鄭小非，萬(wàn)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而被世界衛(wèi)生組織稱(chēng)之為“最健康”食用油。

2015年度我國(guó)大米產(chǎn)量約為1.46億t，應(yīng)有米糠量高達(dá)1 500余萬(wàn)t,而米糠毛油的產(chǎn)量約為80萬(wàn)t，折算米糠利用率為32.3%。若按毛糠油平均酸價(jià)35(KOH)/(mg/g)、精煉率62%計(jì)算，成品米糠油約50萬(wàn)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(duì)米糠因解脂酶而酸敗變質(zhì)的問(wèn)題，對(duì)米糠微波保鮮技術(shù)進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)中試生產(chǎn)實(shí)踐表明：利用微波對(duì)出機(jī)新鮮米糠進(jìn)行即時(shí)滅酶處理，具有保鮮效果好、貯存期長(zhǎng)、工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備配置靈活、易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等特點(diǎn)。本文主要就該項(xiàng)技術(shù)的原理與特征、中試生產(chǎn)實(shí)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(duì)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(gè)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(chǎng)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(lái)[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(shí)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(duì)酶的熱效應(yīng)：使蛋白質(zhì)變性而致酶失去活性。

微波對(duì)酶的非熱效應(yīng)：微波電場(chǎng)改變細(xì)胞膜斷面的電位分布，影響細(xì)胞膜周?chē)娮雍碗x子濃度，從而改變細(xì)胞膜的通透性能，酶無(wú)法正常發(fā)揮作用，細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能紊亂，生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制而死亡。此外，微波能使酶的正常生長(zhǎng)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(shí)間短、速度快；滅酶溫度低且均勻徹底；對(duì)食品營(yíng)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(shí)現(xiàn)的，而其非熱效應(yīng)是在微波電場(chǎng)形成的同時(shí)即開(kāi)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(duì)于米糠的保鮮處理還具有額外效果：(1)微波滅酶的同時(shí)使米糠中的其他有害微生物得到抑制，有效延長(zhǎng)了保質(zhì)貯存時(shí)間；(2)米糠含油細(xì)胞中的水分因瞬時(shí)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(shí)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(shí)間短，在對(duì)蛋白質(zhì)等有益成分損傷較少的同時(shí)，色素等物質(zhì)的析出亦相對(duì)有限，毛油色澤較淺，從而使得米糠粕利用價(jià)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(huì)產(chǎn)生酸敗。只有在糙米進(jìn)入碾米工序時(shí)，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(duì)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(duì)脂肪酶和脂肪氧化酶進(jìn)行處理，即時(shí)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(duì)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?yàn)樗幕钚詫?duì)水分要求極低，即使米糠的水分活度為0.1(相對(duì)應(yīng)的總含水率為2.8%)時(shí)，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(shí)，減去4.5%結(jié)合水[3]，則游離水的實(shí)際含量應(yīng)≤2%。這對(duì)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(wú)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(méi)必要。因此，米糠保鮮的實(shí)質(zhì)并不要求將脂肪酶徹底滅活，而只需對(duì)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(duì)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(shí)，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(rùn)、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(guò)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(kāi)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(duì)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(lè)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(cè)必需儀器一套。

3.2 檢測(cè)方法

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

3.3 試驗(yàn)方法

在總結(jié)與分析原有試驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)對(duì)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(shí)施方法、效果及可應(yīng)用于實(shí)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(jià)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(jiàn)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(guò)反復(fù)試驗(yàn)與調(diào)整，對(duì)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(jiàn)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(duì)照樣進(jìn)行貯存試驗(yàn)，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(shí)存在，并且對(duì)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(lèi)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(shí)際生產(chǎn)中米糠及其酸敗的特征

在生產(chǎn)實(shí)際中，米糠中的水分、溫度均隨著加工的進(jìn)程處于動(dòng)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(duì)于米糠保鮮的方法與效果都具有十分重要的意義。

通過(guò)即時(shí)取樣處理的方式，對(duì)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(cè)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(cè)定；風(fēng)運(yùn)整理后樣，含粞≤0.5%。

出機(jī)新鮮米糠的基本成分見(jiàn)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(shí)施米糠微波保鮮時(shí)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(duì)碾米機(jī)新鮮米糠即時(shí)取樣與檢測(cè)，主要指標(biāo)檢測(cè)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(cè)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(duì)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(kāi)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(duì)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(yùn)整理的短時(shí)間內(nèi)，其酸值的上升均已超過(guò)10%。

經(jīng)風(fēng)運(yùn)整理后的新鮮米糠，在室溫27 ℃、相對(duì)濕度65%的條件下，袋裝敞口存放24 h后，提取毛油，檢測(cè)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(shí)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(duì)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(gè)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(diǎn)，這對(duì)于常規(guī)微波加熱干燥作業(yè)極為有利，但相對(duì)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(shí)，顯得更為突出。

如上所述，對(duì)出機(jī)新鮮米糠進(jìn)行即時(shí)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(guò)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(shí)，其含水率、單位時(shí)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(gè)主要因素。

通過(guò)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(yàn)。

經(jīng)過(guò)相關(guān)參數(shù)優(yōu)化組合，對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 米糠微波保鮮優(yōu)化組合檢測(cè)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(duì)不同含水率的米糠實(shí)施有效保鮮處理；料層加厚使帶速放慢、微波輻照的時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，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(guò)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(duì)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(guò)快而引起的過(guò)熱等問(wèn)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?xún)?nèi)。

4.2.3 米糠微波保鮮對(duì)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(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。

表7 米糠微波保鮮樣與對(duì)照樣萃取所得毛油的檢測(cè)結(jié)果

注：對(duì)照樣為同批米糠，水分由14.1%烘至4.2%；色澤檢測(cè)：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(shí)間短、出油率高、油色淺等特點(diǎn)，這對(duì)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(shí)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(jià)格則為0.4-0.45萬(wàn)元/kW，性?xún)r(jià)比高。

因利用米糠原有水分進(jìn)行保鮮處理，無(wú)需加濕調(diào)質(zhì)和干燥，工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需輔助設(shè)備，節(jié)約了投資和能耗。

經(jīng)中試生產(chǎn)驗(yàn)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?xún)?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(jí)的提高十分明顯。因此，米糠微波保鮮的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯。

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