预处理燕麦麸皮贮藏期预测模型的建立

白 雪，刘瑞瑞，张美莉

（内蒙古农业大学食品科学与工程学院 呼和浩特 010018）

燕麦麸皮是燕麦加工的副产物，含有β-葡聚糖、不饱和脂肪酸、酚酸、燕麦碱等功能性组分，其总β-葡聚糖含量至少为5.5%，膳食纤维含量至少为16.0%，总膳食纤维中至少有三分之一是可溶性膳食纤维[1-2]。研究表明，燕麦β-葡聚糖可减缓糖类、脂肪和胆固醇的吸收[3]，具有预防Ⅱ型糖尿病的功效[4]，同时也可与胆汁酸结合，促使其随粪便排出体外，促进体内胆固醇的分解，降低血清胆固醇[5]。膳食补充燕麦麸皮可有效改善甘油三酯、总胆固醇和HDL-胆固醇水平，提示其是控制精神疾病患者心血管风险的一种治疗选择[6]。Patel等[7]研究发现给C57BL/6J 雄性小鼠喂食高燕麦麸皮饮食（15%纤维）可降低早期和晚期辐射引起的炎症的强度。Kristek 等[8]研究得出燕麦麸皮可以调节人体肠道微生物群并具有益生元特性（增加结肠内一些促进健康的细菌属的生长）。因此，燕麦麸皮是具有降胆固醇、平稳血糖功效的功能食品。

由于燕麦麸皮含油量高，易酸败变质，无法满足工业需求，利用率很低[9]，因此提高燕麦麸皮的加工特性和贮藏稳定性是开发利用的前提。目前较有代表性的稳定化方法有加热钝化法，包括干热法和湿热法，挤压膨化、酶法、微波和化学处理法和辐射处理等[10]。湿热法是利用热蒸汽使得谷物含水量增加，加热时间短且均匀，稳定化效果好[11]。Thanonkaew 等[12]的研究表明热风干燥对米糠的稳定化效果优于烘烤和蒸煮处理。然而，将以上热处理应用于燕麦麸皮的研究较少。

大多数关于食品保存期的研究都以温度为出发点，目前有两种基本模型，即与微生物繁殖生长相关的Z 值模型和化学反应引起品质变化的Arrhenius 模型[13]。燕麦麸皮在贮存过程中品质降低主要与其所含油脂的氧化酸败相关，其反应规律符合化学动力学规律，可根据Arrhenius 方程进行分析[14]。目前国内外动力学模型研究大多侧重于水产品[15-17]、果蔬[18-19]和肉类[20-21]等，而建立谷物品质变化的动力学模型的研究较少。

本试验以湿热、微波及热风干燥处理新鲜燕麦麸皮，研究预处理对脂肪酸组成及含量的影响，并以脂肪酸值为指标值，采用以温度为基础的Arrhenius 动力学模型建立预处理前、后燕麦麸皮贮藏期与温度的化学反应动力学模型，预测不同贮藏温度燕麦麸皮的保质期，为燕麦麸皮的科学贮藏提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

燕麦麸皮（OB）由内蒙古西贝汇通农业科技发展有限公司提供；35 种脂肪酸混合标准品，Sigma 公司；乙醚、石油醚、硫代巴比妥酸，国药集团化学试剂有限公司；盐酸，莱阳市康德化工有限公司；正己烷、95%乙醇，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；三氟化硼甲醇，CNW；三氯乙酸，天津市科密欧化学试剂开发中心；氢氧化钠，天津奥普升化工有限公司，试剂均为分析纯级。

1.2 仪器与设备

TRACETM1300 气相色谱仪，Thermo 公司；UV2300Ⅱ双光束紫外-可见分光光度计，上海天美科学仪器有限公司；DL-5-A 离心机，上海安亭科学仪器厂；L-20B 密封式摇摆粉碎机，广东旭朗机械设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

1.3.1.1 湿热处理燕麦麸皮样品（S-OB） 将燕麦麸皮放入蒸笼蒸（料层厚度为1～2 cm）20 min，冷却至室温后过60 目筛，于-20 ℃冰箱保存备用。

1.3.1.2 微波处理燕麦麸皮样品 （M-OB） 将燕麦麸皮在微波功率为800 W 的条件下加热2 min，冷却至室温后过60 目筛，于-20 ℃冰箱保存备用。

1.3.1.3 热风干燥处理燕麦麸皮样品（HA-OB）将燕麦麸皮在热风干燥箱内140 ℃下热处理15 min，冷却至室温后过60 目筛，于-20 ℃冰箱保存备用。

1.3.1.4 加速贮藏试验样品 分别称取2 000 g 不同预处理的燕麦麸皮样品，分别放入30，40，50 ℃和60 ℃恒温、恒湿培养箱中进行加速氧化。每隔7 d 取出样品放入自封袋中，-20 ℃冰箱保存备用。同时贮藏未加工的燕麦麸皮作对照，直到达到燕麦麸皮脂肪酸值临界值时停止贮藏试验。

1.3.2 指标测定

1.3.2.1 脂肪酸组成分析

1） 试样水解 称取适量燕麦麸皮（100～200 mg），加入约100 mg 焦性没食子酸，加入几粒沸石，再加入2 mL 95%乙醇，混匀。加入10 mL 盐酸溶液于烧瓶中并混匀。在70～80 ℃水浴中水解40 min。

2） 脂肪提取 分液漏斗加入10 mL 95%乙醇、30 mL 无水乙醚和酸水解液，摇匀后静置10 min，收集醚层提取液，重复3 次，使用旋转蒸发仪浓缩至干，残留物即为脂肪提取物。

3） 脂肪的皂化和脂肪酸甲酯化 参照GB 5009.168-2016 《食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定》中的方法进行皂化和甲酯化。

4） 气相色谱分析条件 色谱柱：CD-2560（100 m×0.25 mm×0.20 μm）；升温程序：130 ℃保持5 min，以4 ℃/min 的速率升温至240 ℃，保持30 min；进样口温度：250 ℃；载气流速：0.5 mL/min；分流进样，分流比10∶1；检测器：FID；检测器温度：250 ℃。通过标准品与NIST-11 数据库进行定性，采用峰面积归一化法进行定量。

1.3.2.2 脂肪酸值的测定 参照GB/T 15684-2015《谷物碾磨制品 脂肪酸值的测定》中的方法测定脂肪酸值。

1.3.3 燕麦麸皮脂肪酸值临界值的模糊综合评定

1.3.3.1 感官评定方法 将燕麦麸皮放在60 ℃恒温、恒湿培养箱中加速贮藏，分别将存放7，14，21，28，35，37 d 和38 d 的燕麦麸皮作为评测样品。每个样品测评时间间隔为10 min。评价标准参照周佳倩[22]的方法并作修改。

表1 模糊感官评定标准Table 1 Fuzzy sensory evaluation standard

1.3.3.2 模糊数学感官评价模型的建立

1） 建立因素集 将燕麦麸皮的色泽（U1）、气味（U2）、组织形态（U3）作为模糊评判的因素集U=[U1，U2，U3]。

2） 建立评价集 由感官评价员根据感官评价标准确定，一般采用优（V1）、中（V2）、差（V3）的定性化评价体系。采用百分制打分。90 分为优，70分中，50 分以下为差，V=[V1，V2，V3]。

3） 权重集的确立 根据各因素的重要程度进行权重分配。虽然每个人对各因素的要求有所不同，但大体上是一致的[23]。试验采用用户调查法，请10 位感官评定人员对燕麦麸皮的3 个主要因素进行权重打分。总分10 分，分值越高，说明质量因素所占的权重越大。对各项因素得分情况进行统计分析，每个因素得分平均值除以所有指标总分10 分，即为各因素权重因子。整理数据得出色泽、气味和组织形态在综合评判所占比重为0.3，0.4，0.3，因此模糊向量R=[0.3，0.4，0.3]。

1.3.4 燕麦麸皮贮藏期预测模型的建立 动力学模型能根据贮藏时间和温度的变化规律来预测贮藏期。其中，一级动力学模型见公式（1）：

式中，t——贮藏时间，d；A——贮藏t 时刻的品质指标数值；A0——品质指标初始值；k——某一储存温度下食品品质变化速率常数。

Arrhenius 方程【式（2）】描述的是反应速率常数与温度之间的关系[24]，为方便计算，对公式（2）取对数得到公式（3）。

式中，K——不同温度下反应速率常数；K0——方程指前因子；Ea——活化能，kJ/mol；R——气体常数 （8.314 J/（mol·K））；T——贮藏温度，K；K0和Ea为与反应系统中与物质本性有关的常数。

将一级动力学方程和Arrhenius 方程结合起来，只要确定感官评定终点对应的贮藏品质指标值以及某一贮藏温度，即可对燕麦麸皮货架期进行理论预测，并得到贮藏期（SL）预测公式。

1.3.5 数据统计与分析 采用Excel 2010 和Origin 2018 软件对数据进行拟合并绘图；采用SPSS 26.0 软件对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同预处理方式对燕麦麸皮脂肪酸组成及含量的影响

由表2可知，预处理燕麦麸皮共检测出13 种脂肪酸，包括7 种饱和脂肪酸和6 种不饱和脂肪酸。OB、S-OB、M-OB 和HA-OB 中脂肪酸检出数量分别为12、10、9 和12 种。另外，部分脂肪酸只在不同预处理燕麦麸皮中检出，如二十二碳二烯酸仅在湿热处理燕麦麸皮中检出，说明不同预处理方法对燕麦麸皮的脂肪酸组成有不同的影响。

表2 预处理方式对燕麦麸皮的脂肪酸组成及含量的影响（g/100 g）Table 2 Effects of pretreatment methods on the fatty acid composition and content of oat bran （g/100 g）

由表2知，预处理燕麦麸皮中饱和脂肪酸含量在18.01%～23.13%之间，以棕榈酸和硬脂酸为主。不饱和脂肪酸含量在75.26%～81.05%之间，以油酸和亚油酸为主。M-OB 的不饱和脂肪酸含量最高，为81.05%，其次是HA-OB、OB 和S-OB。从亚油酸含量看，S-OB 中含量最高，达到46.39%，其次为OB、HA-OB 和M-OB。亚油酸为人体必需脂肪酸，能提高运动能力，并对更年期妇女的骨骼结构有益[25]。由于油酸和亚油酸二者含量之和接近80%，因此燕麦被认为是不饱和脂肪酸的良好来 源，Holland 等[26]和Leonova 等[27]的研究也得出相似结果。

燕麦麸皮脂质水解伴随多种营养与感官品质变化，如哈败味、酸度上升、功能特性变化、脂肪酸氧化的易感性增加等。游离脂肪酸的进一步氧化酸败会产生自由基，并通过裂变，最终导致营养价值下降并产生异味。燕麦麸皮中的亚油酸和亚麻酸等不饱和脂质在脂肪酶、脂肪氧化酶等的联合作用下，降解成小分子的醛、醇等，造成营养品质下降和不饱和脂肪酸的损失。结果表明，湿热处理对燕麦麸皮中的脂肪酸含量影响较小，不影响燕麦麸皮的加工利用。微波及热风干燥处理后燕麦麸皮中的饱和脂肪酸含量下降，而不饱和脂肪酸含量则升高。

PCA 统计方法是将一组可能有相关性的变量通过正交变换的方法转为一组线性不相关变量[28]。主成分分析（PCA）可以更好地分析13 种脂肪酸在不同预处理燕麦麸皮中的表征程度。由图1可知，第1 主成分PC1 贡献率达到73.5%，第2 主成分PC2 贡献率达到17.3%，PC1 和PC2 贡献率之和达到90.8%。第1 主成分F1 贡献率达73.5%，特点表现在亚油酸、二十二碳二烯酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、十七烷酸和二十二烷酸有较高的正载荷，是对第1 成分影响最大的特征向量，说明第1 主成分是由这6 种脂肪酸组成的一个综合指标。第2 主成分F2 的贡献率为17.3%，表现为二十碳五烯酸有较高的正载荷，油酸有较高的负载荷，说明这两种脂肪酸是决定这一主成分的主要因子。综合以上特点，可以认为不同预处理燕麦麸皮的主要差异为这8 种脂肪酸。

图1 不同预处理燕麦麸皮的脂肪酸PCA 图Fig.1 PCA diagram of fatty acids of different pretreated oat bran

2.2 燕麦麸皮脂肪酸值临界值的模糊综合评定结果

2.2.1 感官评定结果 10 名人员的评定结果如表3所示，将表3中的燕麦麸皮各因素等级评价人数分别除以评价总人数，得到模糊矩阵y。上述7 个样品对应的模糊矩阵分别为y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7。

表3 感官评定结果Table 3 Sensory evaluation results

2.2.2 模糊矩阵的确立 将上述7 个样品的评语结果写成矩阵为：

2.2.3 综合评价结果 模糊数学综合分析是一种基于模糊数学的综合评价方法，能较好地解决难以量化的问题。将评分结果进行处理分析，得到模糊数学综合分析结果为Y，Y 是模糊向量R 和模糊矩阵y 的合成，Y=R×y，即：

同理，可得到其它样品的模糊评价结果。Y2=[0.6，0.4，0.0]；Y3= [0.49，0.48，0.03]；Y4= [0.39，0.45，0.16]；Y5= [0.09，0.58，0.33]；Y6= [0.06，0.32，0.62]；Y7=[0.06，0.13，0.81]。

根据评价集V=[V1，V2，V3]进行分析，90 分为优，70 分为中，50 分为差，分别将Y 中各个量乘其相对应的分值，再加和得到感官评定值。按最大隶属原则综合评价结果，其对应的燕麦麸皮脂肪酸值如表4所示，确定燕麦麸皮的脂肪酸值临界值为114.43 mg/100 g（以KOH 计）。

表4 燕麦麸皮感官评分值Table 4 Oat bran sensory score values

2.3 预处理方式和贮藏温度对燕麦麸皮稳定化效果的影响

由图2可知，随着贮藏时间的延长，不同贮藏温度及不同预处理方式的燕麦麸皮的脂肪酸值均呈上升趋势，且贮藏温度越高，脂肪酸值随时间升高的增幅越大，到达贮藏终点的时间越短，可见贮藏温度对燕麦麸皮品质的变化影响巨大，控制贮藏温度对保持燕麦麸皮的品质有重要意义。另一方面，与未进行预处理的燕麦麸皮相比，相同温度下湿热、微波及热风干燥燕麦麸皮均有抑制脂肪酸败、延长贮藏期的作用，且湿热处理燕麦麸皮较其它燕麦麸皮脂肪酸值增幅小且贮藏期长，说明湿热处理燕麦麸皮稳定化效果更佳，与叶国栋等[29]和吴建永[30]的研究效果类似，说明湿热处理是一种较好的稳定化方法。

图2 预处理方式及贮藏温度对燕麦麸皮储藏期间脂肪酸值的影响Fig.2 Effects of pretreatment methods and storage temperature on fatty acid values of oat bran during storage

2.4 贮藏期预测模型的建立及评价结果

2.4.1 基于脂肪酸值的品质劣变动力学模型的建立 一级动力学模型能够准确反映食品在贮藏过程中的品质劣变[31]。将试验数据代入式（1）中，通过Excel 软件进行数据拟合，结果见表5。

由表5可知，不同预处理燕麦麸皮的脂肪酸值的一级反应决定系数R2均大于0.90，表明贮藏期间脂肪酸值的变化符合一级反应动力学模型。

表5 不同预处理方式及贮藏温度燕麦麸皮脂肪酸值随贮藏时间变化的一级动力学模型参数Table 5 Parameters of the first level kinetic model of fatty acid values of different pretreatment methods and storage temperature oat brans with storage time

2.4.2 不同贮藏温度下Arrhenius 方程的建立 用lnk 对1/T 作图，进行线性回归分析，得到表6。根据线性回归方程计算Ea和k0。燕麦麸皮回归方程的决定系数R2均超过了0.90，说明脂肪酸值可以作为储藏期预测模型的关键品质因子。

表6 不同贮藏温度下燕麦麸皮脂肪酸值的Arrhenius 回归方程Table 6 Arrhenius regression equation for fatty acid values of oat bran at different storage temperatures

2.4.3 燕麦麸皮贮藏期预测模型的建立 根据表6，将求得的不同预处理燕麦麸皮的Ea和k0分别代入公式（4）中，得到以脂肪酸值为指标的贮藏期预测模型，分别如下所示。

2.4.4 贮藏期预测模型的验证与评价 表7是不同预处理燕麦麸皮贮藏期预测模型的验证结果。由表7可知，预测值与实测值的相对误差均低于10%，说明该模型具有良好的预测精度[32]。本试验中以脂肪酸值为指标建立的不同预处理燕麦麸皮贮藏期预测模型具有较好的可靠性。

表7 燕麦麸皮实际贮藏期与预测值的比较Table 7 Comparison of actual storage period of oat bran with predicted values

3 结论

本试验探究了不同预处理方式对燕麦麸皮的脂肪酸组成和含量的影响，并建立了以脂肪酸值为考察指标的贮藏期预测模型。湿热处理对燕麦麸皮中脂肪酸含量的影响较小，不影响燕麦麸皮的加工利用。微波及热风干燥处理后燕麦麸皮中饱和脂肪酸含量下降，而不饱和脂肪酸含量则升高。主成分分析结果表明不同预处理燕麦麸皮的主要差异为亚油酸、二十二碳二烯酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、十七烷酸和二十二烷酸、二十碳五烯酸和油酸这8 种脂肪酸。

运用模糊数学综合分析确定燕麦麸皮的脂肪酸值临界值为114.43 mg/100 g（以KOH 计）。3 种预处理中，湿热处理燕麦麸皮有较高的储藏稳定性。采用一级动力学模型结合Arrhenius 方程建立基于不同预处理后燕麦麸皮脂肪酸值的预测模型，决定系数R2均在0.90 以上，模型拟合精度较高。预测模型所得预测值与实测值相对误差小于10%，表明方程可准确预测燕麦麸皮的品质变化情况。

在此基础上得出在20 ℃储藏条件下，湿热、微波及热风干燥较未加工燕麦麸皮预测储藏期分别延长了133，49 d 和36 d。对3 种贮藏方式进行综合比较，结合各自方式在生产应用的特点，湿热处理更适合燕麦麸皮的工业化贮存。