不同谷冷工藝對高溫入倉稻谷品質的影響

(楊 東 畢文雅 姜俊伊 李倩倩 頡 宇 石天玉

(國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037)

稻谷是我國重要的儲備糧種之一，在國家糧食儲備戰略中具有重要地位[1]。稻谷對儲藏溫度的敏感性和自身水分的影響易使其品質發生劣變，降低其食用和加工價值，造成經濟損失[2]。現階段，以低溫、準低溫保質保鮮為主的綠色儲糧技術[3,4]因其能夠延緩稻谷品質劣變、減少輪換虧損、確保優質優價的特點已經展開了應用性研究[5-7]。

稻谷在低溫或準低溫儲藏過程中品質變化規律研究已取得階段性進展。李卓珍等[8]比較了優質稻谷在低溫和常溫儲藏下品質變化規律，并表明與常溫儲藏相比，準低溫儲藏(20 ℃以下)更能延緩優質稻谷的品質劣變，18個月儲藏周期內稻谷均處于宜存狀態。金鑫等[9]采用谷冷控溫技術(年平均糧溫在20 ℃以內)探索了廣東地區稻谷儲藏延緩1年輪出的可行性，研究表明該技術可以實現稻谷輪換減虧控虧、降低出入庫費用，并計算得出年經濟效益約33.84萬元。袁道驥等[10]研究表明在準低溫下，新收獲優質稻儲藏半年即達到最優食用品質，隨后其品質開始緩慢下降，其中含水率小于14.5%的優質稻谷其整精米率和出糙率均較高。

稻谷高溫季節入倉后有效降溫控制及對品質變化的影響亟需系統性研究。南方秈稻收獲時期常處于高溫季節(≥30 ℃)，入倉后需進行整倉谷冷處理使倉內平均溫度≤20 ℃。然而在夏季，倉內低溫環境在短期內不易實現，快速降溫需大量增加谷冷設備單位能耗，同時部分烘干后的高溫稻谷驟然遇冷易出現品質劣變現象，直接影響其后期儲藏品質[11,12]。張藝良[13]將室溫下(29 ℃)袋裝成品大米直接放入人工氣候室(15 ℃)模擬入倉降溫過程，結果表明約96 h后袋內各處糧溫基本由29 ℃降至15 ℃；崔棟義[14]對高溫季節入倉后的小麥實施緩速通風降溫，分析了750 h內倉溫、糧溫的變化趨勢，及水分減量情況，并表明適時進行緩速通風降溫，能夠減少糧堆隱患和水分減量，降低通風設備單位能耗，但上述研究均未對降溫過程中糧食品質變化規律進行分析。因此，迫切需要明確稻谷高溫季節整倉谷冷過程中其品質變化規律并提出最優降溫工藝輔助于谷冷設備合理選型。

本研究以晚秈稻為實驗對象，通過人工氣候箱模擬儲藏環境，研究稻谷高溫季節入倉后從30 ℃降至19 ℃和15 ℃過程中不同降溫梯度、降溫時間對其水分、脂肪酸、食味值、新鮮度及外觀等品質的影響。采用單因素評價方法解析稻谷降溫過程中各品質變化規律，進一步利用模糊綜合評價方法對稻谷多品質指標變化幅度進行綜合評判，從而得出最優降溫工藝參數，以期為夏季稻谷低溫保鮮儲藏過程中整倉谷冷工藝實施提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

晚秈稻(黃華占)于2019年10月收獲于湖北荊州，經晾曬除雜后，初始水分含量在13.5%～15.0%范圍內，雜質≤0.3%，整精米率≥62.0%，黃粒米含量≤1.0%，堊白度≤1.0%，各項指標均符合GB/T 17891—2017 中優質秈稻定級標準。經水分調整后，選擇14.3%和14.8%兩種較高水分稻谷樣品用于降溫實驗。

1.2 降溫條件

通過人工氣候箱模擬稻谷高溫季節入倉降溫實驗，降溫工藝參數設定如圖1所示，稻谷入倉后初始溫度為30 ℃，經過5、7、9、和11 d后分別降至15 ℃(方式1)和19 ℃(方式2)。其中，方式1平均每天降溫梯度ΔT分別為3、2.1、1.7、和1.3 ℃ (圖1a)；方式2平均每天降溫梯度ΔT分別為2.2、1.6、1.2、和1 ℃(圖1b)。根據含水率將稻谷樣品分成兩組(SP1：含水率14.3%)和(SP2：含水率14.8%)進行降溫實驗。

圖1 不同降溫梯度及降溫時間示意圖

1.3 品質指標測定

實驗期間每天取樣1次測定稻谷相關品質指標，每組3個重復。水分含量：參照GB 5009.3—2016 《食品安全國家標準 食品中水分的測定》；脂肪酸值：參照GB /T 15684—2015《谷物碾磨制品脂肪酸值的測定》；新鮮度：參照LS/T 6118—2017《糧油檢驗 稻谷新鮮度測定與判別》，采用稻谷新鮮度測定儀；食味品質：采用大米食味計，儀器檢測精度符合GB/T 24895、GB/T 24896、GB/T 24897相關要求；整精米率、堊白度、黃粒米含量：使用米質判定儀，儀器嵌套模型符合國標GB 1354相關標準規定。

1.4 主要儀器與設備

THP501恒溫恒濕實驗箱；JDMZ 100稻谷出米率檢測儀；JXCD 10a 稻谷新鮮度測定儀；JSWL大米食味計；JMWT 12米質判定儀。

1.5 數據處理與分析

應用SPSS、MATLAB R2018a等軟件對稻谷品質指標數據進行單因素描述性統計分析及模糊綜合評價。其中模糊綜合評價方法[15]通過1)選擇評價指標構建因素集；2)確定隸屬度函數并計算各因素的隸屬度；3)對各因素進行權重分配；4)綜合評價各品質指標得分情況四個環節確定出最優降溫方式。

建立因素集U={u1,u2,u3,...,um},U為影響稻谷品質變化的評價指標的集合，m為指標數量，本研究選擇稻谷脂肪酸值u1、食味值u2、新鮮度u3、整精米率u4、黃粒米含量u5和堊白度u6六項指標構成因素集。

建立隸屬度函數。將稻谷脂肪酸值等六項指標從初始值到降溫結束后的變化幅度作為基礎數據，采用成本型指標函數(值越小越好)利用式(1)計算隸屬度[16]，得到稻谷品質指標變化幅度的隸屬度矩陣R=[r1, r2, r3,...,rm]。

(1)

模糊綜合評價。通過公式S=A×R=0.2×a1+0.2×a2+0.1×a3+0.2×a4+0.1×a5+0.2×a6計算得出不同降溫條件下稻谷品質指標變化幅度綜合得分S，高得分表明稻谷品質保持效果較好，溫度差對其負面影響較小。

2 結果與分析

2.1 不同降溫方式對稻谷水分變化的影響

兩組稻谷水分含量均隨降溫時間的延長呈現緩慢下降趨勢。如圖2所示，30 ℃降至15 ℃，SP1組稻谷水分減量幅度均≤0.55%，其中經5 d降溫后減量幅度最小，僅為0.21%(14.37%降至14.16%)，SP2組稻谷水分減量幅度整體偏高于SP1組，其中7天降溫后減量幅度為0.36%，其他條件下均≥0.6%。相比之下，30 ℃降至19 ℃過程中SP1組稻谷水分減量幅度有所減少(在0.18%～0.38%范圍內)，其中降溫9 d后減量幅度最小，僅為0.18%(14.35%降至14.17%)。SP2組稻谷水分減量幅度有所上升(在0.27%～0.61%范圍內)，變化波動性較SP1組劇烈，其中降溫9和11天后減量幅度較小，分別為0.27%和0.29%。由此可知，降溫幅度對稻谷水分變化沒有顯著性差異(P>0.05)，含水率14.3%的稻谷經9天降溫至19 ℃其水分減量幅度最小，該條件下有助于稻谷水分含量的保持。

圖2 不同降溫方式下稻谷水分變化

2.2 不同降溫方式對稻谷脂肪酸值變化的影響

兩組稻谷脂肪酸值均隨降溫時間的延長呈現上升趨勢。由圖3所示，30 ℃降至15 ℃，SP1組稻谷脂肪酸值增長幅度在1.2～3.6 mgKOH/100 g范圍內，其中降溫5 d后增長幅度最小，僅為1.2mg KOH/100 g。SP2組稻谷脂肪酸值增長幅度明顯偏高于SP1組，且存在顯著性差異(P<0.05)。其中增長幅度最高的為9 d降溫，從14.0 mgKOH/100 g變化至20.3 mgKOH/100 g。30 ℃降至19 ℃，SP1組稻谷經7 d降溫后脂肪酸值增長至19.9 mgKOH/100 g，幅度達到6.4 mgKOH/100 g，明顯高于其它降溫條件下的數值結果。SP2組稻谷經降溫處理后，脂肪酸值均≥20 mgKOH/100 g，其中7 d降溫后數值達到了27.2 mgKOH/100 g，增長13.0 mgKOH/100 g，明顯高于9 d和11 d降溫后的變化幅度(分別為6.5和3.4 mgKOH/100 g)。由此可知，含水率14.8%的稻谷脂肪酸值增長幅度整體高于含水率14.3%的稻谷，該結論與畢文雅的實驗結果相接近[16]。短期快速降溫下脂肪酸值增長幅度較小，但穩定性較差，長期緩速降溫對稻谷脂肪酸值增長具有一定的抑制作用[17]，降溫處理后的稻谷均處于宜存狀態(≤30.0 mgKOH/100 g，宜存，GB/T 20569—2006)。

圖3 不同降溫方式下稻谷脂肪酸值變化

2.3 不同降溫方式對稻谷食味品質變化的影響

降溫時間與含水率對稻谷食味品質的變化沒有顯著性影響(P>0.05)。如圖4所示，兩組稻谷降溫過程中食味值均在82～87之間浮動變化，降溫后數值減量幅度均≤2.0，且符合GB/T 17891—2017《優質稻谷》二級標準。其中，30 ℃降至15 ℃，SP1組稻谷食味值均在82.0～86.0之間浮動變化，減量幅度≤1.0，經過5、7、9、11 d降溫后，稻谷食味值分別減少了1.0、0.7、0.7和0.9。相比之下，SP2組稻谷經5 d降溫后食味值減量幅度最大，達到1.1，其它條件下減量幅度均≤0.6。30 ℃降至19 ℃，兩組稻谷食味品質變化具有相似趨勢，SP1組稻谷減量幅度均≤1.0，其中9 d降溫后減量幅度最小，僅為0.3。SP2組稻谷經7 d降溫后減量幅度有所增加，達到了2.0，明顯高于其它條件下減量變化(均≤1.0)，但無顯著性差異(P>0.05)。由此可知，經5～11 d降溫處理對稻谷食味品質損失方面的影響較弱。

圖4 不同降溫方式下稻谷食味品質變化

2.4 不同降溫方式對稻谷新鮮度變化的影響

稻谷新鮮度隨著降溫時間的延長呈現輕微下降趨勢(圖 5)。30 ℃降至15 ℃，SP1組稻谷經11天降溫后下降幅度最小，僅為1.1，但與5 d降溫后較大幅度(達到2.1)相比無顯著性差異(P>0.05)；相比之下，SP2組稻谷經5天降溫后新鮮度下降幅度反而最小，僅為1.0，與11 d降溫后較大幅度(達到2.0)仍無顯著性差異。即，5 d或11 d降溫對稻谷新鮮度的保持效果存在不穩定性。30 ℃降至19 ℃，SP1和SP2組稻谷經9、11 d長期降溫后新鮮度下降幅度(數值≤1.0)明顯低于5 d、7 d短期降溫處理結果(數值≥2.0)；其中，9 d降溫后新鮮度下降幅度最小，分別為0.4和1.0。由此可知，含水率14.3%的稻谷經9 d降溫從30 ℃降至19 ℃對其新鮮度的保持效果最優，明顯低于30 ℃降至15 ℃下各組稻谷新鮮度下降幅度，且降溫時間對其新鮮度變化沒有顯著性差異(P>0.05)。

圖5 不同降溫方式下稻谷新鮮度變化

2.5 不同降溫方式對稻谷整精米率變化的影響

隨著降溫時間的延長，稻谷整精米率呈下降趨勢。 30 ℃降至15 ℃，SP1組稻谷經7、9、11 d降溫后整精米率分別從69.6%、69.9%、66.2%下降至63.1%、65.1%、63.3%，其中11 d降溫后稻谷整精米下降幅度最小，僅為2.9%。SP2組稻谷在降溫7、9、11 d后整精米率變化規律與SP1組樣品相接近，下降幅度范圍在2.9%～4.3%之間。另由圖6可知，兩組稻谷經5 d降溫后整精米率均呈上升趨勢，增長幅度分別為1.9%和0.8%，但與其它降溫條件比無顯著性差異(P>0.05)。30 ℃降至19 ℃，SP1組稻谷整精米率下降幅度在0.6%～2.5%范圍內，其中經11 d降溫后下降幅度最小，僅為0.64%，但降溫初期(3～5 d)稻谷整精米率易出現輕微波動現象，波動范圍在1.3%～3.5%之間。SP2組稻谷經7 d降溫后整精米率下降幅度最小，僅為0.9%，但數值在62.3%～64.5%間波動變化較為明顯。11 d降溫過程中整精米率變化較為平緩，從初始值63.9%降至61.6%，下降幅度為2.3%，高于SP1組稻谷同等降溫時間結果。由此可知，高水分稻谷整精米率下降幅度較大，與袁道驥等[8]的實驗結果相接近；含水率14.3%的稻谷經11 d降溫至19 ℃后對延緩整精米率下降具有明顯優勢，緩速長期降溫有助于稻谷整精米率的保持。

圖6 不同降溫方式下稻谷整精米率變化

2.6 不同降溫方式對稻谷黃粒米含量變化的影響

稻谷黃粒米含量變化趨勢如圖7所示。30 ℃降至15℃，SP1組稻谷經5、9、11 d降溫后黃粒米含量分別從0.6%、0.9%和0.7%上升至0.9%、2.0%和0.9%，上升幅度在0.2%～1.1%范圍內，其中經11 d降溫后上升幅度最小，僅為0.2%。SP2組稻谷黃粒米含量上升幅度略有增加(0.3%～2.0%)，其中經11天降溫后數值最低，僅為0.3%。另由圖7可知，兩組稻谷經7 d降溫后黃粒米含量均呈現下降趨勢，SP1組從0.8%降至0.4%，SP2組從0.9%降至0.4%。但與其他降溫條件比無顯著性差異(P>0.05)。30 ℃降至19 ℃，SP1組稻谷經7 d降溫后黃粒米含量增幅要高于9 d和11 d，幅度值分別為1.1%、0.5%和0.4%(變化后的數值均≤1.7%)。SP2組稻谷黃粒米含量具有相似變化趨勢，其中經9 d和11 d降溫后數據增幅較少，分別為0.4%和0.3%。另由圖7可知，兩組稻谷經5天降溫后黃粒米含量均出現下降趨勢(與30 ℃降至15 ℃下形成對比)，下降幅度分別為0.4%和0.6%，但無顯著性差異(P>0.05)。由此可知，降溫幅度對稻谷黃粒米抑制作用沒有顯著性差異，經9 d或11 d降溫處理后對黃粒米含量的增長具有較好的抑制作用，降溫后數值變化結果均≤1.0%，符合GB/T 17891—2017《優質稻谷》的定級標準。

圖7 不同降溫方式下稻谷黃粒米含量變化

2.7 不同降溫方式對稻谷堊白度變化的影響

稻谷堊白度降溫過程中主要變化趨勢如圖8所示。30 ℃降至15 ℃，SP1組稻谷在降溫7 d過程中其堊白度增長幅度(數值為1.3%，幅度值為0.6%)明顯高于5、9、11 d降溫處理(數值在0.3%～0.8%范圍內浮動，幅度值均≤0.4%)。SP2組稻谷具有相似變化趨勢，均是7天降溫后數值增長幅度高于9 d和11 d；5天降溫后堊白度出現下降趨勢，由初始值0.4%變化至0.3%，但與其他降溫時間比無顯著性差異(P>0.05)。30 ℃降至19 ℃，SP1組稻谷堊白度在降溫5 d(0.7%至1.0%)和11 d(0.5%至0.6%)后數值均呈上升趨勢，且在降溫初期出現明顯波動；7 d和9 d降溫后數值分別從0.7%和0.9%下降至0.3%和0.8%，整體變化趨勢較為平穩。SP2組稻谷堊白度在降溫5 d和11 d過程中初期均出現波動性，分別從初始值0.9%和0.4%變化至1.3%和0.6%；7 d和9 d的變化趨勢相似，分別從初始值0.9%和0.8%均下降至0.6%。由此可知，短期(5 d或7 d)降溫不利于稻谷堊白度的有效控制(堊白度≥1.3%)，長期(9 d或11 d)緩速降溫能有效控制堊白度的增加(堊白度≤1.0%)，所有數值均≤2.0%，符合GB/T17891—2017《優質稻谷》中一等定級標準。

圖8 不同降溫方式下稻谷堊白度變化

2.8 不同降溫方式下稻谷品質變化模糊綜合評價

根據初始水分、降溫時間及降至溫度將稻谷樣品劃分為16組數據，模糊綜合評價結果如表1所示。第11組稻谷品質變化綜合評價得分最高，達到0.85，其在新鮮度和食味品質指標上優勢最為突出，隸屬度值分別為1.0和0.92；在脂肪酸值、黃粒米含量和堊白度指標上表現較為均衡，隸屬度值均超過0.83。第5組稻谷綜合得分略低于11組，數值為0.82，其在堊白度、整精米率和脂肪酸值三項指標上優勢最為明顯，隸屬度值在0.9～1.0范圍內；食味品質和新鮮度指標隸屬度數值較低，分別為0.47和0.70，明顯低于11組稻谷樣品的保鮮效果。

表1 不同降溫方式下稻谷品質指標變化幅度模糊綜合評價得分

另由表1可知，30 ℃降至15 ℃，稻谷經5 d降溫后品質變化綜合得分均較高，對整精米率的保持、及脂肪酸值、黃粒米含量和堊白度的抑制具有一定優勢，但食味品質和新鮮度指標的隸屬度得分較低，可能與15 ℃較大降溫幅度有關，影響稻谷后期儲藏過程中的保質保鮮。此外短期快速降溫需增加制冷設備單位能耗，提升了儲藏(保糧)成本。30 ℃降溫19 ℃，長期緩速降溫(9 d或11 d)稻谷品質變化綜合評價得分要高于短期降溫(5 d和7 d)，在食味品質和新鮮度保持、黃粒米含量和堊白度抑制方面具有明顯優勢。因此，第11組樣品數據，即含水率14.3%的稻谷在高溫季節入倉后經過9 d從30 ℃降至19 ℃下(ΔT=1.2 ℃)為最優選擇方式，更有利于稻谷后期低溫或準低溫保鮮保質儲藏。

2.9 谷冷設備配置參數

上述分析可知，含水率14.3%的秈稻經9 d從30 ℃降溫至19 ℃(ΔT=1.2 ℃)對其品質保鮮效果最優，可能原因有：緩速均勻性降溫能有效延緩稻谷中脂類物質的氧化水解及營養物質的流失，對脂肪酸值的增長抑制以及食味值和新鮮度的保持起到了關鍵作用；含水率14.3%稻谷稻殼的韌性偏低于14.8%的稻谷，有利于整精米率的保持；對黃粒米和堊白度的增長抑制作用不顯著；通過模糊綜合評價結果可以說明上述條件下稻谷品質保持效果最優。

在此條件下，利用孫君[20]提出的秈稻比熱容線性公式Cm=0.071 9M+0.686 7kJ(kg·℃)，R2=0.973 6(M為濕基含水率)計算得出1 000 t稻谷比熱容為1.714 87 kJ/(kg·℃)，考慮降溫保水通風時水分損耗0.3%左右[21]通過公式Q=M×[Cm×(T1-T2)+hg×(W1-W2)]得出總散熱量為26 363 570 kJ(Q為散熱量，M為糧食質量1 000 t，hg為水分蒸發潛熱取值為2 500，W1為初始水分14.3%，W2為降溫后水分14.0%)，所需有效制冷量為33.9 kW，在COP為3.0下谷冷設備壓縮機功率應為11.3 kW/1 000 t；轉換至5 000 t標準倉谷冷設備壓縮機總功率約為56.5 kW。由表2可知，初始含水率14%～15%的5 000 t稻谷高溫季節入倉后，經9 d降溫11 ℃至少需配備壓縮機功率約58 kW的谷冷設備實施降溫工藝，該結果可為谷冷設備選型與功率控制方案制定提供技術參考。

表2 稻谷高溫季節入倉降溫工藝參數及谷冷設備選型統計表

3 結論

本研究通過不同降溫梯度(1 ℃<ΔT<3 ℃)、降溫時間(5、7、9、11 d)的比較，探討了稻谷高溫季節入倉后從30 ℃分別降溫至19 ℃和15 ℃過程中對其儲藏品質變化的影響，結果表明：含水率14.3%的稻谷入倉后經9 d緩速降溫至19 ℃下(ΔT=1.2 ℃)對其食味值、新鮮度、整精米率具有較好的保持效果，數值減量幅度分別為0.3、0.4和2.0%；同時能夠有效抑制脂肪酸、黃粒米及堊白度的增加；數值增長幅度分別為2.5 mgKOH/100 g、0.5%和0.1%；該條件下稻谷品質指標模糊綜合評價得分最高，達到了0.85，客觀綜合反映了稻谷在降溫過程中品質變化特性并與單因素分析結果相匹配。進一步通過整倉谷冷工藝參數(比熱容、散熱量、制冷量)的計算得出初始含水率14.3%的5 000 t稻谷高溫季節入倉后，經9 d降溫11 ℃至少需配備約56.5 kW功率壓縮機的谷冷設備實施降溫工藝。