微波干燥对高水分稻谷中优势霉菌致死率的研究

陈尚兵 袁 建 张 斌 刘雅婧 丁 超 邢常瑞 鞠兴荣 袁翔宇

(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；江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室1，南京 210023) (安徽粮食工程职业学院2，合肥 230011)

稻谷是世界上最重要的粮食作物之一，也是我国主要的储粮[1]。我国主要的粮食作物，在人们日常的生活中起着不可或缺的作用。随着农业生产效率的提高，高水分稻谷数量急剧增加。稻谷水分含量越高，越易受到霉菌侵染从而霉变，并且其品质极不稳定，在储藏中其品质也易降低[2-4]。在粮食储藏过程中，由于不良的储藏条件，如受潮、高温等可能造成微生物的大量繁殖。霉菌是造成粮食发热、霉变的主要原因，粮食被霉菌污染后, 除了会引起粮食的变质外，最为严重的是这些霉菌可以产生具有致畸、致癌致突变“三致”效应的霉菌毒素，对人体产生危害[5-6]。因而，对粮食干燥和霉菌做到及时的处理是目前研究关注的重点[7]。

常见的粮食干燥方式有自然通风干燥，热风干燥，低温干燥及对流干燥等。尤其是对流干燥[8]，在用于保存食物的古代工艺当中已被证明对粮食和食物的干燥是有效的。物理和化学变化也会在一定程度上对干燥品质产生影响，如一些不稳定的外部条件会导致干燥变质产品质量[9-10]。 这些包括表面硬化，收缩和产品变色。空气干燥的其他缺点是干燥时间长和低能源效率[11]。微波干燥作为一种新型的干燥技术，微波技术具有干燥速度快、灭菌效率高、处理后无污染特点而日益受到关注[12-14]。因为微波干燥不同于热风及其他干燥方式，在于其独特的加热特性，物料干燥速度快、干燥时间短、干后品质和利用率高，因而在农产品加工及食品工业中越来越受到重视[15]。同时微波消毒和灭菌操作方便，省力，时间短，速度快，加热均匀，温度不高，穿透性好，效果稳定可靠，所以在对农产品当中微生物的杀伤力非常优秀，也能够在一定程度上保证产品品质不受微波杀菌而产生变化。于秀荣等[16]发现针对稻谷微波比热风干燥具有更好的干燥效果，指出若选用适当的低功率255 W微波干燥稻谷，并且控制稻谷受热温度不超过50 ℃，降水率在3%以内，能够得到稻谷爆腰率增长值在5%内，保证了其种用价值。徐凤英等[17]研究了稻谷热风、微波干燥的去水性能，结果显示热风干燥稻谷的分时过程去水速率均显著低于其微波干燥去水速率。当用微波干燥稻谷时，在颗粒内部的水分能较好地吸收电磁能，促进水分快速蒸发，以致稻谷微波干燥具有更好的干燥过程热力强化作用，其去水速率较热风干燥快。徐艳阳等[18]研究微波功率、微波时间和装载量对玉米黑曲霉孢子数量减少周期和玉米裂纹粒的影响，显示微波能够有效杀灭玉米霉菌和保证玉米品质。张鸿发等[19]微波杀菌机理研究中得出：环境中水分的存在能明显增强微波的灭菌效果，不同微波功率处理枯草芽胞杆菌，当样品温度达 58 ℃，细菌开始死亡。上述结果表明：水分含量越高，微波杀菌效果越好。徐怀德等[20]利用不同微波剂量、电耗对大米霉菌进行处理，研究其杀灭效果。指出微波能耗达到0.023 kW·h/kg时，可使霉菌致死率在80%以上。SASAKI K等[21]为了研究微波灭菌机理，选择3种干燥过的好氧性细菌孢子进行微波处理，结果发现细菌孢子的存活率几乎没有任何变化。在此基础上，制备了12种孢子悬液，以孢子的存活率为指标，对菌悬液进行处理，发现孢子的存活率急剧下降。研究结果表明：微波灭菌主要是热效应。

目前对新型微波工艺在食品干燥、杀菌、防霉等多个方面得到应用，但是稻谷需要长期储藏，在微波工艺处理后对其中微生物的影响较大。如果因储藏环境的变化引起首次微波工艺处理后，霉菌的继续生长，而降低稻谷品质，影响其经济价值。因此本文主要对偏高水分粮当中优势菌分离纯化，研究微波对稻谷内部和表面优势霉菌杀菌效果，并与热风处理做对照，分析微波对稻谷优势霉菌致死率及后期储藏条件下，稻谷霉菌的生长效果，为偏高水分粮安全储藏提供一定的基础。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

粳稻：“淮稻5号”，是江苏省主要种植稻，2016年生产，含水量(17.5±0.5)%，将稻谷收购后除杂，挑选饱满颗粒后混合均匀，在4 ℃保存。

孟加拉红培养基、察氏琼脂培养基、棉兰均为生化试剂BR，氯化钠、乳酸(比重 1.21)、石炭酸均为分析纯AR。

1.2 仪器与设备

XOGZ-8 KW型连续隧道式微波干燥灭菌线(频率2450 MHz)；MB-EHR12型陶瓷红外-热风联合干燥装置；101-34S型电热鼓风干燥箱；Testo830-S1型红外测温枪；EX30型生物显微镜；SX-700型高压蒸汽灭菌锅：GNP-9160型隔水式恒温培养箱；SHZ-82A型水浴恒温振荡器；H-C型恒温振荡器；HH-2型数显恒温水浴锅。

1.3 实验方法

1.3.1 稻谷优势菌纯化与鉴定

参照GB/T4789.15—2010对稻谷样品进行菌落培养，待有菌落长出后，根据各单菌落的形态特征进行分类，选取生长得较多的优势霉菌，在无菌环境下，通过镜检确定菌株后，将分离出的优势霉菌在察氏培养基上接种，(28±1)℃条件下培养5 d，观察每个菌落的形态特征[22]并拍照记录。菌落形态观察包括：菌落的生长速度、颜色、质地、渗出物、气味等。鉴定结果：参照《真菌鉴定手册》[23]、《食品微生物检测工作指南》[24]。

1.3.2 微波处理对稻谷中优势霉菌致死率的影响

首先对收购的样品，放置室温后，称取稻谷质量(760±0.5)g，稻谷层厚度1 cm，微波辐射表面积1 155 cm2，均匀平摊于塑料盒里放入微波处理设备中进行微波杀菌处理，然后将样品放置于4 ℃条件下储存[25]。以热风处理稻谷作为空白对照组，称取稻谷质量(760±0.5) g，均匀平摊于托盘上置于热风干燥设备中，稻谷层厚度1 cm，热风温度55～60 ℃，风量7 500 m3/h，风速0.8 m/s。

1.3.2.1 微波功率对稻谷优势霉菌致死率的影响

对经过预处理的稻谷样品接种5种优势菌，然后分别取5类染单种优势霉菌的稻谷分别在有效微波功率485、927、1 349 W条件下以及在对稻谷进行微波处理，同时对比在热风处理下的样品升温到60 ℃[26]，测量其表面和内部菌落数，并计算稻谷表面及内部霉菌致死率。

1.3.2.2 微波时间对稻谷优势霉菌致死率的影响

同时根据在微波有效功率条件下对稻谷进行微波处理，稻谷放入后开始计时，每隔20 s取样一次，直到稻谷表面温度达到60 ℃。然后把样品放入(60±1)℃电热恒温箱中，阶段降温缓苏4 h后测其表面和内部霉菌总数，并计算稻谷表面及内部霉菌致死率。

1.3.2.3 稻谷表面霉菌总数测定

称取稻谷(25±0.01)g，放入均质袋中，再倒入225 mL无菌蒸馏水，均质2 min，制成1∶10样品匀液。吸取1 mL样品匀液进行10倍系列稀释，选取2～3个适宜稀释度的样品匀液，并各取1 mL倒入孟加拉红培养基中，(28±1)℃下培养5 d，按照GB 4789.15—2016方法对霉菌计数。

表面霉菌(细菌)致死率采用表面霉菌(细菌)减少对数周期表示，计算公式如下：

Y=lgN0-lgN

式中，Y为表面霉菌(细菌)减少对数周期(log CFU/g)，N0为初始的表面霉菌(细菌)菌落数(CFU/g)，N为微波处理后的表面霉菌(细菌)菌落数(CFU/g)。

1.3.2.4 稻谷内部霉菌致死率测定

贠婷婷等[27]将表面消毒的稻谷种植到高盐察氏培养基培养的方法 (从1粒稻谷中长出的数个霉菌都视为1个计数)。对稻谷内部霉菌总数计数。稻谷内部霉菌致死率，计算公式如下：

W=(X0-X)/X0×100%

式中：W为稻谷内部霉菌致死率/%，X0为初始的内部霉菌菌落数/个/10颗，X为微波处理后的内部霉菌菌落数/个/10颗。

1.3.2.5 微波处理后对稻谷储藏期间优势霉菌的影响

首先使用微波工艺对实验稻谷进行处理[28]，根据国标GB/T4789.15—2016，测得霉菌的带菌量在102FU/g以下。然后在稻谷表面添加高水分稻谷分离鉴定出的5种优势菌，以最优微波条件为实验组，热风处理作为对照组，放在28 ℃ 湿度80%的条件储存一定时间，定期取样测定菌落数。

1.4 实验数据处理与分析

每次实验重复3次，采用Excel 2007软件计算平均值、标准偏差，采用Origin 8.5软件绘图，依据图和表分析高水分稻谷中优势菌在微波和热风条件下优势菌的变化趋势以及对常规储藏环境中优势菌的生长状态做出分析。

2 结果与分析

2.1 稻谷中优势霉菌的分离鉴定结果

对高水分稻谷中的霉菌进行分离纯化，表1是各种稻谷霉菌菌落数和检出率。根据表1得出，链格孢霉、雪腐镰刀菌、白曲霉、灰绿曲霉和产黄青霉5种霉菌在稻谷上数量较多，可以作为稻谷的优势霉菌。

表1 稻谷主要霉菌检出率

2.1.1 链格孢霉鉴定结果[23]

菌落在察式培养基上生长较快，5 d后平均菌落直径超过3 cm以上，呈白色，菌丝呈稀疏的棉絮状，无明显凸起，有沟纹，无渗出，无气味，菌落形态见图1。

光镜下观察不育菌丝匍匐，有分隔，分生孢子梗暗色。多数是不分枝，比较短小，与营养菌丝很相似。分生孢子淡褐色，呈倒棒形状，顶端延长至成喙状，有壁砖状分隔，常数个型成链状，微观形态见图1。

图1 链格孢霉在察氏培养基上和光学显微镜下的形态图

2.1.2 雪腐镰刀菌鉴定结果[23]

在察式培养基上，菌落呈白色，基质稍呈浅黄色。菌丝呈稀薄的蛛丝状、棉絮状。生长5 d后平均菌落直径超过1 cm以上。无明显凸起，无沟纹，无气味，无渗出，菌落形态见图2。

光镜下观察小型的分生孢子呈椭圆形、卵圆形，0或1隔，集结成偶见假头状或链状。大型的分生孢子产于粘孢团、子座和气生菌丝体中，呈椎形、纺锥形或稍呈镰刀形，直或稍弯。粘孢团呈浅橙色或鲜橙色。孢子两端逐渐变窄细，基部有足细胞，椭圆形弯曲或几乎平直，透明薄壁，一般多为3～5隔。无厚垣孢子。微观形态见图2。

图2 雪腐镰刀菌在察氏培养基上和光学显微镜下的形态图

2.1.3 白曲霉鉴定结果[23]

菌落在察式培养基上生长较快，5 d后平均菌落直径超过3 cm以上，呈白色，老熟时变为浅黄乳酪色，背面无色或淡黄色，菌丝呈绒状。无明显凸起，无沟纹，无气味，无渗出，微观菌落形态见图3。

光镜下观察分生孢子头圆球形，分生孢子梗光滑，顶囊圆球形，顶囊全部表面着生二层小梗，分生孢子球形或扁球形，表面光滑，微观形态见图3。

图3 白曲霉在察氏培养基上和光学显微镜下的形态图

2.1.4 灰绿曲霉鉴定结果[23]

菌落在察式培养基上生长较慢，5 d后直径超过2 cm以上，呈灰青绿色，老后变为褐绿色或暗绿色，菌丝呈绒毛状。无明显凸起，无沟纹，无气味，无渗出，菌落形态见图4。

光镜下观察分生孢子头呈放射状及略呈柱状。顶囊不是很大，呈圆顶形或圆球形。分生孢子梗光滑。小梗一层产于顶囊的上部或全部，小梗比较粗。有隔膜。分生孢子呈近球形或椭圆形，表面粗糙。微观形态见图4。

图4 灰绿曲霉在察氏培养基上和光学显微镜下的形态图

2.1.5 产黄青霉鉴定结果[23]

菌落在察式培养基上生长较慢，5 d后直径超过2 cm以上，初期呈白色，老后变为蓝绿色，背面呈亮黄色至暗黄色，菌丝致密绒状，有明显的褶皱和放射状沟纹，有明黄色液滴，无气味，菌落形态见图5。

光镜下观察到分生孢子梗较光滑，帚状枝呈不对称，有2～3次分支，分支长短且不等，分生孢子链呈分散柱状，分生孢子椭圆形，壁光滑，微观形态见图5。

图5 产黄青霉在察氏培养基上和光学显微镜下的形态图

2.2 微波处理对稻谷中优势霉菌致死率的影响

2.2.1 不同微波功率处理对稻谷中霉菌致死率的影响

从表2可以看出，使用有效功率485 W的微波处理稻谷至表面60 ℃需要240 s，927 W微波处理需要120 s，1 349 W微波处理需要70 s，而热风60 ℃处理需要2 400 s。说明微波处理工艺可以快速升温到最优的干燥温度[25]，节约能耗。

表2 不同微波功率处理稻谷至表面60 ℃的时间

图6给出了不同微波功率处理对稻谷中表面霉菌致死率的影响。对于5类染单种优势霉菌的稻谷，其初始表面霉菌量均约为5.0×104CFU/g。从图中可以看出，3种不同微波功率485、927及1 349 W处理稻谷至表面60 ℃都降低其表面霉菌量约3 lg CFU/g，而热风处理只能降低约1.5 lg CFU/g。由此，微波处理的灭菌效果是热风处理的2倍。分析可能是因为单独热风杀菌处理过程中样品的温度会高于置于室温中未作任何处理稻谷处理样品，在此温度下微生物可能生长更快，而微波处理过程中表面的温度变化缓慢升温，所以单独热风杀菌后个别组中的微生物的致死率会低于微波处理后微生物致死率。表明微波处理后稻谷表面的霉菌量减少更加显著，其稻谷表面灭菌效果比热风处理高。并且随着微波功率的增大，加热稻谷至表面相同温度其处理时间变短，导致稻谷表面霉菌杀灭效果都略有下降。

图6 不同微波功率处理对稻谷中表面霉菌致死率的影响

图7给出了不同微波功率处理对稻谷中内部霉菌致死率的影响。对于5类染单种优势霉菌的稻谷，其初始内部霉菌量均约为10个/10颗。从图中可以看出，3种不同微波功率485、927、1 349 W处理稻谷至表面60 ℃都降低其内部霉菌量约95%，而热风处理只能降低约70%。说明微波处理具有很强的穿透能量，深入稻谷内部，在较短的时间内使稻谷内部的霉菌量减少更加显著[29]，表明稻谷内部灭菌效果比热风处理好。同时随着微波功率的增大，加热稻谷至表面相同温度其处理时间变短，导致稻谷内部霉菌杀灭效果都略有下降。微波加热稻谷的表面温度与热风处理保持一致(60 ℃)，但微波对稻谷表面及内部霉菌的致死率均显著高于热风，表明微波灭菌除了热效应以外，可能存在一定的生物学效应[30]。

图7 不同微波功率处理对稻谷中内部霉菌致死率的影响

2.2.2 稻谷中霉菌致死率随微波时间变化曲线

图8表明，随着微波处理时间的延长，稻谷表面温度升高，5类染单种优势霉菌的稻谷表面霉菌致死率随着上升。5类稻谷的表面霉菌致死率曲线相似，在0～80 s内曲线呈快速上升趋势，在80～120 s内上升较缓慢。当微波处理稻谷120 s后，稻谷表面温度达到60 ℃[25]，其表面霉菌量降低约3 lg CFU/g。可能是因为霉菌的最适宜的温度是28～36 ℃左右，当温度到60 ℃，同时微波时间的增长，霉菌和细菌活性受到抑制，大部分霉菌和细菌被杀死。说明微波时间对稻谷表面霉菌致死率呈现正向增加。

图8 稻谷中表面霉菌致死率随微波时间变化曲线

图9表明，对于5类染单种优势霉菌的稻谷，随着微波处理时间的延长，稻谷表面温度升高，其内部霉菌量逐渐降低，致死率均提高。5类稻谷的内部霉菌致死率曲线相似，在0～80 s内曲线呈快速上升趋势，在80～120 s内上升较缓慢。当微波处理稻谷120 s后，此时稻谷表面温度达到60 ℃，其内部霉菌量都降低约95%。这可能是因为随着微波时间的延长，内部霉菌因受到微波辐射，稻谷内部霉菌的活性降低[28]，时间在80～120 s之间，内部霉菌活性受到抑制强度增强，同时温度到60 ℃[25]，此时稻谷的出糙率、整精米率也上升，品质能得到提升，说明微波时间对稻谷内部霉菌致死率呈现正向增加。

图9 稻谷中内部霉菌致死率随微波时间变化曲线

2.2.3 微波处理后对储藏期间稻谷霉菌的影响

以最佳微波条件和热风处理作为实验组和对照组。图10是在微波927 W 和热风处理下，稻谷储藏期间染5种优势菌的稻谷微生物生长曲线。由图10可知，在927 W 的微波功率下，随着储藏时间的延长，5种染单种优势菌的生长趋势较为缓慢，而经过热风处理后的样品菌落数呈现正增加的状态。在储藏35 d之后，部分经过热风处理的稻谷出现结块现象，而微波处理的实验组仍然处于低于霉变的国家标准，说明微波处理对稻谷霉菌的生长有一定的杀灭和抑制作用，菌落生长速度显著的降低。

图10 微波和热风处理后不同储藏时间稻谷菌落数

3 结论

本研究确定了高水分稻谷中的优势霉菌是：链格孢霉、雪腐镰刀菌、白曲霉、灰绿曲霉、产黄青霉。在微波功率485、927及1 349W分别对接种单一优势菌稻谷进行灭菌处理，发现稻谷表面霉菌降低约3 lg CFU/g，内部霉菌致死率约95%，同时随着微波时间的延长，受优势菌侵染的稻谷表面及内部霉菌数量均降低，致死率上升，而热风对照组接种单一优势菌的稻谷表面及内部霉菌致死率较低，表明微波处理后稻谷霉菌量减少更加显著，灭菌效果比热风处理高。此外通过微波工艺对杀菌后的稻谷接种单一优势菌，以常规热风处理为对照组进行储藏，发现微波处理后稻谷霉菌生长量明显低于常规热风储藏的稻谷，有益于粮食长时间储藏。