脉冲强光对高水分稻谷灭霉效果及加工品质的影响

丁 超 裴永胜 陶婷婷 梅思达 赵雪莹 何 易 杨国峰

(南京财经大学食品科学与工程学院；江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心；江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室1，南京 210023)(江苏省农业科学院农产品质量安全与营养研究所2，南京 210014)

脉冲强光对高水分稻谷灭霉效果及加工品质的影响

丁 超1裴永胜1陶婷婷2梅思达1赵雪莹1何 易1杨国峰1

(南京财经大学食品科学与工程学院；江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心；江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室1，南京 210023)(江苏省农业科学院农产品质量安全与营养研究所2，南京 210014)

为保障稻谷储藏安全，减少稻谷后期加工成本，拟采用脉冲强光对稻谷进行处理，研究了脉冲时间和脉冲距离对稻谷的灭霉效果，以及对稻谷水分、温度和出糙率、整精米率及色度的影响。结果表明：脉冲时间、脉冲距离对稻谷灭霉率影响显著(P<0.05)。在脉冲频率3 Hz，脉冲距离8 cm，脉冲时间5 min条件下，灭霉率≥99%。稻谷经脉冲强光处理后含水量略有下降，出糙率及整精米率提高(P>0.05)，稻谷和精米的黄度指数随脉冲时间的延长而降低，结果说明，脉冲强光可实现对稻谷的储藏和加工处理。

脉冲强光 稻谷 灭霉 加工品质

我国是农业大国，2015年粮食总产量达6.21×108t[1]，为保障农民的利益我国托市收购粮食，巨大的收购粮导致储藏压力陡增。每年我国因干燥措施不及时而导致虫霉污染造成的储粮损失约占储粮总量的5%[2]，其中霉菌污染是储粮过程中造成粮食损失的重要原因之一[3]。发霉粮食会产生黄曲霉毒素，是目前发现最为致命的生物致癌物，人体长期摄入发霉粮食，有可能会导致癌变的发生。目前，仓储企业通常在粮食入库前或储藏初期采用干燥手段降低粮食水活度以控制微生物的生长，但一般商业上为保证碾米质量采用低热风温度干燥，不足以使霉菌失活，一旦温湿度达到适宜条件即可重新生长。因此，研发储粮灭霉新型替代技术的需求日益迫切[4]。

脉冲强光作为一种新型非热物理杀菌技术，利用高强度、瞬时的短脉冲杀灭食品表面或包装材料上的各类微生物[5]，其惰性气体灯发出的光包含紫外、可见和红外光，与太阳光光谱近似，其强度大约是太阳光到达海平面强度(包括大气层过滤掉的紫外线)的20 000倍[6]。脉冲强光对微生物的致死效应是光热和光化的共同作用，Krishnamurthy 等[7]对液体进行脉冲强光消毒，处理后液体中S.aureus完全失活，研究发现脉冲强光比传统紫外消毒能有效地限制氧化反应的发生。Hoornstra等[8]利用0.3J/cm2强度的脉冲强光蔬菜，蔬菜表面菌落总数下降2 log，在7 ℃条件下保存，货架期可延长约4 d。近年来，脉冲强光技术在粮食行业中的应用也逐渐引起研究人员的重视[9]。王蓓[10]对脉冲强光和紫外辐射杀菌效果进行对比发现，脉冲杀菌速率较快，相比紫外辐射在7 min内杀死琼脂表面105cfu/g孢子，仅需30 s即可达到相同效果。

目前，稻谷入库储藏的安全含水量为13.5%，而工业加工处理的最佳含水量为15.5%[11]，储藏后的稻谷在加工前期一般需要进行增湿处理，不仅对稻谷品质造成了不良影响[12]，还造成了水资源与能量的浪费，增加了经济成本。

本试验利用脉冲强光对稻谷进行处理，保障储粮安全，减少稻谷后期加工成本。旨在为脉冲强光对稻谷杀菌技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

粳稻谷：淮稻5号，含水量为(17.5±0.5)%，2016年收获，收购于江苏省淮安市，将稻谷除杂、去芒，挑选饱满颗粒，置于自封袋中密封混合均匀，4 ℃冰箱中保存备用；孟加拉红培养基+0.1%氯霉素：上海盛思生化科技有限公司；PDA培养基+0.1%氯霉素： 青岛高科园海博生物技术有限公司；察氏培养基：上海博微生物科技有限公司。

RW207 脉冲强光杀菌仪：深圳市蓝普里克科技有限公司；RDSL4SD 热电：美国Omega工程公司；BLH-3250砻谷机、小型精米机：浙江伯利恒仪器设备有限公司；CM-5 美能达分光测色仪：柯尼卡美能达公司；无菌均质器：无锡沃信仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 脉冲强光处理

称取稻谷150 g，单层均匀平铺在铝合金托盘上，铺设面积180 cm2，单位载样量0.8 g/cm2本试验所用的脉冲强光装置输入电压为220 V，波长范围为200～1 100 nm，脉冲宽度为10 μs，单脉冲照射能量为200 J。调节脉冲距离为5、8、11、14、17 cm，处理时间为1、2、3、4、5 min。对比分析不同脉冲距离和脉冲时间对稻谷霉菌致死率及稻谷加工品质的影响。

1.2.2 稻谷霉菌的分离及鉴定

无菌操作，取稻谷试样10 g，加入盛有90 mL无菌蒸馏水的锥形瓶中，振荡混匀30 min，然后进行梯度稀释至适宜浓度。取1 mL稀释液，转移至培养皿中，倒入PDA培养基，混匀后28 ℃培养96 h。待菌落形成后，进行初次镜检鉴定，然后从菌落上挑取孢子或菌丝，划线接种于察氏培养基纯化培养，根据菌落形态和培养性状作进一步观察[12]，包括菌落颜色、直径、质地、气味和有无渗出以及在光学显微镜下的霉菌菌丝形态和分生孢子形态。

对分离霉菌在培养基生长出的单菌落进行计数，确定其菌属。霉菌检出率按式(1)计算[13]。

(1)

式中：D为菌属检出率；M1为各菌属单菌落数量；M2为总的单菌落数量。

1.2.3 稻谷霉菌总数测定及计数标准

称取冷却至室温的稻谷25 g，倒入盛有225 mL无菌蒸馏水的均质袋中，用拍打式均质器拍打2 min。吸取混合稻谷匀液进行梯度稀释，并取1 mL适宜稀释度匀液倒入孟加拉红培养基中，在28 ℃下培养5 d，按照GB 4789.15—2010中霉菌的计数方法进行计数。每个处理水平样品重复3次，每个样品取3个平板计数。

试验结果以霉菌致死率为试验指标，分析各因素对脉冲杀菌效果的影响。采用标准平板菌落法进行计数。霉菌致死率采用式(2)计算[14]。

(2)

式中：N0为处理前的菌落数/cfu/mL；N为处理后的菌落数/cfu/mL。

1.2.4 稻谷温度测定

由于脉冲强光杀菌机理包含光化作用和光热作用[10]，当辐射剂量较大时，可提高稻谷的表面温度，因此研究脉冲强光对稻谷的温度、水分及加工品质的影响变化至关重要。测定稻谷温度是将平铺好的单层稻谷取5个点由红外温度探测仪测定，取平均值，具体取点见图1。

图1 温度检测点分布平面示意图

1.2.5 稻谷水分测定

按照GB/T 24896—2010执行。

1.2.6 稻谷加工品质的测定

1.2.6.1 稻谷出糙率测定

按照GB/T 5495-2008执行，由式(3)计算得出。

(3)

式中：X为稻谷出糙率/%；m0为试样质量/g；m1为生芽粒糙米质量/g；m2为砻谷脱壳后的糙米质量/g；m3为不完善粒糙米质量/g。

1.2.6.2 稻谷整精米率测定

按照GB/T 21719—2008执行，由式(4)计算得出。

(4)

式中：H为整精米率/%；m0为稻谷试样质量/g；m为整精米率质量/g。经过2次平行试验测定值的绝对值不应超过1.5%，取平均值为检测结果。

1.2.6.3 稻谷色度测定

用CM-5美能达分光测色仪测定干燥后稻谷表面颜色，每组3个平行，记录相应的L*值、a*值、b*值，结果取平均值，其中L*值描述亮度，范围区间为[0，100]，表示了纯黑色到纯白色的亮度范围；a*值代表绿色程度和红色程度，范围区间为[-∞，+∞]，若a*值为负数且负值越大表示检测样品颜色越绿，正值越大样品颜色越红；b*值代表蓝色程度和黄色程度，范围区间为[-∞，+∞]，若b*值为负数且负值越大表示检测样品颜色越蓝，正值越大样品颜色越黄[15-16]。结合稻谷颜色变化引入黄度指数(Yellow index，YI)，由公式(5)得出[17]。

YI=142.86×b*/L*

(5)

1.3 数据处理

数据采用Origin 8.5进行统计分析以及作图，采用SPSS 22.0对数据进行统计处理及显著性分析，P<0.05差异显著，P<0.01差异极显著。

2 结果与分析

2.1 稻谷中霉菌的鉴定结果

对未处理稻谷取样5次，分离得到80个霉菌菌落，稻谷中各菌属单菌落和菌落数的结果情况见表1，结果表明试验稻谷中的主要霉菌为曲霉、青霉和镰刀菌等。其中，曲霉属菌落在样品中不仅检出率高，且种群相对其他霉菌也较为复杂。曲霉属内灰绿曲霉、白曲霉、黄曲霉是引起稻谷品质劣变的主要微生物群，而黄曲霉能够产生次生代谢产物黄曲霉毒素，是一种对人类健康危害极为突出的一类霉菌毒素[18]，本研究中霉菌检出结果这与李新社等[19]对仓储中稻谷霉菌检出情况一致。

表1 主要霉菌种类的鉴定结果

2.2 脉冲处理对霉菌致死率的影响

在脉冲频率3 Hz，脉冲距离8 cm的条件下，脉冲时间对稻谷中霉菌致死率的影响结果见图2a。在脉冲频率、脉冲距离及稻谷加载量相同条件下，稻谷霉菌致死率随着脉冲时间的延长呈上升趋势，说明脉冲强光能够有效抑制霉菌的生长，且随辐射通量的提高对霉菌的抑制效果更加显著，这与曾淑薇等[20]利用脉冲微波对大米中寄生曲霉的处理结果相似。当处理时间达到3 min时，霉菌致死率为95%左右，杀菌效果相比处理1 min提高了35%以上，可能原因是稻谷表面微生物在2～3 min内细胞表面温度迅速提高，霉菌的细胞在该段时间吸收紫外光的能力提高，破坏了细胞结构，因此霉菌的致死效果提升明显[21]。通过单因素方差分析，脉冲时间对稻谷减少对数值的影响显著(P<0.05)。

在脉冲频率为3 Hz，脉冲时间3 min的条件下，考察脉冲距离对稻谷中霉菌致死率的影响。由图2b可知，在试验范围内脉冲距离与稻谷中霉菌致死率呈负相关且影响显著(P<0.05)，其中脉冲距离为5 cm时，稻谷霉菌致死率比在17 cm下提高40%左右。说明在相同条件下，减小脉冲距离可有效提升杀菌率，原因可能是脉冲强光在腔内经过光的折射、反射等一系列过程，损失部分能量，而且由于设备的缺陷无法保证内腔的密闭性，从而加剧了能量的损失。这与唐明礼等[22]利用脉冲强光处理煎饼得出在最小距离11 cm下，杀菌效果明显优于其他脉冲距离的结果相一致。

图2 脉冲时间和距离对霉菌致死率的影响

2.3 脉冲处理对稻谷温度的影响

稻谷在3 Hz的脉冲频率及8 cm脉冲距离下采用不同脉冲时间对稻谷温度的变化见图3a。稻谷温度随加热时间的增加而上升，呈线性关系，说明当脉冲强光累积到一定量后具有明显的热效率，这是因为脉冲强光辐射后会引起稻谷中的水分子强烈振动，随着处理时间延长，产生的热量不断积累，导致温度上升[23]。在脉冲处理3 min后，稻谷温度上升幅度降低，其原因可能是随着稻谷吸收脉冲能的增加，稻谷内部水分子振动加剧，单位时间内更多的辐射能被稻谷中水分子吸收，因此稻谷温度上升幅度减缓。

由图3b可知，当脉冲频率为3 Hz及脉冲时间为3 min时，随着脉冲距离的增大，稻谷温度降低，脉冲距离为5 cm时稻谷温度比在17 cm条件下处理后稻谷温度高17 ℃，这是由于增大了样品与光源的距离，脉冲强度减小，较低的辐射强度产生较低的能量，符合平方反比定律[22]，因此稻谷在较远距离条件下温度上升不明显。

图3 脉冲时间和距离对稻谷温度的影响

2.4 脉冲强光对稻谷水分变化的影响

由图4可知，经脉冲强光后稻谷的含水量下降，在3 min后稻谷水分下降幅度增大。经5 min处理后稻谷含水量下降了1.0%左右，这是由于脉冲强光包含红外和可见光，有一定的热效率。有研究表明，脉冲强光对稻谷的降水效果介于热风干燥和红外干燥之间，经脉冲强光辐射处理后稻谷下降相同水分所需时间仅为在60 ℃热风干燥处理的1/4，且无需缓苏过程[24]，减少了工业生产成本。本试验结果表明，脉冲强光在处理稻谷霉菌的同时，具备一定的降水作用，有利于偏高水分粮在储藏期间进行干燥处理，节约后期烘干或热风干燥的能耗。

图4 脉冲时间和距离对稻谷水分的影响

2.5 脉冲强光对稻谷出糙率及整精米率的影响

稻谷的出糙率和整精米率是检验稻谷加工品质的重要指标。由图5和图6可知，稻谷经脉冲强光后，稻谷的出糙率和整精米率均随着脉冲时间的延长而增加，且随着脉冲距离的缩短增加幅度更明显，这是因为稻谷经脉冲强光处理后水分含量下降，当稻谷含水量较低时，稻壳的韧性降低，有利于砻谷脱壳[25]，因此经脉冲强光处理后稻谷的出糙率和整精米率提高。

2.6 脉冲强光对稻谷色差值及黄度的影响

在脉冲频率3 Hz、脉冲距离8 cm的条件下，研究不同脉冲时间(1、2、3、4、5 min)下稻谷和精米色差值的变化，结果见图7。经脉冲强光处理后，稻谷表面的L*值和a*值随脉冲时间的延长无明显变化，b*值呈下降趋势，处理5 min后稻谷的YI值由51.5下降至45.3，表面黄色略微变浅，这是由于稻谷变黄是由于霉菌感染和自身的生化反应所致，脉冲强光可杀灭稻谷表面的霉菌，抑制微生物的繁殖代谢，从而导致稻谷表面黄色变浅[26]。稻谷经脱壳、砻谷处理后得到精米，随着脉冲时间的增长，精米的L*值上升，a*和b*值呈下降趋势。精米的初始YI值为27.4，经脉冲处理5 min后YI值下降至21.6，说明稻谷经脉冲强光后的精米更加白透、表面黄色程度减弱，有利于精米的加工及销售。

图5 脉冲时间和距离对稻谷出糙率的影响

图6 脉冲时间和距离对稻谷整精米率的影响

图7 不同脉冲辐射时间下稻谷表面色差L*、a*、b *值及YI值的变化

3 结论

本研究结果表明，稻谷上主要霉菌为曲霉、青霉和镰刀菌等，脉冲强光可有效杀灭稻谷表面的霉菌。脉冲时间、脉冲距离对稻谷中霉菌致死率影响显著(P<0.05)。初始含水量为(17.5±0.5)%的稻谷在脉冲频率3 Hz，脉冲距离8 cm下，处理5 min后对稻谷霉菌的灭霉率达99%以上，当脉冲强光达到一定辐射剂量后，具有较高的热效率，对稻谷具有降水作用，有利于偏高水分粮在储藏期间进行干燥处理，节约后期烘干或热风干燥的能耗。脉冲强光后稻谷的出糙率和整精米率有上升趋势，稻谷和精米表面黄色变浅，有利于稻谷的储藏与加工销售。

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Effect of Pulsed Light Radiation on Mold Inhibition and Milling Quality of Rough Rice with High Moisture Content

Ding Chao1Pei Yongsheng1Tao Tingting2Mei Sida1Zhao Xueying1He Yi1Yang Guofeng1

(College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics； Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety；Jiangsu Key Laboratory of Quality Control and Further Processing of Cereals and Oil1, Nanjing 210023) (Institute of Food Safety and Nutrition, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences2, Nanjing 210014)

To ensure the safety of grain storage and reduce the cost of rice processing, the rough rice with high moisture content was treated by pulsed light for disinfection. The disinfection efficiency of different treatment (resident times and distances) and the changes in total number of mold, moisture, temperature and head rice yield of treated rough rice were investigated in this paper. According to the results, the resident time and pulse distance showed significant effects on disinfection for rough rice (P<0.05). After 5 min and 3 Hz of pulsed light treatment at 8 cm of distance, the disinfection rate could achieve 99.9%. In addition, pulsed light showed no negative effects on head rice yield. Additionally, the yellowness index of grain and milling rice decreased with the increase of pulsed light processing time. Therefore, the pulsed light technology could be used as an effective disinfection method for freshly harvested rough rice.

pulsed light, grain, mold inhibition, milling quality

TS210.2

A

1003-0174(2017)10-0123-07

国家自然科学基金(31601402)，2014年度粮食行业国家公益性项目(201413006)，江苏省高校自然科学面上项目(16KJB550004)，江苏省高校优势学科建设工程资助(20140506)

2017-04-22

丁超，男，1985年出生，讲师，粮食工程

杨国峰，男，1953年出生，教授，粮食工程