紫外照射對留胚米穩定性的影響

姜 蓓 呂慶云,2 周 堅,2 金剛強 陳 軒

(武漢輕工大學食品科學與工程學院1，武漢 430023)(大宗糧油精深加工省部共建教育部重點實驗室2，武漢 430023)(衢州市庫米賽諾糧食機械制造有限公司3，衢州 324000)

留胚米是指稻谷在經過輕度碾磨加工后，留胚率能達80%以上的一種米[1]。留胚米與精米相比營養豐富，口感相對于糙米又有所改善，是一種較為理想的優質主糧[2]。其富含蛋白質、脂肪、維生素和礦物質等多種營養成分[3]。近年來，隨著人們對健康營養飲食的要求越來越高，留胚米日益成為高品質的糧食消費品，是大米加工的發展方向[2]，其市場也隨之越來越大。留胚米中脂類含量豐富，同時脂類是導致留胚米儲藏品質劣變的主要因素。儲藏過程中，由于失去稻殼的保護，留胚米中的脂類與氧氣接觸而氧化，在脂肪酶的作用下發生分解，極易氧化酸敗[4]，致使留胚米品質劣變[5]。因此開發有效的穩定化技術是延長留胚米貨架期的關鍵，能有效延緩留胚米的品質劣變，對大米加工企業而言有積極的意義。

目前，國內外留胚米的穩定技術較為普遍的是低溫處理、微波處理留胚米、充氣包裝。低溫處理只能穩定較短時間并不能長時間保證其品質，且成本較高，在市場上，既不環保也不易實現。微波處理留胚米可使其脂肪酶鈍化，效果不錯，但微波處理會使米粒的溫度升高，易增加碎米率和爆腰率，會影響留胚米的售出。充氣包裝可以隔絕氧氣，但留胚米在酶的作用下仍然會發生緩慢氧化，所以充氣包裝也是只能較短時間的穩定留胚米。紫外線是一種波長范圍為 136～390 nm 的不可見光線，其波長在 240～280 nm 的時候具有殺菌作用[6]。因為紫外照射以投資少、能耗小、操作簡單方便、無污染等優點[7]廣泛應用到快速殺滅米粒內部的蟲卵和細菌。紫外照射對延緩果蔬的成熟衰老腐爛也有一定的效果。鄭楊等[8]發現紫外照射處理能夠顯著降低韭菜的黃變率和腐爛率，且紫外處理誘導了韭菜中過氧化氫酶(catalase，CAT)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性的增加，得出紫外照射處理有效的延緩了韭菜保質期。劉璐等[9]采用紫外照射對新鮮玉米胚芽進行穩定化處理，測定紫外照射處理后玉米胚芽中脂肪酶殘余活性。發現在照射一定時間后可以鈍化玉米胚芽中的脂肪酶活性。吳興源[10]研究得出適當劑量的紫外輻照, 可以降低柑桔的過氧化物酶活性。本實驗主要研究紫外照射鈍化留胚米的脂肪酶活性，同時考察留胚米的爆腰率和碎米率、水分散失率，得到紫外處理最優的條件，為開發留胚米的紫外照射穩定化技術與工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

留胚米(晚秈米)，一級大豆油，其他化學試劑均為分析純。

1.2 實驗設備

SW-CJ-2FD凈化工作臺，DH-420型恒溫培養箱，電熱鼓風干燥箱，高速萬能粉碎機。

1.3 實驗方法

1.3.1 單因素實驗

取120 g留胚米均勻平鋪在紗布上，鋪料厚度為1 cm，放置于253.7 nm紫外燈下，通過改變樣品與紫外燈之間的距離改變紫外照射強度；由于新鮮的留胚米含水量約為16%，將留胚米放置烘箱40 ℃烘干，每隔30 min快速測定其水分，得到含水量分別為11%、12%、13%、14%和15%(其實際含水量為10.55%、11.71%、12.86%、13.78%、15.53%)。以照射時間為9 min、樣品與紫外燈之間的距離6 cm、留胚米初始水分15%作為基本條件，分別調整各因素，進行單因素實驗。探究照射時間(3、6、9、12、15 min)、樣品與紫外燈之間的距離(4、5、6、7、8 cm)、留胚米初始水分(11%、12%、13%、14%、15%)對留胚米穩定化的影響，每個處理3次重復。

1.3.2 脂肪酶活性的測定

參考GB/T 5523—2008測定脂肪酶活性，脂肪酶活性定義為：中和1 g(干基)留胚米樣中脂肪酶水解國標一級油所產生的游離脂肪酸所需的KOH的毫克數[4]，測定脂肪酶酶活力，計算脂肪酶滅活率。

1.3.3 碎米率和裂紋率測定

參考GB/T 21719—2008的方法測定碎米率；裂紋率又稱爆腰率，參考GB 1350—2009的方法測定爆腰率。

1.3.4 水分損失率的測定

參考GB 5009.3—2016的方法測定水分，計算水分損失率。

1.3.5 響應面優化微波滅酶工藝

根據單因素實驗結果，以脂肪酶的活性為主要指標，同時兼顧水分散失率、爆腰率和碎米率等留胚米品質特性，選取照射時間(A)、照射距離(B)、初始含水量(C)進行三因素三水平的中心組合實驗設計，采用Design-ExpertV 8.0.6軟件中的Box-Benhnken設計方法對數據進行回歸分析，研究紫外照射條件對留胚米中脂肪酶滅活率的影響，優化工藝參數。各因素的編碼值和實際值見表1。

表1 因素水平編碼表

1.3.6 數據分析

采用SPSS22、Originpro8.5和Excel軟件進行數據分析。測定結果均重復3次。采用多樣本均數比較(ANOVA)和LSD檢驗計算結果的顯著性差異。誤差與標準差相對應。

2 結果與分析

2.1 紫外照射對留胚米脂肪酶活性的影響

留胚米中脂肪酶的含量與脂肪酸的含量沒有直接關系，在良好的條件情況下儲藏留胚米，脂肪酶的含量是降低的[11-13]。但無論儲藏環境如何，都不能鈍化脂肪酶的活性，所以儲藏的留胚米中脂肪酸值會不斷地升高[14]，引起脂肪氧化酸敗，從而影響留胚米的品質。為了延長留胚米的儲藏期，必須鈍化脂肪酶酶活性。如圖1所示，隨著紫外照射時間的增加，脂肪酶滅活率會逐漸增加，當照射時間超過12 min后，再繼續增加照射時間，脂肪酶滅活率增加幅度較小。為了節約能源，應盡量縮短照射時間，因此，選擇紫外照射時間為12 min。隨著紫外照射距離增加，紫外照射的強度會降低，脂肪酶滅活率會逐漸下降，當照射距離超過5 cm后，脂肪酶滅活率會下降的較為明顯，所以照射距離宜為4～5 cm?？梢娮贤庹丈涮幚砭哂幸欢ǔ潭葴缁钪久傅男Ч?，從而可以適當延長留胚米的儲藏時間。朱松等[15]利用微波處理留胚米，脂肪酶滅活率為68%，豁銀強等[4]利用脈沖微波處理留胚米，處理后脂肪酶的活力降低至原來的50%左右，在留胚米脂肪酶滅活方面，紫外處理基本達到了微波處理的效果。隨著留胚米初始含水量的增加，脂肪酶滅活率呈現先平緩后下降趨勢，當初始含水量為13%時，脂肪酶滅活達到最高為61.38%，且較高水分的留胚米比低水分的留胚米食用品質好。當初始含水量繼續增加時，脂肪酶滅活率隨之下降，且含水量過大，會增加后期儲藏難度，高含水量會使留胚米呼吸作用旺盛，脂肪酶、蛋白酶活性較高，代謝速度較快，加速留胚米品質的劣變[16]。所以留胚米的初始含水量應控制在13%左右。

圖1 紫外照射對脂肪酶滅活率的影響

2.2 紫外照射對水分散失率的影響

含水量的差別會影響留胚米的貨架期及食用品質，水分過低雖然可抑制微生物的生命活動，但米飯的食用品質也會降低很多，留胚米含水量高，脂肪酶活性也會較高，儲藏期間會加速留胚米品質的劣變；留胚米含水量低，也就能降低脂肪酶的活性，從而穩定留胚米品質。低含水量雖能保證留胚米的穩定性，卻很難保證留胚米的口感和新鮮度[17]。潘巨忠等[18]研究不同含水量大米儲藏效果，得出不同水分條件的大米的保鮮效果不同。因此，適當控制留胚米的含水量，既能保證留胚米的口感和新鮮度又能保障留胚米的穩定性。由圖2可知，紫外照射時間從3 min增加到15 min，水分散失率的變化幅度低于0.1%，說明紫外照射時間對留胚米的含水量影響不大。紫外照射距離從4 cm增加到8 cm，水分散失率變化幅度低于0.2%，由此可得知改變紫外照射距離不會影響留胚米的含水量。留胚米的初始含水量不同，經紫外照射后，留胚米的水分損失率變化幅度不超過0.17%，所以不同初始含水量的留胚米經過紫外照射后，對含水量影響較小。根據豁銀強等[4]的研究，脈沖微波處理后，微波熱效應導致留胚米溫度升高明顯，從而導致原料含水量下降了3%左右，而原料含水量的變化更容易引起留胚米食用品質的變化，與此比較，紫外處理基本不引起原料溫度的升高，含水量損失更少，在穩定留胚米食用品質方面具有一定優勢。

圖2 紫外照射對水分散失率的影響

2.3 紫外照射對碎米率、爆腰率的影響

碎米率和爆腰率都會影響留胚米的食用品質和市場價值，因此在處理留胚米時要控制碎米率和爆腰率。由表2可知，紫外照射條件的變化對留胚米的碎米率和爆腰率的影響。隨著照射時間的增加，碎米率會逐漸增加，增加幅度為0.33%；爆腰率也會隨之增加，增加幅度為0.53%。由表3可知，紫外照射距離對碎米率沒有影響。隨著紫外照射距離的增加，爆腰率會逐漸下降，下降幅度為0.27%。由表4可知，留胚米初始含水量對碎米率沒有影響。爆腰率會隨初始水分的降低而增加，增加幅度為3.6%，但不能排除樣品前處理的影響。由2.1可知，初始含水量越低，脂肪酶滅活率越高，但爆腰率也隨之增加，所以留胚米初始含水量應控制在12%～13%。該結論與2.2紫外照射對水分散失率的影響結論一致，紫外線照射會引起留胚米部分水分散失，而紫外線穿透能力不如微波，推測損失的水分主要在表面，表面水分的散失，造成留胚米內外水分重新分布，受力不均勻形成部分裂紋和碎米，與脈沖微波處理后爆腰率和碎米率增加近3%比較[4]，紫外處理具有一定優勢。

表2 不同照射時間對碎米率和爆腰率影響

表3 不同照射距離對碎米率和爆腰率影響

表4 不同初始含水量對碎米率和爆腰率影響

2.4 響應面優化紫外照射最佳條件

2.4.1 實驗設計及結果

根據Box-Behnken響應面設計原理，結合單因素實驗，制訂響應面設計實驗方案，見表5。

表5 響應面實驗設計及其響應值

2.4.2 響應面模型的建立

按照表5進行實驗，并對響應面實驗結果進行多元二次回歸分析，可以獲得脂肪酶滅酶率關于照射時間(A)、照射距離(B)、初始含水量(C)的二次多元回歸方程為：

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

2.4.3 各因素對脂肪酶滅活率的影響

模型統計參數和方差分析結果見表6?；貧w方程的模型極顯著(P=0.000 1<0.01)，失擬項不顯著(P=0.534 5>0.05)，表明實驗數據與模型擬合度較好，代表性達到良好水平，信噪比為17.418，表明方程的可信度高，選擇恰當，可用于預測脂肪酶滅活率實驗結果分析，C.V值為0.025 2，說明實驗操作的準確度高，比較可靠。R2=0.972 3，RAdj2=0.936 7，說明二次模型的模擬合理，可信度較高。由P值可以得出A、B、AB、A2對脂肪酶滅活率的影響極顯著，AC、B2、C2對脂肪酶滅活率的影響顯著，C、BC對脂肪酶滅活率的影響不顯著。

表6 方差分析和統計模型參數

2.4.4 交互作用

由回歸方程，做出等高線及響應曲面，根據擬合響應面的形狀分析各因素對脂肪酶滅活率的影響，等高線的形狀反應出交互作用的強弱趨勢。圖3、圖4為AB、AC對脂肪酶滅酶率影響的響應面和等高線圖，由圖7可知，等高線圖形為橢圓，說明照射時間和照射距離交互作用對脂肪酶滅活率存在影響，且影響較顯著，即選擇合適的照射時間和照射距離搭配更加有利于提高脂肪酶滅活率。由圖8可知，等高線圖近似圓形的橢圓，說明照射時間和初始含水量對脂肪酶滅活率存在影響，但交互作用較弱。

圖3 照射時間和照射距離對脂肪酶滅活率的影響

圖4 照射時間和初始含水量對脂肪酶滅活率的影響

2.5 最優參數的確定及模型驗證

根據求解方程，得出脂肪酶滅活率最高的紫外處理條件為照射時間11.52 min、照射距離4.5 cm，初始含水量12.87%，此時脂肪酶滅活率為66.69%。由于考慮到計算優方案的實際操作可行性，將條件修正為照射時間11.50 min、照射距離4.5 cm、初始含水量13%，通過3次重復實驗進行模型驗證，實驗結果為 66.73%，這與預測模型基本一致。且在此條件下，碎米率增加0.12%、爆腰率增加1.63%、水分散失率增加0.38%，處于可以接受范圍內，因此，利用響應面分析法優化得到的脂肪酶滅活工藝是可行的。

3 結論

采用紫外照射處理留胚米，發現紫外照射處理可以有效降低脂肪酶酶活力。以脂肪酶滅活率為主要指標，同時考慮水分散失率、爆腰率和碎米率，根據單因素實驗結果，設計響應面優化實驗，得到了留胚米紫外照射穩定化最佳工藝參數為：照射時間11.50 min、照射距離4.5 cm、初始含水量13%。此條件下脂肪酶滅活率達到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%，處于可以接受范圍內，因此可以選為紫外照射穩定留胚米的工藝參數。