基于PCA分析臭氧減菌結(jié)合氣調(diào)包裝對(duì)糙米儲(chǔ)藏品質(zhì)的影響

梁 媛 周緒霞 張烝彥 孫 俊 余建國(guó) 顧賽麒 丁玉庭

(浙江工業(yè)大學(xué)食品工程與質(zhì)量控制研究所1，杭州 3100140)

(杭州市糧油中心檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)站2，杭州 310014)

(杭州市糧食收儲(chǔ)有限公司3，杭州 310014)

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

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

本研究探索性地將臭氧減菌預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于糙米的儲(chǔ)藏，通過(guò)不同處理時(shí)間的對(duì)比分析獲得優(yōu)化的臭氧減菌時(shí)間，同時(shí)結(jié)合N2氣調(diào)包裝分析其對(duì)糙米初始微生物含量及儲(chǔ)藏過(guò)程中糙米發(fā)芽率、脂肪酸值、丙二醛含量、降落數(shù)值、電導(dǎo)率、直鏈淀粉含量等理化特性和以及色差、感官評(píng)分值等品質(zhì)指標(biāo)的影響。并通過(guò)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(duì)以上各指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析，探索糙米儲(chǔ)藏過(guò)程中品質(zhì)劣化的關(guān)鍵性指標(biāo)，對(duì)糙米儲(chǔ)糧實(shí)踐提供理論依據(jù)。

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(xiàng)指標(biāo)均符合GB/T 18810—2002中規(guī)定的一級(jí)糙米的標(biāo)準(zhǔn)。其中，初始水分為 13.5%，容重836，整精米率85%，雜質(zhì)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(shù)有限公司;氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鈉、過(guò)氧化氫:杭州蕭山化學(xué)試劑廠;三氯乙酸:國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;乙醇、高錳酸鉀:上海三愛(ài)思試劑有限公司。

1.2 儀器設(shè)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(fēng)磨:上海嘉定糧油儀器有限公司;DDS－307電導(dǎo)率儀:上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;Kett精米機(jī):日本東京Kett electric laboratory;759UV型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):上海奧譜勒儀器有限公司;HunterLab ColorQ色差儀:美國(guó)Hunter Lab公司;MAP－H360復(fù)合氣調(diào)保鮮包裝機(jī):蘇州森瑞保鮮設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 臭氧預(yù)處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定最適的臭氧預(yù)處理時(shí)間，分別取500 g糙米于保鮮袋中，通臭氧10～15 s至其濃度達(dá)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(yīng)，分析不同臭氧預(yù)處理時(shí)間對(duì)糙米減菌效果的影響。結(jié)果表明，三個(gè)預(yù)處理時(shí)間中，20 min減菌效果最好，樣品菌落總數(shù)從起始的4.8×105CFU/g減少到 5.7×104CFU/g，減菌率達(dá)到 88.13%。因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的臭氧預(yù)處理?xiàng)l件為:將50.0 kg糙米裝入滾揉機(jī)，通入臭氧使?jié)L揉機(jī)中臭氧濃度達(dá)到(1 800±100)mg/kg，然后關(guān)閉充氣口，打開(kāi)滾揉機(jī)使糙米和臭氧充分接觸，減菌預(yù)處理20 min。

1.3.2 糙米儲(chǔ)藏實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

糙米儲(chǔ)藏實(shí)驗(yàn)分三組，分別為未經(jīng)臭氧預(yù)處理的普通包裝組(X)、臭氧預(yù)處理的普通包裝組(Y)和臭氧預(yù)處理的N2氣調(diào)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(yù)先經(jīng)紫外減菌預(yù)處理。包裝后樣品分別置于14℃恒溫75%恒濕箱中儲(chǔ)藏，儲(chǔ)藏期12個(gè)月，期間每隔3個(gè)月取樣測(cè)定各指標(biāo)，每組3個(gè)重復(fù)。

1.3.3 指標(biāo)測(cè)定方法

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

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析、PCA分析和CA分析。其中PCA分析將菌落總數(shù)、霉菌總數(shù)、發(fā)芽率、脂肪酸值、丙二醛、電導(dǎo)率、直鏈淀粉含量、過(guò)氧化氫酶活性、降落數(shù)值、整精米率、色差、蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)作為變量進(jìn)行降維分析;CA分析將PCA分析結(jié)果作為原始數(shù)據(jù)，計(jì)算夾角余弦值再進(jìn)行聚類分析，從而找出指標(biāo)和糙米儲(chǔ)藏品質(zhì)變化的相關(guān)性。

圖1 儲(chǔ)藏期間糙米菌落總數(shù)及霉菌數(shù)量變化

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧預(yù)處理及N2氣調(diào)包裝對(duì)糙米微生物影響

圖1可以看出，臭氧預(yù)處理對(duì)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(shù)從初始的 6×105CFU/g降至 5.7×104CFU/g，霉菌總數(shù)從1.6 ×103CFU/g降至 1.8 ×102CFU/g，減菌率分別達(dá)到90.5%和88.75%，達(dá)到了預(yù)期效果，且這種減菌效果一直維持至儲(chǔ)藏后期。12個(gè)月后，臭氧預(yù)處理樣品中菌落總數(shù)和霉菌總數(shù)的含量仍分別比對(duì)照組少89.4%和92.25%。與普通包裝相比，N2氣調(diào)可以在一定程度上抑制微生物的增殖，12個(gè)月后，其菌落總數(shù)和霉菌總數(shù)分別比普通包裝減少了93.86%和95.86%，說(shuō)明臭氧預(yù)處理結(jié)合N2氣調(diào)包裝對(duì)糙米儲(chǔ)藏減菌及抑菌效果較好。

2.2 臭氧預(yù)處理及N2氣調(diào)包裝對(duì)糙米生理活性指標(biāo)的影響

儲(chǔ)藏過(guò)程中糙米生理活性指標(biāo)的變化如表1所示。從初始樣品(0個(gè)月)看，臭氧預(yù)處理在一定程度上增加了糙米的電導(dǎo)率和降落數(shù)值、降低了發(fā)芽率和過(guò)氧化氫酶活性，但差異均不顯著(P＞0.05)。一般認(rèn)為，臭氧預(yù)處理只是表面減菌，并不會(huì)破壞糙米細(xì)胞膜的完整性，因此對(duì)糙米的生理活性不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，各組糙米樣品的電導(dǎo)率、直鏈淀粉和降落數(shù)值等指標(biāo)均不斷增加。過(guò)氧化氫酶和發(fā)芽率是反映糙米生理活性的直觀指標(biāo)，而糙米浸出液的電導(dǎo)率與細(xì)胞膜的通透性有關(guān)。程建華等［13］研究表明:隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，糙米細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)逐漸松散破裂，細(xì)胞半透膜的通透性增加，影響活性的電解質(zhì)和可溶性物質(zhì)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(biāo)之一。以上指標(biāo)的增加，表明糙米生理活性在儲(chǔ)藏過(guò)程中不斷降低。

儲(chǔ)藏后期，N2氣調(diào)包裝組糙米的電導(dǎo)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(shuō)明N2氣調(diào)可以在一定程度上抑制糙米的陳化。從長(zhǎng)期儲(chǔ)藏看，臭氧預(yù)處理結(jié)合氣調(diào)包裝可減緩糙米儲(chǔ)藏過(guò)程中生理活性的降低，包括抑制細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破裂、發(fā)芽率和過(guò)氧化氫酶活性的降低等，但對(duì)直鏈淀粉的含量沒(méi)有顯著影響(P＞0.05)。儲(chǔ)藏后期處理組糙米生理活性降低的減緩?fù)茰y(cè)與臭氧預(yù)處理糙米在儲(chǔ)藏期間菌落總數(shù)和霉菌總數(shù)均保持較低水平有關(guān)。

2.3 臭氧預(yù)處理及N2氣調(diào)包裝對(duì)糙米氧化指標(biāo)影響

如圖2所示，在12個(gè)月儲(chǔ)藏期內(nèi)，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(yù)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(gè)月內(nèi)，臭氧預(yù)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(qiáng)氧化作用加速了糙米中脂肪的水解有關(guān)，這同周建新等［14］的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。

圖2 儲(chǔ)藏期間糙米脂肪酸值及丙二醛變化

表1 儲(chǔ)藏期間糙米生理活性指標(biāo)的變化

臭氧預(yù)處理對(duì)初始糙米中丙二醛含量并沒(méi)有顯著的影響。但在儲(chǔ)藏第3個(gè)月后，臭氧預(yù)處理組糙米中丙二醛的含量開(kāi)始高于未經(jīng)處理組。糙米在儲(chǔ)藏過(guò)程中脂類物質(zhì)酸敗產(chǎn)生的游離脂肪酸會(huì)在脂肪氧化酶的作用下可繼續(xù)分解產(chǎn)生醛類和酮類等小分子物質(zhì)，主要產(chǎn)物為丙二醛，因此，丙二醛作為反應(yīng)的中間產(chǎn)物能很好地反應(yīng)脂肪的氧化程度［15］。儲(chǔ)藏后期臭氧預(yù)處理組丙二醛含量的增加推測(cè)與臭氧預(yù)處理增加了初始糙米中游離脂肪酸含量有關(guān)。與普通包裝相比，N2氣調(diào)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(yù)處理結(jié)合N2包裝組糙米的脂肪酸值和丙二醛含量均與未經(jīng)臭氧預(yù)處理的糙米相近，說(shuō)明N2包裝可以有效抑制因臭氧預(yù)處理所引起的糙米氧化現(xiàn)象的增加。

表2 儲(chǔ)藏期間糙米色差、感官及整精米率變化

2.4 臭氧預(yù)處理及N2氣調(diào)包裝對(duì)糙米感官評(píng)分、色差及整精米率的影響

由表2可知，在12個(gè)月儲(chǔ)藏期內(nèi)，糙米L值逐漸降低，而a值和b值變化不顯著，臭氧預(yù)處理和N2氣調(diào)包裝對(duì)糙米外觀色澤均無(wú)顯著影響。隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加，各組糙米的感官評(píng)分均逐漸降低。臭氧預(yù)處理對(duì)糙米氣味、外觀結(jié)構(gòu)、適口性及滋味等蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)分略有影響，但差異不顯著(P＞0.05)。N2氣調(diào)對(duì)儲(chǔ)藏前期糙米的感官評(píng)分影響不顯著(P＞0.05)，但儲(chǔ)藏6個(gè)月后，臭氧預(yù)處理結(jié)合N2氣調(diào)包裝組糙米的感官評(píng)分開(kāi)始高于其他兩組樣品(P＜0.05)，說(shuō)明從長(zhǎng)期儲(chǔ)藏來(lái)說(shuō)，N2氣調(diào)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(chǔ)藏過(guò)程中水分含量均無(wú)顯著變化，因此，整精米率均無(wú)明顯趨勢(shì)性變化(P＞0.05)。

2.5 基于SPSS的各指標(biāo)值PCA分析

對(duì)3種處理方式的糙米12個(gè)月內(nèi)5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的12個(gè)指標(biāo)值通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行PCA分析，結(jié)果見(jiàn)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(jié)果，可以看出，第一主成分與第二主成分貢獻(xiàn)度之和為84.08%，表明處理?xiàng)l件(X、Y、Z)和儲(chǔ)藏時(shí)間(0、3、6、9、12 月)對(duì)糙米品質(zhì)變化具有顯著的影響，而此差異能在PC1、PC2構(gòu)建的平面上充分展示。進(jìn)一步分析圖3可知，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，糙米品質(zhì)指標(biāo)變化越來(lái)越明顯，數(shù)據(jù)點(diǎn)橫坐標(biāo)增大，向1、2象限移動(dòng)，同原樣品相比，臭氧預(yù)處理組的糙米縱坐標(biāo)降低，N2包裝組縱坐標(biāo)稍高(集中于第2、第3象限)，說(shuō)明臭氧預(yù)處理和N2氣調(diào)包裝對(duì)糙米品質(zhì)有影響，縱坐標(biāo)越小即品質(zhì)越差，這與上述生理活性指標(biāo)、氧化指標(biāo)和感官評(píng)分指標(biāo)的結(jié)果相一致。

圖4為12個(gè)指標(biāo)PCA分析圖，其中每個(gè)“英文縮寫(xiě)”對(duì)應(yīng)某一指標(biāo)，其距原點(diǎn)的距離可表示該指標(biāo)對(duì)糙米品質(zhì)變化的貢獻(xiàn)程度。將圖3和圖4比對(duì)，若圖4中“英文縮寫(xiě)”與圖3中“樣品點(diǎn)”在各自主成分圖中所處位置相近，則兩者相關(guān)性較高?？梢钥闯?，反映儲(chǔ)藏初期糙米品質(zhì)的主要特征指標(biāo)有:發(fā)芽率(GP)、感官評(píng)分(SE)、過(guò)氧化氫酶活性(CAT)、整精米率(HRC);反映儲(chǔ)藏后期糙米品質(zhì)的主要特征指標(biāo)有:脂肪酸值(FA)、丙二醛含量(MDA)、直鏈淀粉含量(Am)、電導(dǎo)率(EC)、降落數(shù)值(FN);菌落總數(shù)(TPC)和霉菌數(shù)量(M)可能是影響對(duì)照組樣品儲(chǔ)藏中期和后期的指標(biāo)。

圖3 3種處理方式糙米主成分分析圖

圖4 糙米儲(chǔ)藏過(guò)程中12個(gè)指標(biāo)的主成分分析圖

2.6 對(duì)PCA主成分結(jié)果進(jìn)行聚類分析(CA)

在比較數(shù)據(jù)點(diǎn)與變量的主成分分析結(jié)果時(shí)，通常的做法是將圖3和圖4重疊，經(jīng)肉眼比較兩圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)位置關(guān)系，若處于同一象限，則兩者相關(guān)性較高［17］。顧賽麒［18］認(rèn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為粗糙;b.在對(duì)比數(shù)據(jù)點(diǎn)和變量點(diǎn)主成分分析圖進(jìn)行圖形縮放時(shí)，易造成數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)位置的“失真”。故其提出如下改進(jìn):通過(guò)計(jì)算其在同一象限中與坐標(biāo)軸的夾角是否接近來(lái)判斷相關(guān)性大小。具體方法為:先計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)及指標(biāo)點(diǎn)在各自主成分圖與坐標(biāo)軸的夾角余弦值，將兩組數(shù)據(jù)的余弦值作為新的原始數(shù)據(jù)用SPSS軟件進(jìn)行聚類分析，從而找出和數(shù)據(jù)點(diǎn)聚為一類的指標(biāo)點(diǎn)。

圖5為儲(chǔ)藏12個(gè)月內(nèi)糙米5個(gè)取樣點(diǎn)和14個(gè)指標(biāo)的聚類分析圖。若某個(gè)月的數(shù)據(jù)點(diǎn)與指標(biāo)點(diǎn)可聚為一類，則說(shuō)明指標(biāo)對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)。由圖5可以看出:發(fā)芽率(GP)、感官評(píng)分(SE)、整精米率(HRC)、過(guò)氧化氫酶活性(CAT)和儲(chǔ)藏初期數(shù)據(jù)點(diǎn)緊密相關(guān);丙二醛含量(MDA)、電導(dǎo)率(EC)、脂肪酸值(FA)、降落數(shù)值(FN)、直鏈淀粉含量(Am)和儲(chǔ)藏后期Y9、Y12、Z9數(shù)據(jù)點(diǎn)相近，同時(shí)與菌落總數(shù)(TPC)、霉菌數(shù)量(M)、X6、Z6、Z9、X9、X12 次相關(guān)，可以說(shuō)明影響糙米儲(chǔ)藏過(guò)程中品質(zhì)劣變的主要因素為氧化變質(zhì)，菌落繁殖是第二影響因素，說(shuō)明通過(guò)N2氣調(diào)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(gè)主要品質(zhì)劣化因素，從而延長(zhǎng)糙米儲(chǔ)藏期。

圖5 主成分聚類分析圖

3 結(jié)論

臭氧預(yù)處理對(duì)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(shù)及霉菌總數(shù)均降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。臭氧在減菌的同時(shí)也會(huì)對(duì)糙米產(chǎn)生氧化作用，主要表現(xiàn)為儲(chǔ)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(chǔ)藏3個(gè)月后丙二醛含量的增加，但對(duì)糙米電導(dǎo)率、發(fā)芽率、直鏈淀粉、過(guò)氧化氫酶、降落數(shù)值、色差和感官指標(biāo)影響并不顯著，說(shuō)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(xì)胞完整性而降低其生理活性，對(duì)糙米的蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)分也沒(méi)有顯著影響。N2氣調(diào)包裝可以有效抑制糙米儲(chǔ)藏過(guò)程中的陳化，該組糙米的發(fā)芽率、過(guò)氧化氫酶和感官評(píng)價(jià)稍高于普通包裝，而脂肪酸值、丙二醛濃度、電導(dǎo)率、直鏈淀粉和降落數(shù)值低于普通包裝?；赟PSS的PCA和PA分析結(jié)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(chǔ)藏期間因微生物增殖引起的糙米品質(zhì)的劣變。綜合分析三組樣品，臭氧前處理結(jié)合N2氣調(diào)包裝可以有效的延長(zhǎng)的糙米儲(chǔ)藏周期，可以考慮同時(shí)使用投入低溫糙米的儲(chǔ)藏中。