催化式紅外輻射預處理對糙米貯藏穩(wěn)定性的影響

姚豪杰,馬海樂,*,潘忠禮,吳本剛,洪 晨,王 珂

(1.江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.美國加州大學戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系,美國戴維斯 95616)

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催化式紅外輻射預處理對糙米貯藏穩(wěn)定性的影響

姚豪杰1,馬海樂1,*,潘忠禮2,吳本剛1,洪 晨1,王 珂1

(1.江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.美國加州大學戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系,美國戴維斯 95616)

本文研究了催化式紅外輻射預處理對糙米貯藏穩(wěn)定性的影響。先考察紅外輻射時間、輻射距離和糙米初始水分含量對糙米品質(zhì)的影響,得到最佳處理條件為:紅外輻射時間6 min、處理距離35 cm,初始水分含量14.50%。隨后在35 ℃、85% RH(相對濕度)下貯藏,通過測定貯藏期間游離脂肪酸、蟲害、霉菌等來比較不同環(huán)境的貯藏效果。結(jié)果顯示,紅外輻射氣調(diào)包裝組的糙米貯藏效果最好,游離脂肪酸僅增加15.45 mg KOH/100 g,霉菌總數(shù)保持在180 cfu/g左右,未有蟲害發(fā)生。以上結(jié)果表明,紅外輻射預處理能有效的減緩糙米游離脂肪酸的生成,降低水分含量,并抑制蟲害和霉變現(xiàn)象。

糙米,催化式紅外,游離脂肪酸,霉菌,蟲害

稻谷脫殼后即得到糙米,由果皮、種皮、糊粉層、胚乳及胚組成。糙米含有多種生物活性物質(zhì)[1-2],如神經(jīng)酰胺、γ-氨基丁酸、米脂纖維等,同時,糙米具有很強的生理活性,酶類豐富,呼吸旺盛[3]。因此,雖然糙米中僅含有2%的脂類,但若貯藏不當,極易在脂肪酶和微生物的共同作用下發(fā)生脂類酸敗[4-5]與霉變。目前,國內(nèi)外眾多專家致力于改善糙米儲藏穩(wěn)定性的研究,近年來有微波處理法[6-7]、蒸汽法[8]等。但微波法、蒸汽法耗能嚴重,不利于推廣。催化式紅外技術(shù)是近年來國際上新興的一種以天然氣為熱源的輻射加熱技術(shù),具有熱效率高、快速升溫、節(jié)約能耗的優(yōu)點[9]。該技術(shù)已用于農(nóng)副產(chǎn)品的殺青干燥[10]、滅菌[11]和稻谷殺蟲、防霉[12]等研究工作。目前,紅外輻射用于改善糙米儲藏穩(wěn)定性的研究仍鮮有報道。

本研究擬采用催化式紅外輻射的方法處理糙米,分析紅外輻射時間、輻射距離及糙米初始水分含量對糙米脂肪酶活性和發(fā)芽率的影響,在此基礎(chǔ)上研究紅外輻射預處理對糙米貯藏穩(wěn)定性的影響,為糙米的安全儲藏提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮粳稻(水分含量為14.50%±0.10%):江蘇泰州2015年產(chǎn);正辛酸(分析純) 北京北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)研究院;Tween-20、橄欖油、異辛烷、乙酸銅、吡啶、孟加拉紅培養(yǎng)基,均為分析純 國藥集團化學試劑有限公司。

催化式紅外輻射設(shè)備 堪薩斯催化工業(yè)集團有限公司(圖1);TM 350+紅外測溫儀 香港泰克曼電子儀器控股有限公司;手提式高速中藥粉碎機 溫嶺市林大機械有限公司;低速冷凍離心機 上海安亭科學儀器廠;LRH系列生化培養(yǎng)箱、恒溫恒濕培養(yǎng)箱 上海一恒科學儀器有限公司;IS-RDD3坐式恒溫振蕩器 上海良壹科學儀器有限公司;JLGJ45-B礱谷機 臺州沃糧糧用器材有限公司;JNNJ3B檢驗型碾米機 浙東糧檢儀器有限公司;DDS-11A電導率儀 上海雷磁新涇儀器有限公司;SW-CJ-2FD型雙人單面凈化工作臺 蘇州凈化設(shè)備有限公司;T-6新世紀紫外可見光分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;101-3電熱恒溫干燥箱、HH-S2數(shù)顯恒溫水浴箱 金壇市醫(yī)療儀器廠。

圖1 催化式紅外裝置示意圖Fig.1 Flameless gas infrared catalytic heater注:1.燃氣點火開關(guān);2.紅外輻射板;3.樣品盤;4.壓力表;5.壓力控制閥;6.燃氣開關(guān);7.液化氣;8.距離調(diào)節(jié)閥;9.保溫蓋。

1.2 實驗方法

1.2.1 紅外輻射預處理 打開紅外輻射裝置,燃氣壓力1.5 kPa,待紅外輻射板溫度穩(wěn)定(385±12) ℃后,準確稱取100 g糙米,將樣品放在直徑20 cm的托盤中(糙米厚度0.8 cm)并置于紅外發(fā)生器正下方,紅外處理期間,手動晃動托盤。加水調(diào)質(zhì)至糙米水分含量為16.0%～19.0%,保鮮膜密封,于4 ℃冰箱中靜置、平衡12 h,實驗前將樣品取出在室溫下放置約2 h使之溫度平衡。調(diào)節(jié)紅外輻射距離30～50 cm,處理3～7 min,用紅外測溫儀測量處理后糙米的表面溫度;隨即將糙米裝入密封小袋,置于60 ℃烘箱中緩蘇100 min。

1.2.2 強化貯藏 稱取經(jīng)紅外輻射預處理和未經(jīng)紅外輻射預處理的糙米,分裝在PE保鮮袋中氣調(diào)包裝(85% N2、15% CO2)和普通包裝(橡皮筋捆扎)中。每包180 g,置于35 ℃、85% RH的恒溫恒濕箱中,每隔15 d測定游離脂肪酸、脂肪酶活性、水分、電導率等指標(糙米在強化貯藏前放置兩個月,導致水分降低,游離脂肪酸含量增大:水分從14.50%降至11.90%,游離脂肪酸從28.52 mg KOH/100 g增至35.76 mg KOH/100 g)。

第一組:未紅外+氣調(diào)包裝;第二組:未紅外+普通包裝;第三組:紅外+氣調(diào)包裝;第四組:紅外+普通包裝。

1.2.3 水分測定 水分含量采用GB 5497-1985中105 ℃恒重法測定。

1.2.4 霉菌總數(shù)的測定 按照GB 478915-2010食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 霉菌和酵母計數(shù)的方法測定霉菌。

式(1)

1.2.5 脂肪酶活性的測定 參照劉潔[13]的方法,對粗酶浸提液略作修改。

粗酶浸提液的制備:選取新鮮飽滿、無損傷的成熟糙米19 g,經(jīng)碾米機處理后,糠粉過40目篩,稱取糠粉100 mg,加入1 mL 0.1 mol/L pH7.5 Tris-HCl緩沖液,混合均勻后浸提30 min。

殘余脂肪酶活性(%)=紅外處理后脂肪酶活性/紅外處理前脂肪酶活性×100

式(2)

1.2.6 脂肪酸吸光度標準曲線的繪制 配制不同濃度的正辛酸/異辛烷5 mL于10 mL離心管中,加1 mL脂肪酸顯色劑,在混勻器上充分振蕩1 min。離心后取上層有機相在710 nm以異辛烷作參比測定吸光度。

1.2.7 發(fā)芽率的測定 參照楊靖東[14]和GBT 5520-2011糧油檢驗 籽粒發(fā)芽實驗方法,對浸泡預處理略作修改。

浸泡預處理:取經(jīng)挑選、除雜、均勻的糙米將其漂洗干凈,用1%的次氯酸鈉溶液浸泡30 min左右(對其表面消毒),然后用去離子水沖洗5次,并用去離子水浸泡,在30 ℃恒溫培養(yǎng)箱放置24 h,然后按照國標操作。

1.2.8 電導率的測定 參照賈少英[15]提出的方法,對浸泡預處理略作修改。

浸泡預處理:選取40粒外觀無損傷的糙米,1.01 g等重,先用蒸餾水沖洗3次,然后用濾紙吸干浮水置于帶塞試管中,加入50 mL蒸餾水浸泡,空白樣作對照。30 ℃恒溫水浴13 h后,用DDS-11A電導率儀于室溫下(25 ℃)測定浸泡液的電導率。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用SPSS Statistics 19軟件進行差異性顯著分析,利用Origin Pro 2015軟件進行數(shù)據(jù)處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

按照1.2.6的方法測定脂肪酸含量,以脂肪酸濃度為橫坐標,吸光度為縱坐標繪制標準曲線。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制標準曲線如圖2所示。

圖2 脂肪酸濃度與吸光度關(guān)系標準曲線Fig.2 Standard curve of absorbance-concentration of fatty acids

由圖2可知,脂肪酸濃度與吸光度兩者之間的線性方程為y=0.6846x+0.013(R2=0.999),可用于測定糙米中游離脂肪酸。

2.2 紅外輻射時間對糙米的影響

在糙米初始水分含量為14.50%,紅外輻射距離為40 cm的條件下,處理時間對糙米脂肪酶活性和貯藏品質(zhì)的影響如表1所示。

表1 處理時間對糙米的影響Table 1 Effects of treatment time on the brown rice

注:同一行的不同上標字母表示顯著性差異,p<0.05(n=5),表2、表3同。

表2 紅外輻射距離對糙米的影響Table 2 Effects of IR irradiation distances on the brown rice

在一定的初始水分含量與紅外輻射距離情況下,經(jīng)紅外輻射處理后,脂肪酶活性顯著下降(p<0.05)。紅外輻射時間越長,糙米表面溫度升高越快(p<0.05)、水分含量降低顯著(p<0.05),4～5 min發(fā)芽率降低變化率最高,可能與胚的耐受程度有關(guān);輻射時間越長,溫度越高,5 min后,由于糙米內(nèi)部溫度梯度和濕度梯度的加大,從而加速了水分遷移的速率[16],加速水分散發(fā);在處理6 min之后,溫度約達到82 ℃,殺死大部分霉菌。綜合考慮各項指標的變化規(guī)律,著重考慮脂肪酶活性的穩(wěn)定和發(fā)芽率的變化情況,選擇紅外輻射時間6 min為最佳處理時間,在此條件下殘余脂肪酶活性為75.42%,發(fā)芽率為24.50%。

2.3 紅外輻射距離對糙米的影響

在糙米初始水分含量為14.50%,紅外輻射時間為6 min時,紅外輻射距離對糙米生理活性和貯藏品質(zhì)的影響如表2所示。隨著輻射距離的減小,脂肪酶活性、發(fā)芽率及水分含量均顯著降低(p<0.05),這是因為紅外輻射熱效應加強。隨著輻射距離的減小,溫度越高,殺菌效果越強,與易志的結(jié)果相一致[12]。輻射距離30 cm時,殺菌效果達到100%。因此,綜合考慮各項指標的變化規(guī)律,著重考慮脂肪酶活性和發(fā)芽率的穩(wěn)定情況,選擇紅外輻射距離35 cm為最佳輻射距離,在此情況下殘余脂肪酶活性為67.79%,發(fā)芽率為15.00%。

2.4 初始水分含量對糙米的影響

在紅外輻射距離為35 cm,處理時間為6 min時,糙米初始水分含量對其生理活性和貯藏品質(zhì)的影響如表3所示,隨著初始水分的增加,脂肪酶活性顯著性變化(p<0.05),但規(guī)律不明顯;水分含量越高,糙米表面溫度越低,可能是因為初始水分含量高造成溫度、濕度梯度大,易升溫,表面水分散發(fā)快速,從而降低了表面溫度。初始水分越高,處理后糙米的發(fā)芽率與霉菌總數(shù)越低,可能與水分子與熱的共同作用結(jié)果有關(guān)[17]。初始水分越高,紅外輻射后水分含量越高,考慮到高水分不利于糙米的貯藏,因此選擇糙米初始水分含量為14.50%,在此條件下,殘余脂肪酶活性為67.79%,發(fā)芽率為15.00%。

2.5 強化貯藏對蟲害的影響

蟲害不僅使糧食受到損失,而且還能引起糧堆局部發(fā)熱,從而促使霉變加劇。從圖3中可以看出,強化貯藏30 d后,只有第2組的糙米中發(fā)生了蟲害(米象),達到0.48頭/克;繼續(xù)強化貯藏后發(fā)現(xiàn),第2組的蟲害呈增長趨勢,在60 d時達到4.12頭/克,其余3組仍未檢測出蟲害。

2.6 強化貯藏對霉菌的影響

表3 初始水分含量對糙米的影響Table 3 Effects of initial water content on the brown rice

圖3 強化貯藏對蟲害的影響Fig.3 Effects of enhanced storage on insect pests注:第1組:未紅外+氣調(diào)包裝;第2組:未紅外+普通包裝;第3組:紅外+氣調(diào)包裝;第4組:紅外+普通包裝,圖4～圖9同。

糙米在貯藏期間易受霉菌的侵染,甚至產(chǎn)生霉變影響食用品質(zhì)。由圖4中可知,隨著貯藏時間的延長,第1、2組霉菌總數(shù)基本呈升高趨勢;第3、4組霉菌總數(shù)保持在180 cfu/g左右,遠低于1、2組(p<0.05)。紅外預處理能使霉菌在貯藏過程中保持在一個較低的程度,提高糙米貯藏穩(wěn)定性。

圖4 強化貯藏對霉菌的影響Fig.4 Effect of enhanced storage on mould

2.7 強化貯藏對發(fā)芽率的影響

發(fā)芽率是鑒定種子生命力和新鮮程度的重要指標,可用于評定糧食在貯藏過程中的品質(zhì)變化及其新鮮程度。從圖5中可以觀察到,隨著貯藏時間的延長,紅外組與未紅外組的發(fā)芽率均呈下降趨勢(p<0.05),但無論糙米是否經(jīng)過紅外輻射預處理,發(fā)芽率均在60 d左右全部喪失。這與糙米本身的耐受性有關(guān),高溫對籽粒的胚部長時間的作用,嚴重損傷了籽粒的發(fā)芽能力[18]。第4組糙米發(fā)芽率雖然與第2組相比下降很多,但在貯藏30 d時仍具有一定的發(fā)芽率,又未發(fā)生蟲害,適宜長期貯藏。

圖5 強化貯藏對發(fā)芽率的影響Fig.5 Effects of enhanced storage on germination rate

2.8 強化貯藏對電導率的影響

圖6 強化貯藏對電導率的影響Fig.6 Effects of enhanced storage on electric conductivity

細胞膜是細胞與外界環(huán)境隔離的屏障和溝通的橋梁,在細胞代謝活動中起著重要的作用。它不僅調(diào)節(jié)細胞的物質(zhì)交流和運輸,還可以影響代謝途徑中的酶活性[19]。細胞膜完整性的喪失使膜上的各種酶與底物接觸發(fā)生酶促反應,使得糙米營養(yǎng)成分被降解,脂肪酸值升高[20]。因此,維持細胞膜結(jié)構(gòu)的完整性,對于改善糙米貯藏穩(wěn)定性非常重要。從圖6中看出,電導率整體呈先升高再下降最后上升的趨勢,與張玉榮所描述的現(xiàn)象一致[21]。這種現(xiàn)象可能和細胞的自我修復能力有關(guān):在高溫下,細胞膜受損導致電解質(zhì)滲出;但由于細胞的自我修復能力,細胞膜得到修復,電解質(zhì)滲出減少;最后由于糙米的陳化程度加深,細胞膜的通透性逐漸增大,電解質(zhì)從胞內(nèi)大量滲出。貯藏60 d后,第2組細胞膜的完整性最低,電導率最大,其值為78.73 μs/cm/g。而第4組電導率值僅為54.27 μs/cm/g,與第1組相比相差不大。說明紅外輻射預處理能穩(wěn)定糙米細胞膜完整性,間接達到改善貯藏穩(wěn)定性的目的。

2.9 強化貯藏對水分含量的影響

糙米在貯藏過程中受環(huán)境因素影響而造成的失水或吸水,將會嚴重影響糙米的品質(zhì)。從圖7中可以看出,由于環(huán)境溫度高、濕度大,糙米吸濕,水分含量總體呈上升趨勢(p<0.05)。周玉龍[22]指出糙米水分含量一直增加,可能是糙米中水分含量低,與環(huán)境中的水分未趨于平衡所致。不同包裝方式對未紅外輻射糙米的水分影響顯著(p<0.05),第2組水分高于第1組的原因可能與蟲害現(xiàn)象有關(guān),糙米內(nèi)部暴露,淀粉等更易吸水。不同包裝方式對紅外輻射預處理糙米的水分影響不顯著(p>0.05),紅外預處理能使水分在貯藏過程中保持在一個較低的程度,減少游離脂肪酸的產(chǎn)生[23]。

圖7 強化貯藏對水分含量的影響Fig.7 Effects of enhanced storage on water content

2.10 強化貯藏對脂肪酶活性的影響

脂肪酶是脂肪分解代謝中第一個參與反應的酶,一般認為它對脂肪的轉(zhuǎn)化速率起著調(diào)控的作用[24],是稻谷貯藏過程中脂肪酸敗變質(zhì)的主要原因之一。從圖8中可以看出,在高溫高濕環(huán)境下,第1、3、4組脂肪酶活性整體上呈上升趨勢[25](p<0.05),第2組脂肪酶活性基本不變。隨著貯藏時間延長,第3、4組脂肪酶活性仍保持在1組脂肪酶活性的70%左右,說明經(jīng)紅外輻射預處理后的糙米脂肪酶活性穩(wěn)定;第2組與第1組相比,第2組受惡劣的高溫高濕環(huán)境影響,破壞脂肪酶活性,因此脂肪酶活性沒有升高。

圖8 強化貯藏對脂肪酶活性的影響Fig.8 Effects of enhanced storage on lipase activity

2.11 強化貯藏對游離脂肪酸的影響

游離脂肪酸常常作為糙米優(yōu)劣的靈敏指標,通過游離脂肪酸的測定,可以判斷糙米的貯藏情況和貯藏品質(zhì)[26]。從圖9中可以看出糙米貯藏過程中游離脂肪酸含量逐漸增加,紅外預處理能顯著調(diào)控游離脂肪酸的生成。貯藏60 d后,糙米的脂肪酸值由初始的35.76、37.49 mg KOH/100 g分別增至56.36、66.05、52.94、58.28 mg KOH/100 g。第2組游離脂肪酸值變化最大,增加30.29 mg KOH/100 g;第3組游離脂肪酸值變化最小,僅增加15.45 mg KOH/100 g;第1、4組游離脂肪酸值增加量相差不大,分別為20.60、20.79 mg KOH/100 g。

圖9 強化貯藏對游離脂肪酸的影響Fig.9 Effects of enhanced storage on free fatty acids

3 結(jié)論

催化紅外輻射預處理糙米,得到輻射最佳處理條件為:紅外輻射時間6 min、輻射距離35 cm,初始水分含量14.50%,在此條件下,糙米的殘余脂肪酶活性為67.79%,發(fā)芽率為15.00%,殘余霉菌為3.90%,水分含量為12.42%。

在強化貯藏過程中,催化式紅外輻射預處理使糙米水分含量維持在較低的程度,抑制霉變和蟲害,顯著調(diào)控游離脂肪酸的生成。催化式紅外輻射可作為改善糙米貯藏穩(wěn)定性的有效技術(shù)手段。

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Effect of catalytic infrared radiation pretreatment on stability of brown rice

YAO Hao-jie1,MA Hai-le1,*,PAN Zhong-li2,WU Ben-gang1,HONG Chen1,WANG Ke1

(1.School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,301 Xuefu Road,Zhenjiang 212013,China;2.Department of Biological and Agricultural Engineering,University of California - Davis,Davis,CA 95616,USA)

Effect of catalytic infrared radiation pretreatment on stability of brown rice was investigated. The effects of exposure time,radiation distance and initial moisture content were determined. The optical infrared processing condition was time of 6 min,distance of 35 cm,and initial moisture content of 14.50%. The insect pest,mould,germination rate,free fatty acids were determined with enhanced storage of 35 ℃ and 85% RH(relative humidity). The results indicated that pretreatment brown rice with MAP(modified atmosphere packaging)had the best preservation effect. Free fatty acids were increased only by 15.45 mg KOH/100 g,the total number of mould remained at about 180 cfu/g,while no pest occurred. The present findings indicated that catalytic infrared radiation pretreatment effectively delayed the formation of free fatty acids,maintained low moisture content,inhibited pests and mildew formation.

brown rice;catalytic infrared radiation;free fatty acids;mould;insect pest

2016-12-08

姚豪杰(1992-),男，碩士研究生,研究方向：糧油儲藏，E-mail:406220019@qq.com。

*通訊作者:馬海樂(1963-),博士，教授，研究方向：食品物理技術(shù)加工，E-mail:mhl@ujs.edu.cn。

國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201003077);江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目。

TS201.1

A

1002-0306(2017)11-0102-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.011