耿 旭,黃淑霞,蔡靜平

(1.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院,河南鄭州 450001; 2.河南工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院,河南鄭州 450001)

儲(chǔ)糧中霉菌活動(dòng)的生理狀態(tài)與糧堆 CO2濃度變化的相關(guān)性

耿 旭1,黃淑霞2,蔡靜平1

(1.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院,河南鄭州 450001; 2.河南工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院,河南鄭州 450001)

研究了不同生理狀態(tài)霉菌活動(dòng)導(dǎo)致糧堆中 CO2濃度變化的規(guī)律.結(jié)果表明:安全水分糧食自身呼吸作用釋放 CO2的量少且速率恒定;霉菌在糧食中生長(zhǎng)一般經(jīng)歷孢子萌發(fā)、菌絲生長(zhǎng)和子代分生孢子形成階段,可使糧堆的 CO2濃度變化呈現(xiàn)“S”形曲線,其中霉菌在菌絲生長(zhǎng)期的 CO2產(chǎn)生速率最高.改變糧堆的溫、濕度等條件會(huì)顯著影響霉菌生長(zhǎng)速率,但糧堆霉菌生長(zhǎng)導(dǎo)致 CO2濃度升高的“S”形曲線變化形式不變.因此,可以通過(guò)糧堆 CO2濃度變化監(jiān)測(cè)結(jié)果了解儲(chǔ)糧中霉菌活動(dòng)的生長(zhǎng)狀態(tài),甄別儲(chǔ)糧受霉菌危害的風(fēng)險(xiǎn)程度.

CO2檢測(cè);儲(chǔ)糧霉菌;儲(chǔ)糧安全;霉菌監(jiān)測(cè)

0 前言

霉菌是儲(chǔ)糧的主要危害性生物,其在糧食上的生長(zhǎng)、代謝將影響糧食的品質(zhì),甚至產(chǎn)生真菌毒素[1-2].霉菌的個(gè)體微小,當(dāng)感官發(fā)現(xiàn)糧食中出現(xiàn)霉菌的菌落,或糧堆因霉菌的活動(dòng)而糧溫異常升高時(shí),通常是霉菌已經(jīng)經(jīng)歷多個(gè)世代生長(zhǎng)的結(jié)果,這一發(fā)展歷程必然導(dǎo)致糧食品質(zhì)嚴(yán)重受損.目前國(guó)內(nèi)糧庫(kù)普遍采用糧溫檢測(cè)方法監(jiān)測(cè)儲(chǔ)糧霉菌活動(dòng)顯然不夠靈敏,其他常規(guī)的微生物檢測(cè)技術(shù)存在檢測(cè)費(fèi)時(shí)長(zhǎng),糧倉(cāng)中糧食樣品采集不便等不足,不能作為經(jīng)常性監(jiān)測(cè)霉菌活動(dòng)的手段[3].

在我國(guó)規(guī)模龐大的糧食儲(chǔ)備中,霉菌是導(dǎo)致儲(chǔ)糧數(shù)量和品質(zhì)損害的主要危害性生物,也是糧食倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)中發(fā)展偏高水分糧食保鮮、儲(chǔ)糧節(jié)能降耗等新技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵性障礙.我國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)在上世紀(jì) 90年代完成的儲(chǔ)糧安全工藝“四項(xiàng)新技術(shù)”中,機(jī)械通風(fēng)、谷物冷卻和電子測(cè)溫這 3項(xiàng)技術(shù)就與監(jiān)測(cè)和控制霉菌活動(dòng)有關(guān).糧堆 CO2濃度變化檢測(cè)是電子測(cè)溫監(jiān)測(cè)霉菌危害技術(shù)的發(fā)展.一方面是因?yàn)槊咕纳L(zhǎng)、代謝等對(duì)糧食有害的活動(dòng)必然伴隨呼吸產(chǎn)生 CO2氣體,檢測(cè)糧堆 CO2濃度變化可以準(zhǔn)確了解霉菌在儲(chǔ)糧中生長(zhǎng)的實(shí)際狀況,但測(cè)溫技術(shù)易受霉菌初始生長(zhǎng)時(shí)期、霉菌緩慢的生長(zhǎng)狀態(tài)或霉菌生長(zhǎng)部位導(dǎo)熱性強(qiáng)等因素影響,會(huì)使測(cè)溫的方法無(wú)法感知霉菌的生長(zhǎng);另一方面,CO2濃度變化監(jiān)測(cè)可以引出氣體而使檢測(cè)設(shè)備外置,避免溫度傳感器埋設(shè)在糧堆中受熏蒸氣體腐蝕或可能受儲(chǔ)糧管理操作外力損害的問(wèn)題.因此,利用 CO2檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)糧霉菌的危害具有高靈敏度,高穩(wěn)定性和高可靠性等優(yōu)點(diǎn).

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了一些相關(guān)研究報(bào)道,其中主要是對(duì)于檢測(cè)儀器的研發(fā)和糧堆 CO2濃度與儲(chǔ)糧霉菌數(shù)量變化的相關(guān)性等方面的研究[4-5].由于霉菌在不同生理狀態(tài)下對(duì)糧食的危害程度及產(chǎn)生食品安全的風(fēng)險(xiǎn)均有較大的差異,如黃曲霉菌僅在子代分生孢子形成數(shù)天后才產(chǎn)生黃曲霉毒素[6],因此通過(guò)研究霉菌在儲(chǔ)糧中活動(dòng)的生理狀態(tài)與糧堆 CO2濃度變化的關(guān)系,可以在實(shí)倉(cāng)儲(chǔ)糧中通過(guò)監(jiān)測(cè) CO2濃度變化來(lái)判斷儲(chǔ)糧霉菌活動(dòng)的狀態(tài),進(jìn)而更及時(shí)準(zhǔn)確地了解儲(chǔ)糧霉菌的活動(dòng)和危害狀況.

1 材料和方法

1.1 材料

糧食樣品:河南本地產(chǎn)小麥、玉米.

培養(yǎng)基:PDA培養(yǎng)基;改良察氏培養(yǎng)基.

儲(chǔ)糧 CO2檢測(cè)儀:河南工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)組裝.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 霉菌孢子的分離

將霉菌接種在改良察氏培養(yǎng)基平皿中培養(yǎng)一定的時(shí)間,然后用無(wú)菌水洗滌培養(yǎng)灰綠曲霉的培養(yǎng)皿,將洗滌所得的菌懸液倒入滅過(guò)菌的加玻璃球的三角瓶中振蕩分散,獲得霉菌單孢懸液.

1.2.2 霉菌孢子計(jì)數(shù)

血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)法.

1.2.3 糧食加濕方法

將糧食樣品置于塑料桶中,按其含水量計(jì)算調(diào)節(jié)至目標(biāo)含水量所需的理論添加水量,用噴霧器分 3次將 1.1倍理論添加水量的蒸餾水噴到糧食表面,用薄膜覆蓋使水分被完全吸收和平衡,獲得所需水分的糧食.

1.2.4 糧食模擬儲(chǔ)藏方法

將糧食裝入 1 500 mL的容器中,每個(gè)容器設(shè)2根外部帶有閥門的輸氣管,置于恒溫箱中儲(chǔ)藏.

1.2.5 平板菌落計(jì)數(shù)法

參照 GB 4789.15.

1.2.6 CO2檢測(cè)方法

檢測(cè)儀經(jīng)預(yù)熱后,將儀器的進(jìn)出氣管與糧食儲(chǔ)藏容器中設(shè)置的管道連接,打開(kāi)進(jìn)出氣管的閥門,啟動(dòng)輸氣泵,維持 2 min后,屏幕中顯示的數(shù)值即為糧堆中的 CO2濃度值.

2 結(jié)果與分析

2.1 糧食自身的呼吸狀況

用 5%次氯酸鈉溶液洗滌小麥,殺滅小麥上的微生物,用無(wú)菌水清洗后調(diào)節(jié)小麥水分至12%、15%和 17%,30℃儲(chǔ)藏,結(jié)果見(jiàn)圖 1.

由圖 1可知,水分為 12%的殺菌小麥儲(chǔ)藏環(huán)境中 CO2濃度變化不明顯,在 16 d的儲(chǔ)藏期中僅升高 0.044%,說(shuō)明安全水分糧食在常規(guī)儲(chǔ)糧期間監(jiān)測(cè)霉菌活動(dòng)時(shí),小麥自身的呼吸作用非常微弱,不會(huì)影響對(duì)檢測(cè)值的判斷.當(dāng)小麥水分達(dá)到15%和 17%時(shí),小麥籽粒的呼吸作用水平有所升高,糧堆 CO2濃度值變化比較明顯.

圖 1 糧食自身的呼吸(30℃)

進(jìn)一步分析糧食自身呼吸作用變化的線性關(guān)系,結(jié)果如表 1所示,不同水分糧食盡管呼吸強(qiáng)度不同,但呼吸產(chǎn)生 CO2的速率均非常恒定,其回歸線性方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)到或接近 1的水平,即具有嚴(yán)格的線性關(guān)系.因此,如果糧堆的 CO2濃度升高發(fā)生超出常規(guī)的變化,或有非線性的變化,即可以判斷是霉菌等危害性生物的作用.本試驗(yàn)在較高水分小麥的儲(chǔ)藏期間檢測(cè)的 CO2濃度變化均采用減去小麥在相應(yīng)水分條件下自身的呼吸量.

表1 糧食自身呼吸作用的線性關(guān)系

2.2 不同生理狀態(tài)的霉菌產(chǎn)生 CO2速率的變化

將灰綠曲霉單孢懸液均勻地噴灑到滅菌小麥上,水分調(diào)至 16.5%,裝于容器中,30℃儲(chǔ)藏,通過(guò)顯微鏡觀察了解霉菌生理狀態(tài)的變化,用 CO2傳感器檢測(cè)不同時(shí)期的 CO2濃度變化,結(jié)果如圖2所示.在霉菌的生長(zhǎng)過(guò)程中可以明顯地觀察到 3個(gè)生理階段,即孢子期、菌絲生長(zhǎng)期和子代繁殖體形成期.處于不同的生理狀態(tài)下的霉菌可以使糧堆中 CO2濃度變化速率表現(xiàn)出顯著的差異.當(dāng)灰綠曲霉處于孢子狀態(tài)時(shí),呼吸強(qiáng)度很弱,儲(chǔ)藏 2 d容器中CO2濃度僅升高0.18%,低于水分為 17%小麥無(wú)菌狀態(tài)下 2 d使 CO2濃度升高 0.25%的自身呼吸水平.當(dāng)霉菌生長(zhǎng)進(jìn)入菌絲生長(zhǎng)期后,糧堆中 CO2濃度迅速增加,此時(shí)霉菌呼吸最為旺盛,CO2濃度升高速率達(dá)到 0.42%/d,顯著高于常規(guī)儲(chǔ)藏水分糧食自身呼吸的水平,因此,如果用糧堆 CO2濃度變化監(jiān)測(cè)糧食霉菌的活動(dòng),這種濃度檢測(cè)值的顯著變化不容易被某種隨機(jī)檢測(cè)誤差所干擾.當(dāng)霉菌進(jìn)入子代繁殖體形成期后,呼吸強(qiáng)度有明顯下降現(xiàn)象,糧堆中 CO2濃度上升速率趨向平緩,速率較菌絲生長(zhǎng)期降低了約 60%.

圖 2 小麥儲(chǔ)藏期間的變化(30℃,16.5%)

霉菌不同生理狀態(tài)與糧堆 CO2濃度變化呈現(xiàn)的“S”形曲線在實(shí)際應(yīng)用中有重要的意義.大型糧庫(kù)的糧食儲(chǔ)藏期間,糧堆的溫濕度等條件通常不適合霉菌的生長(zhǎng),而且糧堆的溫度、水分變化非常緩慢,接近于實(shí)驗(yàn)室的恒溫恒濕條件,一般情況下霉菌將維持在孢子狀態(tài),與糧食種子一樣以微弱和穩(wěn)定的呼吸產(chǎn)生微量 CO2,如果監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高速率有明顯的變化,即可判斷有霉菌孢子的萌發(fā)和菌絲的生長(zhǎng)發(fā)生,此時(shí)如果采取一些常規(guī)的抑制霉菌生長(zhǎng)的措施,就不會(huì)導(dǎo)致糧食的明顯受損.抑制霉菌活動(dòng)的效果也可以通過(guò)糧堆 CO2釋放速度加以判斷,當(dāng)其速度恢復(fù)到常規(guī)水平時(shí),處理即可停止,以免由于過(guò)度處理造成能源、人力、物力及糧食品質(zhì)劣變等方面的損失.

利用玉米為基質(zhì)進(jìn)行相同的試驗(yàn)也得出相似的規(guī)律,如圖 3所示.說(shuō)明霉菌在不同糧食基質(zhì)中生長(zhǎng)時(shí)糧堆 CO2濃度變化均呈現(xiàn)“S”型規(guī)律.但霉菌在玉米基質(zhì)上生長(zhǎng)的代時(shí)要短一些,第10天已經(jīng)有大量的子代分生孢子形成,比小麥基質(zhì)提前了 2 d;糧堆中 CO2濃度升高的速度也更快一些,第 10天的糧堆 CO2濃度達(dá)到 4.0%,高于小麥基質(zhì)的 3.6%,其原因可能是玉米胚部組織松軟,脂肪、蛋白質(zhì)等含量豐富,更適合霉菌的生長(zhǎng).

比較玉米中霉菌生長(zhǎng)時(shí)糧堆 CO2濃度變化與脂肪酸含量的變化,可以發(fā)現(xiàn)玉米中脂肪酸值的升高也呈現(xiàn)“S”形曲線變化 (圖 3),在霉菌的菌絲生長(zhǎng)期間脂肪酸的變化速率最大,在本試驗(yàn)的一個(gè)霉菌生理變化周期中,玉米脂肪酸值就升高到國(guó)標(biāo) GB/T20570規(guī)定的輕度不宜存的范圍.由于檢測(cè)糧堆 CO2濃度變化這一操作方法非常簡(jiǎn)便,檢測(cè)重現(xiàn)性好,耗時(shí)短 (一般 2 min可完成一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的檢測(cè)),因此,可以作為常規(guī)糧庫(kù)儲(chǔ)糧期間監(jiān)測(cè)儲(chǔ)糧品質(zhì)變化的一個(gè)參考指標(biāo).

圖 3 玉米儲(chǔ)藏期間的變化(30℃,16.5%)

2.3 霉菌生長(zhǎng)速率與糧堆中 CO2濃度的關(guān)系

實(shí)際儲(chǔ)糧中,受糧食品種、原始水分、儲(chǔ)藏條件及帶菌量等多種因素的影響,霉菌生長(zhǎng)產(chǎn)生CO2的速率會(huì)有所不同,其生理周期持續(xù)的時(shí)間可能會(huì)有較大差異,顯然無(wú)法對(duì)各種組合全部進(jìn)行試驗(yàn).通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)霉菌生長(zhǎng)影響較大的溫度和水分條件,選擇幾個(gè)典型的組合,控制霉菌的生長(zhǎng)速率,檢測(cè)霉菌生長(zhǎng)速率與糧堆中 CO2濃度變化的關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖 4和圖 5.盡管霉菌在不同的水分和溫度下生長(zhǎng)速率變化較大,世代時(shí)間從幾天到一個(gè)月左右,但 CO2濃度變化曲線均呈“S”形.因此,可以確定糧堆中 CO2濃度的變化規(guī)律不受霉菌生長(zhǎng)速率的影響,而與霉菌生理狀態(tài)變化相關(guān).

3 結(jié)論

作者通過(guò)研究進(jìn)一步論證了可以利用檢測(cè)糧堆 CO2濃度變化了解儲(chǔ)糧中霉菌危害活動(dòng)的特性.糧食入庫(kù)進(jìn)入常規(guī)儲(chǔ)藏階段,糧食自身的呼吸強(qiáng)度微弱且較為穩(wěn)定,在沒(méi)有其他生物影響的狀況下,糧堆的 CO2濃度以嚴(yán)格的線性方式升高;如果儲(chǔ)糧中有霉菌的生長(zhǎng)、繁殖等生理活動(dòng),糧堆的 CO2濃度變化將改變線性的狀態(tài),呈現(xiàn)“S”形的變化;不同糧食種類及不同的溫、濕度等糧堆生態(tài)條件可以影響霉菌生長(zhǎng)的速度和世代發(fā)展的時(shí)間間隔,但不會(huì)改變糧堆 CO2濃度變化曲線有“S”形轉(zhuǎn)折的過(guò)程.利用研究結(jié)果,可以通過(guò)糧堆CO2濃度變化監(jiān)測(cè)結(jié)果劃分儲(chǔ)糧的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).當(dāng)糧堆 CO2濃度由較低的升高速率出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時(shí) (增速現(xiàn)象),標(biāo)志儲(chǔ)糧中的霉菌已經(jīng)開(kāi)始對(duì)品質(zhì)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的危害.在沒(méi)有外部通風(fēng)等作業(yè)的情況下,如果發(fā)現(xiàn)糧堆 CO2濃度升高速率由較高水平轉(zhuǎn)為濃度升高速率明顯的下降,通常并非意味著霉菌對(duì)儲(chǔ)糧危害狀態(tài)的減輕或消除,相反,應(yīng)該對(duì)霉菌活動(dòng)進(jìn)行更嚴(yán)密的關(guān)注,因?yàn)檫@是霉菌開(kāi)始進(jìn)入子代分生孢子形成時(shí)期的標(biāo)志,該階段往往伴隨著真菌毒素的產(chǎn)生,因此,在儲(chǔ)糧管理中應(yīng)針對(duì)這一現(xiàn)象及時(shí)采取抑制霉菌活動(dòng)的措施,消除導(dǎo)致儲(chǔ)糧帶毒的可能性.

[1] 李瑞芳,韓北忠,陳晶瑜,等.黃曲霉生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型的建立及其在玉米儲(chǔ)藏中的應(yīng)用[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào),2008,23(3):145-147.

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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”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BADA0B00-5)

耿旭(1983-),男,河南鄭州人,碩士研究生,研究方向?yàn)榧Z油食品微生物.