基于 GBX eFAst-Lab水分活度儀測定的穩定化米糠貨架期預測

2024年5月，上海交通大學農業與生物學院的Chen Chen團隊，在Journal of Food Engineering（ IF=5.8）發表題為Kinetic analysis and back propagation neural network model for shelf-life estimation of stabilized rice bran的研究，以熱風輔助射頻（HA?RF）為穩定化方式，系統探究殘留脂肪酶活性、水分活度、包裝材料、貯藏溫度對穩定化米糠貯藏穩定性的影響，建立動力學模型與反向傳播神經網絡（BPNN）模型，實現米糠貨架期精準預測。

摘要

為建立穩定化米糠通用貨架期預測模型，本研究采用不同殘留酶活、水分活度（aw）與包裝材料的樣品，以熱風輔助射頻（HA?RF）加熱為穩定化方法，測定不同溫度貯藏期間游離脂肪酸（FFA）含量，開展動力學分析以對比不同條件對米糠貨架期的影響。貯藏中FFA含量快速上升，更高水分活度與脂肪酶（LA）活度對應更快FFA生成速率；僅低LA活度（≤30 mg/g）且低aw（≤0.3）樣品的FFA增長符合零級模型，其余樣品符合分數轉化模型。包裝材料對FFA生成的抑制效果排序為：BOPP/牛皮紙/PE＞PA/PE＞PET/PE＞LDPE。本研究構建以LA活度、aw、包裝材料、貯藏溫度為輸入參數的BPNN模型，經Levenberg–Marquardt訓練的模型預測性能，決定系數R2=0.996，均方根誤差RMSE=2.077；25℃條件下，LA活度20 mg/g、aw=0.2、采用BOPP/牛皮紙/PE包裝的米糠貨架期最長，達147 d。該模型可有效預測穩定化米糠貨架期，為米糠穩定化工藝開發提供指導。

實驗材料與儀器

實驗材料

原料：產自中國安徽省的“新優香”稻谷，實驗室礱谷、碾磨后獲取新鮮米糠，過50目篩

德國萊馳精密篩網

包裝材料：低密度聚乙烯（LDPE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯（PET/PE）、聚酰胺/聚乙烯（PA/PE）、雙向拉伸聚丙烯/牛皮紙/聚乙烯（BOPP/Kraft?paper/PE）袋

試劑與試劑盒：脂肪酶活性測定相關試劑、脂肪氧合酶（LOX）活性檢測試劑盒、BCA蛋白定量試劑盒、米糠油提取有機溶劑等

2實驗儀器

實驗室礱谷機、商用碾米機、熱風輔助射頻（HA?RF）穩定化設備、真空干燥箱、GBX  eFAst-Lab水分活度儀、恒溫恒濕培養箱

GBX  eFAst-Lab水分活度儀

實驗過程

1. 米糠穩定化處理

采用熱風輔助射頻（HA?RF）加熱對新鮮米糠進行穩定化，設置6組不同處理參數，獲得不同殘留LA、LOX活度、水分含量與aw的樣品。

2. 指標測定

• 水分含量（MC）：130℃真空干燥2 h測定

• 水分活度（aw）：GBX  eFAst-Lab水分活度儀直接測定

• 脂肪酶（LA）活度：參照國標GB/T 5523?2008改進方法測定

• 脂肪氧合酶（LOX）活度：采用試劑盒與BCA蛋白定量法測定

• 游離脂肪酸（FFA）含量：滴定法測定米糠油中FFA

• 過氧化值（PV）：參照國標GB/T 5009.227?2016測定

3. 貯藏穩定性試驗

酶活與aw影響試驗：設置LA活度20、30、40、50 mg/g，aw 0.2–0.5，樣品密封于LDPE袋，分別在35℃（105 d）、45℃（49 d）、相對濕度50±5%條件下貯藏

儲存期間米糠水分含量（MC）和水活度（aw）的變化

• 包裝材料影響試驗：選取100℃/15 min、110℃/6 min兩組穩定化米糠，分別用4種包裝材料密封，在25℃（56 d）、35℃（105 d）、45℃（210 d）、相對濕度50%條件下貯藏

4. 動力學與BPNN建模

• 動力學擬合：以FFA為主要指標，擬合零級模型與分數轉化模型，計算預測貨架期

• BPNN模型構建：以LA活度、aw、貯藏溫度、包裝材料為輸入層，貨架期為輸出層，設置1層隱含層、10個神經元，采用Levenberg–Marquardt、貝葉斯正則化、縮放共軛梯度三種算法訓練，以MSE、R、MAE、RMSE評估模型性能

實驗結論

1. 貯藏期間米糠FFA持續升高，FFA生成速率與LA活度、aw呈正相關；LA活度≤30 mg/g且aw≤0.3時FFA增長符合零級模型，其余情況符合分數轉化模型。

2. 包裝材料對FFA生成的抑制能力：BOPP/牛皮紙/PE＞PA/PE＞PET/PE＞LDPE，防潮阻隔性是核心影響因素。

3. 過氧化值（PV）增長慢于FFA，且貯藏期內均低于國標限值，FFA更適合作為米糠貨架期判定指標。

4. 經Levenberg–Marquardt算法優化的BPNN模型預測精度優于動力學模型，R2=0.996，RMSE=2.077，可綜合多因素實現貨架期快速準確預測。

5. 貯藏組合：LA活度20 mg/g、aw=0.2、BOPP/牛皮紙/PE包裝，25℃下貨架期達147 d。

參考文獻

1：Liao M, Jing P, Gao N, et al. Effect of hot air-assisted radio frequency heating on storage stability of rice bran[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2022, 37(3): 128-136. 

2：Ling B, Lyng J G, Wang S. Effects of hot air-assisted radio frequency heating on enzyme inactivation, lipid stability and product quality of rice bran[J]. LWT-Food Science and Technology, 2018, 91: 453-459.