彭娜，姚姿婷，黃江峰，陳保善，3，張木清，3

（1.廣西大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南寧 530004；2.廣西生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；3.蔗糖產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004）

0 引言

甘蔗是主要的糖料作物，以甘蔗為原料的糖產(chǎn)量占全球糖供應(yīng)總量的85%以上[1]。在生產(chǎn)中，甘蔗蔗糖產(chǎn)量受其品質(zhì)嚴(yán)重影響。國內(nèi)甘蔗砍收后，由于各種原因，蔗糖企業(yè)不能做到原料蔗及時(shí)入榨，導(dǎo)致甘蔗品質(zhì)嚴(yán)重下降[2]。甘蔗砍收后堆放過程，隨著堆放時(shí)間延長，甘蔗品種蔗糖分、重力純度、簡純度、單莖重均逐漸下降，纖維分和還原糖分隨堆放時(shí)間推移而升高[3-9]。

廣西是我國最大的甘蔗和蔗糖生產(chǎn)基地，種植面積和蔗糖產(chǎn)量占全國的60%以上，蔗糖業(yè)產(chǎn)值占廣西國民生產(chǎn)總值的10%～11%[10]。但土地租金、勞動(dòng)力成本、立地條件等因素不斷推高甘蔗種植生產(chǎn)成本，2013 年以來廣西甘蔗播種面積呈下降趨勢(shì)。甘蔗全程機(jī)械化生產(chǎn)被認(rèn)為是降低甘蔗種植成本、提高種植經(jīng)濟(jì)效益的有效方法[11-12]。2017/2018 年榨季，甘蔗生產(chǎn)綜合機(jī)械化率達(dá)59%[13]，但機(jī)械收獲面積不到10%，成為蔗糖生產(chǎn)的主要限制因素。但是我國機(jī)械收獲面臨很多問題，如農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合、收獲季節(jié)的降雨、含雜率高等問題，甘蔗機(jī)械收獲后未及時(shí)壓榨導(dǎo)致的蔗糖分損失是其中的一個(gè)關(guān)鍵問題。機(jī)械收獲帶來更多的切口和傷口，如蔗頭破裂等，這些傷口加劇了甘蔗劣化[14]，給糖廠帶來經(jīng)濟(jì)損失。因此，探究這一過程中的影響因素從而控制其發(fā)生具有重要意義。莖段劣變發(fā)生的環(huán)境因素較復(fù)雜，本研究旨在確定甘蔗劣變過程的核心影響因素，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中甘蔗機(jī)械收獲的合理安排時(shí)間及收獲后處理提供有價(jià)值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采自廣西大學(xué)扶綏基地，品種為廣西大學(xué)培育的‘中蔗1 號(hào)’、‘中蔗9 號(hào)’、‘中蔗10 號(hào)’、‘中蔗11號(hào)’。試驗(yàn)材料種植時(shí)間為2018年2月5日，試驗(yàn)材料獲取時(shí)間為2018年12月10日。

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)所涉及的試驗(yàn)儀器：電子分析天平(METTLER TOLEDO，上海)、DM540-CPS 系統(tǒng)（Bruker Optik GmbH，Germany）、恒溫培養(yǎng)箱（SANFA，上海）、自動(dòng)旋光儀（加航，上海）、手持錘度計(jì)（ATAGO，日本）、臺(tái)式數(shù)顯pH 計(jì)(METTLER TOLEDO，上海)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

我們發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中劣變是從切口（傷口）處開始發(fā)生的，并且劣變程度與莖段切口和傷口數(shù)量相關(guān)，多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用DM540-CPS系統(tǒng)能夠在不產(chǎn)生蔗汁的情況下增大傷口面積，加速劣變發(fā)生。生產(chǎn)中的儲(chǔ)存莖段的環(huán)境復(fù)雜，影響因素眾多，試驗(yàn)室環(huán)境難以模擬。因此將其進(jìn)行極端處理，加速劣變發(fā)生，有利于我們找到與劣變發(fā)生最相關(guān)的環(huán)境因素。通過DM540-CPS 系統(tǒng)（該系統(tǒng)通過高速旋轉(zhuǎn)刀片將甘蔗迅速粉碎，期間沒有壓榨過程，不產(chǎn)生蔗汁）將莖段粉碎后置于室溫和恒溫箱中，連續(xù)監(jiān)測其蔗糖含量、pH、錘度、微生物總數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。

采收成熟的健康甘蔗，6 根為一組，每個(gè)品種3 組，每組經(jīng)DM540-CPS 系統(tǒng)粉碎成直徑約5 mm 的碎塊，混勻后取樣，分別置于室溫（20 ℃）和高溫（37 ℃）恒溫培養(yǎng)箱中，處理0 h、12 h、48 h、84 h、120 h后取出，測量樣品中的蔗糖含量、pH、錘度并進(jìn)行微生物計(jì)數(shù)。

1.3.2 試驗(yàn)過程

取100 g 莖段粉末，按照全國甘蔗糖業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量檢測中心制定的二次旋光法測量蔗糖含量。另取100 g莖段粉末，加300 mL ddH2O，榨汁機(jī)混勻，經(jīng)過8層紗布過濾，對(duì)濾液進(jìn)行pH、錘度和菌落總數(shù)測定。菌落總數(shù)（TVC）采用GB 4789.2-2010法[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel統(tǒng)計(jì)處理，用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行鄧肯多重比較（Duncans multiple-range test），p＜0.05 為顯著性差異水平。采用Pearson 相關(guān)分析法進(jìn)行指標(biāo)相關(guān)性分析；以特征值大于1 對(duì)因子進(jìn)行提取，并獲得各檢測指標(biāo)和環(huán)境因素得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理?xiàng)l件對(duì)蔗糖含量的影響

儲(chǔ)存開始后，所有處理組的蔗糖含量均急劇下降，前12 h的蔗糖損失率高達(dá)30.87%，處理48 h后的蔗糖損失率為74.68%，48 h 后蔗糖含量趨于穩(wěn)定。由此可見，在傷口較多的情況下，莖段劣變發(fā)生十分迅猛，蔗糖損失在12 h 內(nèi)就已達(dá)極顯著水平。不同的溫度處理組之間，37 ℃高溫組下降斜率更大，樣品中蔗糖含量更快地降解為零，可見高溫條件下糖分損失更快。同一處理的不同品種之間蔗糖含量下降斜率基本相同，中蔗10號(hào)和中蔗11號(hào)是高糖品種，糖分損失速率相同的情況下，放置相同時(shí)間其蔗糖分含量高于低糖品種，即中蔗1號(hào)和中蔗9 號(hào)。從0 h到120 h，蔗糖分降幅大小為：中蔗11號(hào)＞中蔗10號(hào)＞中蔗9號(hào)＞中蔗1號(hào)（圖1）。

圖1 不同處理?xiàng)l件對(duì)蔗糖含量的影響Fig.1 Sucrose content of sugarcane stored at different temperatures

2.2 不同處理下pH的變化

新鮮甘蔗莖段的pH 在5.5左右，儲(chǔ)存前12 h內(nèi)，所有處理組的pH均急劇下降至4.0左右，12 h后pH下降速度減慢趨于穩(wěn)定（圖2）。不同品種的pH 起始值略有不同，但在處理后的所有時(shí)間點(diǎn)均無顯著差異，可見溫度和品種未對(duì)pH變化產(chǎn)生顯著影響。

圖2 不同溫度處理?xiàng)l件對(duì)pH的影響Fig.2 pH variations in sugarcane stored at different temperatures

2.3 不同處理?xiàng)l件對(duì)微生物數(shù)量的影響

儲(chǔ)存開始時(shí)，樣品中細(xì)菌數(shù)量高于真菌（圖3），然而隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長，細(xì)菌菌落數(shù)量持續(xù)下降，可能是莖段中的酸性環(huán)境不適合細(xì)菌生長，高溫處理更是加快了衰減的速度。與細(xì)菌不同，處理12 h后的樣品中真菌菌落數(shù)量顯著上升，此時(shí)莖段中的營養(yǎng)物質(zhì)和適宜的環(huán)境溫度為真菌的生長繁殖提供良好的環(huán)境。不過，樣品中的真菌菌落總數(shù)在高溫條件下處理120 h后出現(xiàn)大幅下降，可能是高溫（37 ℃）條件下更適宜真菌生長，養(yǎng)分消耗更快，當(dāng)莖段中的養(yǎng)分已全部分解完畢，微生物群落趨于衰亡?？梢姡瑑?chǔ)存過程中，無論溫度如何，均有利于真菌生長繁殖，因此莖段采收后應(yīng)避免長時(shí)間的存放。

圖3 不同處理?xiàng)l件對(duì)微生物數(shù)量的影響Fig.3 Amounts(CFU)of bacteria and fungi of sugarcane stored at different temperatures

2.4 各指標(biāo)和環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析

以120 h 內(nèi)所測得的甘蔗各項(xiàng)指標(biāo)整體變化進(jìn)行相關(guān)分析（表1），結(jié)果表明，蔗糖與pH 呈顯著正相關(guān)，真菌菌落數(shù)量與蔗糖和pH含量呈顯著負(fù)相關(guān)，細(xì)菌菌落數(shù)量與蔗糖和pH含量呈顯著正相關(guān)，顯著水平均是極顯著。研究同時(shí)表明，儲(chǔ)存時(shí)間與蔗糖含量、pH 和菌落數(shù)量均顯著相關(guān)，是劣變過程的核心影響因素。而儲(chǔ)存溫度僅與微生物菌落總數(shù)顯著相關(guān)，與蔗糖含量和pH 無顯著相關(guān)性，說明儲(chǔ)存溫度對(duì)微生物數(shù)量有一定影響，但影響還不足以使得劣變程度產(chǎn)生顯著差異。另外，甘蔗品種只與蔗糖含量呈極顯著相關(guān)，與pH和微生物數(shù)量都無顯著相關(guān)性，說明不同品種影響莖段中蔗糖的含量，但對(duì)劣變程度沒有顯著影響。

表1 各檢測指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 1 Correlation coefficient matrix of each index

表2 各測試指標(biāo)的因子分析Table 2 Factor analysis of each index

2.5 因子分析

對(duì)蔗糖含量、甘蔗品種、處理時(shí)間、儲(chǔ)存溫度、pH 值、菌落計(jì)數(shù)6個(gè)指標(biāo)的特征向量和貢獻(xiàn)率進(jìn)行因子分析（表2）。結(jié)果表明，3 個(gè)因子特征值累積貢獻(xiàn)率85.5%（分別為49.1%、21.8%、14.616%），在第一因子中，蔗糖含量、pH 值、細(xì)菌菌落總數(shù)和處理時(shí)間的系數(shù)較大，占全部信息量的49.1%，蔗糖含量、pH值和菌落總數(shù)是衡量劣變程度的指標(biāo)，故該因子代表了儲(chǔ)存時(shí)間和劣變程度的情況，也證明了在3個(gè)環(huán)境因子中儲(chǔ)存時(shí)間是與劣變程度關(guān)系最密切的環(huán)境因子；在第二因子中，儲(chǔ)存溫度和真菌菌落總數(shù)的系數(shù)比較大，反映了全部信息量的21.8%；在第三因子中，甘蔗品種的系數(shù)比較大，反映了全部信息量的14.6%。

3 討論與結(jié)論

甘蔗機(jī)收堆放過程中，隨著時(shí)間的推移，品質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，其劣變程度受儲(chǔ)存時(shí)間、甘蔗品種、環(huán)境溫度等多因素影響，進(jìn)而影響產(chǎn)糖率，對(duì)蔗農(nóng)和糖廠造成損失。本研究選用中蔗系列4 個(gè)品種，對(duì)莖段進(jìn)行粉碎處理加快劣變發(fā)生，探究機(jī)收后儲(chǔ)存時(shí)間、甘蔗品種、環(huán)境溫度對(duì)莖段劣變程度的影響。結(jié)果顯示，在堆放前12 h 內(nèi)，蔗糖含量和pH 值顯著下降，真菌菌落數(shù)量顯著上升，檢測指標(biāo)的相關(guān)性分析顯示蔗糖含量與pH 值和菌落總數(shù)顯著相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果相同[3-4，16-17]，且試驗(yàn)結(jié)果也與田間觀察到的現(xiàn)象一致。甘蔗品質(zhì)劣變總是伴隨著酸化且在切口處能明顯觀察到附著白色、青色或紅色的真菌菌絲。pH 和真菌菌落總數(shù)的變化在前12 h內(nèi)完成顯著變化后趨于穩(wěn)定，而蔗糖含量的下降是到48 h 后才趨于穩(wěn)定，說明在前12 h內(nèi)，真菌大幅增長，消耗蔗糖并產(chǎn)生有機(jī)酸降低環(huán)境pH 值。在酸性環(huán)境下，蔗糖易轉(zhuǎn)化為單糖，并抑制細(xì)菌生長，從而使得真菌維持高豐度直至養(yǎng)分耗盡。前人的研究將蔗糖含量的下降歸結(jié)于3方面原因，莖段呼吸、酸轉(zhuǎn)化和微生物，其中微生物發(fā)揮主要作用[20]，這與我們的結(jié)果一致。

對(duì)檢測指標(biāo)和環(huán)境因素的相關(guān)性分析，結(jié)果顯示劣變過程的核心影響因素是儲(chǔ)存時(shí)間，其次是儲(chǔ)存溫度，與甘蔗品種相關(guān)性不高。儲(chǔ)存時(shí)間與反映劣變程度的指標(biāo)，蔗糖含量、pH 和菌落數(shù)量均極顯著相關(guān)?？傮w來看，莖段切碎后12 h內(nèi)蔗糖損失高達(dá)30.87%，48 h后的蔗糖損失率達(dá)到74.68%，縮短儲(chǔ)存時(shí)間才是減少糖分降解的有效途徑。另外，儲(chǔ)存溫度越高，真菌菌落數(shù)量上升和蔗糖下降速率越快。儲(chǔ)存溫度只與微生物數(shù)量顯著相關(guān)，與其他指標(biāo)無顯著相關(guān)，即環(huán)境溫度較高會(huì)在一定程度上加快劣變，但影響作用尚不顯著。而甘蔗品種與蔗糖含量相關(guān)，與其他指標(biāo)均無相關(guān)性，說明不同的甘蔗品種蔗糖含量差異大，但并不影響其劣變發(fā)生程度，因此甘蔗品種不是驅(qū)動(dòng)劣變過程的核心影響因素。因子分析是主成分分析的進(jìn)一步發(fā)展，是用較少數(shù)的公因子的線性函數(shù)與特定因子之和來表達(dá)原觀察變量的每一個(gè)分量，以達(dá)到合宜的解釋原變量相關(guān)性并降低其維數(shù)的目的[19-20]。本研究采用因子分析將6 個(gè)指標(biāo)分為3個(gè)主因子，在此基礎(chǔ)上得到了與相關(guān)性分析一致的結(jié)果。儲(chǔ)存時(shí)間和檢測指標(biāo)歸屬于因子1，解釋了總變異的49.1%。綜合所有分析顯示，建議糖廠在安排甘蔗收運(yùn)榨工作時(shí)，盡量選擇環(huán)境溫度較低的天氣進(jìn)行機(jī)械收獲，并且在收獲后12 h內(nèi)進(jìn)場壓榨，避免過夜。