臭氧結合氮氣氣調儲藏對稻谷品質的影響

許啟杰 劉 琳 李孟澤 周 華 閔炎芳 張檬達 付鵬程 周緒霞

(1浙江工業大學食品工程與質量控制研究所,浙江 杭州 310014;2中央儲備糧湖州直屬庫有限公司,浙江湖州 313000;3中儲糧成都儲藏研究院有限公司,四川成都 610000)

稻谷是我國最主要的糧食作物之一,在國家儲備糧戰略中占有極其重要的地位[1]。稻谷的外殼在一定程度上可以維持稻谷在儲藏期間的穩定性,但在高溫高濕環境中,儲藏不當會引起稻谷出現爆腰、黃變、發熱、霉變、陳化變質等品質劣變問題[2]。蟲霉危害、吸潮吸濕和氧化變質等是影響稻谷儲藏期間品質劣變的主要因素[3]。

研究表明,通過γ射線輻照、微波和臭氧等減菌預處理均可有效減少儲藏谷物中初始蟲霉量,延長谷物的儲藏期[4-5]。其中臭氧具有強氧化性,可以通過破壞微生物細胞壁,分解有機物質,改變細胞膜通透性起到殺菌的作用,且臭氧能夠迅速分解成O2[6-8],在谷物中無殘留,安全可靠,已廣泛應用于糧食儲藏與加工行業[9-12]。姚明蘭等[13]研究表明,在15℃儲藏溫度下臭氧處理能明顯降低稻谷中微生物含量,且對稻谷的感官品質和發芽率無顯著影響。Tiwari等[14]研究表明,臭氧處理可以有效殺蟲、破壞霉菌毒素和殺滅微生物,且對谷物品質影響極小;Beber-Bodrigues等[15]研究表明,臭氧處理可有效抑制稻谷儲藏期間真菌的生長,減少污染;李珍等[16]研究表明,在冰溫(-1℃)條件下臭氧處理對葡萄呼吸強度有很好的抑制作用,能延緩其果實衰老和品質劣變。氣調儲糧可通過改變糧堆中氣體的組成和濃度,抑制糧食呼吸作用和生物生理活動,從而有效抑制糧食的蟲霉危害和氧化變質[17]。李穎等[18]研究表明,在相同溫度下,與對照組相比,N2氣調組延緩了稻谷發芽率、脂肪酸值、電導率、過氧化氫酶活性、游離巰基含量等品質指標的變化;趙曉丹等[19]研究表明,在2±1℃儲藏條件下臭氧處理與氣調保鮮相結合可更好地保持果實的外觀和風味品質;梁媛等[20]研究表明,在溫度14℃、濕度75%的儲藏條件下臭氧預處理結合氣調包裝可減緩糙米儲藏過程中生理活性的降低,表現為抑制細胞膜結構的破裂、延緩發芽率的降低和維持較高的過氧化氫酶活性;黃家紅等[21]研究也表明,低溫氣調協同臭氧處理可有效保持柑橘果實的水分以及可溶性固形物、總酸、總糖、VC含量,并有效控制柑橘果皮上微生物數量的增加。

梁媛等[20]前期研究表明,將臭氧減菌預處理結合N2氣調應用于糙米的儲藏,可有效延緩糙米氧化速率并抑制微生物污染引起的品質下降。本試驗進一步以晚秈稻為研究對象,重點研究了臭氧減菌預處理結合N2氣調對稻谷初始微生物含量儲藏過程中發芽率、脂肪酸值、過氧化氫酶活力、游離巰基等品質指標和感官評分的影響,并通過主成分分析(principal component analysis,PCA)對各指標的變化規律和相關性進行探討,以期為稻谷的高品質儲藏提供理論依據及技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

晚秈稻于2017年9月收獲于浙江杭州,各項指標均符合GB/T 17891-2017[22]中規定的一級秈稻的標準,其初始水分13.5%、整精米率65.3%、雜質0.2%、不完善粒1.5%、黃粒米含量0.55%。

1.2 主要儀器與設備

CONT臭氧發生儀,上海康特環保科技發展有限公司;MAP-H360復合氣調保鮮包裝機,蘇州森瑞保鮮設備有限公司;GR200L小型呼吸式真空滾揉機,諸城康鼎食品機械公司;RA2000手持式泵吸氮氣檢測儀,深圳瑞安電子科技有限公司;HWS智能型恒溫恒濕箱,寧波江南儀器廠;uSafe 3000手持式泵吸臭氧檢測儀,山盾科技(深圳)有限公司;JLCJ 4.5型出糙機,浙江臺州糧儀廠;Kett精米機,日本東京Kett electric laboratory;JXFM110錘式旋風磨,上海嘉定糧油儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 稻谷臭氧減菌預處理 參考梁媛等[20]的方法。將25.0 kg稻谷裝入已滅菌的真空度為0.09 MPa的真空滾揉機中,通過臭氧發生儀持續通入臭氧使滾揉機中臭氧濃度達到(53±2)×10-4kg·m-3,然后關閉充氣口,打開滾揉機使稻谷和臭氧充分接觸,減菌預處理60 min。同時以未經臭氧處理的稻谷樣品作為對照。

1.3.2 稻谷儲藏試驗設計 試驗分4組:未經臭氧預處理的常規組(對照/Air)、未經臭氧預處理的N2氣調包裝組(對照/N2,N2＞98%)、臭氧預處理的普通包裝組(O3/Air)和臭氧預處理的N2氣調包裝組(O3/N2,N2＞98%)。N2氣調包裝組通過氣調保鮮包裝機進行充氮(N2＞98%)包裝,常規組和普通包裝組采用空氣熱封包裝。4組樣品均采用聚苯乙烯包裝盒(18 cm×12.5 cm×3.5 cm)和PET/CPP膜包裝,每盒稻谷樣品200 g,包裝材料預先經紫外減菌處理。包裝后樣品置于14℃恒溫、75%恒濕箱中儲藏12個月,期間每隔3個月取樣測定各指標,每組3個重復。

1.3.3 測定項目與方法 菌落總數參照GB 4789.2-2016[23]測定;霉菌和酵母菌落數參照GB 4789.15-2016[24]測定;發芽率參照GB/T 5520-2011[25]測定;脂肪酸值參照GB/T 20569-2006《附錄A稻谷脂肪酸值測定方法》(KOH-乙醇標準液濃度稀釋至0.01 mol·L-1左右)測定[26];過氧化氫酶活力參照GB/T 5522-2008[27]測定;品嘗評分值參照GB/T 15682-2008[28]測定;游離巰基含量參考Ellman′s法測定[29]。1.3.4 數據處理 試驗數據用SPSS 21.0軟件進行顯著性分析和主成分分析,其中主成分分析將菌落總數、霉菌和酵母菌落數、發芽率、脂肪酸值、過氧化氫酶活力、游離巰基含量、品嘗評分值作為變量進行降維分析,計算相關系數矩陣、主成分特征值、累計貢獻率及主成分綜合得分,顯著性水平設置為P＜0.05,采用Origin 9.1繪圖。

2 結果與分析

2.1 臭氧預處理及N2氣調包裝對稻谷微生物的影響

臭氧預處理對稻谷的減菌效果達極顯著水平(P＜0.01)。由圖1可知,臭氧處理60 min稻谷的菌落總數從初始的6.52 lg(CFU·g-1)降至4.52 lg(CFU·g-1),減少2個數量級;霉菌和酵母菌菌落數由5.5 lg(CFU·g-1)降至3.5 lg(CFU·g-1),減菌效果達到了99%,且這種減菌效果一直維持到了儲藏后期。

在儲藏過程中,對照/Air組稻谷的菌落總數呈逐漸上升趨勢,而其余3組稻谷的菌落總數則呈先下降后上升的趨勢。儲藏12 M時,與對照/Air組相比,O3/N2組菌落總數、霉菌和酵母菌菌落數分別降低99.5%和99.2%,O3/Air組分別降低99.2%和99.1%,對照/N2組分別降低33.9%和20.1%。因此,N2氣調在一定程度上能夠抑制微生物的增殖,且臭氧預處理結合N2氣調包裝對稻谷儲藏減菌及抑菌效果較好。

2.2 臭氧結合N2氣調儲藏對稻谷品質指標變化的影響

2.2.1 發芽率的變化 發芽率是衡量稻谷新陳度的重要指標。由圖2可知,4組稻谷的發芽率均隨著儲藏時間的延長有一定程度的下降,其中,對照/Air組稻谷的發芽率最低,儲藏12 M時發芽率降為83%,但與O3/Air組相比差異不顯著(P＞0.05)。儲藏12 M時,O3/N2組稻谷的發芽率最高保持在88%,較對照/N2組高3個百分點,但差異不顯著(P＞0.05),這可能與臭氧處理抑制了霉菌繁殖有關,說明臭氧預處理對稻谷發芽率有一定的影響,這與周建新等[30]的研究結果一致。與對照/Air和O3/Air相比,對照/N2和O3/N2組稻谷的發芽率分別高2個百分點和4個百分點,說明N2氣調包裝能夠保持稻谷的生理活性,延緩稻谷的品質變化[31],這與N2減少了空氣對稻谷生理活性的作用,抑制了稻谷的呼吸作用有關。

2.2.2 脂肪酸值的變化 脂肪酸值是反映稻谷品質劣變程度的重要指標之一。由圖3可知,臭氧減菌預處理在一定程度上增加了稻谷的脂肪酸值,這可能是臭氧與稻谷接觸時產生了氧化作用,且臭氧分解產生的氧氣對稻谷也會有一定的氧化作用,但與未經臭氧預處理組相比差異不顯著(P＞0.05)。在后續儲藏過程中,各組稻谷的脂肪酸值均隨著儲藏時間的延長而顯著升高(P＜0.05),且常規空氣包裝組均高于N2氣調組。儲藏12 M時,對照/N2組和O3/N2組稻谷的脂肪酸值分別由15.4和15.3 mgKOH·100g-1增加至20.0和20.4 mgKOH·100g-1。O3/Air組稻谷的脂肪酸值增加至21.3 mgKOH·100g-1,顯著高于N2氣調的兩組樣品(P＜0.05),說明N2氣調包裝能有效延緩脂質氧化[32]。

2.2.3 過氧化氫酶活力的變化 由圖4可知,隨著儲藏時間的延長,各組稻谷的過氧化氫酶活力均逐漸降低,這與發芽率的變化趨勢一致。臭氧預處理在一定程度上降低了初始稻谷的過氧化氫酶活力,但與未經臭氧預處理組相比差異不顯著(P＞0.05)。儲藏12 M時,O3/N2和對照/N2組稻谷的過氧化氫酶活力均高于相應的常規包裝組(O3/Air和對照/Air)。其中,對照/Air和對照/N2分別顯著下降了3.11和3.75 mgH2O2·g-1(P＜0.05),O3/Air和O3/N2分別顯著下降了3.47和2.97mgH2O2·g-1(P＜0.05)。表明N2氣調在一定程度上能夠延緩稻谷的品質變化,這與N2氣調抑制了空氣的氧氣作用和稻谷本身的呼吸作用有關,李巖峰[33]也得到了一致的研究結論。

2.2.4 游離巰基含量的變化 巰基是蛋白質氨基酸殘基中最活潑的功能基團,主要參與抗氧化、巰基-二硫鍵轉化等生理功能,其含量是判斷稻谷蛋白質品質變化的重要指標。由圖5可知,與未經臭氧處理相比,臭氧預處理稻谷的游離巰基含量顯著降低了0.127 μmol·g-1(P＜0.05),說明臭氧處理對二硫鍵的形成具有促進作用,這與臭氧的強氧化作用促使稻谷蛋白質中的巰基發生氧化有關。儲藏12M時,與儲藏初期相比,O3/N2、O3/Air、對照/N2、對照/Air組稻谷游離巰基含量分別顯著下降了0.38、0.42、0.45、0.52μmol·g-1(P＜0.05)。其中,2組N2氣調稻谷的下降幅度均小于相應的常規包裝組,說明N2氣調能夠減緩蛋白質氧化作用。

蛋白質的氧化反應產物會進一步與稻谷中其他物質如淀粉顆粒、脂質等發生交聯作用,從而影響稻谷的質構和食味品質,這也是稻谷隨儲藏時間的延長出現陳化的原因之一,本研究發現,N2氣調可以通過抑制蛋白質組分氧化更好地保持稻谷的品質,這與脂肪酸值和過氧化氫酶活性等指標的測定結果一致。

2.3 儲藏期間稻谷品嘗評分值的變化

品嘗評分值是判斷稻谷是否宜存的重要指標,GB/T 20569-2006[26]規定,品嘗評分值＞70為粳稻及秈稻的宜存品嘗評分值。由表1可知,在12個月的儲藏期內,各組稻谷的品嘗評分值均隨著儲藏時間的延長而下降。其中,儲藏3 M和9 M時,與對照/Air組相比,臭氧預處理對稻谷的品嘗評分值有顯著影響,儲藏12 M時,O3/N2組稻谷的品嘗評分值顯著高于O3/Air組,說明N2氣調可以有效保持稻谷的味道及口感。儲藏12 M時,稻谷的最低品嘗評分值仍保持在80分以上,均為宜存稻谷。同一儲藏期,不同儲藏方式之間的評分結果存在一定的差異。

表1 儲藏期間稻谷品嘗評分值的變化Table1 Changes in rice tasting scores during storage

2.4 主成分分析

主成分分析是利用降維思想將少數幾個綜合指標來代表眾多指標,這些綜合指標互不相關,但能綜合反映原來多個指標的大部分信息[34-35]。本試驗以不同儲藏時間、不同儲藏方式下稻谷的菌落總數、霉菌和酵母菌菌落數、發芽率、脂肪酸值、過氧化氫酶活力、游離巰基含量、品嘗評分值為分析數據源,采用z-score標準化進行處理后應用SPSS 19.0軟件對數據進行主成分分析。經SPSS軟件分析得到,KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗系數為0.738,且巴特利特球形檢驗(Bartlett)統計值極顯著,說明原始數據可以進行主成分分析。

對不同儲藏條件下稻谷品質變化進行主成分方差貢獻率分析(表2),以特征值＞1為提取標準,得到前2個主成分的累積貢獻率分別為65.152%,29.303%,累計貢獻率為94.455%,特征值分別為4.561和2.051,表明2個主成分能夠較好地反映整體數據的信息特征。

表2 主成分方差分析Table2 Analysis of variance for PCA

由成分載荷矩陣(表3)和2個主成分的特征向量值(表4)可知,FA、GP、SE、CAT、SH在第1主成分上有較高載荷,其中,GP、SE、CAT、SH在正坐標處具有較高載荷,FA在負坐標載荷較高,說明了第1主成分主要反映了這5個成分指標的信息,各指標貢獻率大小順序為FA＞CAT＞GP＞SH＞SE。菌落總數(TBC)、霉菌和酵母菌菌落數(M)在成分2正坐標處載荷較高,說明第2主成分主要反映菌落總數和霉菌和酵母菌菌落數的信息,且各指標貢獻率大小順序為TBC＞M。根據標準化后的各指標與成分得分系數矩陣(表5)計算2個主成分的得分(Y1,Y2),將各主成分對應的方差貢獻率(表2)作為權重,由主成分得分和對應的權重線性加權求和得到綜合評價函數式(3),通過式(3)計算各處理組對稻谷儲藏品質效果的綜合得分(Z)[36],得到圖6。

表3 成分載荷矩陣Table3 Com ponentmatrix

表4 2個主成分的特征向量值Table4 The eigenvectors of two PCAs

表5 成分得分系數矩陣Table5 Component score coefficientmatrix

其中,Y1為第1主成分得分;Y2為第2主成分得分;總因子Z得分越高表明品質越好。

由圖6可知,隨著儲藏時間的延長,在不同儲藏條件下稻谷的綜合得分均呈下降趨勢,且經過N2氣調包裝的稻谷綜合得分在整個儲藏期間均高于經過臭氧預處理的稻谷,也明顯高于常規儲藏的稻谷。在儲藏前期(0 M),經過臭氧預處理的稻谷綜合得分值低于未經臭氧預處理,分別為0.69和1.35,這與臭氧在與稻谷接觸時產生的氧化作用,使稻谷的品質略微降低有關。隨著儲藏時間的延長,O3/N2和對照/N2組稻谷的綜合得分的差異性逐漸縮小,且二者的變化趨勢也接近相同,表明N2氣調在一定程度上能夠延緩臭氧對稻谷品質的降低。經過12 M儲藏期后,與儲藏初期(0 M)相比,O3/N2、O3/Air、對照/N2、對照/Air組綜合得分分別下降了1.50、1.93、1.74、1.99,差值表現為O3/N2＜對照/N2＜O3/Air＜對照/Air,說明O3/N2對于稻谷品質保持的效果最佳,其中N2氣調儲藏的兩組樣品的綜合得分均高于常規組。

3 討論

本研究以4種不同方式對稻谷進行儲藏,結果表明臭氧結合N2氣調包裝能夠明顯降低稻谷儲藏的品質變化。稻谷的儲藏品質與微生物繁殖密切相關,在糧食儲藏期間,微生物為獲得自身生長所需的營養物質,通過分泌胞外水解酶,將糧食中的大分子物質分解為小分子,不僅會消耗糧食中的成分,破壞糧食的組織結構,而且可能會產生有害的真菌毒素,對糧食的食用品質造成嚴重的影響[37]。周建新等[8]研究發現,臭氧對稻谷中的微生物具有明顯的殺滅效果,使細菌總數下降60%,霉菌和酵母菌落數下降42%。本研究結果顯示,隨著儲藏時間的延長,未經臭氧預處理組稻谷的微生物含量不斷上升,而經臭氧預處理組稻谷的微生物含量呈先下降后上升的趨勢,這與宋偉等[38]的研究結論相一致,說明臭氧預處理對稻谷儲藏過程中微生物量的增長有明顯的抑制作用。

發芽率是衡量稻谷新陳度的重要指標。本研究發現與對照/Air組相比,臭氧預處理組對稻谷發芽率有一定影響但不顯著;與O3/Air組相比,O3/N2組一定程度上抑制了稻谷發芽率的降低,這與N2氣調抑制了稻谷的呼吸作用有關。姚明蘭等[13]研究發現,臭氧的質量濃度對稻谷發芽率的影響不顯著,但隨著儲藏時間的延長,臭氧預處理稻谷脂肪酸值上升趨勢高于對照組,且臭氧的質量濃度越高,上升幅度越大。周建新等[30]也發現臭氧處理對稻谷的發芽率無影響,而高濃度臭氧處理略微增加了稻谷的脂肪酸值。本研究中,臭氧預處理在一定程度上增加了稻谷的脂肪酸值,但與未經臭氧預處理組相比差異不顯著;與O3/Air組相比,O3/N2組能夠顯著抑制儲藏期間稻谷脂肪酸值的增加。推測是由于N2氣調降低了糧食的生理代謝,使得稻谷的呼吸及酶的活性變得極其微弱,從而延緩了糧食脂肪酸值的升高,并保持了糧食的新鮮程度。鄭秉照[32]也表明,與常規儲藏相比,N2氣調儲藏可以有效延緩秈稻谷的脂肪酸值、粘度和發芽率的變化,并更好地保持稻谷原有的品質。

過氧化氫酶是一種酶類清除劑,能將H2O2分解為H2O和O2。稻谷中過氧化氫酶活力的降低通常與稻谷發芽率的降低和陳化劣變密切相關,其活力密切影響著稻谷的活力。本研究表明,在儲藏前期臭氧預處理在一定程度上降低了稻谷的過氧化氫酶活力,這是由于臭氧在與稻谷接觸時會產生氧化作用,氧化作用會使過氧化氫酶鈍化,造成稻谷初期過氧化氫酶活力降低,這與孫加偉等[39]研究發現升高臭氧濃度能夠抑制玉米葉片抗氧化酶活力的結論相一致。此外,本試驗也發現N2氣調增強了儲藏期間稻谷中過氧化氫酶活力,儲藏12 M后,O3/N2和對照/N2組稻谷的過氧化氫酶活力均高于相應的常規包裝組(O3/Air和對照/Air),這與柴芃宇等[40]研究結果相一致,可能是由于N2降低了稻谷儲藏環境中氧氣含量,抑制了氧化作用的發生,延緩了稻谷生理品質的變化。蛋白質巰基是對氧化最敏感的蛋白質側鏈基團。本研究中稻谷的游離巰基含量隨著儲藏時間的延長呈下降趨勢,與對照/Air組相比,臭氧預處理組顯著降低了稻谷中的游離巰基含量,推測是由于臭氧的強氧化能力促進巰基氧化成二硫鍵,促使稻谷中發生蛋白質氧化,這與邵慧麗[41]的研究結論相一致。此外,莊坤等[42]也發現臭氧對糯米蛋白質中的巰基含量有顯著的影響,且臭氧處理時間越長,巰基含量減少越明顯。本研究中兩組N2氣調稻谷游離巰基含量的降幅均小于相應的未N2氣調組,推測是由于N2氣調能夠減緩蛋白質氧化作用,從而在一定程度上抑制了稻谷中的生化反應。李穎等[18]研究表明,N2氣調能降低游離巰基的活潑程度,避免其向二硫鍵的轉化并維持稻谷蛋白質原有的特性。梁媛等[20]研究表明,在儲藏過程中,臭氧處理對于米飯的蒸煮品質無顯著影響,本研究結果則顯示儲藏12 M后不同儲藏方式之間的品嘗評分值有一定差異。

本研究利用主成分分析對稻谷儲藏期間微生物指標、品質指標及品嘗評分值進行降維處理,得到2個具有代表性的主成分,對不同儲藏條件下的稻谷進行綜合評價,計算主成分得分及綜合得分,以此評價不同儲藏方式稻谷品質的優劣,依據綜合評價得分明確了O3/N2氣調儲藏對于稻谷品質保持的效果最佳。李偉等[43]利用主成分分析法提取了7個主成分,建立了綜合得分模型計算不同品種楊梅果實的綜合得分,篩選出了綜合品質相對較好的楊梅品種。張雷剛等[44]運用主成分分析提取了3個主成分,建立了主成分因子載荷圖,較好地區分了貨架期間各處理綠蘆筍品質指標和活性氧代謝指標。謝麗源等[45]對不同儲藏溫度、儲藏時間處理的杏鮑菇品質進行主成分分析,建立了綜合評價函數,得到了不同溫度處理杏鮑菇品質高低的排序。此外,劉曉燕等[46]也采用主成分法分析了4種不同清洗方式鮮切蓮藕品質差異,建立了綜合評價函數并篩選出了最佳處理組,得到了更客觀和全面的研究結論。通過主成分分析和綜合評價函數的建立不僅可以量化評價體系,而且可以避免單個指標所得結論的多變性、片面性,可為食品品質評價提供更加直觀和科學的依據。

4 結論

本研究結果表明,臭氧預處理結合N2氣調在一定程度上延緩了稻谷中菌落總數、霉菌和酵母菌菌落數、脂肪酸值和游離巰基含量的上升,同時有效保持了稻谷的過氧化氫酶活力和發芽率。基于主成分分析和綜合評價函數的分析表明,臭氧預處理結合N2氣調能夠延緩儲藏期間稻谷各品質指標的變化,抑制稻谷組分氧化以及微生物的繁殖,延長稻谷儲藏周期。本研究結果為科學儲糧提供了理論依據和技術參考。