臭氧處理不同含水量稻谷效果研究

張崇霞 嚴曉平 王雙林 朱延光

(中儲糧成都儲藏研究院有限公司， 成都 610091)

我國是世界上稻谷主產國之一，我國稻谷的播種面積約占糧食作物總面積的25%，產量約占全國糧食總產量的50%，占世界總產量的35%。我國稻谷主產區在南方，每年需要處理的高水分糧逾1億t，約占總產量的20%～25%。高水分稻谷極易霉變、發芽，造成嚴重的數量損失和品質損失。在稻谷儲藏過程中，受氣溫及糧堆中微氣流影響，也會出現稻谷局部水分偏高現象[1，2]。

臭氧作為一種抑菌劑，經FDA允許可以直接用于食品鏈中，并且臭氧有降低真菌活性和降解真菌毒素的作用[3，4]。在一些應用中也出現臭氧對糧粒的物理化學性質產生影響，促進化學成分氧化降解，引起色澤改變、香氣成分丟失并形成不良氣味的情況[4]，這與臭氧的濃度、處理時間和被處理對象的種類有關[5，6]。本實驗采用不同濃度臭氧處理不同含水量稻谷，對稻谷相關品質指標進行分析，旨在保證稻谷品質的前提下，達到滅霉和降低稻谷含水量的目的，探索臭氧處理稻谷的工藝條件。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

秈稻：兆優5431，2019年種植于四川廣漢，收獲于2019年10月份，初始含水量13.5%。

1.2 主要儀器設備

SOZ-YW-16G(空氣源)型臭氧發生器，LX100A靜音空壓機，UV-100紫外臭氧檢測儀，LDZX-100KBS型立式壓力蒸汽滅菌器，JSC-800L型智能恒溫恒濕培養箱，AL204分析天平，ZC-WQ-800臭氧尾氣處理器。

1.3 實驗方法

1.3.1 臭氧濃度對霉菌總數影響的單因素實驗

對含水量15.5%的稻谷，分別用濃度150、300、450、600 mg/kg的臭氧處理4 h，處理后測定稻谷霉菌總數，同時測定未用臭氧處理時的稻谷霉菌總數。

1.3.2 臭氧處理時間對霉菌總數影響的單因素實驗

對含水量15.5%的稻谷，用300 mg/kg的臭氧分別處理2、4、6、8 h，處理后測定稻谷霉菌總數含量，同時測定未用臭氧處理時的稻谷霉菌總數。

1.3.3 稻谷含水量對霉菌總數影響的單因素實驗

將含水量12.5%、14.0%、15.5%、17.0%、18.5%的稻谷，分別用300 mg/kg的臭氧處理4h，處理后測定稻谷霉菌總數。

1.3.4 正交實驗

在單因素實驗結果基礎上，選擇臭氧濃度、臭氧處理時間和稻谷初始含水量作為主要影響因素，進行L9(34)正交實驗設計，因素水平表設計見表1，正交實驗設計見表2。

表1 L9(34)正交實驗設計因素水平

表2 正交實驗設計編碼表

1.4 實驗過程和指標測定

使用晾曬的方法將部分含水量13.5%的稻谷水分降到12.5%，使用無菌水調節部分含水量13.5%的稻谷水分分別為14.0%、15.5%、17.0%、18.5%，調高水分的稻谷分別裝入具塞磨口玻璃瓶中置于15 ℃生態培養柜內平衡14 d，然后置于25 ℃生態培養柜內培養10 d。再將稻谷樣品分裝在2 L圓柱形玻璃管(長度64 cm，內徑6.4 cm)中用臭氧處理(如圖1)，臭氧流量5 L/min，處理過程中首先持續不斷將臭氧通入裝有蒸餾水的玻璃瓶，使臭氧有一定載濕量，防止干燥的臭氧通入稻谷中，引起稻谷水分丟失，再通入裝稻谷的玻璃管，濃度保持在目標濃度±40 mg/kg，臭氧處理稻谷后通過三通閥流向紫外臭氧檢測儀和臭氧尾氣處理器，紫外檢測儀在整個處理過程中在線監測臭氧濃度。達到處理時間后，停止通入臭氧，將稻谷樣品從玻璃管中取出，裝入自封袋，然后進行相關指標檢測。臭氧處理時環境溫度20～25 ℃。

圖1 臭氧處理稻谷工藝示意圖

脂肪酸值、品質評分值測定方法：GB/T 20569—2006《稻谷儲存品質判定規則》；發芽率測定方法：GB/T 5520—2011《糧油檢驗 發芽試驗》；水分測定方法：GB/T 21305—2007《谷物及谷物制品水分的測定 常規法》；霉菌總數測定方法：GB 4789.15—2016《食品微生物學檢驗 霉菌和酵母計數》；霉菌總數減量：臭氧處理前稻谷霉菌總數-臭氧處理后稻谷霉菌總數。

1.5 統計方法

每個實驗重復3次，實驗數據用Origin8.0進行曲線圖繪制，用SPSS12.0軟件進行主效應分析、LSD多重比較和多元線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 臭氧處理濃度對霉菌總數影響的單因素實驗

對含水量15.5%的稻谷，用不同濃度的臭氧(150、300、450、600 mg/kg)處理4 h單因素實驗結果見圖2。從圖2可以看出，未經臭氧處理的稻谷霉菌總數為2.37×104cfu/g，經臭氧處理后，稻谷霉菌總數下降明顯。采用150、300、450、600 mg/kg的臭氧處理后，與處理前相比，稻谷霉菌總數分別減少了58%、56%、60%、61%。方差分析結果表明，不同濃度臭氧處理后稻谷霉菌總數與未用臭氧處理的稻谷霉菌總數均呈極顯著差異。

圖2 臭氧處理濃度和處理時間對稻谷霉菌總數的影響

考慮到實際應用中，維持高濃度臭氧需要投入更高的生產成本，因此在后續的正交實驗設計中，選用150、300、450 mg/kg的臭氧濃度進行實驗設計。

2.2 臭氧處理時間對霉菌總數影響的單因素實驗

對含水量15.5%的稻谷，用300 mg/kg的臭氧分別處理不同時間(2、4、6、8 h)單因素實驗結果見圖2。從圖2可以看出，未用臭氧處理的稻谷霉菌總數為2.37×104cfu/g，用臭氧處理后，稻谷霉菌總數下降。從圖2可以看出，在用臭氧處理的0～6 h，處理時間越長，稻谷霉菌總數越低。在用臭氧處理6～8 h的稻谷霉菌總數變化不明顯。用臭氧處理2、4、6、8 h后，與處理前相比，稻谷霉菌總數分別減少了33%、49%、62%、61%。

2.3 稻谷含水量對霉菌總數減量影響的單因素實驗

用300 mg/kg的臭氧分別處理含水量12.5%、14.0%、15.5%、17.0%、18.5%的稻谷4 h，得到用臭氧處理不同稻谷含水量對霉菌總數減量影響的單因素實驗結果見圖3?？紤]到不同含水量稻谷初始霉菌總數有差異，因此使用了霉菌總數減量為縱坐標繪制曲線圖。從圖3可以看出，稻谷含水量越高，用臭氧處理后，霉菌總數減量越大。對于含水量在12.5%～14.0%的稻谷，用臭氧處理后，霉菌總數減量在1.03×104～1.06×104cfu/g之間。當稻谷含水量高于14.0%，用臭氧處理后，霉菌總數減量增加明顯。也就是說，稻谷含水量越高，用臭氧處理，殺滅霉菌的效果越好。

圖3 稻谷含水量對稻谷霉菌總數減量的影響

2.4 正交實驗臭氧處理對稻谷品質的影響

不同含水量的稻谷經臭氧處理后脂肪酸值、發芽率和品嘗評分值變化見表3。臭氧濃度和臭氧處理時間對不同含水量稻谷的脂肪酸值、發芽率和品嘗評分值通過SPSS 進行多因素方差分析結果見表4。

脂肪酸值是影響稻谷質量的重要指標，是稻谷儲存品質判定指標之一，臭氧處理后，各處理組脂肪酸值在12.98～15.56 mg/100 g之間，遠低于GB 20569—2006中秈稻宜存脂肪酸值小于等于30.0 mg/100 g的要求。方差分析結果表明臭氧處理時間和稻谷初始含水量對脂肪酸值有極顯著影響(F=18.975，P<0.01；F=10.490，P<0.01)，臭氧處理濃度對脂肪酸值影響不顯著(F=2.065，P>0.05)。

發芽率是衡量糧食籽粒綜合品質的指標，在經臭氧處理后，各處理組發芽率在87%～97%之間，變化幅度小，發芽率仍然保持在較高的水平。方差分析結果表明臭氧濃度、臭氧處理時間和稻谷初始含水量對發芽率影響均不顯著(F=0.646，P>0.05；F=1.403，P>0.05；F=2.349，P>0.05)。這表明對于含水量14%～17%的稻谷，用150～450 mg/kg的臭氧處理2～6 h，對稻谷發芽率無明顯影響。

稻谷品嘗評分值是判定稻谷是否宜存的重要指標，經臭氧處理后，各處理組品嘗評分值在75～81分之間，變化范圍小，高于GB 20569—2006《稻谷儲存品質判定規則》中秈稻宜存品嘗評分值大于等于70分的要求。方差分析結果表明臭氧濃度對品嘗評分值有極顯著影響(F=20.456，P<0.01)，臭氧處理時間和稻谷初始含水量對品嘗評分值影響不顯著(F=1.314，P>0.05；F=0.027，P>0.05)。

表3 不同處理稻谷品質指標變化

由分析可以看出，含水量14.0%～17.0%的稻谷，用150～600 mg/kg的臭氧處理2～6 h，處理后稻谷脂肪酸值、發芽率、品嘗評分值變化范圍小，這與很多研究的結果一致。Suian Jose等[3]用產量2 000 mg/h的臭氧發生器處理含水量18.6%的小麥發現，臭氧處理時間對小麥的發芽率、電導率、種子活力等生理指標影響不顯著。Mendez等[7]研究發現，用50 mg/kg的臭氧處理糧粒，對發芽率沒有影響。Rozado 等[3]用50 mg/kg臭氧以0.8 L/min的流量處理玉米，玉米的品質沒有受到影響。Wu等[8]用0.016～0.33 mg/g臭氧處理小麥1 h，對小麥發芽率沒有影響。Freitas等[9]用0.86 mg/L的臭氧處理玉米10～60 min，對發芽率沒有影響。

表4 不同影響因素對稻谷品質指標影響方差分析結果

也有一些研究表明臭氧對糧粒的物理化學性質有影響，會促進糧?；瘜W成分的氧化降解，引起色澤改變、香氣成分丟失并形成不良氣味[4]，這與臭氧的濃度和處理時間有關[5，6]。本實驗用不同濃度臭氧和處理時間處理稻谷，對稻谷相關品質指標影響較小。

2.5 正交實驗臭氧處理對稻谷霉菌總數的影響

臭氧具有高效、廣譜的殺菌效果，并且有無污染、成本低的優點。由表5可以看出，各實驗組經臭氧處理后，霉菌總數減量在6.9×103～2.1×104cfu/g之間，臭氧處理滅霉效果明顯。

表5 不同處理稻谷霉菌減量變化

臭氧處理濃度、處理時間和稻谷初始含水量對霉菌總數減量的影響見表6，由分析結果可以看出臭氧處理濃度、臭氧處理時間和稻谷初始含水量對霉菌總數減量均有極顯著影響(F=10.545，P<0.01；F=18.758，P<0.01；F=10.132，P<0.01)。

Suian等[3]用產量2 000 mg/h的臭氧發生器處理含水量18.6%的小麥發現，臭氧處理時間對霉菌總數減量有最大影響，處理時間越長，霉菌總數減量越大。Mendez等[7]研究發現，用50 mg/kg的臭氧處理糧粒，臭氧處理時間對霉菌總數減少有最大影響。Kells等[5]研究發現臭氧穿過糧層時有兩個階段的變化，第1階段，臭氧與糧粒表面物質發生氧化反應，使傳過糧層的臭氧濃度不斷降低。第2階段，臭氧與糧粒表面物質反應完成，以固定濃度穿越糧層。在第1階段，臭氧不僅與糧粒自身物質發生氧化反應，同時與糧粒表面的微生物發生氧化反應，使微生物的細胞壁削弱和破裂，達到滅霉的效果。研究表明，糧食的含水量和處理時的溫度會影響到臭氧滅霉的效果[8,10]，Wu等[8]發現小麥含水量升高會使小麥籽粒水分活度提高，對臭氧的滅霉效果會起到促進作用。Khadre等[11]研究發現水分會促進臭氧的分解，從而加速臭氧對微生物的氧化，使其有更好的滅霉效果。也有研究表明，溫度升高時，臭氧滅霉和對真菌毒素降解作用會增強，這與溫度升高時，臭氧的分解加快有關[10，12]。

以霉菌總數減量為因變量，臭氧處理濃度、臭氧處理時間和稻谷初始含水量為自變量，用逐步回歸法進行多元線性回歸分析，得到模型。

表6 正交實驗方差分析表(霉菌總數減量)

Y=1 602.78X1+1 448.15X2+4.15X3-16 572.22

式中：Y為臭氧處理后霉菌總數減量/cfu/g；X1為臭氧處理時間/h；X2為稻谷初始含水量/%；X3為臭氧處理濃度/mg/kg。

通過評價模型的R2LAI判定模型的可靠度，通過模型的方差分析表，判定模型的顯著程度，結果見表7、表8。由表7可以看出，模型極顯著(P<0.01)，回歸模型調整決定系數為0.611，說明該模型可以解釋總變異的61.1%。對回歸方程進行系數顯著性分析檢驗，由表8可以看出臭氧處理時間和稻谷初始含水量影響極顯著(P<0.01)，臭氧處理濃度影響不顯著(P>0.05)。

表7 回歸模型方差分析表(霉菌總數減量)

表8 回歸系數表(霉菌總數減量)

用臭氧處理偏高水分稻谷，一般都伴隨著環境條件或局部儲藏條件溫度偏高的情況，而稻谷含水量偏高和較高的溫度條件，對臭氧滅霉有很好的增效作用。

3 結論

以150～450 mg/kg臭氧處理稻谷2～6 h，稻谷品質指標變化較小，臭氧處理對稻谷含水量和霉菌總數有較大影響。方差分析表明臭氧處理濃度、臭氧處理時間和稻谷初始含水量對霉菌總數減少有極顯著影響。

以稻谷霉菌總數減量(Y)為因變量，以臭氧處理時間(X1)、稻谷初始含水量(X2)、臭氧濃度(X3)為自變量，進行多元線性回歸分析，得到模型Y=1 602.78X1+1 448.15X2+4.15X3-16 572.22。

根據研究結果可得出，在用臭氧處理偏高水分稻谷時，以低濃度臭氧進行較長時間的熏蒸處理，對品質指標影響小，并且有很好的降低霉菌總數的效果。以150mg/kg臭氧處理含水量17%的稻谷6 h為例，處理前稻谷稻谷脂肪酸值、發芽率和品嘗評分值為15.91 mg/100 g、93%、80分，處理后稻谷脂肪酸值、發芽率和品嘗評分值為14.36 mg/100 g、91%、80分，處理后霉菌總數減量2.2×104cfu/g。