臭氧结合氮气气调储藏对稻谷品质的影响

许启杰 刘 琳 李孟泽 周 华 闵炎芳 张檬达 付鹏程 周绪霞

(1浙江工业大学食品工程与质量控制研究所,浙江 杭州 310014;2中央储备粮湖州直属库有限公司,浙江湖州 313000;3中储粮成都储藏研究院有限公司,四川成都 610000)

稻谷是我国最主要的粮食作物之一,在国家储备粮战略中占有极其重要的地位[1]。稻谷的外壳在一定程度上可以维持稻谷在储藏期间的稳定性,但在高温高湿环境中,储藏不当会引起稻谷出现爆腰、黄变、发热、霉变、陈化变质等品质劣变问题[2]。虫霉危害、吸潮吸湿和氧化变质等是影响稻谷储藏期间品质劣变的主要因素[3]。

研究表明,通过γ射线辐照、微波和臭氧等减菌预处理均可有效减少储藏谷物中初始虫霉量,延长谷物的储藏期[4-5]。其中臭氧具有强氧化性,可以通过破坏微生物细胞壁,分解有机物质,改变细胞膜通透性起到杀菌的作用,且臭氧能够迅速分解成O2[6-8],在谷物中无残留,安全可靠,已广泛应用于粮食储藏与加工行业[9-12]。姚明兰等[13]研究表明,在15℃储藏温度下臭氧处理能明显降低稻谷中微生物含量,且对稻谷的感官品质和发芽率无显著影响。Tiwari等[14]研究表明,臭氧处理可以有效杀虫、破坏霉菌毒素和杀灭微生物,且对谷物品质影响极小;Beber-Bodrigues等[15]研究表明,臭氧处理可有效抑制稻谷储藏期间真菌的生长,减少污染;李珍等[16]研究表明,在冰温(-1℃)条件下臭氧处理对葡萄呼吸强度有很好的抑制作用,能延缓其果实衰老和品质劣变。气调储粮可通过改变粮堆中气体的组成和浓度,抑制粮食呼吸作用和生物生理活动,从而有效抑制粮食的虫霉危害和氧化变质[17]。李颖等[18]研究表明,在相同温度下,与对照组相比,N2气调组延缓了稻谷发芽率、脂肪酸值、电导率、过氧化氢酶活性、游离巯基含量等品质指标的变化;赵晓丹等[19]研究表明,在2±1℃储藏条件下臭氧处理与气调保鲜相结合可更好地保持果实的外观和风味品质;梁媛等[20]研究表明,在温度14℃、湿度75%的储藏条件下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,表现为抑制细胞膜结构的破裂、延缓发芽率的降低和维持较高的过氧化氢酶活性;黄家红等[21]研究也表明,低温气调协同臭氧处理可有效保持柑橘果实的水分以及可溶性固形物、总酸、总糖、VC含量,并有效控制柑橘果皮上微生物数量的增加。

梁媛等[20]前期研究表明,将臭氧减菌预处理结合N2气调应用于糙米的储藏,可有效延缓糙米氧化速率并抑制微生物污染引起的品质下降。本试验进一步以晚籼稻为研究对象,重点研究了臭氧减菌预处理结合N2气调对稻谷初始微生物含量储藏过程中发芽率、脂肪酸值、过氧化氢酶活力、游离巯基等品质指标和感官评分的影响,并通过主成分分析(principal component analysis,PCA)对各指标的变化规律和相关性进行探讨,以期为稻谷的高品质储藏提供理论依据及技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

晚籼稻于2017年9月收获于浙江杭州,各项指标均符合GB/T 17891-2017[22]中规定的一级籼稻的标准,其初始水分13.5%、整精米率65.3%、杂质0.2%、不完善粒1.5%、黄粒米含量0.55%。

1.2 主要仪器与设备

CONT臭氧发生仪,上海康特环保科技发展有限公司;MAP-H360复合气调保鲜包装机,苏州森瑞保鲜设备有限公司;GR200L小型呼吸式真空滚揉机,诸城康鼎食品机械公司;RA2000手持式泵吸氮气检测仪,深圳瑞安电子科技有限公司;HWS智能型恒温恒湿箱,宁波江南仪器厂;uSafe 3000手持式泵吸臭氧检测仪,山盾科技(深圳)有限公司;JLCJ 4.5型出糙机,浙江台州粮仪厂;Kett精米机,日本东京Kett electric laboratory;JXFM110锤式旋风磨,上海嘉定粮油仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 稻谷臭氧减菌预处理 参考梁媛等[20]的方法。将25.0 kg稻谷装入已灭菌的真空度为0.09 MPa的真空滚揉机中,通过臭氧发生仪持续通入臭氧使滚揉机中臭氧浓度达到(53±2)×10-4kg·m-3,然后关闭充气口,打开滚揉机使稻谷和臭氧充分接触,减菌预处理60 min。同时以未经臭氧处理的稻谷样品作为对照。

1.3.2 稻谷储藏试验设计 试验分4组:未经臭氧预处理的常规组(对照/Air)、未经臭氧预处理的N2气调包装组(对照/N2,N2＞98%)、臭氧预处理的普通包装组(O3/Air)和臭氧预处理的N2气调包装组(O3/N2,N2＞98%)。N2气调包装组通过气调保鲜包装机进行充氮(N2＞98%)包装,常规组和普通包装组采用空气热封包装。4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,每盒稻谷样品200 g,包装材料预先经紫外减菌处理。包装后样品置于14℃恒温、75%恒湿箱中储藏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 测定项目与方法 菌落总数参照GB 4789.2-2016[23]测定;霉菌和酵母菌落数参照GB 4789.15-2016[24]测定;发芽率参照GB/T 5520-2011[25]测定;脂肪酸值参照GB/T 20569-2006《附录A稻谷脂肪酸值测定方法》(KOH-乙醇标准液浓度稀释至0.01 mol·L-1左右)测定[26];过氧化氢酶活力参照GB/T 5522-2008[27]测定;品尝评分值参照GB/T 15682-2008[28]测定;游离巯基含量参考Ellman′s法测定[29]。1.3.4 数据处理 试验数据用SPSS 21.0软件进行显著性分析和主成分分析,其中主成分分析将菌落总数、霉菌和酵母菌落数、发芽率、脂肪酸值、过氧化氢酶活力、游离巯基含量、品尝评分值作为变量进行降维分析,计算相关系数矩阵、主成分特征值、累计贡献率及主成分综合得分,显著性水平设置为P＜0.05,采用Origin 9.1绘图。

2 结果与分析

2.1 臭氧预处理及N2气调包装对稻谷微生物的影响

臭氧预处理对稻谷的减菌效果达极显著水平(P＜0.01)。由图1可知,臭氧处理60 min稻谷的菌落总数从初始的6.52 lg(CFU·g-1)降至4.52 lg(CFU·g-1),减少2个数量级;霉菌和酵母菌菌落数由5.5 lg(CFU·g-1)降至3.5 lg(CFU·g-1),减菌效果达到了99%,且这种减菌效果一直维持到了储藏后期。

在储藏过程中,对照/Air组稻谷的菌落总数呈逐渐上升趋势,而其余3组稻谷的菌落总数则呈先下降后上升的趋势。储藏12 M时,与对照/Air组相比,O3/N2组菌落总数、霉菌和酵母菌菌落数分别降低99.5%和99.2%,O3/Air组分别降低99.2%和99.1%,对照/N2组分别降低33.9%和20.1%。因此,N2气调在一定程度上能够抑制微生物的增殖,且臭氧预处理结合N2气调包装对稻谷储藏减菌及抑菌效果较好。

2.2 臭氧结合N2气调储藏对稻谷品质指标变化的影响

2.2.1 发芽率的变化 发芽率是衡量稻谷新陈度的重要指标。由图2可知,4组稻谷的发芽率均随着储藏时间的延长有一定程度的下降,其中,对照/Air组稻谷的发芽率最低,储藏12 M时发芽率降为83%,但与O3/Air组相比差异不显著(P＞0.05)。储藏12 M时,O3/N2组稻谷的发芽率最高保持在88%,较对照/N2组高3个百分点,但差异不显著(P＞0.05),这可能与臭氧处理抑制了霉菌繁殖有关,说明臭氧预处理对稻谷发芽率有一定的影响,这与周建新等[30]的研究结果一致。与对照/Air和O3/Air相比,对照/N2和O3/N2组稻谷的发芽率分别高2个百分点和4个百分点,说明N2气调包装能够保持稻谷的生理活性,延缓稻谷的品质变化[31],这与N2减少了空气对稻谷生理活性的作用,抑制了稻谷的呼吸作用有关。

2.2.2 脂肪酸值的变化 脂肪酸值是反映稻谷品质劣变程度的重要指标之一。由图3可知,臭氧减菌预处理在一定程度上增加了稻谷的脂肪酸值,这可能是臭氧与稻谷接触时产生了氧化作用,且臭氧分解产生的氧气对稻谷也会有一定的氧化作用,但与未经臭氧预处理组相比差异不显著(P＞0.05)。在后续储藏过程中,各组稻谷的脂肪酸值均随着储藏时间的延长而显著升高(P＜0.05),且常规空气包装组均高于N2气调组。储藏12 M时,对照/N2组和O3/N2组稻谷的脂肪酸值分别由15.4和15.3 mgKOH·100g-1增加至20.0和20.4 mgKOH·100g-1。O3/Air组稻谷的脂肪酸值增加至21.3 mgKOH·100g-1,显著高于N2气调的两组样品(P＜0.05),说明N2气调包装能有效延缓脂质氧化[32]。

2.2.3 过氧化氢酶活力的变化 由图4可知,随着储藏时间的延长,各组稻谷的过氧化氢酶活力均逐渐降低,这与发芽率的变化趋势一致。臭氧预处理在一定程度上降低了初始稻谷的过氧化氢酶活力,但与未经臭氧预处理组相比差异不显著(P＞0.05)。储藏12 M时,O3/N2和对照/N2组稻谷的过氧化氢酶活力均高于相应的常规包装组(O3/Air和对照/Air)。其中,对照/Air和对照/N2分别显著下降了3.11和3.75 mgH2O2·g-1(P＜0.05),O3/Air和O3/N2分别显著下降了3.47和2.97mgH2O2·g-1(P＜0.05)。表明N2气调在一定程度上能够延缓稻谷的品质变化,这与N2气调抑制了空气的氧气作用和稻谷本身的呼吸作用有关,李岩峰[33]也得到了一致的研究结论。

2.2.4 游离巯基含量的变化 巯基是蛋白质氨基酸残基中最活泼的功能基团,主要参与抗氧化、巯基-二硫键转化等生理功能,其含量是判断稻谷蛋白质品质变化的重要指标。由图5可知,与未经臭氧处理相比,臭氧预处理稻谷的游离巯基含量显著降低了0.127 μmol·g-1(P＜0.05),说明臭氧处理对二硫键的形成具有促进作用,这与臭氧的强氧化作用促使稻谷蛋白质中的巯基发生氧化有关。储藏12M时,与储藏初期相比,O3/N2、O3/Air、对照/N2、对照/Air组稻谷游离巯基含量分别显著下降了0.38、0.42、0.45、0.52μmol·g-1(P＜0.05)。其中,2组N2气调稻谷的下降幅度均小于相应的常规包装组,说明N2气调能够减缓蛋白质氧化作用。

蛋白质的氧化反应产物会进一步与稻谷中其他物质如淀粉颗粒、脂质等发生交联作用,从而影响稻谷的质构和食味品质,这也是稻谷随储藏时间的延长出现陈化的原因之一,本研究发现,N2气调可以通过抑制蛋白质组分氧化更好地保持稻谷的品质,这与脂肪酸值和过氧化氢酶活性等指标的测定结果一致。

2.3 储藏期间稻谷品尝评分值的变化

品尝评分值是判断稻谷是否宜存的重要指标,GB/T 20569-2006[26]规定,品尝评分值＞70为粳稻及籼稻的宜存品尝评分值。由表1可知,在12个月的储藏期内,各组稻谷的品尝评分值均随着储藏时间的延长而下降。其中,储藏3 M和9 M时,与对照/Air组相比,臭氧预处理对稻谷的品尝评分值有显著影响,储藏12 M时,O3/N2组稻谷的品尝评分值显著高于O3/Air组,说明N2气调可以有效保持稻谷的味道及口感。储藏12 M时,稻谷的最低品尝评分值仍保持在80分以上,均为宜存稻谷。同一储藏期,不同储藏方式之间的评分结果存在一定的差异。

表1 储藏期间稻谷品尝评分值的变化Table1 Changes in rice tasting scores during storage

2.4 主成分分析

主成分分析是利用降维思想将少数几个综合指标来代表众多指标,这些综合指标互不相关,但能综合反映原来多个指标的大部分信息[34-35]。本试验以不同储藏时间、不同储藏方式下稻谷的菌落总数、霉菌和酵母菌菌落数、发芽率、脂肪酸值、过氧化氢酶活力、游离巯基含量、品尝评分值为分析数据源,采用z-score标准化进行处理后应用SPSS 19.0软件对数据进行主成分分析。经SPSS软件分析得到,KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验系数为0.738,且巴特利特球形检验(Bartlett)统计值极显著,说明原始数据可以进行主成分分析。

对不同储藏条件下稻谷品质变化进行主成分方差贡献率分析(表2),以特征值＞1为提取标准,得到前2个主成分的累积贡献率分别为65.152%,29.303%,累计贡献率为94.455%,特征值分别为4.561和2.051,表明2个主成分能够较好地反映整体数据的信息特征。

表2 主成分方差分析Table2 Analysis of variance for PCA

由成分载荷矩阵(表3)和2个主成分的特征向量值(表4)可知,FA、GP、SE、CAT、SH在第1主成分上有较高载荷,其中,GP、SE、CAT、SH在正坐标处具有较高载荷,FA在负坐标载荷较高,说明了第1主成分主要反映了这5个成分指标的信息,各指标贡献率大小顺序为FA＞CAT＞GP＞SH＞SE。菌落总数(TBC)、霉菌和酵母菌菌落数(M)在成分2正坐标处载荷较高,说明第2主成分主要反映菌落总数和霉菌和酵母菌菌落数的信息,且各指标贡献率大小顺序为TBC＞M。根据标准化后的各指标与成分得分系数矩阵(表5)计算2个主成分的得分(Y1,Y2),将各主成分对应的方差贡献率(表2)作为权重,由主成分得分和对应的权重线性加权求和得到综合评价函数式(3),通过式(3)计算各处理组对稻谷储藏品质效果的综合得分(Z)[36],得到图6。

表3 成分载荷矩阵Table3 Com ponentmatrix

表4 2个主成分的特征向量值Table4 The eigenvectors of two PCAs

表5 成分得分系数矩阵Table5 Component score coefficientmatrix

其中,Y1为第1主成分得分;Y2为第2主成分得分;总因子Z得分越高表明品质越好。

由图6可知,随着储藏时间的延长,在不同储藏条件下稻谷的综合得分均呈下降趋势,且经过N2气调包装的稻谷综合得分在整个储藏期间均高于经过臭氧预处理的稻谷,也明显高于常规储藏的稻谷。在储藏前期(0 M),经过臭氧预处理的稻谷综合得分值低于未经臭氧预处理,分别为0.69和1.35,这与臭氧在与稻谷接触时产生的氧化作用,使稻谷的品质略微降低有关。随着储藏时间的延长,O3/N2和对照/N2组稻谷的综合得分的差异性逐渐缩小,且二者的变化趋势也接近相同,表明N2气调在一定程度上能够延缓臭氧对稻谷品质的降低。经过12 M储藏期后,与储藏初期(0 M)相比,O3/N2、O3/Air、对照/N2、对照/Air组综合得分分别下降了1.50、1.93、1.74、1.99,差值表现为O3/N2＜对照/N2＜O3/Air＜对照/Air,说明O3/N2对于稻谷品质保持的效果最佳,其中N2气调储藏的两组样品的综合得分均高于常规组。

3 讨论

本研究以4种不同方式对稻谷进行储藏,结果表明臭氧结合N2气调包装能够明显降低稻谷储藏的品质变化。稻谷的储藏品质与微生物繁殖密切相关,在粮食储藏期间,微生物为获得自身生长所需的营养物质,通过分泌胞外水解酶,将粮食中的大分子物质分解为小分子,不仅会消耗粮食中的成分,破坏粮食的组织结构,而且可能会产生有害的真菌毒素,对粮食的食用品质造成严重的影响[37]。周建新等[8]研究发现,臭氧对稻谷中的微生物具有明显的杀灭效果,使细菌总数下降60%,霉菌和酵母菌落数下降42%。本研究结果显示,随着储藏时间的延长,未经臭氧预处理组稻谷的微生物含量不断上升,而经臭氧预处理组稻谷的微生物含量呈先下降后上升的趋势,这与宋伟等[38]的研究结论相一致,说明臭氧预处理对稻谷储藏过程中微生物量的增长有明显的抑制作用。

发芽率是衡量稻谷新陈度的重要指标。本研究发现与对照/Air组相比,臭氧预处理组对稻谷发芽率有一定影响但不显著;与O3/Air组相比,O3/N2组一定程度上抑制了稻谷发芽率的降低,这与N2气调抑制了稻谷的呼吸作用有关。姚明兰等[13]研究发现,臭氧的质量浓度对稻谷发芽率的影响不显著,但随着储藏时间的延长,臭氧预处理稻谷脂肪酸值上升趋势高于对照组,且臭氧的质量浓度越高,上升幅度越大。周建新等[30]也发现臭氧处理对稻谷的发芽率无影响,而高浓度臭氧处理略微增加了稻谷的脂肪酸值。本研究中,臭氧预处理在一定程度上增加了稻谷的脂肪酸值,但与未经臭氧预处理组相比差异不显著;与O3/Air组相比,O3/N2组能够显著抑制储藏期间稻谷脂肪酸值的增加。推测是由于N2气调降低了粮食的生理代谢,使得稻谷的呼吸及酶的活性变得极其微弱,从而延缓了粮食脂肪酸值的升高,并保持了粮食的新鲜程度。郑秉照[32]也表明,与常规储藏相比,N2气调储藏可以有效延缓籼稻谷的脂肪酸值、粘度和发芽率的变化,并更好地保持稻谷原有的品质。

过氧化氢酶是一种酶类清除剂,能将H2O2分解为H2O和O2。稻谷中过氧化氢酶活力的降低通常与稻谷发芽率的降低和陈化劣变密切相关,其活力密切影响着稻谷的活力。本研究表明,在储藏前期臭氧预处理在一定程度上降低了稻谷的过氧化氢酶活力,这是由于臭氧在与稻谷接触时会产生氧化作用,氧化作用会使过氧化氢酶钝化,造成稻谷初期过氧化氢酶活力降低,这与孙加伟等[39]研究发现升高臭氧浓度能够抑制玉米叶片抗氧化酶活力的结论相一致。此外,本试验也发现N2气调增强了储藏期间稻谷中过氧化氢酶活力,储藏12 M后,O3/N2和对照/N2组稻谷的过氧化氢酶活力均高于相应的常规包装组(O3/Air和对照/Air),这与柴芃宇等[40]研究结果相一致,可能是由于N2降低了稻谷储藏环境中氧气含量,抑制了氧化作用的发生,延缓了稻谷生理品质的变化。蛋白质巯基是对氧化最敏感的蛋白质侧链基团。本研究中稻谷的游离巯基含量随着储藏时间的延长呈下降趋势,与对照/Air组相比,臭氧预处理组显著降低了稻谷中的游离巯基含量,推测是由于臭氧的强氧化能力促进巯基氧化成二硫键,促使稻谷中发生蛋白质氧化,这与邵慧丽[41]的研究结论相一致。此外,庄坤等[42]也发现臭氧对糯米蛋白质中的巯基含量有显著的影响,且臭氧处理时间越长,巯基含量减少越明显。本研究中两组N2气调稻谷游离巯基含量的降幅均小于相应的未N2气调组,推测是由于N2气调能够减缓蛋白质氧化作用,从而在一定程度上抑制了稻谷中的生化反应。李颖等[18]研究表明,N2气调能降低游离巯基的活泼程度,避免其向二硫键的转化并维持稻谷蛋白质原有的特性。梁媛等[20]研究表明,在储藏过程中,臭氧处理对于米饭的蒸煮品质无显著影响,本研究结果则显示储藏12 M后不同储藏方式之间的品尝评分值有一定差异。

本研究利用主成分分析对稻谷储藏期间微生物指标、品质指标及品尝评分值进行降维处理,得到2个具有代表性的主成分,对不同储藏条件下的稻谷进行综合评价,计算主成分得分及综合得分,以此评价不同储藏方式稻谷品质的优劣,依据综合评价得分明确了O3/N2气调储藏对于稻谷品质保持的效果最佳。李伟等[43]利用主成分分析法提取了7个主成分,建立了综合得分模型计算不同品种杨梅果实的综合得分,筛选出了综合品质相对较好的杨梅品种。张雷刚等[44]运用主成分分析提取了3个主成分,建立了主成分因子载荷图,较好地区分了货架期间各处理绿芦笋品质指标和活性氧代谢指标。谢丽源等[45]对不同储藏温度、储藏时间处理的杏鲍菇品质进行主成分分析,建立了综合评价函数,得到了不同温度处理杏鲍菇品质高低的排序。此外,刘晓燕等[46]也采用主成分法分析了4种不同清洗方式鲜切莲藕品质差异,建立了综合评价函数并筛选出了最佳处理组,得到了更客观和全面的研究结论。通过主成分分析和综合评价函数的建立不仅可以量化评价体系,而且可以避免单个指标所得结论的多变性、片面性,可为食品品质评价提供更加直观和科学的依据。

4 结论

本研究结果表明,臭氧预处理结合N2气调在一定程度上延缓了稻谷中菌落总数、霉菌和酵母菌菌落数、脂肪酸值和游离巯基含量的上升,同时有效保持了稻谷的过氧化氢酶活力和发芽率。基于主成分分析和综合评价函数的分析表明,臭氧预处理结合N2气调能够延缓储藏期间稻谷各品质指标的变化,抑制稻谷组分氧化以及微生物的繁殖,延长稻谷储藏周期。本研究结果为科学储粮提供了理论依据和技术参考。