微波辐射对小麦胚芽的稳定化作用机制及其应用研究

摘要

中国小麦胚芽(WG)资源丰富，但由于其内源酶活性高、不饱和脂肪酸含量丰富，WG快速酸败变质的特性严重制约着其深加工产业的发展。微波辐射具有加热速度快、热效率高、对营养物质破坏少等优点，已有的研究证实微波对WG稳定化效果优于传统热处理方式，但是其作用机制尚不明了。同时，微波非热生物效应也是学术界悬而未决的问题之一。为此，在调查、分析中国WG资源品质状况基础上，采用具有同步冷却功能的微波装置，研究微波对WG脂肪酶(LA)与脂肪氧化酶(LOX)的酶学特性及其结构的影响，探索微波钝化酶活力是否存在非热生物效应；并采用自制连续式微波稳定化装置，研究WG的微波稳定化工艺及微波对其品质的影响，揭示WG的微波稳定化作用机制，为微波钝化酶技术的应用提供理论依据。论文主要研究内容与结果如下：
　　 1.在了解和掌握中国小麦胚芽资源基本现状的基础上，对采自不同省份的9个大型制粉企业的WG样品进行了分析与测定。结果表明，我国商用WG的平均酸价22.80 mgKOH/g，夏季最高达60.4 mgKOH/g；WG的平均水分含量为12.10％、蛋白质为33.07％、脂肪为11.12％(其中亚油酸含量58.34％)、α-VE含量0.23％；菌落总数为2.65×104cfu/g；我国WG资源主要集中在山东、河南与河北等省。
　　 2.建立了快速测定WG中LA活力的铜皂比色法与测定LOX活力的改良紫外光谱法。其LA活力的测定条件为：首先调节WG水分活度至0.84，经部分脱脂后，每克WG加入0.75ml橄榄油，55℃下催化水解反应4h，最后铜皂比色法测定游离脂肪酸生成量；LOX活力测定条件为：反应缓冲体系为2.0mL0.1M磷酸盐缓冲溶液(pH6.5～7.5)，200μL底物溶液中亚油酸的浓度为1.25～2.53 mM、吐温-20的浓度为0.08～0.12％(w/v)，检测波长234nm，温度为25℃。
　　 3.以源自小麦胚芽的商品LA为试验材料，采用具有同步冷却功能的微波装置进行该酶的钝化试验研究，分析其活力变化，并利用CD与荧光光谱法观测不同温度条件下高场强微波辐射对LA结构的影响。结果表明，在10～23～C之间，微波辐射对LA活力、酶蛋白高级结构均未产生影响，由此说明在此温度范围内，微波处理LA溶液过程中不存在非热效应；在60℃时，微波辐射(150W/5mL)LA溶液20s就可完全钝化LA活力，且伴随其二级结构中α-螺旋含量下降，β-折叠含量增加，Tyr和Trp所处微环境均发生改变；相对于传统热处理，微波辐射在较低温度下(45℃)与更短时间内(20s)钝化LA活力、改变其空间结构，由此说明微波辐射可达到“低温快速”钝化LA活力的效果。
　　 4.以小麦胚芽LOX粗提液为试验材料，采用具有同步冷却功能的微波装置进行该酶的钝化试验，研究不同温度下高场强微波辐射对LOX酶学特性的影响。结果表明，在10～23℃之间，微波辐射对LOX活力与动力学参数均无影响，由此说明在此温度范围内，微波处理LOX溶液过程中不存在非热效应；在60℃时，微波辐射20s就能完全钝化LOX的活力，并导致其动力学参数改变，而水浴加热处理30min，LOX仍残存20％的活力；由此说明，同等温度条件下，微波钝化LOX的效果优于传统加热方式。
　　 5.采用改进设计的连续式微波稳定化装备，研究与优化WG的连续微波稳定化工艺，评估WG微波稳定化效果，初步揭示WG的微波稳定化作用机制。在线处理WG量为20kg/h的情况下，优化的微波稳定化条件为微波功率4kW、处理5min、风量60 Nm3/h；经微波稳定化处理的WG，其LA活力为对照组的16.11％；加速贮藏60天后，其酸价仅上升6.56％，并较好保持了WG原有的感观品质。微波稳定化主要通过降低WG的Aw，钝化大部分LA活力，从而有效抑制油脂的酶解反应；另一方面，一定强度的微波辐射能使LOX完全失活，从而避免了其中不饱和脂肪酸的酶促氧化反应；此外，微波辐射还部分杀灭了腐败微生物，并由于Aw的下降，使微生物的增殖得到控制，从而，延缓了WG的腐败变质。
　　 6.采用扫描电镜与微型粘度仪等，研究与分析了微波辐射对WG的微观结构和淀粉糊化等特性的影响。结果表明，微波处理后的WG仍可观察到完整的淀粉颗粒，具有清晰可见的轮廓，但随着微波辐射强度的提高，表观上呈现出熔融状，分析为微波辐射使WG中油脂、蛋白质及淀粉之间原有的空间结构发生了一定的改变；微波处理后WG糊化温度由58.5℃升至59～65℃，根据预糊化程度不同，出现相对未处理WG(490、154 BU)稍低的峰值粘度(349～466BU)和破损值(69～87BU)；微波处理的WG与未处理前相比具有相同的脂肪酸组成，其VE含量未发生明显变化。