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稻谷具有很高的经济效益,在国际市场贸易中,市场优势越来越突出,储藏环境温湿度是稻谷品质劣变及储藏微生物活动发生霉变的主要原因之一。而粳稻理想储藏时间为两年,储藏品质下降快,新陈价差较大,造成粳稻轮换减亏控亏任务重等行业共性问题还未较好解决,为更好地满足粳稻口粮消费高端需求,保证粳稻优良品质及安全储藏技术至关重要。“中央储备粮南京直属库”位于江苏省南京市江宁区横溪街道新杭社区,具有华东地区的春季冷暖多变,夏季炎热多雨等典型气候特点,储粮挑战大。因此本研究主要在华东地区粳稻保质减损储藏的示范库点“中央储备粮南京直属库”控温目标的储藏新工艺条件下,对比储藏初期粳稻不同控温工艺应用效果及品质劣变情况、在储藏后期优化控温工艺及研究初期敏感指标,并进一步探究储藏后期特征性指标真菌群落及挥发性气体特性,总结适用于华东地区粳稻的储粮新工艺,了解不同控温工艺应用下的品质变化情况,并明确储藏后期安全防控对象。本文主要结果如下:
1.储藏初期(2018年度)在高大平房仓(37和38号试验仓、40号对照仓)进行试验研究,开展春季保温隔热、夏季内环流均温及风管机空调降温、冬季机械通风蓄冷等多项低温储藏技术的研究,实时记录整仓共175个测温点温湿度动态变化,比较分析上述储粮控温技术与传统控温技术的效果,同时,在整仓共五层70位点不同部位(表层“最上层及四周墙面层”、冷心“二、三、四层中心2点”、全仓“70点”)均匀扦样混匀,系统评价不同储粮工艺条件下营养品质、食用品质、耐储性等品质指标变化,以评估控温储粮实际效果。
(1)结果表明,春季37号试验仓粮面压盖结合4cmPEF(高压聚乙烯)保温隔热板、38号试验仓春季粮面压盖结合2cmPEF(高压聚乙烯)保温隔热板、40号对照仓无措施。春季37、38、40仓全仓的平均脂肪酸值分别上升了0.42%、1.45%、1.76%,同时37、38号试验仓水分含量变化均较缓慢,也有效抑制了其他各品质指标的变化,而40号对照仓糊化特性指标及表层部位脂肪含量均显著降低(P<0.01),可见试验仓37、38仓在春季的控温工艺使得粳稻的品质优于对照40仓,且37仓4cmPEF板具有更好的缓冲作用,可更显著抑制因温度突然升高而导致局部位点温度的快速升高,使最高温度升高率分别比38、40仓低2%、10%。
(2)夏季控温期间,在春季隔热材料基础上,37仓采用内环流均温和风管机空调、38仓采用内环流均温和普通空调、40仓采用的普通空调,38、40仓普通空调降温效果有限,易产生较多高温敏感位点,局部高温可达到28.2℃,而37仓风管机空调可使最高温度均在25℃以下,实现了华东地区粳稻准低温储藏效果。试验37、38仓使用的内环流系统可达到较好的均温效果,使得“热皮冷心”的温差缩减近10℃,均低于40号对照仓。品质研究中发现,40号对照仓表层的平均水分损失率比37、38试验仓分别高4.21%和3.17%,且40号对照仓部位间的电导率、直链淀粉、脂肪含量均有显著性差异性(P<0.01),试验仓37、38仓内环流结合空调控温可显著的降低水分损失并均衡了粮堆内部品质。且在能耗方面,整个夏季控温期间37仓相对40仓能耗低2744.8kW?h,表明37号试验仓内环流均温结合大功率风管机空调降温在夏季控温中,既节省能耗又可达到良好保水保质效果。
(3)冬季通风蓄冷中,37号试验仓采用的吸出式下行高能耗1008kW?h短期通风一次通透稳定,通风前后下降了9.13-13.72℃,蓄冷充分,且不同部位间温度梯度差值缩小至5℃的安全梯度范围内,可避免粮堆内的温差过大,防止湿热扩散,确保粮食安全储存。通风前后37、38、40仓全仓平均水分含量分别损失了0.52g/100g、0.72g/100g、0.74g/100g,同时37仓全仓平均脂肪酸含量增加的最少0.18mg/100g,40号对照仓全仓增加的最多0.55mg/100g,而40仓各部位糊化特征值消减值、回生值、谷值粘度也均发生显著变化(P<0.01)。表明冬季37号试验仓高能耗吸出式通风降温蓄冷效果及保水保质效果最好。
2.优化储藏后期(2019年度)夏季准低温储藏措施并继续记录温湿度动态变化探究了初期敏感品质指标(水分、脂肪酸、糊化特性等)和电子鼻、GC-MS进行快速、无损检测风味变化情况。
(1)两年度春季保温效果一致,37仓4cmPEF板可更显著抑制因温度突然升高而导致局部位点温度的快速升高。在储藏后期夏季控温期间,37号试验仓同样实现了准低温储藏度夏的效果,同储藏初期对比,试验仓“热皮冷心”温度差也缩减近10℃,均降低至5℃以下,均温效果显著,且37仓能耗同比下降了1.2元/吨,节省资本。储藏后期,37仓冷凝水收集量最低2144L,40仓最多2506L,40仓表层水分含量有明显降低,其降低率比37、38仓分别高2.01%和1.40%;且37、38全仓平均脂肪酸值增量分别比40仓少0.36mg/100g、0.11mg/100g。
(2)GC-MS共鉴定出525种挥发性物质,其中37号试验仓123种,种类和相对含量均最少;38、40仓均为140种,相对含量波动较大。均检测出对稻谷气味贡献最大的典型挥发性物质壬醛、癸醛、十一醛,且试验仓相对含量最低,夏季有下降趋势。酸酯类挥发性物质的总含量明显逐渐增加,尤其是春季5月份38仓全仓和40仓表层变化最大,分别增加了8.79%、8.16%,37仓增量均匀且均控制在1.58%以下。三仓的酮类挥发性物质相对含量均最高,尤其是6,10,14-三甲基-2-十五烷酮,均在24%-34%范围内。且储藏后期37仓能耗下降为2.86元/吨。因此37号试验仓春季保温及夏季控温均温措施既可显著降低能耗,同时也可达到良好保水保质效果,缓解稻谷风味劣变。
(3)总结两年度不同控温工艺实际效果,在华东地区高大平房仓适用于墙体粘贴4cmPEF保温隔热板,春秋及冬季结合粮面稻壳压盖,夏季配套高功率风管机空调及内环流均温装置的(如本示范37号试验仓)应在每年气温进入全年最高温时间段持续开启内环流经过环流均温,冬季通风蓄冷中利用外界气候骤降,可采用的吸出式下行高能耗1008kW?h短期通风,蓄冷充分稳定,为夏季内环流均温准备充足的冷源供应。
3.采用平板菌落计数法及基于宏基因组学探究储藏后期不同控温储藏条件下稻谷霉菌、细菌总数变化及稻谷真菌群落组成与多样性。菌落总数、霉菌量整体均先增加后减少,37号试验仓带菌量在储藏后期最低且持续平缓。多样性指数比较发现试验仓稻谷真菌群落物种丰富度逐渐下降,对照仓稻谷真菌群落物种丰富度夏季升高。通过主成分分析与Venn图发现37仓与38、40仓有差异性且特性OTU数量最低。属水平上,肉座菌目(Hypocreales)、节担菌属(Wallemia)、汉纳酵母(Hannaella)、酵母属(Papiliotrema)、枝孢属(Cladosporium)均是三仓储藏后期稻谷优势菌属,38、40仓的优势菌属还检测出曲霉属(Aspergillus)、格孢属(Alternaria)、赤霉菌属(Gibberella)。种水平上,Hypocrealessp.、Hannaellasinensis、Cladosporiumdelicatulum、Wallemiasebi、Papiliotremafuscus均是三仓储藏后期稻谷优势菌种;仅在38仓检测出优势菌种玉米赤霉(Gibberella intricans)、曲霉菌-粘束孢(Aspergillus penicillioides);仅在40仓检测出优势菌种帚状曲霉(Sporobolomyces patagonicus)、黑孢霉(Nigrospora oryzae)。不同储藏环境优势菌种和相对丰度均发生变化,37号试验仓夏季控温均温措施更有利于抑制霉菌总量的增长及霉菌类等真菌的生长。曲霉属、格孢属、赤霉属是主要的霉菌属,随着储藏温度的升高,其相对丰度有相应的增加。
4.通过挥发性物质和真菌属相关性研究分析,发现节担菌属(Wallemia)和C2、D15、E3、H10、I9均高度相关(|ρ|>0.8),暗球腔菌属(Phaeosphaeria)、赤霉菌属(Gibberella)、帚枝霉属(Sarocladium)等均与典型挥发性物质E4(辛烯醛)、G7(十四酸)、I2(1-甲基-萘)相关,而辛烯醛E4、癸醛E6均与优势菌种赤霉菌属(Gibberella)、帚枝霉属(Sarocladium)中度相关,十一醛E7与暗球腔菌属(Phaeosphaeria)、链格孢属(Alternaria)、帚枝霉属(Sarocladium)高度相关,曲霉属(Aspergillus)和2,3-二甲基-萘I4中度相关,此外,在微生物菌属中,壬醛与的链格孢属(Alternaria)、蛇舌菌(Ophiosphaerella)相关度相对最高。因此在华东地区粳稻储藏中,壬醛、癸醛、十一醛、辛烯醛、十四酸、甲基-萘等可用来反应真菌活动程度,作为稻谷品质安全监测的参考物质。
1.储藏初期(2018年度)在高大平房仓(37和38号试验仓、40号对照仓)进行试验研究,开展春季保温隔热、夏季内环流均温及风管机空调降温、冬季机械通风蓄冷等多项低温储藏技术的研究,实时记录整仓共175个测温点温湿度动态变化,比较分析上述储粮控温技术与传统控温技术的效果,同时,在整仓共五层70位点不同部位(表层“最上层及四周墙面层”、冷心“二、三、四层中心2点”、全仓“70点”)均匀扦样混匀,系统评价不同储粮工艺条件下营养品质、食用品质、耐储性等品质指标变化,以评估控温储粮实际效果。
(1)结果表明,春季37号试验仓粮面压盖结合4cmPEF(高压聚乙烯)保温隔热板、38号试验仓春季粮面压盖结合2cmPEF(高压聚乙烯)保温隔热板、40号对照仓无措施。春季37、38、40仓全仓的平均脂肪酸值分别上升了0.42%、1.45%、1.76%,同时37、38号试验仓水分含量变化均较缓慢,也有效抑制了其他各品质指标的变化,而40号对照仓糊化特性指标及表层部位脂肪含量均显著降低(P<0.01),可见试验仓37、38仓在春季的控温工艺使得粳稻的品质优于对照40仓,且37仓4cmPEF板具有更好的缓冲作用,可更显著抑制因温度突然升高而导致局部位点温度的快速升高,使最高温度升高率分别比38、40仓低2%、10%。
(2)夏季控温期间,在春季隔热材料基础上,37仓采用内环流均温和风管机空调、38仓采用内环流均温和普通空调、40仓采用的普通空调,38、40仓普通空调降温效果有限,易产生较多高温敏感位点,局部高温可达到28.2℃,而37仓风管机空调可使最高温度均在25℃以下,实现了华东地区粳稻准低温储藏效果。试验37、38仓使用的内环流系统可达到较好的均温效果,使得“热皮冷心”的温差缩减近10℃,均低于40号对照仓。品质研究中发现,40号对照仓表层的平均水分损失率比37、38试验仓分别高4.21%和3.17%,且40号对照仓部位间的电导率、直链淀粉、脂肪含量均有显著性差异性(P<0.01),试验仓37、38仓内环流结合空调控温可显著的降低水分损失并均衡了粮堆内部品质。且在能耗方面,整个夏季控温期间37仓相对40仓能耗低2744.8kW?h,表明37号试验仓内环流均温结合大功率风管机空调降温在夏季控温中,既节省能耗又可达到良好保水保质效果。
(3)冬季通风蓄冷中,37号试验仓采用的吸出式下行高能耗1008kW?h短期通风一次通透稳定,通风前后下降了9.13-13.72℃,蓄冷充分,且不同部位间温度梯度差值缩小至5℃的安全梯度范围内,可避免粮堆内的温差过大,防止湿热扩散,确保粮食安全储存。通风前后37、38、40仓全仓平均水分含量分别损失了0.52g/100g、0.72g/100g、0.74g/100g,同时37仓全仓平均脂肪酸含量增加的最少0.18mg/100g,40号对照仓全仓增加的最多0.55mg/100g,而40仓各部位糊化特征值消减值、回生值、谷值粘度也均发生显著变化(P<0.01)。表明冬季37号试验仓高能耗吸出式通风降温蓄冷效果及保水保质效果最好。
2.优化储藏后期(2019年度)夏季准低温储藏措施并继续记录温湿度动态变化探究了初期敏感品质指标(水分、脂肪酸、糊化特性等)和电子鼻、GC-MS进行快速、无损检测风味变化情况。
(1)两年度春季保温效果一致,37仓4cmPEF板可更显著抑制因温度突然升高而导致局部位点温度的快速升高。在储藏后期夏季控温期间,37号试验仓同样实现了准低温储藏度夏的效果,同储藏初期对比,试验仓“热皮冷心”温度差也缩减近10℃,均降低至5℃以下,均温效果显著,且37仓能耗同比下降了1.2元/吨,节省资本。储藏后期,37仓冷凝水收集量最低2144L,40仓最多2506L,40仓表层水分含量有明显降低,其降低率比37、38仓分别高2.01%和1.40%;且37、38全仓平均脂肪酸值增量分别比40仓少0.36mg/100g、0.11mg/100g。
(2)GC-MS共鉴定出525种挥发性物质,其中37号试验仓123种,种类和相对含量均最少;38、40仓均为140种,相对含量波动较大。均检测出对稻谷气味贡献最大的典型挥发性物质壬醛、癸醛、十一醛,且试验仓相对含量最低,夏季有下降趋势。酸酯类挥发性物质的总含量明显逐渐增加,尤其是春季5月份38仓全仓和40仓表层变化最大,分别增加了8.79%、8.16%,37仓增量均匀且均控制在1.58%以下。三仓的酮类挥发性物质相对含量均最高,尤其是6,10,14-三甲基-2-十五烷酮,均在24%-34%范围内。且储藏后期37仓能耗下降为2.86元/吨。因此37号试验仓春季保温及夏季控温均温措施既可显著降低能耗,同时也可达到良好保水保质效果,缓解稻谷风味劣变。
(3)总结两年度不同控温工艺实际效果,在华东地区高大平房仓适用于墙体粘贴4cmPEF保温隔热板,春秋及冬季结合粮面稻壳压盖,夏季配套高功率风管机空调及内环流均温装置的(如本示范37号试验仓)应在每年气温进入全年最高温时间段持续开启内环流经过环流均温,冬季通风蓄冷中利用外界气候骤降,可采用的吸出式下行高能耗1008kW?h短期通风,蓄冷充分稳定,为夏季内环流均温准备充足的冷源供应。
3.采用平板菌落计数法及基于宏基因组学探究储藏后期不同控温储藏条件下稻谷霉菌、细菌总数变化及稻谷真菌群落组成与多样性。菌落总数、霉菌量整体均先增加后减少,37号试验仓带菌量在储藏后期最低且持续平缓。多样性指数比较发现试验仓稻谷真菌群落物种丰富度逐渐下降,对照仓稻谷真菌群落物种丰富度夏季升高。通过主成分分析与Venn图发现37仓与38、40仓有差异性且特性OTU数量最低。属水平上,肉座菌目(Hypocreales)、节担菌属(Wallemia)、汉纳酵母(Hannaella)、酵母属(Papiliotrema)、枝孢属(Cladosporium)均是三仓储藏后期稻谷优势菌属,38、40仓的优势菌属还检测出曲霉属(Aspergillus)、格孢属(Alternaria)、赤霉菌属(Gibberella)。种水平上,Hypocrealessp.、Hannaellasinensis、Cladosporiumdelicatulum、Wallemiasebi、Papiliotremafuscus均是三仓储藏后期稻谷优势菌种;仅在38仓检测出优势菌种玉米赤霉(Gibberella intricans)、曲霉菌-粘束孢(Aspergillus penicillioides);仅在40仓检测出优势菌种帚状曲霉(Sporobolomyces patagonicus)、黑孢霉(Nigrospora oryzae)。不同储藏环境优势菌种和相对丰度均发生变化,37号试验仓夏季控温均温措施更有利于抑制霉菌总量的增长及霉菌类等真菌的生长。曲霉属、格孢属、赤霉属是主要的霉菌属,随着储藏温度的升高,其相对丰度有相应的增加。
4.通过挥发性物质和真菌属相关性研究分析,发现节担菌属(Wallemia)和C2、D15、E3、H10、I9均高度相关(|ρ|>0.8),暗球腔菌属(Phaeosphaeria)、赤霉菌属(Gibberella)、帚枝霉属(Sarocladium)等均与典型挥发性物质E4(辛烯醛)、G7(十四酸)、I2(1-甲基-萘)相关,而辛烯醛E4、癸醛E6均与优势菌种赤霉菌属(Gibberella)、帚枝霉属(Sarocladium)中度相关,十一醛E7与暗球腔菌属(Phaeosphaeria)、链格孢属(Alternaria)、帚枝霉属(Sarocladium)高度相关,曲霉属(Aspergillus)和2,3-二甲基-萘I4中度相关,此外,在微生物菌属中,壬醛与的链格孢属(Alternaria)、蛇舌菌(Ophiosphaerella)相关度相对最高。因此在华东地区粳稻储藏中,壬醛、癸醛、十一醛、辛烯醛、十四酸、甲基-萘等可用来反应真菌活动程度,作为稻谷品质安全监测的参考物质。