基于 GBX eFAst-Lab水分活度仪测定的稳定化米糠货架期预测

2024年5月，上海交通大学农业与生物学院的Chen Chen团队，在Journal of Food Engineering（ IF=5.8）发表题为Kinetic analysis and back propagation neural network model for shelf-life estimation of stabilized rice bran的研究，以热风辅助射频（HA‑RF）为稳定化方式，系统探究残留脂肪酶活性、水分活度、包装材料、贮藏温度对稳定化米糠贮藏稳定性的影响，建立动力学模型与反向传播神经网络（BPNN）模型，实现米糠货架期精准预测。

摘要

为建立稳定化米糠通用货架期预测模型，本研究采用不同残留酶活、水分活度（aw）与包装材料的样品，以热风辅助射频（HA‑RF）加热为稳定化方法，测定不同温度贮藏期间游离脂肪酸（FFA）含量，开展动力学分析以对比不同条件对米糠货架期的影响。贮藏中FFA含量快速上升，更高水分活度与脂肪酶（LA）活度对应更快FFA生成速率；仅低LA活度（≤30 mg/g）且低aw（≤0.3）样品的FFA增长符合零级模型，其余样品符合分数转化模型。包装材料对FFA生成的抑制效果排序为：BOPP/牛皮纸/PE＞PA/PE＞PET/PE＞LDPE。本研究构建以LA活度、aw、包装材料、贮藏温度为输入参数的BPNN模型，经Levenberg–Marquardt训练的模型预测性能，决定系数R²=0.996，均方根误差RMSE=2.077；25℃条件下，LA活度20 mg/g、aw=0.2、采用BOPP/牛皮纸/PE包装的米糠货架期最长，达147 d。该模型可有效预测稳定化米糠货架期，为米糠稳定化工艺开发提供指导。

实验材料与仪器

实验材料

原料：产自中国安徽省的“新优香"稻谷，实验室砻谷、碾磨后获取新鲜米糠，过50目筛

德国莱驰精密筛网

包装材料：低密度聚乙烯（LDPE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯（PET/PE）、聚酰胺/聚乙烯（PA/PE）、双向拉伸聚丙烯/牛皮纸/聚乙烯（BOPP/Kraft‑paper/PE）袋

试剂与试剂盒：脂肪酶活性测定相关试剂、脂肪氧合酶（LOX）活性检测试剂盒、BCA蛋白定量试剂盒、米糠油提取有机溶剂等

2实验仪器

实验室砻谷机、商用碾米机、热风辅助射频（HA‑RF）稳定化设备、真空干燥箱、GBX  eFAst-Lab水分活度仪、恒温恒湿培养箱

GBX  eFAst-Lab水分活度仪

实验过程

1. 米糠稳定化处理

采用热风辅助射频（HA‑RF）加热对新鲜米糠进行稳定化，设置6组不同处理参数，获得不同残留LA、LOX活度、水分含量与aw的样品。

2. 指标测定

• 水分含量（MC）：130℃真空干燥2 h测定

• 水分活度（aw）：GBX  eFAst-Lab水分活度仪直接测定

• 脂肪酶（LA）活度：参照国标GB/T 5523‑2008改进方法测定

• 脂肪氧合酶（LOX）活度：采用试剂盒与BCA蛋白定量法测定

• 游离脂肪酸（FFA）含量：滴定法测定米糠油中FFA

• 过氧化值（PV）：参照国标GB/T 5009.227‑2016测定

3. 贮藏稳定性试验

酶活与aw影响试验：设置LA活度20、30、40、50 mg/g，aw 0.2–0.5，样品密封于LDPE袋，分别在35℃（105 d）、45℃（49 d）、相对湿度50±5%条件下贮藏

储存期间米糠水分含量（MC）和水活度（aw）的变化

• 包装材料影响试验：选取100℃/15 min、110℃/6 min两组稳定化米糠，分别用4种包装材料密封，在25℃（56 d）、35℃（105 d）、45℃（210 d）、相对湿度50%条件下贮藏

4. 动力学与BPNN建模

• 动力学拟合：以FFA为主要指标，拟合零级模型与分数转化模型，计算预测货架期

• BPNN模型构建：以LA活度、aw、贮藏温度、包装材料为输入层，货架期为输出层，设置1层隐含层、10个神经元，采用Levenberg–Marquardt、贝叶斯正则化、缩放共轭梯度三种算法训练，以MSE、R、MAE、RMSE评估模型性能

实验结论

1. 贮藏期间米糠FFA持续升高，FFA生成速率与LA活度、aw呈正相关；LA活度≤30 mg/g且aw≤0.3时FFA增长符合零级模型，其余情况符合分数转化模型。

2. 包装材料对FFA生成的抑制能力：BOPP/牛皮纸/PE＞PA/PE＞PET/PE＞LDPE，防潮阻隔性是核心影响因素。

3. 过氧化值（PV）增长慢于FFA，且贮藏期内均低于国标限值，FFA更适合作为米糠货架期判定指标。

4. 经Levenberg–Marquardt算法优化的BPNN模型预测精度优于动力学模型，R²=0.996，RMSE=2.077，可综合多因素实现货架期快速准确预测。

5. 贮藏组合：LA活度20 mg/g、aw=0.2、BOPP/牛皮纸/PE包装，25℃下货架期达147 d。

参考文献

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.