储粮中霉菌活动的生理状态与粮堆 CO2浓度变化的相关性

耿 旭,黄淑霞,蔡静平

(1.河南工业大学生物工程学院,河南郑州 450001; 2.河南工业大学设计艺术学院,河南郑州 450001)

储粮中霉菌活动的生理状态与粮堆 CO2浓度变化的相关性

耿 旭1,黄淑霞2,蔡静平1

(1.河南工业大学生物工程学院,河南郑州 450001; 2.河南工业大学设计艺术学院,河南郑州 450001)

研究了不同生理状态霉菌活动导致粮堆中 CO2浓度变化的规律.结果表明:安全水分粮食自身呼吸作用释放 CO2的量少且速率恒定;霉菌在粮食中生长一般经历孢子萌发、菌丝生长和子代分生孢子形成阶段,可使粮堆的 CO2浓度变化呈现“S”形曲线,其中霉菌在菌丝生长期的 CO2产生速率最高.改变粮堆的温、湿度等条件会显著影响霉菌生长速率,但粮堆霉菌生长导致 CO2浓度升高的“S”形曲线变化形式不变.因此,可以通过粮堆 CO2浓度变化监测结果了解储粮中霉菌活动的生长状态,甄别储粮受霉菌危害的风险程度.

CO2检测;储粮霉菌;储粮安全;霉菌监测

0 前言

霉菌是储粮的主要危害性生物,其在粮食上的生长、代谢将影响粮食的品质,甚至产生真菌毒素[1-2].霉菌的个体微小,当感官发现粮食中出现霉菌的菌落,或粮堆因霉菌的活动而粮温异常升高时,通常是霉菌已经经历多个世代生长的结果,这一发展历程必然导致粮食品质严重受损.目前国内粮库普遍采用粮温检测方法监测储粮霉菌活动显然不够灵敏,其他常规的微生物检测技术存在检测费时长,粮仓中粮食样品采集不便等不足,不能作为经常性监测霉菌活动的手段[3].

在我国规模庞大的粮食储备中,霉菌是导致储粮数量和品质损害的主要危害性生物,也是粮食仓储行业中发展偏高水分粮食保鲜、储粮节能降耗等新技术应用的关键性障碍.我国仓储业在上世纪 90年代完成的储粮安全工艺“四项新技术”中,机械通风、谷物冷却和电子测温这 3项技术就与监测和控制霉菌活动有关.粮堆 CO2浓度变化检测是电子测温监测霉菌危害技术的发展.一方面是因为霉菌的生长、代谢等对粮食有害的活动必然伴随呼吸产生 CO2气体,检测粮堆 CO2浓度变化可以准确了解霉菌在储粮中生长的实际状况,但测温技术易受霉菌初始生长时期、霉菌缓慢的生长状态或霉菌生长部位导热性强等因素影响,会使测温的方法无法感知霉菌的生长;另一方面,CO2浓度变化监测可以引出气体而使检测设备外置,避免温度传感器埋设在粮堆中受熏蒸气体腐蚀或可能受储粮管理操作外力损害的问题.因此,利用 CO2检测技术监测储粮霉菌的危害具有高灵敏度,高稳定性和高可靠性等优点.

近年来,国内外已经有了一些相关研究报道,其中主要是对于检测仪器的研发和粮堆 CO2浓度与储粮霉菌数量变化的相关性等方面的研究[4-5].由于霉菌在不同生理状态下对粮食的危害程度及产生食品安全的风险均有较大的差异,如黄曲霉菌仅在子代分生孢子形成数天后才产生黄曲霉毒素[6],因此通过研究霉菌在储粮中活动的生理状态与粮堆 CO2浓度变化的关系,可以在实仓储粮中通过监测 CO2浓度变化来判断储粮霉菌活动的状态,进而更及时准确地了解储粮霉菌的活动和危害状况.

1 材料和方法

1.1 材料

粮食样品:河南本地产小麦、玉米.

培养基:PDA培养基;改良察氏培养基.

储粮 CO2检测仪:河南工业大学设计组装.

1.2 试验方法

1.2.1 霉菌孢子的分离

将霉菌接种在改良察氏培养基平皿中培养一定的时间,然后用无菌水洗涤培养灰绿曲霉的培养皿,将洗涤所得的菌悬液倒入灭过菌的加玻璃球的三角瓶中振荡分散,获得霉菌单孢悬液.

1.2.2 霉菌孢子计数

血球计数板计数法.

1.2.3 粮食加湿方法

将粮食样品置于塑料桶中,按其含水量计算调节至目标含水量所需的理论添加水量,用喷雾器分 3次将 1.1倍理论添加水量的蒸馏水喷到粮食表面,用薄膜覆盖使水分被完全吸收和平衡,获得所需水分的粮食.

1.2.4 粮食模拟储藏方法

将粮食装入 1 500 mL的容器中,每个容器设2根外部带有阀门的输气管,置于恒温箱中储藏.

1.2.5 平板菌落计数法

参照 GB 4789.15.

1.2.6 CO2检测方法

检测仪经预热后,将仪器的进出气管与粮食储藏容器中设置的管道连接,打开进出气管的阀门,启动输气泵,维持 2 min后,屏幕中显示的数值即为粮堆中的 CO2浓度值.

2 结果与分析

2.1 粮食自身的呼吸状况

用 5%次氯酸钠溶液洗涤小麦,杀灭小麦上的微生物,用无菌水清洗后调节小麦水分至12%、15%和 17%,30℃储藏,结果见图 1.

由图 1可知,水分为 12%的杀菌小麦储藏环境中 CO2浓度变化不明显,在 16 d的储藏期中仅升高 0.044%,说明安全水分粮食在常规储粮期间监测霉菌活动时,小麦自身的呼吸作用非常微弱,不会影响对检测值的判断.当小麦水分达到15%和 17%时,小麦籽粒的呼吸作用水平有所升高,粮堆 CO2浓度值变化比较明显.

图 1 粮食自身的呼吸(30℃)

进一步分析粮食自身呼吸作用变化的线性关系,结果如表 1所示,不同水分粮食尽管呼吸强度不同,但呼吸产生 CO2的速率均非常恒定,其回归线性方程的相关系数达到或接近 1的水平,即具有严格的线性关系.因此,如果粮堆的 CO2浓度升高发生超出常规的变化,或有非线性的变化,即可以判断是霉菌等危害性生物的作用.本试验在较高水分小麦的储藏期间检测的 CO2浓度变化均采用减去小麦在相应水分条件下自身的呼吸量.

表1 粮食自身呼吸作用的线性关系

2.2 不同生理状态的霉菌产生 CO2速率的变化

将灰绿曲霉单孢悬液均匀地喷洒到灭菌小麦上,水分调至 16.5%,装于容器中,30℃储藏,通过显微镜观察了解霉菌生理状态的变化,用 CO2传感器检测不同时期的 CO2浓度变化,结果如图2所示.在霉菌的生长过程中可以明显地观察到 3个生理阶段,即孢子期、菌丝生长期和子代繁殖体形成期.处于不同的生理状态下的霉菌可以使粮堆中 CO2浓度变化速率表现出显著的差异.当灰绿曲霉处于孢子状态时,呼吸强度很弱,储藏 2 d容器中CO2浓度仅升高0.18%,低于水分为 17%小麦无菌状态下 2 d使 CO2浓度升高 0.25%的自身呼吸水平.当霉菌生长进入菌丝生长期后,粮堆中 CO2浓度迅速增加,此时霉菌呼吸最为旺盛,CO2浓度升高速率达到 0.42%/d,显著高于常规储藏水分粮食自身呼吸的水平,因此,如果用粮堆 CO2浓度变化监测粮食霉菌的活动,这种浓度检测值的显著变化不容易被某种随机检测误差所干扰.当霉菌进入子代繁殖体形成期后,呼吸强度有明显下降现象,粮堆中 CO2浓度上升速率趋向平缓,速率较菌丝生长期降低了约 60%.

图 2 小麦储藏期间的变化(30℃,16.5%)

霉菌不同生理状态与粮堆 CO2浓度变化呈现的“S”形曲线在实际应用中有重要的意义.大型粮库的粮食储藏期间,粮堆的温湿度等条件通常不适合霉菌的生长,而且粮堆的温度、水分变化非常缓慢,接近于实验室的恒温恒湿条件,一般情况下霉菌将维持在孢子状态,与粮食种子一样以微弱和稳定的呼吸产生微量 CO2,如果监测发现CO2浓度升高速率有明显的变化,即可判断有霉菌孢子的萌发和菌丝的生长发生,此时如果采取一些常规的抑制霉菌生长的措施,就不会导致粮食的明显受损.抑制霉菌活动的效果也可以通过粮堆 CO2释放速度加以判断,当其速度恢复到常规水平时,处理即可停止,以免由于过度处理造成能源、人力、物力及粮食品质劣变等方面的损失.

利用玉米为基质进行相同的试验也得出相似的规律,如图 3所示.说明霉菌在不同粮食基质中生长时粮堆 CO2浓度变化均呈现“S”型规律.但霉菌在玉米基质上生长的代时要短一些,第10天已经有大量的子代分生孢子形成,比小麦基质提前了 2 d;粮堆中 CO2浓度升高的速度也更快一些,第 10天的粮堆 CO2浓度达到 4.0%,高于小麦基质的 3.6%,其原因可能是玉米胚部组织松软,脂肪、蛋白质等含量丰富,更适合霉菌的生长.

比较玉米中霉菌生长时粮堆 CO2浓度变化与脂肪酸含量的变化,可以发现玉米中脂肪酸值的升高也呈现“S”形曲线变化 (图 3),在霉菌的菌丝生长期间脂肪酸的变化速率最大,在本试验的一个霉菌生理变化周期中,玉米脂肪酸值就升高到国标 GB/T20570规定的轻度不宜存的范围.由于检测粮堆 CO2浓度变化这一操作方法非常简便,检测重现性好,耗时短 (一般 2 min可完成一个检测点数据的检测),因此,可以作为常规粮库储粮期间监测储粮品质变化的一个参考指标.

图 3 玉米储藏期间的变化(30℃,16.5%)

2.3 霉菌生长速率与粮堆中 CO2浓度的关系

实际储粮中,受粮食品种、原始水分、储藏条件及带菌量等多种因素的影响,霉菌生长产生CO2的速率会有所不同,其生理周期持续的时间可能会有较大差异,显然无法对各种组合全部进行试验.通过调节对霉菌生长影响较大的温度和水分条件,选择几个典型的组合,控制霉菌的生长速率,检测霉菌生长速率与粮堆中 CO2浓度变化的关系,结果见图 4和图 5.尽管霉菌在不同的水分和温度下生长速率变化较大,世代时间从几天到一个月左右,但 CO2浓度变化曲线均呈“S”形.因此,可以确定粮堆中 CO2浓度的变化规律不受霉菌生长速率的影响,而与霉菌生理状态变化相关.

3 结论

作者通过研究进一步论证了可以利用检测粮堆 CO2浓度变化了解储粮中霉菌危害活动的特性.粮食入库进入常规储藏阶段,粮食自身的呼吸强度微弱且较为稳定,在没有其他生物影响的状况下,粮堆的 CO2浓度以严格的线性方式升高;如果储粮中有霉菌的生长、繁殖等生理活动,粮堆的 CO2浓度变化将改变线性的状态,呈现“S”形的变化;不同粮食种类及不同的温、湿度等粮堆生态条件可以影响霉菌生长的速度和世代发展的时间间隔,但不会改变粮堆 CO2浓度变化曲线有“S”形转折的过程.利用研究结果,可以通过粮堆CO2浓度变化监测结果划分储粮的风险等级.当粮堆 CO2浓度由较低的升高速率出现转折时 (增速现象),标志储粮中的霉菌已经开始对品质进行实质性的危害.在没有外部通风等作业的情况下,如果发现粮堆 CO2浓度升高速率由较高水平转为浓度升高速率明显的下降,通常并非意味着霉菌对储粮危害状态的减轻或消除,相反,应该对霉菌活动进行更严密的关注,因为这是霉菌开始进入子代分生孢子形成时期的标志,该阶段往往伴随着真菌毒素的产生,因此,在储粮管理中应针对这一现象及时采取抑制霉菌活动的措施,消除导致储粮带毒的可能性.

[1] 李瑞芳,韩北忠,陈晶瑜,等.黄曲霉生长预测模型的建立及其在玉米储藏中的应用[J].中国粮油学报,2008,23(3):145-147.

[2] Audilakshmi J W,Stenhouse,Reddy T P. Genetic analysis of grain mold resistance in white seed sorghum genotypes[J].Euphytica,2005,145(2):95-101.

[3] 朱宗森,陈明锋,蒋金安,等.四项储粮新技术的应用现状与发展趋势[J].粮食加工, 2006,31(6):67-69.

[4] 梁微,蔡静平,高翔.CO2检测法监测小麦储藏微生物活动的研究[J].河南工业大学学报:自然科学版,2009,30(2):55-58.

[5] ThomasB,Ulla S,Johan S.Volatile metabolites produced by six fungal species compared with other indicators of fungal growth on cereal grains[J].Applied and EnvironmentalMicrobiology,1992,8:2599-2605.

[6] Antonio FM,Renata R C,Myrna S.Fungi that produce mycotoxins:Conditions and occurrence[J].Mycopathologia,1998,65(7): 45-47.

RELATIV ITY BET WEEN PHYSIOLOGICAL STATE OFMOULD ALTIV ITY AND CONCENTRATION CHANGE OF CO2IN STORED GRA IN

GENG Xu1,HUANG Shu-xia2,CA IJing-ping1
(1.School of B ioengineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450001,China; 2.School of Design A rt,Henan University of Technology,Zhengzhou450001,China)

The article studied the concentration change law of CO2in grain bulk resulting from the activity of moulds in different physiological states.The results show that the grain with safe moisture content can produce s mall amount of CO2at constant speed through respiration;the growth process ofmould in grain generally includes the spore ger mination stage,the mycelial growth stage and the offspring conidia for mation stage;in the three mould growth stages,the CO2concentration in the grain bulk changes in an S-shaped curve,wherein the CO2gas has the highest production speed in the mycelial growth stage.The temperature and the humidity of the grain bulk can remarkably influence the mould growth speed,but not influence the S-shaped change tendency of the CO2concentration.Accordingly,the growth state of mould in stored grain can be determined by monitoring the concentration change of CO2in the grain bulk so as to discriminate the harm degree of moulds on the stored grain.

carbon dioxide detection;stored grain mould;stored grain safety;mould deter mination

TS210

B

1673-2383(2010)03-0012-04

2010-02-25

“十一五”国家科技支撑计划项目(2009BADA0B00-5)

耿旭(1983-),男,河南郑州人,硕士研究生,研究方向为粮油食品微生物.