并不大，FRB的过氧化值上升速度约为LT-RFRB和ERB的2倍，但FRB游离脂肪酸含量的上升速度比稳定化米糠快很多。严梅荣和马云[24]研究了微波加热对米糠储藏稳定性的影响，发现在5周的储藏期内，FRB和微波加热稳定化米糠的过氧化值均缓慢上升，且FRB的过氧化值上升速度略快于稳定化米糠，这与本实验的结果非常相似。GB 19112—2003中规定，米糠原油的过氧化值上限为7.5 mmol/kg，根据本实验的结果，FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在25 ℃下储藏160 d、35 ℃下储藏80 d或45 ℃下储藏30 d后过氧化值均没有超出限定范围，但在实际生产加工中，春秋季节室温下FRB的货架期约为5 d，ERB的货架期约为2个月，因此，米糠油的过氧化值不适合作为米糠货架期预测的关键品质。

图6 米糠不同温度下储藏过程中游离脂肪酸含量变化

图7 米糠在不同温度下储藏过程中的过氧化值变化

2.5 动力学分析

根据本实验的研究结果，米糠的游离脂肪酸含量随储藏时间的增加而上升，且上升速度较快，适合作为米糠货架期预测的指标。因此，对储藏过程中FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游离脂肪酸含量变化动力学进行分析。通过观察图7中各米糠样品的游离脂肪酸含量随储藏时间变化的曲线，并结合相关储藏动力学研究[25，26]，可推测FRB的游离脂肪酸含量变化符合Fractional Conversion动力学模型，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游离脂肪酸含量变化符合零级模型。因此，采用Fractional Conversion模型拟合FRB在25、35、45 ℃下储藏时的游离脂肪酸含量变化，采用零级模型拟合LT-RFRB、HT-RFRB和ERB在25、35、45 ℃下储藏时的游离脂肪酸含量变化，结果如表2所示。

表2 米糠储藏过程中游离脂肪酸含量变化的动力学模型

4种米糠样品在3个储藏温度下的游离脂肪酸含量变化动力学模型(共12个)的R2均大于0.95，说明模型的拟合度较好。FRB的游离脂肪酸含量变化符合Fractional Conversion模型，表明储藏前期，即t较小时，游离脂肪酸含量(模型表达式中的C)变化速度很快，在随着储藏时间的增加，即t增大后，游离脂肪酸含量的增长速度便缓，逐渐趋于Ce。Fractional Conversion模型常用于分析食品在储藏过程中的品质变化，例如芒果汁和中葡萄糖和果糖含量的变化[25]、青豆质构的变化[27]、番茄颜色和质量的变化[28]，和大米质构与热特性的变化[26]。对LT-RFRB、HT-RFRB和ERB而言，在本实验的储藏温度和储藏期内，游离脂肪酸含量随储藏时间的延长不断增加，与储藏时间成线性关系。零级模型也是常用的分析食品储藏过程中品质变化动力学的模型，但一般适用于储藏期较短的情况或储藏的中前期[25]。由于米糠中脂肪的含量是有限的，游离脂肪酸含量无法无限上升，如果延长本实验的储藏时间，推测LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游离脂肪酸含量变化可能也符合Fractional Conversion模型。

2.6 货架期预测与Q10值计算

FRB在25 ℃下储藏5 d时的游离脂肪酸含量为24.46 g/100 g，ERB在25 ℃下储藏60 d时的游离脂肪酸含量为22.84 g/100 g。取这两个数值的平均值作为货架期实验的终点来进行米糠的货架期预测，即米糠游离脂肪酸含量达到23.65 g/100 g时认为米糠品质不可接受。如表3所示，根据动力学模型求得FRB在25、35、45 ℃下的货架期预测值分别约为6、4和3 d，可见FRB极易变质，不便于进行深加工。稳定化处理显著提升了米糠的货架期，在25 ℃下，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的货架期预测值分别为88、113和71 d，其中HT-RFRB的稳定化效果最好，其次是LT-RFRB，最后是ERB。在35 ℃下储藏时，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的预测货架期分别为55、77、44 d。因此，即使在夏季，HA-RF稳定化米糠的货架期约2个月，工厂有充足的时间对米糠进行深加工。孙明等[29]发现FRB在35 ℃下储藏3 d后游离脂肪酸含量便超过24.46 g/100 g，而经微波加热1 min处理的米糠在35 ℃下储藏3周内游离脂肪酸含量不超过24.46 g/100 g，经微波加热1.5 min处理的米糠则可在35 ℃下储藏4周以上。Ling等[14]发现FRB的货架期不超过15 d，而采用RF加热将米糠加热至100 ℃，再移至预热好的100 ℃烘箱中保温15 min可将米糠的货架期延长至60 d以上。

表3 不同米糠样品的货架期预测值和Q10值

Q10值表示温度为T时某食品的储存期与温度为T+10 ℃时的储存期的比值，即Q10=tT/tT+10。由于tT与tT+10的比值为一个常数，可得出lnt与T应成线性关系，设lnt=aT+b，其中a与b均为常数，此时，tT/tT+10=e(aT+b)/e[a(T+10)+b]=e-10a，即Q10=e-10a。因此，作出FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的货架期预测值的对数值lnt对储藏温度T变化的图像，采用线性函数拟合lnt与T的关系，并根据拟合的函数求出米糠的Q10值，结果如表3所示。针对FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB，拟合出四个lnt-T线性函数，R2均为0.99，拟合度好。FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的Q10值分别是1.45、1.58、1.61和1.63。卢慧勇等[22]采取感官评定的方法确定FRB的货架期终点，求得货架期终点时FRB的酸值和过氧化值并通过动力学分析求出不同温度下FRB的货架期预测值，得出FRB的货架期预测值t与储藏温度T之间的关系为lnt=-0.031 3T+4.959 2，从而计算出FRB的Q10值为1.37，与本实验求出的FRB的Q10值为1.45是较为接近的。李凡姝等[30]通过储藏实验求得ERB在40、50、60 ℃下的货架期分别为119、65、35 d，从而求出ERB的Q10值为1.8，与本实验得出的ERB的Q10值为1.63较接近。目前关于米糠Q10值的研究较少，不同品种、不同含水量的米糠Q10值也会有所差异，因此一些研究中通过米糠加速货架期实验计算常温下的货架期时采用的Q10值可能不够准确，例如Ling等[14]在计算米糠常温下的货架期时采用的Q10值为3.4，这可能使得预测出的常温货架期值偏高。

3 结论

本研究表明HA-RF加热稳定化米糠具有良好的储藏稳定性，稳定化米糠在储藏过程(25、35、45 ℃)中含水量、水分活度、色度、游离脂肪酸含量和过氧化值变化速度均较慢，但游离脂肪酸含量随储藏时间的增加而明显上升，但稳定化米糠的上升速度远低于FRB，稳定化米糠中ERB中的游离脂肪酸含量上升速度最快，LT-RFRB次之，HT-RFRB最慢。米糠的游离脂肪酸含量适合作为米糠货架期预测的品质指标，FRB的游离脂肪酸含量变化符合Fractional Conversion动力学模型，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的游离脂肪酸含量变化符合零级模型。在25 ℃下，LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的货架期预测值分别约为88、113、71 d，FRB、LT-RFRB、HT-RFRB和ERB的Q10值，分别是1.45、1.58、1.61和1.63。HA-RF稳定化处理可使米糠在常温下稳定储藏约3个月，可为后续增值加工利用提供保障。