全脂米糠过氧化物酶挤压钝化参数研究

高 洋 肖志刚,2 刘海飞 杨祎晨 梁志家 田娟娟

(东北农业大学食品学院1，哈尔滨 150030)(沈阳师范大学粮食学院2，沈阳 110034)(东方集团粮油食品有限公司3，哈尔滨 150000)

全脂米糠过氧化物酶挤压钝化参数研究

高 洋1肖志刚1,2刘海飞1杨祎晨1梁志家3田娟娟3

(东北农业大学食品学院1，哈尔滨 150030)(沈阳师范大学粮食学院2，沈阳 110034)(东方集团粮油食品有限公司3，哈尔滨 150000)

利用挤压稳定化方法处理全脂米糠，探索挤压加工参数对灭酶效果的影响规律。以挤压机机筒温度、物料含水率、螺杆转速、模孔直径为考察因素，过氧化物酶残余酶活力为评价指标，在单因素试验基础上进行响应面研究，试验结果表明，挤压工艺的因素排序为机筒温度>物料含水率>螺杆转速>模孔直径，在机筒温度135 ℃，物料含水率22.5%，螺杆转速130 r/min，模孔直径8 mm的挤压条件下，过氧化物酶残余酶活达到最小值0.53%，钝化效果较好，过氧化物酶残余酶活低于微波法，稳定化程度较高。SEM电镜结果显示，挤压处理使米糠的微观结构发生复杂变化，更加易于人体的消化吸收。

挤压 全脂米糠 过氧化物酶 稳定性

米糠是稻谷加工中的主要副产品，含有稻米中64%的重要营养成分，米糠富含蛋白质、脂肪、膳食纤维等营养物和脂多糖、谷维素等生理活性物质[1-2]，已有报道显示米糠具有降血糖、降血脂、预防癌症等保健功能[3-4]。我国米糠资源丰富，但由于新鲜米糠剥落后在脂肪水解酶和过氧化物酶等活性酶的作用下极易酸败，不耐贮存，使得米糠一直作为饲料应用于畜牧领域，资源浪费严重[5-7]。稳定后的米糠因其关键酶被钝化，保质期延长，可应用于食品领域及全谷物食品中。

米糠稳定化处理是一个降低酶活力同时营养成分复杂变化的过程，米糠经过稳定化处理，不仅要求关键酶活力受到足够的抑制，还需要尽可能的提升或保留自身的营养成分，常见的米糠稳定化方法有干热法、酶法、冷藏法、微波法、化学处理法及挤压膨化法等[8-11]。目前，利用冷藏法及酶法进行稳定化处理，获得米糠保存一个月即发生酸败变质，难以实现米糠的进一步开发利用；干热法、化学处理法稳定化全脂米糠，关键酶钝化效果较差，获得稳定化米糠保质期最高仅可达3个月，稳定化程度较低。

挤压膨化是一门新兴技术，将该技术应用于稳定化米糠经济有效[12]，适合工业生产，不仅能够抑制酶的活性，延长米糠贮藏性能，且营养素损失小，利于人体消化吸收[13-15]。过氧化物酶是最耐热酶类，可作为热处理是否充分的指标酶，当米糠中过氧化物酶残余酶活小于4%时，通常认为过氧化物酶失活，其他酶类也已失活[16]。

本试验利用挤压膨化法处理合脂米糠，以期获得保质期12个月的稳定化全脂米糠。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜米糠(含水率13.12%，蛋白质质量分数15.60%，脂肪质量分数19.80%)：东方粮油集团有限公司；磷酸氢二钠:天津市光复科技发展有限公司；柠檬酸：天津化学试剂一厂；邻苯二胺：天津光复精细化工研究所；亚硫酸氢钠：天津市东丽区天大化学试剂厂；过氧化氢：广州化学试剂厂。

1.2 试验设备

螺杆挤压机：济南赛信膨化机械有限公司，DS56-Ⅲ型膨化食品机为小直径双螺杆挤压膨化设备。其螺杆直径为65 mm，螺杆转速在0～250 r/min内无级可调，机筒温度在0～200 ℃内连续可调，加工能力为60～120 kg/h。根据挤压机的技术原理和物料在机腔内的运动特点，将其分为喂料段、熔融段、成型段3个区段。挤压设备主机各部分结构如图1所示。

图1 挤压机结构简图

S-3400N扫描电子显微镜：北京中显恒业仪器仪表有限公司(其放大倍率为×5～×300 000，加速电压0.3～30 kV，最大样品尺寸直径200 mm)。

海尔MZC-2070M微波炉：青岛海尔科技有限公司(分为解冻、低火、中火、中高火、高火5个档位，微波时间0～30 min可调)。

DF110型电子分析天平：中国轻工机械总公司常熟衡器工业公司；HH-4型数显搅拌水浴锅：常州赛普实验仪器厂；HG101-1型电热鼓风干燥箱：南京实验仪器厂；722可见光分光光度计：上海青华科技仪器有限公司；PHS-25℃型数字酸度计：上海大普仪器有限公司；DWF-100型电动粉碎机：河北省黄晔市科研仪器厂；低速离心机：安徽中科中佳科学仪器有限公司；磁力搅拌器：江苏省金坛市医疗仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 技术路线

图2 技术路线图

1.3.2 单因素试验

以双螺杆挤压机的机筒温度、物料含水率、螺杆转速、模孔直径为因素，过氧化物酶残余酶活为指标进行单因素试验。固定各因素值分别取120 ℃、物料含水率19%、螺杆转速160 r/min 、模孔直径8 mm，考查各因素对过氧化物酶残余酶活影响的单因素变化值分别为：挤压温度80、100、120、140、160 ℃，物料含水率13%、16%、19%、22%、25%，螺杆转速120、140、160、180、200 r/min，模孔直径12、10、8、6、4 mm，试验结果取3次试验的平均值。

1.3.3 响应面试验

基于单因素研究结果，采用可旋转中心组合设计方法进行试验方案的设计，以机筒温度、物料含水率、螺杆转速和模孔直径四个因素为自变量，以挤压稳定化米糠过氧化物酶残余酶活(Y)为响应值，设计了四因素五水平共36个点(12个中心点)的响应面试验。因素水平编码表见表1，取3次试验的平均值。

表1 因素水平编码表

1.3.4 微波处理米糠试验方法

对同一组米糠原料进行了微波处理并测定处理后米糠过氧化物酶残余酶活，选取物料厚度1 cm，水分12%[17-19]，依据预试验辐射效果，确定微波炉5个档位的辐射时间范围30～150 s，平行操作3组。

1.3.5 电镜试验方法

应用扫描电镜(SEM)进行观察。将新鲜米糠及试验确定的挤压最优组样品分别固定在铝锭上的双面胶上，并做好标记，然后喷金处理，并将处理后的样品保存在干燥器中。测试时将样品置于扫描电镜中，以15 kV电子束观察，寻找具有代表性的样品图片。

1.4 分析方法

过氧化物酶残余酶活力测定[20]：准确称取2.00 g米糠样品与50 mL pH 6.5的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液混合，于25 ℃恒温水浴锅中磁力搅拌30 min，混合液以4 000 r/min离心10 min，量取上清液10 mL用缓冲液稀释定容至250 mL容量瓶，分别量取2份上述粗酶液25 mL于小烧杯内，其中一份加入0.5 mL1%的邻苯二胺(溶于95%乙醇中)和0.5 mL0.3%过氧化氢溶液于25 ℃恒温水浴锅中反应5 min后，立即加入1 mL饱和亚硫酸氢钠溶液终止反应，于430 nm处测定吸光度。另一份加入0.5 mL 1%邻苯二胺和饱和亚硫酸氢钠，再加入0.5 mL 0.3%过氧化氢溶液后作为空白，见式(1)。

(1)

式中：A为吸光度；md为样品干基质量/g。

过氧化物酶活力见式(2)。

(2)

2 结果分析

2.1 机筒温度

由图3可见，过氧化物酶残余酶活在1.364%～33.832%范围内变化，由于大部分酶都具有蛋白质的一些特征，所以温度的变化趋势会对残余酶活力具有较为明显的影响。当温度达到140 ℃时，过氧化物酶残余酶活达到最小值1.363%。理论上来讲，酶的灭活效果随温度的增加而明显，但当温度达到160 ℃时，获得挤压样品颜色很深，产生焦糊味，味道苦涩，影响了食味品质，同时样品颜色的加深，也使得吸光值测定时数值增大。综合以上条件选取120～160 ℃作为因素水平的取值范围。

图3 机筒温度对过氧化物酶残余酶活影响

2.2 物料含水率

过氧化物酶残余酶活随物料含水率的变化范围为1.416%～5.957%，从图4可以看出，随着物料含水率的升高，过氧化物酶残余酶活呈现先下降后升高的变化趋势，物料含水率在22%时残余酶活达到最小值1.416%。这是由于物料含水率的变化对物料在挤压机内受热情况以及物料的流动性能都具有较为明显的影响，物料含水率低时，挤压过程中温度分布不均匀，物料含水率增加其物料的流动性更好，物料在机筒内的滞留时间相应减少[21-22]。综合以上趋势因素水平值的取值区间设定为19%～25%。

图4 物料含水率对过氧化物酶残余酶活影响

2.3 螺杆转速

随着螺杆转速的变化,过氧化物酶残余酶活在1.426%～3.335%范围内变化，由图5可看出，当螺杆转速低于140 r/min时，过氧化物酶残余酶活随转速增加而降低，140～160 r/min，残余酶活明显增大，而转速高于160 r/min时，残余酶活力随转速增加呈缓慢上升。这是由于螺杆转速对挤压机内物料的剪切力、物料停滞时间都具有影响，螺杆转速较低时，物料所受剪切力较小，但在挤压腔中逗留的时间增长，对酶的钝化效果越好[23]。综合考虑，选取120～160 r/min作为因素取值区间。

图5 螺杆转速对过氧化物酶残余酶活影响

2.4 模孔直径

过氧化物酶残余酶活随模孔直径的变化范围为3.325%～4.028%，从图6可以看出，模孔直径较小时残余酶活变化不明显，模孔直径达到12mm时明显增大，这是由于当挤压机模孔直径的较大时，物料在挤压机中停留的时间稍短一些，出料时物料在模头处所受的阻力较小，残余酶活增大，模孔过小容易造成堵机，综合考虑模孔型号选择模孔直径8 mm。

图6 模孔直径对过氧化物酶残余酶活影响

3 响应面试验数据分析

旋转中心组合设计试验结果如表2。

表2 试验安排及试验数据

3.1 过氧化物酶残余酶活回归方程

通过响应面回归过程数据分析，建立过氧化物酶残余酶活Y的二阶响应回归模型，并进而分析各试验因素X对响应值Y的影响。经分析整理，剔除不显著项后得到挤压后米糠中过氧化物酶残余酶活的回归方程为：

Y=0.63+0.066X1-0.054X2+0.032X3+0.022X4+0.032X1X2-0.033X1X4+0.033X2X3+0.14X12+0.11X22+0.027X32+0.059X42

(3)

表3 方差分析表

注：X1为机筒温度/℃；X2为物料含水率/%；X3为螺杆转速/r/min；X4为模孔直径；**为差异极显著(P<0.01)；*为差异显著(P<0.05)。

3.2 回归方程方差分析

由表3方差分析可以看出，模型P值小于0.01，模型方程极显著，失拟P值大于0.05不显著，并且该模型R2=0.964 4(大于0.800 0)，说明该方程与试验拟合良好，自变量与响应值之间线性关系显著，试验误差小，模型能较好地反映数据，同时此模型能充分地表明各因素之间的关系。X1、X2、X3、X4、X1X2、X1X4、X2X3、X12、X22、X32、X42项对挤压后米糠中过氧化物酶残余酶活有显著影响。中心化处理回归方程，通过回归系数绝对值来分析各个因素的改变对过氧化物酶残余酶活的影响，回归方程一次项的大小：X1>X2>X3>X4，即机筒温度>物料含水率>螺杆转速>模孔直径。

3.3 模型各因素间交互作用分析

为了形象地描述各个因素交互作用对响应值的影响，挤压后过氧化物酶残余酶活的响应面如图7～图9所示。图7～图9直观地反映了所建立模型各因素交互作用对过氧化物酶残余酶活的影响。从响应面的最低点和等高线可以看出，该范围内存在极值，既是响应面的最低点，同时也是等高线最小椭圆的中心点。由表3中各交互项的F值可看出，机筒温度和物料含水率、机筒温度和模孔直径、物料含水率和螺杆转速的交互作用对响应值的影响显著，相应的在响应面图中表现为响应曲线面较为陡峭。

由图7可知，在螺杆转速140 r/min，模孔直径8 mm时，机筒温度和物料含水率的交互作用显著，同时机筒温度对过氧化物酶残余酶活的响应曲面相比物料含水率对过氧化物酶残余酶活的相应曲面变化更为陡峭，说明机筒温度比物料含水水率对过氧化物酶残余酶活的影响强度更大。机筒温度在125～145 ℃，物料含水率在20.5%～23.5%时，过氧化物酶残余酶活较低；由于水在挤压过程中起到导热介质的作用，物料含水率低时，挤压过程中温度分布不均匀，影响灭酶效果，而挤压水分过高时，物料流动性好，在机筒内停滞时间短，灭活效果较差，当机筒温度较低时，达不到酶的灭活温度，灭酶效果也较差，当机筒温度在125～145 ℃，物料含水率在20.5%～23.5%时，过氧化物酶残余酶活较低。

注：螺杆转速140 r/min，模孔直径 8 mm。图7 机筒温度和物料含水率对过氧化物酶残余酶活影响的响应面图

注： 物料含水率22%，螺杆转速140 r/min。图8 机筒温度和模孔直径对过氧化物酶残余酶活影响的响应面图

注： 机筒温度140 ℃，模孔直径8 mm。图9 物料含水率和螺杆转速对过氧化物酶残余酶活影响的响应面图

由图8可知，在物料含水率为22%，螺杆转速为140 r/min时，机筒温度和模孔直径的交互作用显著，同时机筒温度对过氧化物酶残余酶活的响应曲面相比模孔直径对过氧化物酶残余酶活的相应曲面变化更为陡峭，说明机筒温度比模孔直径对过氧化物酶残余酶活的影响强度更高。机筒温度在130～145 ℃，模孔直径6～10 mm时，过氧化物酶残余酶活较低；模孔直径固定，机筒温度较低时，没有达到对酶的灭活的温度，效果较差，随着温度的增加到140 ℃时，过氧化物酶的残余酶活降低程度较大，当温度继续升高，过氧化物酶的残余酶活降低程度不明显，并且温度过高会使米糠产品的外观形态变差，食味品质下降。而模头大小影响模头处所受压力及机筒停留时间，模孔较小能更有效地使酶失活[25-26]。机筒温度和模孔直径的交互作用时，机筒温度在130～145 ℃，模孔直径6～10 mm时，过氧化物酶残余酶活较低，米糠挤压后，物料形态和成分变化不大，符合要求。

由图9可知，在机筒温度为140 ℃，模孔直径8 mm时，物料含水率和螺杆转速的交互作用显著，同时物料含水率对过氧化物酶残余酶活的响应曲面相比螺杆转速对过氧化物酶残余酶活的相应曲面变化更为陡峭，说明物料含水率比螺杆转速对过氧化物酶残余酶活的影响强度更大。物料含水率在21%～23%，螺杆转速在130～150 r/min时，过氧化物酶残余酶活较低；当物料含水率固定时，螺杆转速过高，蒸煮时间短，导致过氧化物酶残余酶活升高。而螺杆转速过低，模头处压力及剪切力不足，灭酶效果较差。但是，螺杆转速过快时，物料在挤压机内部停留时间太短，物料受力不均匀，灭酶效果差，影响其贮藏特性。水分过低，物料受热不均匀，对酶的钝化效果不好。当物料含水率在21%～23%，螺杆转速在130～150 r/min时过氧化物酶残余酶活较低。

3.4 挤压机参数确定

过氧化物酶残余酶活小于1%，能够有效延缓米糠酸败，延长贮藏期，选用频数分析法进行统计选优[24]，结果如表4所示。

表4 过氧化物酶残余酶活小于1%的频数分析

由表4可知，使用统计频数分析方法优化出过氧化物酶残余酶活<1.0%的各参数范围：机筒温度X1为134.8～137.8 ℃；物料含水率X2为22.33%～22.86%；螺杆转速X3为130.7～137.8 r/min；模孔直径X4为7.18～8.08 mm。

4 数值模型的验证

在频数选优获得的工艺措施范围内，同时考虑实际可操作性可选范围，选取5组具有代表性的参数组合进行验证试验，见表5。通过计算发现，5组中参数编码值为(-0.5，0.33，-1，0)的组合，即实际值为135 ℃、22.5%、130 r/min、8 mm组合酶钝化效果指标最佳。

表5 验证性试验结果

表5过氧化物酶残余酶活测试结果表明，各组米糠回归方程预测值与实测值相对误差均小于10%，且残酶活力均较低。说明回归方程及频数选优结果是可靠的，可以通过回归方程对试验结果进行预测。

5 对照试验

5.1 工艺对照

微波试验所得结果如图10所示：解冻、低火档灭酶效果很差，中火、中高火、高火档效果较好，在实际操作过程中，中火辐射高于60 s，中高火、高火辐射高于30 s时，产生无法接受的糊味，甚至出现物料局部焦黑现象(高火辐射120、150 s产生大量黑烟，故舍弃)，综合考虑，确定微波最佳工艺为中火90 s ，所得过氧化物酶残余酶活5.79%，其灭酶效果远不及挤压膨化法。此外，与微波加热法相比，挤压膨化法还具有能耗低、工艺操作简便、自动化程度高的特点，而且挤压机处理量大，生产周期短，更适合工业大规模生产，挤压膨化法能够较大限度的保留米糠中的营养物质。挤压机的高温、高压、高剪切力赋予了米糠更加浓郁的色泽和醇厚的香气，符合人对食物的感官要求[25-27]。

图10 微波处理对过氧化物酶残余酶活的影响

5.2 微观结构的对照

图11为未挤压原料米糠扫描电镜图，其表面呈现完整的片层结构，当观察倍数为1 000倍时米糠表面可见大量突起，提高观察倍数为3 000倍，表面可见明显的蛋白体、淀粉颗粒和脂肪[28-31]，颗粒间相互包裹与纤维形成结构致密的聚集体，片层结构清晰完好；由图12可看出，与未挤压米糠相比，挤压米糠片状结构被破坏，突起明显减少，淀粉和蛋白质等各组分融合在一起，团块表面多褶皱，经膨化表面疏松多孔。

电镜分析表明：挤压对米糠纤维及细胞壁会产生破坏作用，内容物释放。挤压是米糠各成分聚集、融合、释放的过程。米糠在挤压机高温、高压、高剪切环境下除淀粉糊化、降解，蛋白变性和纤维降解外，各成分之间也经历由原结合状态的机械分离，再到挤压强制融合的历程，米糠从模口挤出瞬间随水分的蒸发而膨胀，产生疏松的结构。这种疏松结构有利于人体对它的消化、吸收和利用。同时，挤压加工后米糠的营养价值得到了相对提高。

图11 未处理米糠SEM图

图12 挤压后米糠SEM图

6 结论

本研究表明，挤压工艺参数对过氧化物酶灭活效果影响大小顺序依次为机筒温度、物料含水率、螺杆转速、模孔直径。挤压膨化法稳定化米糠的最佳挤压工艺参数：机筒温度135 ℃，物料含水率22.5%，螺杆转速130 r/min，模孔直径8 mm。此条件下过氧化物酶残余酶活0.53%。结果表明挤压后的米糠过氧化物残余酶活远低于4%，达到了预期钝化效果，米糠的挤压稳定提高了米糠的贮藏性，是充分利用米糠资源的前提。

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Extrusion Passivating Parameters of Peroxidase in Full-Fat Rice Bran

Gao Yang1Xiao Zhigang1,2Liu Haifei1Yang Yichen1Liang Zhijia3Tian Juanjuan3
(School of Food, Northeast Agricultural University1, Harbin 150030) (School of Grain, Shenyang Normal University2, Shenyang 110034)(Orient Group Cereals Oils and Foodstuffs Co., Ltd.3, Harbin 150000)

The full fat rice bran is processed by extrude stabilization method, and research the effect of extrusion processing parameters on enzyme inactivation degree. Barrel temperature, moisture content of material, rotation speed of screw and aperture diameter of extruding machine were considered as factors, the residual activity of rice bran peroxidase was employed as evaluation index. Basic on the single factor experiments conduct the response surface methodology, The results indicated that the barrel temperature was the biggest effect factor, and second was material moisture, the third was screw rotation speed, and the die head model was the smallest effect factor, when barrel temperature of extruded was achieved to 135 ℃,moisture content of material was reached 22.5%, rotation speed of screw was attained 130 r/min and the aperture diameter of extruding machine was 8mm. Under the optimal conditions, peroxidase hasgood passivation effect and the residual activity of rice bran peroxidase reaches the lowest 0.53%, and compared with microwave heating on full fat rice bran, the extrude stabilization valve of residual activity of rice bran peroxidase was lower, therefore, the after-treatment full fat rice bran could be more stable. The scanning electron microscopy analyzed that extrusion processing has a complicated effect on the microstructure of rice bran, the extruded full fat rice bran was more easily to digest and was absorbed by the human body.

extrusion, full-fat rice bran, peroxidase, stability

TS210.4

A

1003-0174(2014)06-0079-08

“十二五”农村领域国家科技支撑计划(2012BAD 34B02)，哈尔滨市学科带头人基金(2012RFXXN 107)，黑龙江省教育厅科学技术研究重点项目(12511z006)

2013-06-30

高洋，女，1988年出生，博士，粮食、油脂及植物蛋白工程

肖志刚，男，1972年出生，教授，粮食、油脂及植物蛋白工程