基于PCA分析臭氧减菌结合气调包装对糙米储藏品质的影响

梁 媛 周绪霞 张烝彦 孙 俊 余建国 顾赛麒 丁玉庭

(浙江工业大学食品工程与质量控制研究所1，杭州 3100140)

(杭州市粮油中心检验监测站2，杭州 310014)

(杭州市粮食收储有限公司3，杭州 310014)

与传统稻谷储藏方式相比，糙米储藏可以有效节省仓容、降低流通成本，是原粮储藏的有效替代形式之一。但由于脱除了外层颖壳的保护且保留了完整的胚，糙米在储藏过程中更易受到微生物污染和氧化变质，加速生理活性降低、脂肪氧化以及蛋白质降解等陈化现象的产生［1］。如何通过预处理和包装等方式抑制其在储藏过程中的品质劣变对糙米的储藏至关重要。

谷物储藏期间微生物会大量生长繁殖迅速并分解有机物质，致使谷物陈化、霉烂，品质受损严重［2，3］，因此，通过减菌预处理减少糙米中初始微生物含量是控制糙米储藏过程中微生物增殖的有效途径之一。目前应用于谷物减菌预处理的技术主要包括γ－辐照处理、微波处理和臭氧预处理等［4－6］。其中臭氧减菌处理具有氧化能力强、可以迅速分解不留痕迹、不产生有毒卤代化合物、减菌迅速以及减菌范围广等优势［7］，目前已经单独或联合其他减菌技术应用于食品、粮食储藏等加工行业，用于延长食品的货架期和储藏期［8－10］。周建新等［11］研究了臭氧预处理稻谷，表明臭氧预处理能明显降低菌落总数、霉菌数量，证实臭氧预处理可以有效延长稻谷保鲜期。但目前未见臭氧预处理应用于糙米储藏中的相关研究。

本研究探索性地将臭氧减菌预处理技术应用于糙米的储藏，通过不同处理时间的对比分析获得优化的臭氧减菌时间，同时结合N2气调包装分析其对糙米初始微生物含量及储藏过程中糙米发芽率、脂肪酸值、丙二醛含量、降落数值、电导率、直链淀粉含量等理化特性和以及色差、感官评分值等品质指标的影响。并通过基于SPSS分析软件的主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)和聚类分析(Cluster analysis，CA)方法对以上各指标的相关性进行分析，探索糙米储藏过程中品质劣化的关键性指标，对糙米储粮实践提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

粳型糙米(2016年12月收获于浙江杭州)，各项指标均符合GB/T 18810—2002中规定的一级糙米的标准。其中，初始水分为 13.5%，容重836，整精米率85%，杂质0.2%，不完善粒1.5%。

PCA、PDA培养基:青海高科园海博生物技术有限公司;氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、过氧化氢:杭州萧山化学试剂厂;三氯乙酸:国药集团化学试剂有限公司;乙醇、高锰酸钾:上海三爱思试剂有限公司。

1.2 仪器设备

臭氧发生仪:宁波江南仪器厂;RXZ智能型人工气候箱:宁波江南仪器厂;JXFM110锤式旋风磨:上海嘉定粮油仪器有限公司;DDS－307电导率仪:上海仪电科学仪器股份有限公司;Kett精米机:日本东京Kett electric laboratory;759UV型紫外可见分光光度计:上海奥谱勒仪器有限公司;HunterLab ColorQ色差仪:美国Hunter Lab公司;MAP－H360复合气调保鲜包装机:苏州森瑞保鲜设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 臭氧预处理实验设计

为确定最适的臭氧预处理时间，分别取500 g糙米于保鲜袋中，通臭氧10～15 s至其浓度达到(1 800±100)mg/kg，之后封闭袋口分别保持10、20和30 min，期间不断震荡使臭氧和糙米表面充分接触反应，分析不同臭氧预处理时间对糙米减菌效果的影响。结果表明，三个预处理时间中，20 min减菌效果最好，样品菌落总数从起始的4.8×105CFU/g减少到 5.7×104CFU/g，减菌率达到 88.13%。因此，本实验设计的臭氧预处理条件为:将50.0 kg糙米装入滚揉机，通入臭氧使滚揉机中臭氧浓度达到(1 800±100)mg/kg，然后关闭充气口，打开滚揉机使糙米和臭氧充分接触，减菌预处理20 min。

1.3.2 糙米储藏实验设计

糙米储藏实验分三组，分别为未经臭氧预处理的普通包装组(X)、臭氧预处理的普通包装组(Y)和臭氧预处理的N2气调包装组(Z，N2浓度98%)。三组样品均采用聚苯乙烯包装盒(18 cm×12.5 cm×3.5 cm)和PET/CPP膜包装，每盒糙米样品250 g，包装材料预先经紫外减菌预处理。包装后样品分别置于14℃恒温75%恒湿箱中储藏，储藏期12个月，期间每隔3个月取样测定各指标，每组3个重复。

1.3.3 指标测定方法

菌落总数(Total plate count，TPC)和霉菌总数(Number of moulds，M)分别按照 GB 47892—2010 和GB/T 4789.15—2016测定;发芽率(Germination percentage，GP)按照 GB/T 5520—2011测定;脂肪酸值(Fatty Acid Value，FA)按照 GB/T 1564—2015测定;丙二醛含量(Malondialdehyde，MDA)按照 GB 5009.181—2016测定;电导率(Electronic conductivity，EC)测定参照李宏洋［12］的方法;直链淀粉含量(Amylose，Am)按照测定GB/T 15683—2008;过氧化氢酶活性(Catalase，CAT)按照 GB/T 5522—2008测定;降落数值(Falling number，FN)按照 GB/T 10361—2008 测定;整精米率(Head rice rate，HRC)按照 GB/T 21719—2009测定;色差使用HunterLab ColorQ色差仪测定;糙米蒸煮食用品质感官评价(Sensory evaluation，SE)参照 GB/T 15682—2008测定。

1.3.4 数据处理

实验数据用SPSS 17.0进行方差分析、PCA分析和CA分析。其中PCA分析将菌落总数、霉菌总数、发芽率、脂肪酸值、丙二醛、电导率、直链淀粉含量、过氧化氢酶活性、降落数值、整精米率、色差、蒸煮食用品质感官评价作为变量进行降维分析;CA分析将PCA分析结果作为原始数据，计算夹角余弦值再进行聚类分析，从而找出指标和糙米储藏品质变化的相关性。

图1 储藏期间糙米菌落总数及霉菌数量变化

2 结果与分析

2.1 臭氧预处理及N2气调包装对糙米微生物影响

图1可以看出，臭氧预处理对糙米的减菌效果显著。1 800 mg/kg浓度处理20 min后，糙米中的菌落总数从初始的 6×105CFU/g降至 5.7×104CFU/g，霉菌总数从1.6 ×103CFU/g降至 1.8 ×102CFU/g，减菌率分别达到90.5%和88.75%，达到了预期效果，且这种减菌效果一直维持至储藏后期。12个月后，臭氧预处理样品中菌落总数和霉菌总数的含量仍分别比对照组少89.4%和92.25%。与普通包装相比，N2气调可以在一定程度上抑制微生物的增殖，12个月后，其菌落总数和霉菌总数分别比普通包装减少了93.86%和95.86%，说明臭氧预处理结合N2气调包装对糙米储藏减菌及抑菌效果较好。

2.2 臭氧预处理及N2气调包装对糙米生理活性指标的影响

储藏过程中糙米生理活性指标的变化如表1所示。从初始样品(0个月)看，臭氧预处理在一定程度上增加了糙米的电导率和降落数值、降低了发芽率和过氧化氢酶活性，但差异均不显著(P＞0.05)。一般认为，臭氧预处理只是表面减菌，并不会破坏糙米细胞膜的完整性，因此对糙米的生理活性不会产生显著影响。

随着储藏时间的延长，各组糙米样品的电导率、直链淀粉和降落数值等指标均不断增加。过氧化氢酶和发芽率是反映糙米生理活性的直观指标，而糙米浸出液的电导率与细胞膜的通透性有关。程建华等［13］研究表明:随着储藏时间的延长，糙米细胞膜结构逐渐松散破裂，细胞半透膜的通透性增加，影响活性的电解质和可溶性物质流失，造成种子生活力降低，也是衡量糙米生活力的重要指标之一。以上指标的增加，表明糙米生理活性在储藏过程中不断降低。

储藏后期，N2气调包装组糙米的电导率和直链淀粉含量显著低于普通包装组(P＜0.05)，而发芽率显著高于普通包装组(P＜0.05)，说明N2气调可以在一定程度上抑制糙米的陈化。从长期储藏看，臭氧预处理结合气调包装可减缓糙米储藏过程中生理活性的降低，包括抑制细胞膜结构的破裂、发芽率和过氧化氢酶活性的降低等，但对直链淀粉的含量没有显著影响(P＞0.05)。储藏后期处理组糙米生理活性降低的减缓推测与臭氧预处理糙米在储藏期间菌落总数和霉菌总数均保持较低水平有关。

2.3 臭氧预处理及N2气调包装对糙米氧化指标影响

如图2所示，在12个月储藏期内，糙米中脂肪酸值和丙二醛含量均显著升高(P＜0.05)。臭氧减菌预处理在一定程度是增加了糙米的脂肪酸值，从14.97 mgKOH/100 g 升高到16.85 mgKOH/100 g，且在随后的12个月内，臭氧预处理糙米的脂肪酸值均高于未处理组。脂肪酸值反映了糙米中脂肪水解为游离脂肪酸的含量，其含量的增加与臭氧的强氧化作用加速了糙米中脂肪的水解有关，这同周建新等［14］的实验结论一致。

图2 储藏期间糙米脂肪酸值及丙二醛变化

表1 储藏期间糙米生理活性指标的变化

臭氧预处理对初始糙米中丙二醛含量并没有显著的影响。但在储藏第3个月后，臭氧预处理组糙米中丙二醛的含量开始高于未经处理组。糙米在储藏过程中脂类物质酸败产生的游离脂肪酸会在脂肪氧化酶的作用下可继续分解产生醛类和酮类等小分子物质，主要产物为丙二醛，因此，丙二醛作为反应的中间产物能很好地反应脂肪的氧化程度［15］。储藏后期臭氧预处理组丙二醛含量的增加推测与臭氧预处理增加了初始糙米中游离脂肪酸含量有关。与普通包装相比，N2气调包装组糙米中脂肪酸值和丙二醛含量均低于普通包装组，而臭氧预处理结合N2包装组糙米的脂肪酸值和丙二醛含量均与未经臭氧预处理的糙米相近，说明N2包装可以有效抑制因臭氧预处理所引起的糙米氧化现象的增加。

表2 储藏期间糙米色差、感官及整精米率变化

2.4 臭氧预处理及N2气调包装对糙米感官评分、色差及整精米率的影响

由表2可知，在12个月储藏期内，糙米L值逐渐降低，而a值和b值变化不显著，臭氧预处理和N2气调包装对糙米外观色泽均无显著影响。随着储藏时间的增加，各组糙米的感官评分均逐渐降低。臭氧预处理对糙米气味、外观结构、适口性及滋味等蒸煮食用品质感官评分略有影响，但差异不显著(P＞0.05)。N2气调对储藏前期糙米的感官评分影响不显著(P＞0.05)，但储藏6个月后，臭氧预处理结合N2气调包装组糙米的感官评分开始高于其他两组样品(P＜0.05)，说明从长期储藏来说，N2气调可以有效保持糙米的味道及口感。水分含量是影响糙米整精米率主要因素［16］，各组样品在储藏过程中水分含量均无显著变化，因此，整精米率均无明显趋势性变化(P＞0.05)。

2.5 基于SPSS的各指标值PCA分析

对3种处理方式的糙米12个月内5个坐标点的12个指标值通过SPSS软件进行PCA分析，结果见图3和图4。图3展示了3种不同处理方式的糙米的PCA分析结果，可以看出，第一主成分与第二主成分贡献度之和为84.08%，表明处理条件(X、Y、Z)和储藏时间(0、3、6、9、12 月)对糙米品质变化具有显著的影响，而此差异能在PC1、PC2构建的平面上充分展示。进一步分析图3可知，随着储藏时间的延长，糙米品质指标变化越来越明显，数据点横坐标增大，向1、2象限移动，同原样品相比，臭氧预处理组的糙米纵坐标降低，N2包装组纵坐标稍高(集中于第2、第3象限)，说明臭氧预处理和N2气调包装对糙米品质有影响，纵坐标越小即品质越差，这与上述生理活性指标、氧化指标和感官评分指标的结果相一致。

图4为12个指标PCA分析图，其中每个“英文缩写”对应某一指标，其距原点的距离可表示该指标对糙米品质变化的贡献程度。将图3和图4比对，若图4中“英文缩写”与图3中“样品点”在各自主成分图中所处位置相近，则两者相关性较高。可以看出，反映储藏初期糙米品质的主要特征指标有:发芽率(GP)、感官评分(SE)、过氧化氢酶活性(CAT)、整精米率(HRC);反映储藏后期糙米品质的主要特征指标有:脂肪酸值(FA)、丙二醛含量(MDA)、直链淀粉含量(Am)、电导率(EC)、降落数值(FN);菌落总数(TPC)和霉菌数量(M)可能是影响对照组样品储藏中期和后期的指标。

图3 3种处理方式糙米主成分分析图

图4 糙米储藏过程中12个指标的主成分分析图

2.6 对PCA主成分结果进行聚类分析(CA)

在比较数据点与变量的主成分分析结果时，通常的做法是将图3和图4重叠，经肉眼比较两图中数据点位置关系，若处于同一象限，则两者相关性较高［17］。顾赛麒［18］认为此方法存在一定的缺陷性:a.只判断两者是否处于同一象限，此评价标准较为粗糙;b.在对比数据点和变量点主成分分析图进行图形缩放时，易造成数据点相对位置的“失真”。故其提出如下改进:通过计算其在同一象限中与坐标轴的夹角是否接近来判断相关性大小。具体方法为:先计算数据点及指标点在各自主成分图与坐标轴的夹角余弦值，将两组数据的余弦值作为新的原始数据用SPSS软件进行聚类分析，从而找出和数据点聚为一类的指标点。

图5为储藏12个月内糙米5个取样点和14个指标的聚类分析图。若某个月的数据点与指标点可聚为一类，则说明指标对这个数据点有较强关联。由图5可以看出:发芽率(GP)、感官评分(SE)、整精米率(HRC)、过氧化氢酶活性(CAT)和储藏初期数据点紧密相关;丙二醛含量(MDA)、电导率(EC)、脂肪酸值(FA)、降落数值(FN)、直链淀粉含量(Am)和储藏后期Y9、Y12、Z9数据点相近，同时与菌落总数(TPC)、霉菌数量(M)、X6、Z6、Z9、X9、X12 次相关，可以说明影响糙米储藏过程中品质劣变的主要因素为氧化变质，菌落繁殖是第二影响因素，说明通过N2气调包装减缓其氧化速率和臭氧减菌前处理可以有效控制两个主要品质劣化因素，从而延长糙米储藏期。

图5 主成分聚类分析图

3 结论

臭氧预处理对糙米减菌效果明显，最优条件为臭氧浓度1 800 mg/kg减菌处理20 min，可以使菌落总数及霉菌总数均降低一个数量级。臭氧在减菌的同时也会对糙米产生氧化作用，主要表现为储藏初期的脂肪酸值的升高，从最初的14.97 mgKOH/·100 g升高到16.85 mgKOH/100 g，和储藏3个月后丙二醛含量的增加，但对糙米电导率、发芽率、直链淀粉、过氧化氢酶、降落数值、色差和感官指标影响并不显著，说明臭氧主要是作用在糙米表面减菌和氧化，并未破坏糙米细胞完整性而降低其生理活性，对糙米的蒸煮食用品质感官评分也没有显著影响。N2气调包装可以有效抑制糙米储藏过程中的陈化，该组糙米的发芽率、过氧化氢酶和感官评价稍高于普通包装，而脂肪酸值、丙二醛浓度、电导率、直链淀粉和降落数值低于普通包装。基于SPSS的PCA和PA分析结果表明，N2包装由于隔绝氧气，可以有效减缓糙米的氧化速率，而臭氧减菌可在一定程度上减缓储藏期间因微生物增殖引起的糙米品质的劣变。综合分析三组样品，臭氧前处理结合N2气调包装可以有效的延长的糙米储藏周期，可以考虑同时使用投入低温糙米的储藏中。