梁 媛 周緒霞 張烝彥 孫 俊 余建國 顧賽麒 丁玉庭

(浙江工業(yè)大學食品工程與質量控制研究所1，杭州 3100140)

(杭州市糧油中心檢驗監(jiān)測站2，杭州 310014)

(杭州市糧食收儲有限公司3，杭州 310014)

與傳統(tǒng)稻谷儲藏方式相比，糙米儲藏可以有效節(jié)省倉容、降低流通成本，是原糧儲藏的有效替代形式之一。但由于脫除了外層穎殼的保護且保留了完整的胚，糙米在儲藏過程中更易受到微生物污染和氧化變質，加速生理活性降低、脂肪氧化以及蛋白質降解等陳化現象的產生［1］。如何通過預處理和包裝等方式抑制其在儲藏過程中的品質劣變對糙米的儲藏至關重要。

谷物儲藏期間微生物會大量生長繁殖迅速并分解有機物質，致使谷物陳化、霉爛，品質受損嚴重［2，3］，因此，通過減菌預處理減少糙米中初始微生物含量是控制糙米儲藏過程中微生物增殖的有效途徑之一。目前應用于谷物減菌預處理的技術主要包括γ－輻照處理、微波處理和臭氧預處理等［4－6］。其中臭氧減菌處理具有氧化能力強、可以迅速分解不留痕跡、不產生有毒鹵代化合物、減菌迅速以及減菌范圍廣等優(yōu)勢［7］，目前已經單獨或聯合其他減菌技術應用于食品、糧食儲藏等加工行業(yè)，用于延長食品的貨架期和儲藏期［8－10］。周建新等［11］研究了臭氧預處理稻谷，表明臭氧預處理能明顯降低菌落總數、霉菌數量，證實臭氧預處理可以有效延長稻谷保鮮期。但目前未見臭氧預處理應用于糙米儲藏中的相關研究。

本研究探索性地將臭氧減菌預處理技術應用于糙米的儲藏，通過不同處理時間的對比分析獲得優(yōu)化的臭氧減菌時間，同時結合N2氣調包裝分析其對糙米初始微生物含量及儲藏過程中糙米發(fā)芽率、脂肪酸值、丙二醛含量、降落數值、電導率、直鏈淀粉含量等理化特性和以及色差、感官評分值等品質指標的影響。并通過基于SPSS分析軟件的主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)和聚類分析(Cluster analysis，CA)方法對以上各指標的相關性進行分析，探索糙米儲藏過程中品質劣化的關鍵性指標，對糙米儲糧實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

粳型糙米(2016年12月收獲于浙江杭州)，各項指標均符合GB/T 18810—2002中規(guī)定的一級糙米的標準。其中，初始水分為 13.5%，容重836，整精米率85%，雜質0.2%，不完善粒1.5%。

PCA、PDA培養(yǎng)基:青海高科園海博生物技術有限公司;氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鈉、過氧化氫:杭州蕭山化學試劑廠;三氯乙酸:國藥集團化學試劑有限公司;乙醇、高錳酸鉀:上海三愛思試劑有限公司。

1.2 儀器設備

臭氧發(fā)生儀:寧波江南儀器廠;RXZ智能型人工氣候箱:寧波江南儀器廠;JXFM110錘式旋風磨:上海嘉定糧油儀器有限公司;DDS－307電導率儀:上海儀電科學儀器股份有限公司;Kett精米機:日本東京Kett electric laboratory;759UV型紫外可見分光光度計:上海奧譜勒儀器有限公司;HunterLab ColorQ色差儀:美國Hunter Lab公司;MAP－H360復合氣調保鮮包裝機:蘇州森瑞保鮮設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 臭氧預處理實驗設計

為確定最適的臭氧預處理時間，分別取500 g糙米于保鮮袋中，通臭氧10～15 s至其濃度達到(1 800±100)mg/kg，之后封閉袋口分別保持10、20和30 min，期間不斷震蕩使臭氧和糙米表面充分接觸反應，分析不同臭氧預處理時間對糙米減菌效果的影響。結果表明，三個預處理時間中，20 min減菌效果最好，樣品菌落總數從起始的4.8×105CFU/g減少到 5.7×104CFU/g，減菌率達到 88.13%。因此，本實驗設計的臭氧預處理條件為:將50.0 kg糙米裝入滾揉機，通入臭氧使?jié)L揉機中臭氧濃度達到(1 800±100)mg/kg，然后關閉充氣口，打開滾揉機使糙米和臭氧充分接觸，減菌預處理20 min。

1.3.2 糙米儲藏實驗設計

糙米儲藏實驗分三組，分別為未經臭氧預處理的普通包裝組(X)、臭氧預處理的普通包裝組(Y)和臭氧預處理的N2氣調包裝組(Z，N2濃度98%)。三組樣品均采用聚苯乙烯包裝盒(18 cm×12.5 cm×3.5 cm)和PET/CPP膜包裝，每盒糙米樣品250 g，包裝材料預先經紫外減菌預處理。包裝后樣品分別置于14℃恒溫75%恒濕箱中儲藏，儲藏期12個月，期間每隔3個月取樣測定各指標，每組3個重復。

1.3.3 指標測定方法

菌落總數(Total plate count，TPC)和霉菌總數(Number of moulds，M)分別按照 GB 47892—2010 和GB/T 4789.15—2016測定;發(fā)芽率(Germination percentage，GP)按照 GB/T 5520—2011測定;脂肪酸值(Fatty Acid Value，FA)按照 GB/T 1564—2015測定;丙二醛含量(Malondialdehyde，MDA)按照 GB 5009.181—2016測定;電導率(Electronic conductivity，EC)測定參照李宏洋［12］的方法;直鏈淀粉含量(Amylose，Am)按照測定GB/T 15683—2008;過氧化氫酶活性(Catalase，CAT)按照 GB/T 5522—2008測定;降落數值(Falling number，FN)按照 GB/T 10361—2008 測定;整精米率(Head rice rate，HRC)按照 GB/T 21719—2009測定;色差使用HunterLab ColorQ色差儀測定;糙米蒸煮食用品質感官評價(Sensory evaluation，SE)參照 GB/T 15682—2008測定。

1.3.4 數據處理

實驗數據用SPSS 17.0進行方差分析、PCA分析和CA分析。其中PCA分析將菌落總數、霉菌總數、發(fā)芽率、脂肪酸值、丙二醛、電導率、直鏈淀粉含量、過氧化氫酶活性、降落數值、整精米率、色差、蒸煮食用品質感官評價作為變量進行降維分析;CA分析將PCA分析結果作為原始數據，計算夾角余弦值再進行聚類分析，從而找出指標和糙米儲藏品質變化的相關性。

圖1 儲藏期間糙米菌落總數及霉菌數量變化

2 結果與分析

2.1 臭氧預處理及N2氣調包裝對糙米微生物影響

圖1可以看出，臭氧預處理對糙米的減菌效果顯著。1 800 mg/kg濃度處理20 min后，糙米中的菌落總數從初始的 6×105CFU/g降至 5.7×104CFU/g，霉菌總數從1.6 ×103CFU/g降至 1.8 ×102CFU/g，減菌率分別達到90.5%和88.75%，達到了預期效果，且這種減菌效果一直維持至儲藏后期。12個月后，臭氧預處理樣品中菌落總數和霉菌總數的含量仍分別比對照組少89.4%和92.25%。與普通包裝相比，N2氣調可以在一定程度上抑制微生物的增殖，12個月后，其菌落總數和霉菌總數分別比普通包裝減少了93.86%和95.86%，說明臭氧預處理結合N2氣調包裝對糙米儲藏減菌及抑菌效果較好。

2.2 臭氧預處理及N2氣調包裝對糙米生理活性指標的影響

儲藏過程中糙米生理活性指標的變化如表1所示。從初始樣品(0個月)看，臭氧預處理在一定程度上增加了糙米的電導率和降落數值、降低了發(fā)芽率和過氧化氫酶活性，但差異均不顯著(P＞0.05)。一般認為，臭氧預處理只是表面減菌，并不會破壞糙米細胞膜的完整性，因此對糙米的生理活性不會產生顯著影響。

隨著儲藏時間的延長，各組糙米樣品的電導率、直鏈淀粉和降落數值等指標均不斷增加。過氧化氫酶和發(fā)芽率是反映糙米生理活性的直觀指標，而糙米浸出液的電導率與細胞膜的通透性有關。程建華等［13］研究表明:隨著儲藏時間的延長，糙米細胞膜結構逐漸松散破裂，細胞半透膜的通透性增加，影響活性的電解質和可溶性物質流失，造成種子生活力降低，也是衡量糙米生活力的重要指標之一。以上指標的增加，表明糙米生理活性在儲藏過程中不斷降低。

儲藏后期，N2氣調包裝組糙米的電導率和直鏈淀粉含量顯著低于普通包裝組(P＜0.05)，而發(fā)芽率顯著高于普通包裝組(P＜0.05)，說明N2氣調可以在一定程度上抑制糙米的陳化。從長期儲藏看，臭氧預處理結合氣調包裝可減緩糙米儲藏過程中生理活性的降低，包括抑制細胞膜結構的破裂、發(fā)芽率和過氧化氫酶活性的降低等，但對直鏈淀粉的含量沒有顯著影響(P＞0.05)。儲藏后期處理組糙米生理活性降低的減緩推測與臭氧預處理糙米在儲藏期間菌落總數和霉菌總數均保持較低水平有關。

2.3 臭氧預處理及N2氣調包裝對糙米氧化指標影響

如圖2所示，在12個月儲藏期內，糙米中脂肪酸值和丙二醛含量均顯著升高(P＜0.05)。臭氧減菌預處理在一定程度是增加了糙米的脂肪酸值，從14.97 mgKOH/100 g 升高到16.85 mgKOH/100 g，且在隨后的12個月內，臭氧預處理糙米的脂肪酸值均高于未處理組。脂肪酸值反映了糙米中脂肪水解為游離脂肪酸的含量，其含量的增加與臭氧的強氧化作用加速了糙米中脂肪的水解有關，這同周建新等［14］的實驗結論一致。

圖2 儲藏期間糙米脂肪酸值及丙二醛變化

表1 儲藏期間糙米生理活性指標的變化

臭氧預處理對初始糙米中丙二醛含量并沒有顯著的影響。但在儲藏第3個月后，臭氧預處理組糙米中丙二醛的含量開始高于未經處理組。糙米在儲藏過程中脂類物質酸敗產生的游離脂肪酸會在脂肪氧化酶的作用下可繼續(xù)分解產生醛類和酮類等小分子物質，主要產物為丙二醛，因此，丙二醛作為反應的中間產物能很好地反應脂肪的氧化程度［15］。儲藏后期臭氧預處理組丙二醛含量的增加推測與臭氧預處理增加了初始糙米中游離脂肪酸含量有關。與普通包裝相比，N2氣調包裝組糙米中脂肪酸值和丙二醛含量均低于普通包裝組，而臭氧預處理結合N2包裝組糙米的脂肪酸值和丙二醛含量均與未經臭氧預處理的糙米相近，說明N2包裝可以有效抑制因臭氧預處理所引起的糙米氧化現象的增加。

表2 儲藏期間糙米色差、感官及整精米率變化

2.4 臭氧預處理及N2氣調包裝對糙米感官評分、色差及整精米率的影響

由表2可知，在12個月儲藏期內，糙米L值逐漸降低，而a值和b值變化不顯著，臭氧預處理和N2氣調包裝對糙米外觀色澤均無顯著影響。隨著儲藏時間的增加，各組糙米的感官評分均逐漸降低。臭氧預處理對糙米氣味、外觀結構、適口性及滋味等蒸煮食用品質感官評分略有影響，但差異不顯著(P＞0.05)。N2氣調對儲藏前期糙米的感官評分影響不顯著(P＞0.05)，但儲藏6個月后，臭氧預處理結合N2氣調包裝組糙米的感官評分開始高于其他兩組樣品(P＜0.05)，說明從長期儲藏來說，N2氣調可以有效保持糙米的味道及口感。水分含量是影響糙米整精米率主要因素［16］，各組樣品在儲藏過程中水分含量均無顯著變化，因此，整精米率均無明顯趨勢性變化(P＞0.05)。

2.5 基于SPSS的各指標值PCA分析

對3種處理方式的糙米12個月內5個坐標點的12個指標值通過SPSS軟件進行PCA分析，結果見圖3和圖4。圖3展示了3種不同處理方式的糙米的PCA分析結果，可以看出，第一主成分與第二主成分貢獻度之和為84.08%，表明處理條件(X、Y、Z)和儲藏時間(0、3、6、9、12 月)對糙米品質變化具有顯著的影響，而此差異能在PC1、PC2構建的平面上充分展示。進一步分析圖3可知，隨著儲藏時間的延長，糙米品質指標變化越來越明顯，數據點橫坐標增大，向1、2象限移動，同原樣品相比，臭氧預處理組的糙米縱坐標降低，N2包裝組縱坐標稍高(集中于第2、第3象限)，說明臭氧預處理和N2氣調包裝對糙米品質有影響，縱坐標越小即品質越差，這與上述生理活性指標、氧化指標和感官評分指標的結果相一致。

圖4為12個指標PCA分析圖，其中每個“英文縮寫”對應某一指標，其距原點的距離可表示該指標對糙米品質變化的貢獻程度。將圖3和圖4比對，若圖4中“英文縮寫”與圖3中“樣品點”在各自主成分圖中所處位置相近，則兩者相關性較高?？梢钥闯?，反映儲藏初期糙米品質的主要特征指標有:發(fā)芽率(GP)、感官評分(SE)、過氧化氫酶活性(CAT)、整精米率(HRC);反映儲藏后期糙米品質的主要特征指標有:脂肪酸值(FA)、丙二醛含量(MDA)、直鏈淀粉含量(Am)、電導率(EC)、降落數值(FN);菌落總數(TPC)和霉菌數量(M)可能是影響對照組樣品儲藏中期和后期的指標。

圖3 3種處理方式糙米主成分分析圖

圖4 糙米儲藏過程中12個指標的主成分分析圖

2.6 對PCA主成分結果進行聚類分析(CA)

在比較數據點與變量的主成分分析結果時，通常的做法是將圖3和圖4重疊，經肉眼比較兩圖中數據點位置關系，若處于同一象限，則兩者相關性較高［17］。顧賽麒［18］認為此方法存在一定的缺陷性:a.只判斷兩者是否處于同一象限，此評價標準較為粗糙;b.在對比數據點和變量點主成分分析圖進行圖形縮放時，易造成數據點相對位置的“失真”。故其提出如下改進:通過計算其在同一象限中與坐標軸的夾角是否接近來判斷相關性大小。具體方法為:先計算數據點及指標點在各自主成分圖與坐標軸的夾角余弦值，將兩組數據的余弦值作為新的原始數據用SPSS軟件進行聚類分析，從而找出和數據點聚為一類的指標點。

圖5為儲藏12個月內糙米5個取樣點和14個指標的聚類分析圖。若某個月的數據點與指標點可聚為一類，則說明指標對這個數據點有較強關聯。由圖5可以看出:發(fā)芽率(GP)、感官評分(SE)、整精米率(HRC)、過氧化氫酶活性(CAT)和儲藏初期數據點緊密相關;丙二醛含量(MDA)、電導率(EC)、脂肪酸值(FA)、降落數值(FN)、直鏈淀粉含量(Am)和儲藏后期Y9、Y12、Z9數據點相近，同時與菌落總數(TPC)、霉菌數量(M)、X6、Z6、Z9、X9、X12 次相關，可以說明影響糙米儲藏過程中品質劣變的主要因素為氧化變質，菌落繁殖是第二影響因素，說明通過N2氣調包裝減緩其氧化速率和臭氧減菌前處理可以有效控制兩個主要品質劣化因素，從而延長糙米儲藏期。

圖5 主成分聚類分析圖

3 結論

臭氧預處理對糙米減菌效果明顯，最優(yōu)條件為臭氧濃度1 800 mg/kg減菌處理20 min，可以使菌落總數及霉菌總數均降低一個數量級。臭氧在減菌的同時也會對糙米產生氧化作用，主要表現為儲藏初期的脂肪酸值的升高，從最初的14.97 mgKOH/·100 g升高到16.85 mgKOH/100 g，和儲藏3個月后丙二醛含量的增加，但對糙米電導率、發(fā)芽率、直鏈淀粉、過氧化氫酶、降落數值、色差和感官指標影響并不顯著，說明臭氧主要是作用在糙米表面減菌和氧化，并未破壞糙米細胞完整性而降低其生理活性，對糙米的蒸煮食用品質感官評分也沒有顯著影響。N2氣調包裝可以有效抑制糙米儲藏過程中的陳化，該組糙米的發(fā)芽率、過氧化氫酶和感官評價稍高于普通包裝，而脂肪酸值、丙二醛濃度、電導率、直鏈淀粉和降落數值低于普通包裝?；赟PSS的PCA和PA分析結果表明，N2包裝由于隔絕氧氣，可以有效減緩糙米的氧化速率，而臭氧減菌可在一定程度上減緩儲藏期間因微生物增殖引起的糙米品質的劣變。綜合分析三組樣品，臭氧前處理結合N2氣調包裝可以有效的延長的糙米儲藏周期，可以考慮同時使用投入低溫糙米的儲藏中。