張 楠 石 琳 孟繼坤 葛鑫會(huì) 程永強(qiáng) 張秀清
(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)
小麥胚芽是小麥制粉過(guò)程中的副產(chǎn)品,是蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、碳水化合物和其他生物活性物質(zhì)的極佳營(yíng)養(yǎng)來(lái)源[1]。其脂肪含量較高,且脂肪酶和脂肪氧化酶具有很高的活性。小麥胚芽從小麥中分離出來(lái)后,若不快速對(duì)酶系統(tǒng)進(jìn)行滅活,脂肪酶會(huì)將脂肪分解成脂肪酸,脂肪酸又會(huì)在脂肪氧化酶的存在下氧化成氫過(guò)氧化物,導(dǎo)致小麥胚芽的營(yíng)養(yǎng)及感官品質(zhì)下降[2],對(duì)小麥胚芽中的脂肪酶與脂肪氧化酶進(jìn)行鈍化處理是對(duì)其開(kāi)發(fā)利用的前提。
微波通過(guò)物料中的極性分子將交變電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為熱能,達(dá)到對(duì)物料加熱的目的。微波具有穿透性強(qiáng)、加熱速度快、熱效率高等優(yōu)點(diǎn),在食品工業(yè)中得到了大范圍推廣應(yīng)用[3-5]。過(guò)熱蒸汽是指對(duì)飽和蒸汽繼續(xù)加熱后產(chǎn)生的溫度高于飽和溫度的水蒸氣,該技術(shù)具有加熱速度快、脫油、受熱均勻等優(yōu)點(diǎn),在食品烹飪、干燥和加工等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[6-8]。熱風(fēng)干燥技術(shù)是對(duì)空氣進(jìn)行加熱后將其引進(jìn)干燥室,以熱空氣為干燥介質(zhì)將物料中水分汽化。熱風(fēng)干燥是目前中國(guó)運(yùn)用最廣泛的谷物干燥技術(shù),近年來(lái)熱風(fēng)干燥對(duì)稻谷加工品質(zhì)和貯藏特性影響的相關(guān)研究較多[9-10]。
試驗(yàn)擬以小麥胚芽為原料,選用微波、過(guò)熱蒸汽、熱風(fēng)干燥3種技術(shù)對(duì)小麥胚芽進(jìn)行酶鈍化處理,比較其對(duì)小麥胚芽中脂肪酶、脂肪氧化酶的影響,隨后選取其中較優(yōu)處理?xiàng)l件進(jìn)行菌落總數(shù)的測(cè)定和加速貯藏試驗(yàn),旨在獲得最優(yōu)的小麥胚芽鈍化技術(shù)及處理?xiàng)l件。
1.1.1 材料與試劑
小麥胚芽:原料出廠后立即放置在密封袋中于-18 ℃冰箱保存,山東永樂(lè)食品有限公司;
橄欖油、亞油酸、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀:分析純,西隴化工股份有限公司;
氫氧化鈉、鹽酸、無(wú)水乙醚、吐溫-20:分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
1.1.2 主要儀器設(shè)備
微波爐:WG700CTL2011-K6型,廣東格蘭仕集團(tuán)有限公司;
恒溫恒濕培養(yǎng)箱:HWS智能型,寧波江南儀器廠;
過(guò)熱蒸汽烤箱:350 Steam DC oven型,日本NAOMOTO公司;
電熱鼓風(fēng)干燥箱:DHG-9070A型,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;
恒溫培養(yǎng)箱:HZQ-X100型,太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠;
高速冷凍離心機(jī):GL-208型,上海安亭科學(xué)儀器;
紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):T6新世紀(jì)型,北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。
1.2.1 小麥胚芽鈍化處理方式及條件
(1) 微波處理:投料量為30 g,將其鋪成1 cm左右厚,分別以140,280,420,560,700 W的功率處理1,2,3,4,5 min,處理時(shí)每分鐘翻攪一次,共25組樣品。
(2) 過(guò)熱蒸汽處理:投料量為30 g,將其鋪成1 cm左右厚,分別以190,200,210,220 ℃的過(guò)熱蒸汽處理1,2,3,4,5 min,共20組樣品。
(3) 熱風(fēng)干燥處理:投料量為30 g,將其鋪成1 cm左右厚,分別以80,100,120,140 ℃處理30,40,50,60,80 min,共20組樣品。
1.2.2 脂肪酶活性測(cè)定 按GB/T 5523—2008《糧油檢驗(yàn) 糧食、油料的脂肪酶活動(dòng)度的測(cè)定》執(zhí)行,以中和1 g試樣(干基)中生成的游離脂肪酸所消耗的氫氧化鉀的毫克數(shù)表示。
1.2.3 脂肪氧化酶活性測(cè)定
(1) 底物制備:將0.12 mL的Tween-20加入到2.5 mL磷酸鹽緩沖液中(pH 7.0,0.05 mol/L),逐滴緩慢加入0.1 mL亞油酸,隨后逐滴加入少量1 mol/L NaOH至溶液澄清,調(diào)至pH為9.0后定容至50 mL,放置在4 ℃冰箱避光冷藏備用。
(2) 粗酶液提取:小麥胚芽磨粉,稱(chēng)取0.5 g,加入5 mL磷酸緩沖液(pH 7.0,0.05 mol/L)攪拌提取30 min,隨后將提取液于4 ℃以8 000 r/min離心15 min,取上清稀釋20倍。
(3) 測(cè)定步驟:取2 mL磷酸緩沖液(pH 7.0,0.05 mol/L)、200 μL底物溶液和50 μL粗酶液快速振搖混合均勻,立即在234 nm下比色,每隔15 s測(cè)定一次吸光值,至吸光度呈線性趨勢(shì),計(jì)算此線性范圍內(nèi)每1 min吸光值的變化,脂肪氧化酶相對(duì)酶活(%)為處理組與對(duì)照組線性范圍內(nèi)每1 min吸光值的變化之比。
1.2.4 菌落總數(shù)測(cè)定 按GB 4789.2—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。
1.2.5 加速貯藏試驗(yàn) 將樣品放入鋁箔袋中密封,放入40 ℃恒溫恒濕箱中保存28 d,每7 d測(cè)定一次樣品中的脂肪酸值。
1.2.6 脂肪酸值測(cè)定 按GB 15684—2015《谷物碾磨制品 脂肪酸值》執(zhí)行,以0.05 mol/L KOH消耗量計(jì)。
1.2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理 所有數(shù)據(jù)均由3次平行試驗(yàn)獲得,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理均使用Microsoft Excel 2018軟件,由平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示;數(shù)據(jù)分析采用IBM SPSS Statistics軟件;試驗(yàn)結(jié)果作圖采用Origin 2019軟件。
2.1.1 對(duì)脂肪酶的影響 微波處理可以對(duì)小麥胚芽的脂肪酶起到滅活作用(見(jiàn)圖1)。在140 W的功率下,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),脂肪酶酶活下降緩慢,并維持在原酶活的80%左右,而280 W以上的功率使脂肪酶活在處理1 min時(shí)急劇下降,之后酶活下降減緩,此時(shí)微波功率是限制麥胚中脂肪酶活的主要因素。在420,560,720 W的微波功率下處理2 min可使麥胚脂肪酶活降至50%以下。微波560 W處理4 min及700 W處理3 min時(shí),小麥胚芽出現(xiàn)嚴(yán)重焦糊,基本性狀發(fā)生劇烈改變,不具備商品性。微波處理時(shí)溫度場(chǎng)和電磁場(chǎng)共同作用于物料,破壞了脂肪酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),使其失活[11]。當(dāng)微波處理時(shí)間超過(guò)2 min后脂肪酶活下降速率趨勢(shì)減緩,可能是由于隨著微波處理時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng),小麥胚芽中自由水含量不斷減少,導(dǎo)致其吸收微波能力下降[12]。
圖1 微波處理?xiàng)l件對(duì)小麥胚芽脂肪酶的影響
2.1.2 對(duì)脂肪氧化酶的影響 微波處理對(duì)小麥胚芽脂肪氧化酶的滅活效果顯著(見(jiàn)圖2)。隨著微波功率及處理時(shí)間的增加,小麥胚芽中的脂肪氧化酶活性呈下降趨勢(shì)。微波功率在560 W以上處理2 min可使麥胚脂肪氧化酶活降至10%以下。相比于脂肪酶而言,脂肪氧化酶滅活速率及滅酶效果較優(yōu),與Vetrimani等[13]和Satou等[14]的研究結(jié)果相一致,脂肪氧化酶的熱敏性較強(qiáng),而脂肪酶具有一定的耐熱性。
微波低功率140 W處理1 min時(shí),脂肪氧化酶活呈上升趨勢(shì),張玉榮等[15]對(duì)小麥胚芽微波穩(wěn)定化時(shí)出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象,孟祥河等[16]在微波滅活果泥酶時(shí)也檢測(cè)到多酚氧化酶活性的上升。分析原因是在此處理強(qiáng)度下細(xì)胞膜破裂使細(xì)胞中的酶與底物充分接觸,同時(shí)低強(qiáng)度的處理?xiàng)l件未導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。
穩(wěn)定化小麥胚芽的最優(yōu)處理?xiàng)l件應(yīng)在不破壞小麥胚芽性狀的前提下進(jìn)行選取,560 W功率處理2 min、560 W功率處理3 min以及700 W功率處理2 min可以有效滅活脂肪酶和脂肪氧化酶,同時(shí)小麥胚芽未出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象,故選取這3個(gè)處理?xiàng)l件進(jìn)行后續(xù)研究。
圖2 微波處理?xiàng)l件對(duì)小麥胚芽脂肪氧化酶的影響
2.2.1 對(duì)脂肪酶的影響 過(guò)熱蒸汽處理對(duì)小麥胚芽脂肪酶的滅活效果顯著(見(jiàn)圖3)。過(guò)熱蒸汽的傳熱模式為對(duì)流傳熱,水蒸氣的傳熱效率高且對(duì)麥胚的穿透效果好,溫度在190 ℃以上的過(guò)熱蒸汽產(chǎn)生的熱效應(yīng)可迅速有效地滅活麥胚中大部分的脂肪酶。過(guò)熱蒸汽處理時(shí),溫度會(huì)迅速?gòu)奈锪媳砻鎮(zhèn)髦羶?nèi)部,而且溫度與濕度能快速達(dá)到平衡,使麥胚中的脂肪酶活性迅速下降,當(dāng)處理30 s后的鈍化效果趨于穩(wěn)定。
圖3 過(guò)熱蒸汽處理?xiàng)l件對(duì)小麥胚芽脂肪酶的影響
過(guò)熱蒸汽對(duì)小麥胚芽脂肪酶的最優(yōu)鈍化效果明顯好于微波,190 ℃過(guò)熱蒸汽處理50 s及200 ℃過(guò)熱蒸汽處理30 s可使脂肪酶活降至30%以下。由于過(guò)熱蒸汽處理溫度較高且小麥胚芽屬熱敏感物料,經(jīng)200 ℃以上的過(guò)熱蒸汽處理40 s時(shí),小麥胚芽出現(xiàn)了焦糊現(xiàn)象。
2.2.2 對(duì)脂肪氧化酶的影響 過(guò)熱蒸汽處理可以對(duì)小麥胚芽的脂肪氧化酶起到滅活作用(見(jiàn)圖4)。190 ℃過(guò)熱蒸汽處理20 s可使脂肪氧化酶活性降至30%以下。用200 ℃以上的溫度處理小麥胚芽,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),脂肪氧化酶活性先下降而后趨于平穩(wěn),處理30 s后的鈍化效果達(dá)到穩(wěn)定,不同溫度處理的脂肪氧化酶效果相近,說(shuō)明此時(shí)過(guò)熱蒸汽的滅酶效果達(dá)到最佳水平,繼續(xù)加熱麥胚逐漸出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象,故停止繼續(xù)加大強(qiáng)度。綜合脂肪酶和脂肪氧化酶滅活效果以及小麥胚芽的外觀狀態(tài),選用過(guò)熱蒸汽處理溫度210,220 ℃,處理時(shí)間30 s進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
圖4 過(guò)熱蒸汽處理?xiàng)l件對(duì)小麥胚芽脂肪氧化酶的影響
2.3.1 對(duì)脂肪酶的影響 熱風(fēng)干燥處理對(duì)小麥胚芽脂肪酶的滅活效果不佳(見(jiàn)圖5)。脂肪酶具有一定耐熱性,在80 ℃和100 ℃的處理溫度下,麥胚中脂肪酶的活性隨時(shí)間變化緩慢,處理1 h后仍保留90%的活性,溫度在100 ℃以下產(chǎn)生的熱效應(yīng)不足以滅活麥胚中大部分的脂肪酶。
圖5 熱風(fēng)干燥處理?xiàng)l件對(duì)小麥胚芽脂肪酶的影響
在120 ℃和140 ℃下,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),脂肪酶活性先下降后趨于平穩(wěn),處理60 min后鈍化效果趨于穩(wěn)定,此時(shí)溫度是鈍化相關(guān)酶的關(guān)鍵。120 ℃處理60 min及140 ℃處理50 min可使麥胚脂肪酶活降至70%以下,但處理過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使麥胚出現(xiàn)了不同程度的焦糊。
熱風(fēng)干燥對(duì)脂肪酶滅活效果低于微波和過(guò)熱蒸汽技術(shù)。處理50 min脂肪酶活性?xún)H下降30%,而其他兩種技術(shù)在3 min內(nèi)已表現(xiàn)出了較好的滅酶潛力。這可能是由于熱風(fēng)干燥的傳熱方式為對(duì)流傳熱,傳熱效率較低[17]。
2.3.2 對(duì)脂肪氧化酶的影響 熱風(fēng)干燥處理可以對(duì)小麥胚芽的脂肪氧化酶起到滅活作用(見(jiàn)圖6)。隨著處理強(qiáng)度的增大,脂肪氧化酶活性均呈下降趨勢(shì),在120 ℃和140 ℃處理組中的滅活效果較為明顯,120 ℃的熱風(fēng)干燥處理50 min和140 ℃過(guò)熱蒸汽處理40 min可使麥胚脂肪氧化酶活性降至20%以下。考慮到脂肪酶和脂肪氧化酶的滅活情況以及小麥胚芽的外觀狀態(tài),選取120 ℃熱風(fēng)干燥60 min和140 ℃熱風(fēng)干燥50 min進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
圖6 熱風(fēng)干燥處理?xiàng)l件對(duì)小麥胚芽脂肪氧化酶的影響
不同處理技術(shù)均能有效降低麥胚的菌落總數(shù)(見(jiàn)表1)。
表1 不同技術(shù)處理下小麥胚芽的菌落總數(shù)
過(guò)熱蒸汽技術(shù)殺菌效果最好,菌落總數(shù)下降至2.20 lg(CFU/g),210 ℃與220 ℃的過(guò)熱蒸汽處理減菌效果無(wú)顯著差異(P>0.05)。實(shí)際生產(chǎn)中細(xì)菌主要分布在麥胚表面,過(guò)熱蒸汽對(duì)其進(jìn)行瞬時(shí)處理的殺菌效果更佳[18],過(guò)熱蒸汽與待殺菌樣品直接接觸,釋放出潛熱不可逆地破壞了樣品中的酶和結(jié)構(gòu)蛋白,從而殺滅微生物[19]。
微波處理表現(xiàn)出較好的殺菌效果,經(jīng)700 W處理2 min后的麥胚的菌落總數(shù)最低,下降至2.33 lg(CFU/g)。這是由于微波處理過(guò)程中,除了熱效應(yīng)外,還存在非熱效應(yīng),可破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)[20]。
熱風(fēng)干燥相比其他兩種技術(shù)而言,殺菌效果最差且殺菌時(shí)間最長(zhǎng),高溫空氣是依靠對(duì)流傳熱來(lái)加熱食品的,食品升溫慢,食品表面不形成凝結(jié)水,也無(wú)凝結(jié)熱。
為了驗(yàn)證不同鈍化技術(shù)能否有效抑制貯藏期間小麥胚芽腐敗變質(zhì),對(duì)各技術(shù)較優(yōu)條件處理后的小麥胚芽進(jìn)行了為期28 d的40 ℃加速貯藏試驗(yàn),通過(guò)脂肪酸值的變化判斷麥胚是否發(fā)生了酸敗。不同處理均可有效延緩小麥胚芽酸敗變質(zhì)(見(jiàn)圖7)。
圖7 不同方式處理小麥胚芽在37 ℃下貯藏4周內(nèi)脂肪酸值的變化
從0 d的脂肪酸值可以看出,經(jīng)過(guò)鈍化處理的小麥胚芽中脂肪酸值顯著降低(P<0.05),與左青等[21]和劉焱峰等[22]的研究結(jié)果相符,原因可能是在鈍化過(guò)程中,小麥胚芽中的淀粉、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,從而與游離的脂肪發(fā)生反應(yīng),生成絡(luò)合物。
在28 d的貯藏中,未進(jìn)行鈍化處理的小麥胚芽脂肪酸含量迅速增加,從110.23 mg KOH/100 g DB升至421.04 mg KOH/100 g DB,在貯藏之初便超出了LS/T 3210—1993所規(guī)定的小麥胚芽脂肪酸值(≤140 mg KOH/100 g DB)標(biāo)準(zhǔn)。微波處理、過(guò)熱蒸汽和熱風(fēng)干燥處理后的小麥胚芽在貯藏28 d內(nèi)的脂肪酸值變化均變緩,除熱風(fēng)干燥外,貯藏28 d后的脂肪酸值低于140 mg KOH/100 g DB。脂肪酸值的上升程度反映出不同處理?xiàng)l件下的小麥胚芽貯藏穩(wěn)定性,微波與過(guò)熱蒸汽處理的穩(wěn)定性相近,優(yōu)于熱風(fēng)干燥處理。經(jīng)熱風(fēng)干燥的原料,在前14 d的加速貯藏期內(nèi),酸值上升較緩慢,14 d之后酸值出現(xiàn)快速上升趨勢(shì),說(shuō)明熱風(fēng)干燥處理只能在短時(shí)間內(nèi)抑制酶活,貯藏期間會(huì)發(fā)生酶復(fù)活現(xiàn)象,使酸值快速上升,導(dǎo)致麥胚變質(zhì)。
在酶鈍化效果及提高貯藏穩(wěn)定性方面,微波處理和過(guò)熱蒸汽處理效果顯著優(yōu)于熱風(fēng)干燥。微波強(qiáng)穿透性的輻射傳熱模式輔以非熱效應(yīng),可快速有效降低麥胚的脂肪酶活從而使小麥胚芽得以長(zhǎng)期貯藏。過(guò)熱蒸汽具有脫油效果,除對(duì)流傳熱外,蒸汽凝結(jié)時(shí)釋放出大量熱量且具有在低溫部位優(yōu)先凝結(jié)的特性,可抑制加熱不均勻現(xiàn)象發(fā)生[23-25]。熱風(fēng)干燥相比其他兩種方式而言,傳熱速度最慢且鈍化時(shí)間最長(zhǎng),雖表現(xiàn)出一定的鈍化效果,但貯藏期間會(huì)發(fā)生酶復(fù)活現(xiàn)象使酸值快速上升。
在適宜的條件下,微波、過(guò)熱蒸汽、熱風(fēng)干燥3種技術(shù)均能夠有效地鈍化小麥胚芽中的脂肪酶和脂肪氧化酶,其中過(guò)熱蒸汽技術(shù)滅活脂肪酶效果最佳,滅活率達(dá)到82.79%;微波技術(shù)滅活脂肪氧化酶效果最佳,滅活率為94.81%;過(guò)熱蒸汽技術(shù)滅菌效果最佳,使菌落總數(shù)下降至2.20 lg(CFU/g);貯藏穩(wěn)定性方面,微波和過(guò)熱蒸汽技術(shù)效果相近,顯著優(yōu)于熱風(fēng)干燥技術(shù)效果。
過(guò)熱蒸汽處理傳熱效率高、物料受熱均勻、鈍酶殺菌效果較好,是小麥胚芽鈍化處理的優(yōu)選技術(shù)。在處理溫度220 ℃,處理時(shí)間30 s的條件下,小麥胚芽中的脂肪酶相對(duì)酶活可降至17.21%,脂肪氧化酶相對(duì)酶活可降至13.00%,在40 ℃下貯藏28 d后脂肪酸值僅上升了16.57 mg KOH/100 g DB。
穩(wěn)定化技術(shù)要求既能延長(zhǎng)麥胚貯藏期限,又使麥胚中營(yíng)養(yǎng)成分損失降到最低。不同處理技術(shù)對(duì)麥胚的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、理化性質(zhì)與風(fēng)味的影響可作為后續(xù)研究的方向。