基于 GBX eFAst-Lab水分活度儀測(cè)定的穩(wěn)定化米糠貨架期預(yù)測(cè)

2024年5月，上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院的Chen Chen團(tuán)隊(duì)，在Journal of Food Engineering（ IF=5.8）發(fā)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(fēng)輔助射頻（HA?RF）為穩(wěn)定化方式，系統(tǒng)探究殘留脂肪酶活性、水分活度、包裝材料、貯藏溫度對(duì)穩(wěn)定化米糠貯藏穩(wěn)定性的影響，建立動(dòng)力學(xué)模型與反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）模型，實(shí)現(xiàn)米糠貨架期精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

摘要

為建立穩(wěn)定化米糠通用貨架期預(yù)測(cè)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(fēng)輔助射頻（HA?RF）加熱為穩(wěn)定化方法，測(cè)定不同溫度貯藏期間游離脂肪酸（FFA）含量，開展動(dòng)力學(xué)分析以對(duì)比不同條件對(duì)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(duì)應(yīng)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(zhǎng)符合零級(jí)模型，其余樣品符合分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化模型。包裝材料對(duì)FFA生成的抑制效果排序?yàn)椋?/span>BOPP/牛皮紙/PE＞PA/PE＞PET/PE＞LDPE。本研究構(gòu)建以LA活度、aw、包裝材料、貯藏溫度為輸入?yún)?shù)的BPNN模型，經(jīng)Levenberg–Marquardt訓(xùn)練的模型預(yù)測(cè)性能好，決定系數(shù)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(zhǎng)，達(dá)147 d。該模型可有效預(yù)測(cè)穩(wěn)定化米糠貨架期，為米糠穩(wěn)定化工藝開發(fā)提供指導(dǎo)。

實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料

原料：產(chǎn)自中國(guó)安徽省的“新優(yōu)香"稻谷，實(shí)驗(yàn)室礱谷、碾磨后獲取新鮮米糠，過50目篩

德國(guó)萊馳精密篩網(wǎng)

包裝材料：低密度聚乙烯（LDPE）、聚對(duì)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(cè)定相關(guān)試劑、脂肪氧合酶（LOX）活性檢測(cè)試劑盒、BCA蛋白定量試劑盒、米糠油提取有機(jī)溶劑等

2實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)室礱谷機(jī)、商用碾米機(jī)、熱風(fēng)輔助射頻（HA?RF）穩(wěn)定化設(shè)備、真空干燥箱、GBX  eFAst-Lab水分活度儀、恒溫恒濕培養(yǎng)箱

GBX  eFAst-Lab水分活度儀

實(shí)驗(yàn)過程

1. 米糠穩(wěn)定化處理

采用熱風(fēng)輔助射頻（HA?RF）加熱對(duì)新鮮米糠進(jìn)行穩(wěn)定化，設(shè)置6組不同處理參數(shù)，獲得不同殘留LA、LOX活度、水分含量與aw的樣品。

2. 指標(biāo)測(cè)定

• 水分含量（MC）：130℃真空干燥2 h測(cè)定

• 水分活度（aw）：GBX  eFAst-Lab水分活度儀直接測(cè)定

• 脂肪酶（LA）活度：參照國(guó)標(biāo)GB/T 5523?2008改進(jìn)方法測(cè)定

• 脂肪氧合酶（LOX）活度：采用試劑盒與BCA蛋白定量法測(cè)定

• 游離脂肪酸（FFA）含量：滴定法測(cè)定米糠油中FFA

• 過氧化值（PV）：參照國(guó)標(biāo)GB/T 5009.227?2016測(cè)定

3. 貯藏穩(wěn)定性試驗(yàn)

酶活與aw影響試驗(yàn)：設(shè)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(duì)濕度50±5%條件下貯藏

儲(chǔ)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(yàn)：選取100℃/15 min、110℃/6 min兩組穩(wěn)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(duì)濕度50%條件下貯藏

4. 動(dòng)力學(xué)與BPNN建模

• 動(dòng)力學(xué)擬合：以FFA為主要指標(biāo)，擬合零級(jí)模型與分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化模型，計(jì)算預(yù)測(cè)貨架期

• BPNN模型構(gòu)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(shè)置1層隱含層、10個(gè)神經(jīng)元，采用Levenberg–Marquardt、貝葉斯正則化、縮放共軛梯度三種算法訓(xùn)練，以MSE、R、MAE、RMSE評(píng)估模型性能

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1. 貯藏期間米糠FFA持續(xù)升高，FFA生成速率與LA活度、aw呈正相關(guān)；LA活度≤30 mg/g且aw≤0.3時(shí)FFA增長(zhǎng)符合零級(jí)模型，其余情況符合分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化模型。

2. 包裝材料對(duì)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(zhǎng)慢于FFA，且貯藏期內(nèi)均低于國(guó)標(biāo)限值，FFA更適合作為米糠貨架期判定指標(biāo)。

4. 經(jīng)Levenberg–Marquardt算法優(yōu)化的BPNN模型預(yù)測(cè)精度優(yōu)于動(dòng)力學(xué)模型，R2=0.996，RMSE=2.077，可綜合多因素實(shí)現(xiàn)貨架期快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

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(dá)147 d。

參考文獻(xiàn)

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.

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