玉米储藏过程中生理代谢与品质变化机理研究进展

曹　俊,刘　欣,陈文若,戴炳业,蒋伟鑫,董　文,陈银基,*

(1.南京财经大学食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心,江苏南京 210023;2.中国农村技术开发中心,北京 100045)



玉米储藏过程中生理代谢与品质变化机理研究进展

曹俊1,刘欣1,陈文若1,戴炳业2,蒋伟鑫1,董文2,陈银基1,*

(1.南京财经大学食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心,江苏南京 210023;2.中国农村技术开发中心,北京 100045)

玉米是最重要的储粮品种之一。随着粮库玉米存量不断增长,研究储藏过程中玉米生理代谢与品质变化机理和相关指标的变化规律,确保玉米的品质和安全储藏显得尤为重要。玉米的品质在储藏期间更会受到温度、湿度和气候变化等储藏条件的影响。玉米原始含水量对玉米粒和营养成分的影响显著,原始含水量越大,霉变程度越大,呼吸作用越强,脂肪和淀粉含量降低越快。玉米脂质由于呼吸和水解酶的作用,生成大量游离脂肪酸,脂质又是细胞膜的组分,细胞膜也会因氧化而被破坏,导致细胞生理活动紊乱。本文综述了玉米储藏期间生理代谢、营养成分变化机理、理化特性以及主要生物有害物变化规律,以期通过储藏前和储藏过程中品质指标的检测来判别其玉米储藏后品质劣变。

玉米,储藏,品质变化,生理代谢

玉米是全世界总产量最高的谷物之一,也是我国重要的经济作物之一[1]。我国的大部分地区均可种植玉米,主产区为东北平原、黄淮平原等。随着育种技术的不断突破,玉米的平均单产不断增加。相应地,对玉米的安全储藏技术提出了更高要求。作为我国重要的储粮品种,玉米在储藏过程中经过一系列生理代谢与熟化活动,在储藏后期出现陈化、生虫、发霉等现象[2]。新收玉米水分一般在20%～35%之间,最高可达38%～40%,即便是在雨量少、日照好的收获季,在成熟度高的情况下,玉米水分也高达17%～22%左右,而玉米的安全水分含量约13%～14%,且玉米的胚大,约占整个籽粒的1/3,其呼吸强度大、脂肪含量高、容易吸湿和酸败,在胚部首先发生霉变,是难以储藏的粮食品种之一[3]。学者对玉米储藏特性及品质变化进行了大量的研究[4-5],对于玉米质变的原因和机理,主要有大分子物质变性假说、有毒物质累积假说、细胞膜通透性假说和自由基损伤假说等[6-7]。一般认为,粮食在储藏期间,其品质劣变的主要外部因素是水分、温度和环境气体成分等[8],而内部因素主要是酶和微生物的作用,使玉米中淀粉、脂肪和蛋白质等成分发生酶促、水解和氧化反应,导致玉米储藏品质劣变。

本文主要综述了玉米在储藏过程中的生理代谢、营养成分变化机理、理化特性以及主要生物有害物变化规律,阐明了引起这些变化的主要影响因素,并且展望了我国玉米储藏研究的未来发展方向,以期对我国玉米安全储藏提供技术参考。

1　玉米储藏期间的生理变化及其影响因素

玉米采收后,其仍然是活的有机体,生命活动也在进行中,玉米粒中还会产生多种生理生化反应,如玉米籽粒呼吸时糖类等成分的氧化还原反应、后熟期间淀粉、脂质、蛋白质的合成等,这均是玉米粒储藏期间的新陈代谢过程。为了维持玉米粒的生活力,呼吸作用是必不可少的,主要发生在玉米的胚部,是有机物氧化分解,消耗氧气,产生二氧化碳的过程[8]。当玉米含水率达到一定程度时,玉米的呼吸强度变强,大量消耗有机物,造成玉米品质劣变,营养价值下降。水是玉米呼吸过程中所有生化反应的介质,干燥的玉米粒中主要是结合水,许多酶的蛋白质分子不具有活性,故玉米呼吸作用和新陈代谢活动弱,而水分增加,酶蛋白充分水合,活性增加,玉米粒中呼吸和代谢活动也增强。

1.1呼吸强度的变化及其影响因素

玉米的呼吸作用是籽粒维持生命活动一种生理现象,但对于玉米的储藏,呼吸作用又是玉米不稳定储藏的重要因素之一[8]。籽粒的呼吸作用常常伴随着大量水分产生,可能导致粮堆水分积聚,引起玉米储藏品质劣变,所以玉米呼吸作用过强不利于其储藏。因此,在玉米储藏过程中,为了保持玉米的生活力(种子发芽的潜在能力或种胚所具有的生命力)和玉米安全储藏特性,必须使玉米处于微弱的有氧呼吸,降低营养物质的消耗,延缓玉米品质劣变。

新收玉米的原始水分比较高,与储藏期间玉米粒新陈代谢反应和微生物活动都息息相关,因此其水分含量须降至13%～14%左右才能入库储藏。Reed等[5]研究了玉米原始含水量对玉米粒呼吸强度和营养成分的影响,研究结果表明,玉米原始含水量越大,霉变程度越大,呼吸作用越强,脂肪和淀粉含量降低越快。Weinberg[9]经研究发现呼吸作用可使玉米的含水量升高8～17 g/kg,并且随着水分的增加,玉米的呼吸速率也增强。Huang等[10]发现玉米的呼吸强度随含水率增加而加强,而且在相同含水率储藏的玉米,其呼吸强度也随温度升高而加强,并在50 ℃时达最大值,玉米的呼吸速率是由水分和温度共同决定的。Gagandeep等[11]通过压力传感器对玉米呼吸强度进行了测量,认为玉米含水量的增加,是其呼吸速率增加和霉菌滋生的重要原因,而且在高水分玉米中,其即便处低温储藏也易霉变。

1.2发芽率的变化

玉米发芽率的变化规律也是评判玉米储藏品质质量的一个重要指标。玉米的成熟度、储藏温度、含水量以及虫害霉变都能影响玉米发芽率。比如,在玉米干燥过程中,升温过高过快,虽能快速降低玉米水分,但也能使种子中的酶失活、活力下降、丧失发芽率。因此,适当的储藏环境才有利于玉米储藏。黄淑霞[12]探究了霉菌对玉米发芽率的影响,其结果表明玉米在含水率分别为14.5%和16.0%,储藏温度30 ℃时,霉菌在50 d后明显增多,玉米的发芽率分别降低了13%和34%;低温储藏能抑制霉菌,并减少其对玉米发芽率的影响;在湿度大的环境中,玉米霉变速度加快,其发芽率降低速率加快。

2　玉米储藏期间的营养成分变化

玉米中主要的营养成分是淀粉70%～72%、脂肪4%～6%和蛋白质8%～11%[13],但玉米组分因品种而异,各组分在玉米粒各部位的分布也是不均匀的,淀粉主要在胚乳中,脂肪主要在胚芽中,而蛋白质主要在胚芽和种皮中。随着社会经济的增长,人们对于食品的安全和营养价值的要求也越来越关注,因此,学者就玉米储藏过程中的营养成分变化原因和变化规律进行了大量探究。

2.1淀粉的变化及其影响因素

淀粉是玉米粒中的主要成分,而玉米胚乳淀粉的特性能影响玉米的品质。一般地,淀粉颗粒由直链淀粉和支链淀粉组成,直链淀粉是由α-D-吡喃葡萄糖残基以1→4键线性连接而形成的大分子物质,而支链淀粉是一种高度支化的大分子物质,它的主链是葡萄糖通过α-(1→4)糖苷键组成,支链则通过α-(1→6)糖苷键与主链链接,此支链又可以形成支链,其含量、支链长度及分布、晶体结构是影响淀粉功能性质的主要原因[14],另外,高直链淀粉含量的淀粉具有高营养价值,但其消化率低[15],因此,在玉米储藏过程中,监测玉米直链淀粉和总淀粉含量的变化是评判玉米储藏品质和营养价值的重要指标之一[16]。许多学者认为由于淀粉含量比重大,约占总重70%左右,因此其量变并不是引起玉米储藏品质和营养价值下降的主要原因,质变才可使玉米淀粉的特性发生改变,从而影响玉米的食用品质和加工性质[17]。研究认为玉米淀粉在不同的温度(5、15、25、35 ℃)储藏12个月后,随温度的升高,其直链淀粉含量增加,粘性随时间下降,膨胀性增加,糊化温度升高,结晶性降低[18-19],这是由于玉米中游离脂肪酸与直链淀粉螺旋结合或与支链淀粉的分支结合形成复合物,使淀粉结构和性质发生改变,影响玉米营养价值和产品质量[18-19]。Ketthaisong等[20]认为含水率高于15%的玉米,其淀粉酶活力加强,淀粉水解程度和还原糖大幅增加,而此时的条件也会加强玉米的呼吸强度,消耗玉米中的淀粉和糖类物质,造成玉米营养价值的降低,并且由于玉米呼吸产热量的增加,易受到霉菌的侵染。张玉荣[21]报道玉米在储藏过程中,淀粉分子会发生聚合作用,影响糊化和分散性能,同时淀粉在储藏过程中,由于受到淀粉酶水解成麦芽糖,再由酶分解成葡萄糖,其含量降低,玉米中还原糖和非还原糖含量变化,从而影响了玉米储藏和加工品质。玉米的干燥方式也能造成淀粉变质,日晒(35 ℃)玉米和机械干燥(80 ℃)玉米均在相对湿度85%～90%,温度27 ℃的环境中储藏6个月后,其淀粉结构和功能都发生改变[22],随着储藏时间,淀粉水解率和黏度峰值降低、老化温度、糊化温度和结晶度升高,淀粉颗粒破坏数量增加,淀粉分子量和支链淀粉的分支长度也降低,这表明,掌握合理的干燥温度对维持玉米储藏品质很重要[22]。因此,玉米在入库前进行干燥时,应该选择合理的干燥温度,储藏在低温干燥的环境中。玉米在储藏期间,应该定时进行通风散热和干燥。

2.2蛋白质的变化及其影响因素

一般玉米品种中蛋白质含量约占12%,其中有75%左右蛋白质分布在玉米胚乳中,有20%左右分布在玉米胚芽里,玉米表皮中仅含有蛋白质4%左右[23],玉米所含谷蛋白、醇溶蛋白、清蛋白和球蛋白在玉米粒各个部位分布不均,醇溶蛋白和谷蛋白所占比例最大,分别是40%,37%,是玉米主要蛋白质,而清蛋白和球蛋白共占8%～9%,胚乳中的蛋白质组分和玉米粒中的相当,但是玉米胚芽中的蛋白质多数为球蛋白和清蛋白[23]。在储藏过程中,玉米蛋白的天然构象和分子中共价键易受外界因素的影响而改变,如蛋白质自身性质、蛋白质浓度、水分活度、温度和pH等,Sánchez del Angel[24]通过差示扫描量热法探究了玉米储藏温度和含水率对其蛋白质各组分热特性的影响,含水率10%～18%的玉米储藏在40 ℃,蛋白质组分短时间内就发生了明显变化,30 d后,清蛋白和球蛋白变性热焓值降低了80%,而醇溶蛋白和谷蛋白在50 d后才降低了80%左右,这主要是清蛋白和球蛋白有亲水优势,醇溶蛋白和谷蛋白有疏水优势,热焓值降低说明蛋白质分子构象发生改变,氢键断裂和疏水作用的破坏等,这可能由于玉米部分蛋白质分子与籽粒中的糖类和脂类相互作用或结合,蛋白质分子中含有许多巯基,其经氧化变成二硫键也可使玉米蛋白变性,影响其加工和营养价值[25]。为了更好地保护玉米的营养价值,玉米储藏水分应控制在安全水分13%左右,储藏在稳定的低温环境中。

2.3脂质的变化及其影响因素

玉米储存期间,其脂肪有两种变化途径:一是发生氧化反应,二是发生水解反应。由于玉米储藏期间,脂肪易质变,其分解速率显著快于蛋白质和淀粉[26],所以玉米的脂肪酸值常常用作评判其储藏品质变化的程度[27]。为此,许多研究者对玉米脂肪变化机理和影响规律进行了探究,胡元森等[28]认为玉米高水分促进玉米中微生物活性急剧增加,微生物代谢活动旺盛,加剧了脂肪变质。Rajarammanna[29]认为水分是导致玉米储藏期间脂肪酸值快速升高的重要因素之一,因为玉米呼吸耗氧,在储藏后期,玉米在缺氧条件下,其脂肪也会因含水量高而继续发生水解反应,使玉米储藏品质发生劣变。玉米在储藏期间,因生理生化活动,产生大量生物活性氧自由基,玉米脂肪由于呼吸作用和水解酶的作用,生成大量游离脂肪酸,这些游离的脂肪酸受到自由基的攻击而发生氧化,产生许多小分子烃类、酮醛类等挥发性物质、更多的自由基和终产物丙二醛。同时脂质又是细胞膜的组分,故细胞膜也会因氧化而被破坏,导致细胞内外液相通,使生理活动紊乱和丧失。丙二醛交联性强,可与蛋白质、酶结合,使其变性失活,如过氧化物酶等。过氧化物反应加强,导致更多的自由基和挥发性物质产生,进一步加深膜系统的破坏,使玉米代谢不能正常进行,储藏品质劣变程度进一步加深。因此,玉米需要储藏在低温低氧的环境中,并且需要严格控制粮食中微生物的生长。

3　玉米储藏期间理化指标变化及影响因素

3.1脂肪酸值的变化及其影响因素

玉米中脂肪酸是其脂肪水解代谢产物,脂肪酸含量增加是玉米储藏品质劣变的主要因素之一。王华[30]报道,黄淮海地区新收获玉米脂肪酸值一般为15～20 mg KOH/100 g,而东北新收获玉米因水分较高,脂肪酸值偏高,一般在30～35 mg KOH/100 g左右,玉米在储藏期间,会受水分、温度、储藏年限等因素的影响,玉米脂肪酸值会持续升高,储藏一年后玉米脂肪酸值可能高于40 mg KOH/100 g,储藏两年的玉米脂肪酸值甚至高于60 mg KOH/100 g。因此,根据玉米的脂肪酸值,可以评估玉米质变程度。程芳[31]经研究发现,玉米含水量与其脂肪酸值的变化有显著性关系。含水量越高,脂肪酸值含量越高。王若兰等[32]通过对玉米模拟储藏时的含水量(13.5%、15.0%、17.0%),温度(自然温度、18、25 ℃),气体(空气、98% N2、40% CO2)进行正交实验,探究了玉米储藏品质变化规律,表明玉米水分、储存气体成分、储存温度及储存时间对其脂肪酸值有显著性影响,且影响大小顺序:玉米水分>储存时间>储存温度>储存气体成分。另外,玉米中的游离脂肪酸经氧化也可影响丙二醛的含量,丙二醛是自由基与脂质的最终过氧化产物,具有一定的毒性,其含量的多少可反映膜脂质的破坏程度[7]。

3.2过氧化物酶(POD)活力的变化

在植物体中普遍存在过氧化物酶,且在老化组织中活性较高,幼嫩部位活性较低,可以作为衡量老化的一项指标。因此,玉米的过氧化物酶活力也可作为评判玉米品质变化的指标。胡元森等[28]研究了储藏时间对玉米过氧化氢酶活力的影响,研究表明:玉米在储藏3个月和15个月后,玉米的过氧化氢酶活力稍有降低;27个月后,玉米过氧化氢酶活力大幅度降低。而对经过热风和真空干燥处理的玉米进行品质评价,结果表明,玉米的过氧化物酶(POD)活力可从一定程度地反映玉米的品质变化情况。

3.3挥发性物质成分及含量的变化及其影响因素

在粮食储藏过程中,粮食害虫、霉菌的活动会产生一些特征物质,改变储藏环境中挥发性物质组成,或许某种挥发性物质的含量,因此可监测粮仓中气体组分和含量来评判粮食的储藏情况[33]。玉米中挥发性物质主要是脂类物质水解和氧化所产生,挥发性物质总量及各组分含量与玉米储藏时间及生化指标有显著相关性,可以作为有效指标评判玉米储藏品质。胡元森[28]研究了玉米储藏过程中霉菌种类与玉米挥发物质之间的联系。结果发现,玉米纯培养中的挥发性物质有酮、醛、酚、醇、小分子酮、烷烃及部分脂类物质,但霉变玉米所产生的挥发性物质与其有很大差别,且玉米产生挥发性物质也因霉菌种类不同而有所差异。孟利[34]用气相色谱法检测了玉米储藏期间的挥发性物质,同样证明玉米所产生的挥发性物质与其霉变相关。

4　玉米储藏期间的主要有害生物的发生

4.1玉米储藏期间微生物的产生

微生物的数量和种类对食品的安全和质量有直接影响。例如玉米在收获和储藏过程中,可能感染黄曲霉而含有黄曲霉毒素,这将对种植者造成严重的经济损失,同样也对人和动物的健康安全造成危害[35],因此了解玉米中微生物的种类和代谢活动有着重大意义。

徐艳阳等[36]利用微波处理玉米,研究了黑曲霉的生长情况,认为微波处理能有效杀死黑曲霉菌及其孢子,为玉米储藏微波处理提供了可行依据。Domenico等[37]研究了玉米在不同方式条件下储藏12个月后镰刀霉属和曲霉菌属的发生情况。实验采用传统聚丙烯袋,垂直金属筒仓,密封塑料袋和穗轴保存方式,结果表明,镰刀霉属发生率受储藏方式和时间共同影响,但曲霉菌属发生率均不受两者影响。Majeed等[38]研究了玉米及玉米产品中黄曲霉毒素(AFs)和赭曲霉毒素A(OTA)的污染情况,研究者用高效液相色谱荧光检测器对大量样品(玉米105,玉米产品102)中的黄曲霉毒素和赭曲霉毒素A含量进行分析,数据显示,37个玉米样品及43个玉米产品的样品均含有AFB1和总AFs的平均水平含量分别为7.90、12.08 mg/kg和5.47、7.85 mg/kg[38]。此外,28个玉米样品及26个玉米产品的样品中含有OTA,平均水平含量分别为5.29 mg/kg和3.69 mg/kg。这些样品的AFB1和AFs总含量分别超过了欧盟允许限量14%、28%;14%、20%,OTA分别超过了14%、15%。

4.2玉米储藏期间害虫的发生

虫害不仅仅能造成储粮严重损失,而且其幼虫能将玉米粒内部蛀空,并引起玉米堆水分和温度升高,造成玉米霉变,使玉米品质下降。玉米中主要害虫多种多样,其中玉米象与大谷蠹危害最常见,玉米生虫与其储藏环境和品种有关。张会娜等[39]研究了玉米象在不同温度时的生长情况,高于50 ℃的温度可有效杀死玉米象成虫,处理5.5 min其死亡率可达95%以上。Suleiman等[40]研究了硬质玉米和马牙玉米在不同温度和时间储藏时对玉米象的抵抗情况。结果表明,在相同储藏条件下,玉米象容易存活在马牙玉米中,那么广泛种植和储藏硬质玉米也许是一个很有前景的解决玉米象侵扰的方案,但这仍需更多研究。Njoroge等[41]使用聚丙烯编织袋(PP)和三层聚乙烯包装袋(PICS)储藏玉米,研究了大谷蠹侵扰情况,结果表明,PICS包装袋储藏玉米能使大谷蠹数量增长缓慢并不受周围储藏环境侵扰,而在另一种包装中,大谷蠹大量生长并与外界交叉感染;前者玉米的发芽率可以达到78.1%,后者则从91.1%降至37.0%,那么使用PICS储藏玉米可有效抵制大谷蠹的侵扰。Groote等[42]研究了密封储藏在无灭虫剂的情况下对控制玉米储藏害虫的有效性,发现金属筒仓储藏玉米对控制玉米象和大谷蠹非常有效,但在金属筒仓中添加虫螨磷和磷化铝等灭虫剂并没有明显增强金属筒仓封闭储藏的效果;谷物编织袋也能有效控制害虫,但害虫死亡并不完全,而且谷袋都出现多孔,几乎是大谷蠹造成,所以金属筒仓或谷物编织袋密封储藏在无杀虫剂时控制虫害是可行的。Baoua等[43]研究了低成本三重包装技术(PICS)对玉米储藏的适用性,经6.5个月的储藏,PICS储藏的有大谷蠹,玉米象,米长蠹侵扰的玉米,害虫死亡达95%～100%,种子生活力保持很好,比传统编织袋储藏有优势。

综上所述,玉米适合储藏在低温密闭的环境中,可通过对粮仓进行改造,改善粮仓的隔热保温性能和气密性,这样可更有效地实现玉米低温密闭储藏。另外,研究者应重视研究有害生物的适宜生存条件,以利于粮食部门科学选择经济、合理的玉米储藏方式。另外,在品质选用方面,可进一步推广硬质玉米种植,减少储藏玉米霉变和虫害的发生率。

5　展望

玉米在储藏过程中,品质易受储存温度、湿度和气体成分等外界环境因素的影响而发生劣变。在高温高湿的储藏条件下,常发生霉变虫害、生理代谢高度旺盛的现象,引起玉米淀粉、脂类、蛋白质等营养成分的损失,储藏性能下降,造成巨大的经济损失。随着我国玉米种植面积、单产和总产量的不断增长,国家各级粮仓的储存量也不断增加。玉米安全储藏对维持粮食市场稳定、保护农民利益和国家粮食安全具有十分重要的意义。目前,玉米安全储藏的研究已经取得了丰富的成果,但其中仍然存在许多不足之处需要进一步研究解决,如大多研究基于外部储藏环境的变化对玉米品质的影响,而对玉米品质劣变机理的研究不够全面透彻;另一方面,玉米在储藏过程中有害生物生活习性、演替规律和危害机理的研究也相对较少。此外,我国玉米安全储藏研究主要基于实验室静态模拟研究,应该更多地进行实仓型温湿度动态变化对玉米生理代谢及品质影响研究,才能更好地推动我国玉米储藏的科学水平。

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Research progress in the mechanism of physiological metabolism and quality changes in corn during storage

CAO Jun1,LIU Xin1,CHEN Wen-ruo1,DAI Bing-ye2,JIANG Wei-xin1,DONG Wen2,CHEN Yin-ji1，*

(1.College of Food Science and Engineering/Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety,Nanjing University of Finance and Economics,Nanjing 210023,China;2.China Rural Technology Development Center,Beijing 100045,China)

Corn is one of the most important crops,and with the corn production growing,the corn reserves has been increasing in recent years. It is particularly important for protecting corn quality to study fully mechanism in corn physiological metabolism and quality changes during storage as well as change rules of related indicators. Quality of corn can be affected by storage conditions,including temperature,humidity,and climate changes,and the degree of corn deterioration can be detected by relative indicators during storage. Corn original moisture content has an great effect on corn kernels respiratory intensity and nutrients,and the greater original moisture content,the greater degree of mildew and the stronger the respiration,then more fat and starch content reduced more quickly. Corn lipids produce large amounts of free fatty acids due to respiration and hydrolytic enzymes,lipids is a component of the cell membrane,the membrane will be destroyed due to oxidation,leading to cell physiological disorder. This paper mainly focused on the research progress on corn physiological metabolism,corn nutrition changes,corn physicochemical properties changes as well as biological pests changes during storage.

corn;storage;quality changes;physiological metabolism

2015-05-15

曹俊(1990-)，女，硕士研究生，主要从事谷物储藏研究，E-mail:13951014868@163.com。

陈银基(1979-)，男，博士，副教授，主要从事粮食工程研究，E-mail:chenyinji@gmail.com。

国家粮食公益性行业科研专项(201313010)；江苏高校优势学科建设工程(PAPD)；江苏高校自然科学研究(13KJB550010)。

TS255.1

A

1002-0306(2016)03-0379-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.071