溫度對(duì)高水分稻谷儲(chǔ)藏品質(zhì)的影響及其預(yù)測(cè)模型研究

段依夢(mèng),宋 玉,曹 磊,陶 澍,張衛(wèi)華,劉 超,*,杜傳來(lái),朱昌保,顧廣東,曹勝男

(1.安徽科技學(xué)院食品工程學(xué)院,安徽鳳陽(yáng) 233100;2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,安徽合肥 230031;3.安徽省糧油科學(xué)研究所,安徽合肥 230031)

近年來(lái),稻谷就倉(cāng)干燥技術(shù)因其能耗低、降水均勻、對(duì)品質(zhì)影響較小等優(yōu)勢(shì)一直備受關(guān)注[1-2],稻谷就倉(cāng)干燥是指將收獲的稻谷存放在配有機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的筒倉(cāng)內(nèi),以自然空氣或加熱空氣作為干燥介質(zhì),在一定時(shí)間內(nèi),通過(guò)糧堆內(nèi)外空氣置換將稻谷水分降至標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)后就倉(cāng)儲(chǔ)藏的一種干燥技術(shù)[3-4]。通常就倉(cāng)干燥儲(chǔ)藏水分要求小于18%,高水分不能就倉(cāng)儲(chǔ)藏,而剛收獲稻谷水分含量較高(21%～24%),若不及時(shí)進(jìn)行干燥,品質(zhì)容易發(fā)生劣變。此時(shí),溫度及自身高水分因素導(dǎo)致的儲(chǔ)藏真菌生長(zhǎng)對(duì)其品質(zhì)影響較大。因此,探討在高水分條件下環(huán)境溫度對(duì)谷物品質(zhì)變化的影響,掌握高水分稻谷在不同溫度條件下的品質(zhì)變化規(guī)律,對(duì)指導(dǎo)稻谷及時(shí)進(jìn)行就倉(cāng)干燥具有重要的理論意義。

目前多數(shù)研究主要集中在高溫烘干或儲(chǔ)藏期間稻谷品質(zhì)變化情況,而高水分稻谷的就倉(cāng)干燥研究相對(duì)較少。張玉榮等[5]以含水量為26.5%的粳稻作為原料,在45、60、75、90 ℃高溫條件下進(jìn)行稻谷干燥實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明較高干燥溫度對(duì)稻谷加工品質(zhì)有影響;石翠霞等[6]于25、35 ℃恒溫室內(nèi)進(jìn)行正常含水率稻谷儲(chǔ)藏試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該溫度條件下,稻谷品質(zhì)主要隨儲(chǔ)藏時(shí)間延長(zhǎng)而改變。動(dòng)力學(xué)模型研究多側(cè)重于海鮮[7]、果蔬[8]、肉類[9]等,關(guān)于建立稻谷品質(zhì)變化動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)其品質(zhì)變化規(guī)律的研究尚少。

脂肪酸值的升高是稻谷品質(zhì)劣變的主要表現(xiàn)之一,本實(shí)驗(yàn)根據(jù)其數(shù)據(jù)變化建立稻谷品質(zhì)變化動(dòng)力學(xué)模型,以此獲得高水分稻谷在不同溫度條件下儲(chǔ)藏品質(zhì)變化規(guī)律,為我國(guó)高水分稻谷收獲后處理及就倉(cāng)干燥提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

2019年產(chǎn)粳稻 安徽懷寧:安徽稼仙金佳糧集團(tuán)股份有限公司,初始水分含量為14.3%;氫氧化鉀、95%乙醇、鄰苯二甲酸氫鉀、無(wú)水乙醇、蒸餾水(不含CO2)、酚酞指示劑(均為分析純) 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

RXZ型多段編程智能人工氣候箱 寧波江南儀器廠;RXZ智能型人工氣候箱 寧波江南儀器廠;HZQ-Q 200型全溫振蕩培養(yǎng)箱 上海安亭科學(xué)儀器廠;JDMZ100稻谷出米率檢測(cè)儀 北京東孚久恒儀器技術(shù)有限公司;FW100高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司;GZX-GF 101-3BS電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司;ZD-85氣浴恒溫振蕩器 浙江溫州精達(dá)電器有限公司;HH-S4水浴鍋 常州同宇儀器制造有限公司;BT457電子天平 深圳市博途電子科技有限公司;JFQS-13X20碎米分離器 臺(tái)州市糧儀廠;TA.XTPLUS型質(zhì)構(gòu)儀 英國(guó)Stable Micto System(SMS)公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 稻谷預(yù)處理與儲(chǔ)藏實(shí)驗(yàn) 取初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.3%的稻谷三份,每份約2 kg,在人工氣候培養(yǎng)箱中(環(huán)境溫度為20 ℃,RH 80%)調(diào)節(jié)水分含量至高水分區(qū)間(20%～21%)備用,約需7 d,實(shí)測(cè)值分別為19.85%、20.51%、21.12%,調(diào)質(zhì)結(jié)束后稻谷爆腰率分別為:19.24%、18.23%、19.79%,且試驗(yàn)期間內(nèi)肉眼觀察無(wú)霉菌生長(zhǎng)。

將調(diào)至目標(biāo)水分含量的稻谷分別放置在已設(shè)定好的低溫組(15 ℃)、中溫組(25 ℃)及高溫組(35 ℃)三組溫度條件下[10]的人工氣候培養(yǎng)箱中,設(shè)定人工氣候箱濕度為70%,模擬三個(gè)不同溫度條件下稻谷儲(chǔ)藏實(shí)驗(yàn),每隔2 d取樣測(cè)定其水分含量及各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo),直至稻谷水分低于14%或失去其儲(chǔ)藏價(jià)值(脂肪酸值>35 mg/100 g)。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.2.1 水分測(cè)定 參考GB/T 5497-1985,糧食水分在18%以上時(shí),采用兩次烘干法測(cè)定;取整粒稻谷20 g,記為W,放入烘干后的鋁盒中,于105 ℃條件下烘30～40 min,冷卻至恒重(前后稱量差不高于0.005 g),記下此時(shí)重量W1,此為第一次烘干;第二次烘干稱取上述烘干后稻谷3 g,記為W2,在相同條件下烘3 h,取出,加蓋冷卻至恒重,記下此時(shí)重量W3,根據(jù)公式:水分含量(%)=[(WW2-W1W3)/WW2]×100,計(jì)算得到稻谷水分含量。

1.2.2.2 脂肪酸值測(cè)定 參考GB/T 20569-2006,準(zhǔn)確稱取10.00 g樣品于250 mL三角瓶中,加入50 mL無(wú)水乙醇,放入25 ℃氣浴恒溫振蕩器中,振蕩20 min,過(guò)濾,取25 mL濾液,用標(biāo)準(zhǔn)KOH-乙醇溶液滴定。以100 g絕干稻谷所消耗KOH體積數(shù)表示稻谷脂肪酸值。

1.2.2.3 出糙率測(cè)定 參考GB/T 5494-2008,稱取30 g樣品,于105 ℃烘箱中,烘干至21.5～25.8 g,經(jīng)礱谷機(jī)礱谷,測(cè)糙米重,糙米重量除以樣品重即為稻谷出糙率。

1.2.2.4 整精米率測(cè)定 參考GB/T 21719-2008,取上述礱谷過(guò)后糙米,再將其放入碾米機(jī)中處理。得到的精米裝入密封袋冷卻至室溫,在干燥的環(huán)境下通過(guò)碎米分離器分離碎米,留下整精米粒稱其質(zhì)量。進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn),計(jì)算稻谷的整精米率。

1.2.2.5 米飯質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定 參照參考文獻(xiàn)[11],將米飯與水按照1∶1.6比例加入到蒸煮盒中,加蓋蒸煮12 min后,繼續(xù)燜30 min,得實(shí)驗(yàn)所需米飯。取完整米粒3顆,輻射狀擺放在探頭中央。采用P/36型探頭,TPA測(cè)試模式,探頭的測(cè)前、測(cè)中和測(cè)后速度分別為5、1、5 mm/s,觸發(fā)力5 g,數(shù)據(jù)采集速率200 pps,變形量70%,保持時(shí)間5 s。

1.2.3 品質(zhì)變化動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建 食品在貯藏過(guò)程中發(fā)生的大多數(shù)品質(zhì)變化都可遵循零級(jí)或一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型[12-13],脂肪酸值的升高是稻谷品質(zhì)劣變的主要表現(xiàn)之一,故采用脂肪酸值作為考察指標(biāo),建立品質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)稻谷是否具有儲(chǔ)藏價(jià)值進(jìn)行判斷[14-15]:

零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型:A=kt+A0

式(1)

一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型:ln A=ln A0+kt

式(2)

式中:t:稻谷儲(chǔ)藏時(shí)間,d;A0:稻谷初始脂肪酸值含量,mg/100 g;A:稻谷儲(chǔ)藏第t d品質(zhì)指標(biāo);k:品質(zhì)變化速率常數(shù)。

動(dòng)力學(xué)模型可以有效反映稻谷在不同溫度條件下的品質(zhì)變化情況。品質(zhì)變化速率常數(shù)k為溫度的函數(shù),一般符合Arrhenius方程(式3),該方程可用來(lái)描述不同環(huán)境條件下食品發(fā)生的品質(zhì)變化[16-18]:

k=k0·e-EA/RT

式(3)

式中:k0:頻率因子;EA:為活化能,J/mol;R:氣體常數(shù),值為8.314 J/(mol·K);T:反應(yīng)的絕對(duì)溫度,K。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有指標(biāo)的測(cè)定至少做3次重復(fù),采用Origin 9.1軟件作圖,數(shù)據(jù)分析采用SPSS 25.0進(jìn)行單因素ANOVA檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度對(duì)高水分含量稻谷水分含量的影響

由圖1可知,高水分含量稻谷在不同溫度條件下水分含量隨著儲(chǔ)藏時(shí)間增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其中35 ℃條件下水分含量下降最快,于第5 d降至14%以下,第7 d以后水分含量略有上升,第7 d與第11、13 d值差異不顯著,但顯著低于其他時(shí)間(P<0.05)。25及15 ℃條件下稻谷水分含量下降較緩慢,25 ℃條件下稻谷在第13 d降至15%左右,15 ℃條件下第5 d水分含量變化逐漸趨于平穩(wěn),以上結(jié)果說(shuō)明儲(chǔ)藏溫度對(duì)稻谷水分影響較大[19]。稻谷水分變化形式可概括為內(nèi)部水分以液態(tài)或氣態(tài)形式沿著毛細(xì)管擴(kuò)散到稻谷表面,再由表面蒸發(fā)到環(huán)境介質(zhì)中[20-21]。因此高水分稻谷在35 ℃條件下表面水分被快速帶走,隨著儲(chǔ)藏時(shí)間增加,稻谷內(nèi)外部形成水分梯度,促使稻谷內(nèi)部水分向表面遷移。而15 ℃條件下,稻谷內(nèi)外水分的這種變化較緩慢,水分含量相對(duì)較為穩(wěn)定。

圖1 不同溫度條件對(duì)高水分含量稻谷水分的影響

2.2 溫度對(duì)高水分稻谷儲(chǔ)藏品質(zhì)影響

2.2.1 脂肪酸值變化情況 由圖2可知,隨著儲(chǔ)藏時(shí)間增加,20%含水量稻谷在不同溫度條件下脂肪酸值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),35 ℃條件下,脂肪酸值上升最快,于第7 d之后處于重度不宜存狀態(tài)(粳稻>35 mg/100 g),第7 d數(shù)值顯著高于0～5 d數(shù)值(P<0.05),而25及15 ℃條件下,稻谷脂肪酸值上升緩慢,直至第10 d前后脂肪酸值接近重度不宜存狀態(tài)。稻谷中脂類變化主要分為兩種:一是在適宜環(huán)境條件下被氧化為過(guò)氧化物,其不飽和脂肪酸被氧化成羰基化合物;二是脂類物質(zhì)因脂肪酶的激活而水解,產(chǎn)生油和脂肪酸[22]。脂肪酸值的變化與環(huán)境溫度、稻谷水分有關(guān),高溫對(duì)于脂類的氧化有促進(jìn)作用,而低溫條件對(duì)于脂類的水解有一定的緩解作用,所以35 ℃條件下脂肪酸值上升最快,15 ℃條件下上升最慢。

圖2 不同溫度條件對(duì)高水分含量稻谷脂肪酸值的影響

2.2.2 溫度對(duì)高水分稻谷加工品質(zhì)的影響 根據(jù)稻谷水分含量變化情況,選取0、5 d(水分含量發(fā)生明顯變化)及13 d樣品測(cè)定稻谷出糙率、整精米率,用來(lái)衡量稻谷加工品質(zhì)變化。由表1可知,稻谷出糙率隨著時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),35 ℃條件下,稻谷出糙率相對(duì)較低,有上升趨勢(shì),數(shù)值間無(wú)顯著差異(P>0.05),變化幅度不明顯,變化值為1.13%,25及15 ℃條件下出糙率間均差異顯著(P<0.05),15與25 ℃條件變化幅度相近;整精米率是國(guó)家糧食定等標(biāo)準(zhǔn)之一[23],由表2可知,35及15 ℃條件下,稻谷整精米隨著時(shí)間的增長(zhǎng)也呈現(xiàn)上升趨勢(shì),15 ℃條件下,稻谷整精米率上升速率最快,為11.74%;25 ℃條件下次之,35 ℃上升幅度最小,變化幅度為2.50%。分析原因,稻谷稻殼的韌性隨著稻谷水分含量的下降而下降,有利于稻谷礱谷,因此,在三個(gè)溫度條件下,稻谷出糙率與整精米率呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但35 ℃條件下,上升最慢。

表1 不同溫度條件對(duì)稻谷出糙率的影響

表2 不同溫度條件對(duì)稻谷整精米率的影響

2.2.3 溫度對(duì)米飯質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的影響 米飯質(zhì)構(gòu)特性的變化是稻谷儲(chǔ)藏過(guò)程中變化較顯著的指標(biāo)之一,是影響稻谷食味品質(zhì)的重要因素[24-25],由圖3可知,不同溫度條件下稻谷在干燥過(guò)程中米飯硬度隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)有一定的波動(dòng),這可能是由于樣品個(gè)體差異引起的,但總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì),其中35 ℃米飯第11 d的硬度最高,顯著大于其他時(shí)間(P<0.05),25 ℃條件下米飯硬度在5 d以后增大趨勢(shì)明顯,第7 d硬度值顯著升高(P<0.05),7 d以后變化較小;15 ℃條件下米飯硬度在第7 d以后顯著性增加(P<0.05)。米飯硬度的變化可能與稻谷水分含量相關(guān),稻谷水分含量在儲(chǔ)藏過(guò)程中持續(xù)下降,稻谷硬度隨水分含量的減少而增大,水分越少,硬度越大。整體而言,35 ℃米飯的硬度最高,25 ℃次之,15 ℃最低。

圖3 不同溫度條件對(duì)米飯硬度的影響

米飯膠著度指米飯的粘牙程度[26],溫度對(duì)其影響較大,由圖4可知,米飯膠著性隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)基本呈先增大后降低趨勢(shì),但不同溫度條件下趨勢(shì)略有差異,其中15 ℃在第5 d以后顯著增大(P<0.05),而后略有波動(dòng);25 ℃米飯膠著性在1～7 d內(nèi)顯著增大(P<0.05),9 d以后略有降低但差異不顯著(P>0.05);35 ℃米飯膠著性在1～9 d內(nèi)呈波動(dòng)式上升,9 d以后差異不顯著(P>0.05),但在9～13 d顯著高于15、25 ℃(P<0.05);整體而言,溫度越高,米飯膠著度變化越大,15 ℃米飯的膠著性最低。

圖4 不同溫度條件對(duì)米飯膠著度的影響

由圖5可知,不同溫度條件下米飯彈性在干燥過(guò)程中基本上呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì),其中15 ℃下米飯彈性在第9 d達(dá)到最大值,顯著高于其他時(shí)間(P<0.05);25 ℃米飯彈性在第7 d達(dá)到最大值,顯著高于其他時(shí)間(P<0.05);35 ℃下米飯彈性波動(dòng)較大,在第5 d達(dá)到最大值,顯著高于其他時(shí)間(P<0.05),7 d后變化不顯著(P>0.05)。品質(zhì)較好的稻谷,米飯彈性也較好[27]。整體而言,15 ℃米飯彈性能達(dá)到的最大值略高于25、35 ℃。

圖5 不同溫度條件對(duì)米飯彈性的影響

2.3 不同溫度條件下高水分稻谷品質(zhì)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

2.3.1 動(dòng)力學(xué)模型反應(yīng)級(jí)數(shù)及品質(zhì)變化速率常數(shù)確定 持續(xù)測(cè)定不同溫度條件下稻谷的脂肪酸值,同時(shí)采用Origin 9.1軟件對(duì)指標(biāo)進(jìn)行零級(jí)或一級(jí)品質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型分析,即線性或指數(shù)方程回歸分析,相關(guān)結(jié)果如表3。

表3 不同溫度條件下高水分稻谷零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)

由表3、表4可知,稻谷脂肪酸值在不同溫度條件下建立回歸方程,回歸系數(shù)R2均大于0.90,表明稻谷脂肪酸值建立的動(dòng)力學(xué)擬合曲線有較高的擬合度。

表4 不同溫度條件下高水分稻谷一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)

2.3.2 反應(yīng)活化能的確定 將式(3)Arrhenius方程變形,可得:

lnk=-EA/RT+lnk0

式(4)

故根據(jù)式(4)可將上述所得品質(zhì)變化速率常數(shù)k值,以及絕對(duì)溫度T值,以-lnk與1/T形式作圖,見(jiàn)圖6。

圖6 不同溫度條件下高水分稻谷 脂肪酸值變化的Arrhenius曲線

由圖6可得,lnk=409.091/T-3.950,R2=0.744,式(5),將式(5)與式(4)比較,計(jì)算得到該反應(yīng)活化能EA=3401.183 J/mol,頻率因子k0=0.0193。

2.3.3 品質(zhì)變化規(guī)律預(yù)測(cè)模型的建立 將式(1)與式(2)的零級(jí)與一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型聯(lián)立,再經(jīng)左右積分,可得:

lnA-lnA0=k0·e-EA/RT·t

式(6)

此處A0為稻谷脂肪酸值在各溫度條件下0 d的初始值,A為儲(chǔ)藏了時(shí)間t d之后的脂肪酸值,根據(jù)各溫度下的初始脂肪酸值可得到不同溫度條件下稻谷脂肪酸值的預(yù)測(cè)模型,見(jiàn)表5。

表5 不同溫度條件下高水分稻谷脂肪酸值的預(yù)測(cè)模型

2.4 品質(zhì)變化規(guī)律預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

將2.1.2中各溫度條件下隨機(jī)天數(shù)實(shí)際所測(cè)值與經(jīng)建立的Arrhenius模型方程計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較,驗(yàn)證上述模型的準(zhǔn)確性:

由表6可知,各溫度條件下高水分稻谷實(shí)際測(cè)量值與方程預(yù)測(cè)值間的相對(duì)誤差均小于10%,低于一般數(shù)值模擬要求的15%精度[13-14,28],因此該預(yù)測(cè)模型對(duì)于預(yù)測(cè)稻谷脂肪酸值變化是可信的。

表6 稻谷脂肪酸值預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較

3 結(jié)論

15、25、35 ℃三種溫度條件下,稻谷的水分含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),隨著儲(chǔ)藏時(shí)間增加及水分含量的下降,稻谷脂肪酸值呈現(xiàn)上升趨勢(shì),稻谷水分與脂肪酸值在35 ℃條件下變化幅度相對(duì)較大,35 ℃于第7 d水分降至最低值,且脂肪酸值處于重度不宜存狀態(tài),更不利于稻谷進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)藏;稻谷出糙率與整精米率反映稻谷加工品質(zhì),稻谷加工品質(zhì)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但35 ℃上升幅度相對(duì)最小,25、15 ℃對(duì)稻谷加工品質(zhì)更有益;米飯的質(zhì)構(gòu)特性反映稻谷的食味品質(zhì),本實(shí)驗(yàn)中高水分稻谷的食味品質(zhì)下降,且35 ℃條件下,米飯食味品質(zhì)變化更加明顯。綜上所述,高水分稻谷在35 ℃條件下,品質(zhì)劣變速度加快,而低溫可減緩其品質(zhì)劣變速度,對(duì)高水分稻谷就倉(cāng)干燥有理論指導(dǎo)意義。

通過(guò)對(duì)稻谷脂肪酸值指標(biāo)零級(jí)及一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合發(fā)現(xiàn),稻谷脂肪酸值指標(biāo)擬合度R2均大于0.90,遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。以-lnk與1/T值作線性擬合,得到高水分稻谷的品質(zhì)預(yù)測(cè)模型:lnA=0.0193e409.09/T·t+lnA0。該方程所得預(yù)測(cè)值與三個(gè)溫度條件下的脂肪酸值實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差小于10%,表明該方程可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)稻谷的品質(zhì)變化情況,可以有效指導(dǎo)不同就倉(cāng)溫度條件下高水分稻谷及時(shí)進(jìn)入干燥階段,為高水分稻谷在不同就倉(cāng)溫度條件下品質(zhì)變化提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用指導(dǎo)。