◆作者:吳一莊
◆單位:武漢輕工大學(xué)
米糠是稻谷精制加工成大米的主要副產(chǎn)物,占稻谷的6%~8%,大米的精細(xì)化程度越高,米糠的營養(yǎng)價(jià)值就越高。我國米糠年產(chǎn)量在1200萬噸以上(胡章明等,2014),且大多數(shù)是小型米廠生產(chǎn)的。由于其加工條件有限,加工過程中產(chǎn)生的碎米含量較多,因此含有的能量較高,是替代玉米原料、降低配銷差的優(yōu)良飼料來源。米糠的營養(yǎng)價(jià)值很高,富含蛋白質(zhì)(14%~16%)、粗纖維(8%~10%)、脂肪(12%~23%)、碳水化合物、以及礦物質(zhì)和維生素。此外,米糠還含有植物類固醇、卵黃素、生育酚和生育三烯醇等植物類化學(xué)成分,其他化合物如硫辛酸和輔酶也少量存在。米糠含有的氨基酸較為平衡,因此常用來替代部分玉米。但是,新鮮的米糠較難貯存,一般在飼料廠,夏季的保質(zhì)期為3天,冬季的保質(zhì)期為7~9天。由于存儲時(shí)間較短,在米糠價(jià)格有優(yōu)勢時(shí),并不能存儲很多。米糠在加工過程中要經(jīng)過碾壓,會使稻谷中的油脂氧化,產(chǎn)生游離脂肪酸,而在夏季高溫高濕的情況下,很容易酸價(jià)升高,酸敗,產(chǎn)生哈味。因此,有效合理的利用米糠的前提是使米糠處于穩(wěn)定狀態(tài),延長儲藏期(趙旭等,2006)。
目前,防止米糠發(fā)生酸敗的方法是通過滅活脂肪酶活性、減少脂質(zhì)水解,從而延緩米糠的變質(zhì),提高貯藏性能。主要方法有物理處理法(擠壓膨化法、超臨界CO2脫脂法、制粒法、熱處理法、低溫冷藏法)、化學(xué)處理法(鹽酸法、次氯酸鈣、亞硫酸鈉法等)及生物處理法等。這些方法均可在一定程度上使米糠中的酶失活,同時(shí)殺滅米糠中存在的真菌、細(xì)菌和昆蟲等,延長米糠的存儲時(shí)間。
1.1.1 熱處理法
熱處理可以使米糠中的水分降低從而使脂肪酶失活,同時(shí)有效地破壞微生物并保持米糠中營養(yǎng)成分的含量。根據(jù)熱處理的類型(干熱法和濕熱法),脂肪酶活性可被可逆性抑制或永久性變性。干熱法是直接將米糠高溫加熱的方式來使米糠中的米糠酶鈍化,從而達(dá)到延長存貯的一個(gè)技術(shù)。但加熱100℃以下處理的米糠,脂肪酶活性下降幅度不大,達(dá)不到穩(wěn)定米糠的作用。有相關(guān)研究表明,溫度在130℃加熱30 min,脂肪酶活性下降73%。隨著加熱時(shí)間的延長,脂肪酶下降程度降低。當(dāng)溫度超過140℃時(shí),米糠就會變焦(喬展等,2012)。有學(xué)者研究認(rèn)為米糠在120℃加熱22min效果最佳(Gong等,2012)。濕熱法是在加熱米糠的同時(shí)注入熱的水蒸氣,通過水蒸氣的熱傳遞,間接加熱米糠。因此濕熱法鈍化效果要優(yōu)于干熱法,因?yàn)闈駸岱ǚ€(wěn)定米糠不需要特別高的溫度,而且處理時(shí)間也要優(yōu)于干熱法。100℃下用濕熱法加熱3min的脂肪酶活力要比130℃下干熱法加熱60min的脂肪酶活力低,省時(shí)省力(胡小中,2002)。干熱法處理后在長時(shí)間保存時(shí),米糠中水分會再吸收,游離脂肪酸依舊會增加,導(dǎo)致米糠品質(zhì)變差,并且干熱法處理的米糠,大部分營養(yǎng)物質(zhì)都被流失。因此,溫度和含水率的控制是重要參數(shù)。但大規(guī)模工業(yè)化干熱還應(yīng)考慮均勻加熱、加熱時(shí)間和能耗等因素。
1.1.2 擠壓膨化法
擠壓法是一種比較適合穩(wěn)定米糠的方法,它具有多功能熱過程的特點(diǎn)。擠壓過程中產(chǎn)生的高溫、高壓和高剪切力可以使米糠中的脂肪酶、過氧化酶等酶失活,從而延長米糠的存儲。工業(yè)上主要采用擠壓膨化法來延長米糠的存儲。按照Randall等(2006)的方法,先在米糠中加入適當(dāng)?shù)乃?,通過螺桿向前傳送,并在130℃左右擠壓數(shù)秒,之后在97℃左右水蒸氣下保溫幾分鐘,就能達(dá)到使大部分的脂肪酶失活。與未經(jīng)擠壓米糠相比,擠壓后米糠中FFA的生長速率降低,米糠的保鮮期延長??偟膩碚f,擠壓比其他穩(wěn)定方法生產(chǎn)率高,加工時(shí)間短,操作簡單,產(chǎn)生的產(chǎn)品形狀獨(dú)特,最終產(chǎn)品穩(wěn)定性好。經(jīng)擠壓和干熱穩(wěn)定后的米糠保質(zhì)期有較大提高。干熱處理后米糠纖維、膠質(zhì)纖維和總纖維的增加量與原米糠無顯著差異。擠壓穩(wěn)定米糠的功能特性,如米糠的吸水率、水溶性、容重和酶敏感淀粉等,也比干燥熱處理得到了改善。朱文華等(2000)在對全脂米糠的擠壓穩(wěn)定性的研究中認(rèn)為,在相同的擠壓溫度下,米糠中的水份含量會對擠壓后的游離脂肪酸指標(biāo)有顯著影響。因?yàn)樗橇己玫膫鳠峤橘|(zhì),會使米糠在擠壓的過程中溫度分布更加均勻,而且米糠水分升高,會使酶的抗熱性降低,有助于增強(qiáng)滅酶效果。擠壓法可用于穩(wěn)定米糠、改善米糠的顏色和其他理化性質(zhì)。與生米糠相比,穩(wěn)定后的米糠中植酸、蛋白質(zhì)和維生素E水平也顯著降低,而脂質(zhì)、維生素B2、維生素B3、維生素B5和葉酸水平均無統(tǒng)計(jì)學(xué)變化。同時(shí)米糠中膳食纖維含量提高,對改善動物腸道功能也有利。然而,擠壓法需要嚴(yán)格控制操作條件,以保持米糠的營養(yǎng)價(jià)值。一般而言,溫和的工藝條件,如較高的含水量、較低的停留時(shí)間和較低的溫度,對于獲得較高的營養(yǎng)水平和淀粉的消化率,增加可溶性膳食纖維更加有利(宋曉旻,2006)。
目前有一種新型的擠壓技術(shù)是在擠壓過程中注入CO2氣體,而傳統(tǒng)擠壓膨化過程中是通過加入水蒸汽的方式,新型擠壓技術(shù)加入的CO2可擴(kuò)散的米糠內(nèi)部形成大量氣泡,從而達(dá)到使米糠膨化。通過對CO2擠壓膨化米糠理化指標(biāo)的測定,結(jié)果表明,CO2擠壓膨化可以使樣品的直徑膨化率、比長度、吸水性指數(shù)提高,并且能夠抑制脂肪氧化酶的活性。CO2擠壓膨化對粗脂肪和粗蛋白的含量影響不顯著(林天然,2018)。制粒的方法也是影響米糠穩(wěn)定性的一個(gè)因素,采用入模溫度85℃,膜孔為2.5mm時(shí)可以使其穩(wěn)定化存儲的時(shí)間較長,且與膨化擠壓的工業(yè)方法比較,制粒成本相對低一些。比較物理法處理過的米糠進(jìn)行耐儲試驗(yàn),可知熱處理法和擠壓膨化法均對米糠的延長存儲起到一定的作用,其中,新型擠壓法效果最好,其次是濕熱法,再次為干熱法(楊繼紅,2014)。
1.1.3 微波法
微波加熱穩(wěn)定米糠的研究始于1979年。近年來,微波加熱在米糠穩(wěn)定方面越來越受重視,微波加熱是基于高強(qiáng)電磁波,滲透在米糠中,通過分子間摩擦將能量轉(zhuǎn)化為熱能,并將熱能迅速均勻的傳遞到米糠中,隨著溫度的升高,米糠中的脂肪酶發(fā)生變性和滅活。有研究表明,微波加熱處理新鮮的米糠4min可使脂解酶70%變性失活,且處理后米糠游離脂肪酸含量降低,延長了米糠的存儲。同時(shí),微波加熱法使米糠中的大量微生物和蟲卵被有效殺死。而其營養(yǎng)水平、感官并沒有得到破壞。米糠微波加熱目前仍處于小試階段,未見工業(yè)化應(yīng)用報(bào)道(張磊科,2012)。
有研究發(fā)現(xiàn),微波對米糠穩(wěn)定化有顯著效果,而米糠中的水分含量會顯著影響米糠穩(wěn)定的效果,從優(yōu)化微波穩(wěn)定米糠工藝的角度出發(fā),提高米糠水分含量對微波穩(wěn)定化處理有明顯的增效作用,其次微波功率及其微波加熱時(shí)間也會影響米糠的穩(wěn)定化效果,其中米糠中水分的含量影響最為顯著。那么綜合米糠適當(dāng)?shù)乃趾亢臀⒉ǖ墓β始拔⒉〞r(shí)間就會起到更為優(yōu)化的作用,有相關(guān)研究表明,米糠水分含量提高到23%,微波功率控制在795W、微波處理時(shí)間達(dá)到115 s的處理效果較優(yōu)。在此條件下,米糠脂肪酶殘余活力大大降低。經(jīng)過適當(dāng)水分的調(diào)節(jié)、合理的微波功率和時(shí)間共同作用下,存儲效果要優(yōu)于普通的微波加熱法(孫軍等,2001)。因此,米糠中的水分含量對米糠穩(wěn)定有顯著效果。還有研究表明影響微波處理的因素主次順序?yàn)椋禾幚頃r(shí)間>加熱功率>料層厚度,其中微波處理時(shí)間、加熱功率是影響處理效果的主要因素(馮海云,2010)。料層厚度也是影響穩(wěn)定化效果的重要因素,料層過薄或過厚均不利于米糠的穩(wěn)定化,因此,適當(dāng)?shù)乃终{(diào)節(jié)、合理的微波功率和微波時(shí)間以及較為合理的料層厚度,對于鈍化脂酶的效果和保證米糠品質(zhì)至關(guān)重要。對米糠微波的研究暫時(shí)多以微波爐的形式來少量的處理米糠,因此暫時(shí)還難以解決工業(yè)化生產(chǎn)等問題(吳本剛等,2011),而目前有隧道式連續(xù)微波裝置,可對米糠進(jìn)行大量的處理。
1.1.4 低溫冷藏法
米糠可以在低溫下儲存以抑制脂肪酶的活性(Prakash等,1996),從而達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。1949年,Loeb等人就將米糠樣品置于3、25和31℃的溫度中,發(fā)現(xiàn)樣品在3℃孵育時(shí)游離脂肪酸顯著減少。Amarasinghe等(2004)使用了冷藏設(shè)備(0℃)穩(wěn)定米糠,發(fā)現(xiàn)米糠中脂肪酶的活性被成功控制,表明低溫(0℃)貯藏或冷藏可有效控制脂肪酶活性。但是,冷藏后的米糠再放置室溫下又恢復(fù)了酶的活性,導(dǎo)致對脂肪分解和米糠氧化酸敗的抑制不完全,具有局限性(Tao等,1993)。這只適用于小規(guī)模的儲存,在工業(yè)化生產(chǎn)環(huán)境中,由于條件多變無法達(dá)到預(yù)期的效果。
噴灑鹽酸法是以脂肪酶的活性在低pH值時(shí)受到抑制為原則,采用40 L/t的鹽酸噴灑米糠上,再用攪拌機(jī)混勻,從而延長米糠的存儲時(shí)間(Prabhakar等,1986)。要達(dá)到穩(wěn)定化效果,必須要將鹽酸與米糠充分混合,并且混合后pH值低于4?;瘜W(xué)法對鹽酸的添加量較為苛刻,若鹽酸加入量過大,會使米糠殘留大量化學(xué)試劑的味道,并且會使米糠顏色發(fā)黑,影響其在飼料中的添加使用(孫軍等,2001)。
有研究表明,添加了化學(xué)物質(zhì)會使米糠在儲藏的過程中酸價(jià)升高的幅度減慢。添加次氯酸鈣的米糠一個(gè)月之后米糠酸價(jià)為21.4mgKOH/g;EDTA鐵鈉作用的米糠一個(gè)月之后米糠酸價(jià)為40.1mgKOH/g;六偏磷酸鈉作用的米糠一個(gè)月之后的酸價(jià)為47.3mgKOH/g;抗壞血酸作用的米糠一個(gè)月之后米糠的酸價(jià)為49.6mgKOH/g。而在未處理的新鮮米糠中,米糠的酸價(jià)上升的最快,一個(gè)月之后米糠的酸價(jià)上升為100.7mgKOH/g。綜上,米糠穩(wěn)定化的效果為次氯酸鈣>EDTA鐵鈉>六偏磷酸鈉>抗壞血酸。因此通過化學(xué)法能夠讓米糠的酸價(jià)較為緩慢的升高,能夠一定程度上延長米糠的儲藏。王烈喜等在使用化學(xué)試劑與米糠在20g∶1kg的比例混合下,同樣證實(shí)了化學(xué)試劑對米糠穩(wěn)定化的顯著作用,且次氯化鈣最為顯著。
張磊科等(2012)采用菠蘿蛋白酶、木瓜蛋白酶、無花果蛋白酶、堿性蛋白酶和中性蛋白酶分別作用于米糠,結(jié)果顯示,處理組與對照組在存儲上,酸價(jià)均都上升,且升高的幅度相似,因此作者認(rèn)為五種生物酶對米糠穩(wěn)定化沒有顯著作用。但高亞奇等(2017)在使用堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶和胰蛋白酶處理米糠過程中發(fā)現(xiàn)堿性蛋白酶處理的穩(wěn)定效果最好,在28℃存儲30天后,游離脂肪酸增加率僅為12.79%,而未經(jīng)處理的米糠游離脂肪酸增加率超過200%。并且認(rèn)為堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶和胰蛋白酶雖然沒有完全鈍化脂肪酶的活力,但對米糠酸敗的抑制作用卻很明顯。每克米糠按照1∶2的料液比加入15 mg堿性蛋白酶反應(yīng)120 min穩(wěn)定效果最佳。其作用機(jī)理是堿性蛋白酶對蛋白中的芳香性或疏水性氨基酸殘基(如Tyr,Phe,Leu等)碳端裂解效果較好。Laokuldilok等(2014)驗(yàn)證木瓜蛋白酶處理新鮮的米糠會大大降低游離脂肪酸的含量。Mangal等人采用不同濃度的木瓜蛋白酶在60℃處理米糠30 min,儲存15天后發(fā)現(xiàn)其游離脂肪酸含量較低。生物法處理米糠獲得的穩(wěn)定效果存在比較大爭議,可能與酶的濃度、處理時(shí)間以及溫度有關(guān)。
在傳統(tǒng)物理處理方法上,不論是干熱法還是濕熱法,均對熱能的要求較高,且會破壞米糠中的一些營養(yǎng)成分。目前工業(yè)化運(yùn)用較多的是擠壓膨化法,但飼料場需額外購置擠壓膨化機(jī),相比之下米糠制粒法更符合實(shí)際需求。但在飼料場旺季供不應(yīng)求的情況下,往往也是米糠最容易酸敗的季節(jié)。對于化學(xué)試劑法,次氯酸鈣在眾多研究中具有良好的穩(wěn)定米糠酸敗的作用其用量比為20g∶1kg。生物穩(wěn)定法穩(wěn)定米糠還有一定的爭議,可能是與酶活、處理溫度、時(shí)間等因素有關(guān)。目前比較良好的穩(wěn)定米糠且不破壞營養(yǎng)成分的方法是微波法。綜合來看,各個(gè)工藝處理方式均有一定的局限性。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)合理運(yùn)用各個(gè)處理方式,讓米糠的利用得到最大化。