不同机械脱粒方式粳稻储藏品质及其相关性研究

李 玲,李毅念,陈玉仑,丁启朔,何瑞银

(南京农业大学工学院,江苏南京 210031)

霉菌是导致谷物有氧腐败的主要有害微生物[1],霉菌生长产生的次级代谢产物霉菌毒素容易污染生产和储藏过程中的谷物[2],造成谷物品质的改变[3]。稻谷是否发生霉变及霉变的程度与稻谷霉菌量有关,霉菌量在104CFU·g-1以下,稻谷处于安全储藏状态,达到105CFU·g-1时开始发生霉变,超过106CFU·g-1时已严重霉变,霉菌的活动最终影响储藏稻谷的品质[4]。脱粒是稻谷收获过程中重要的一个环节,脱粒损伤是目前各种机械脱粒装置在收获过程中存在的客观问题[5],脱粒损伤程度的差异与不同脱粒收获方式有关,轴流式脱粒滚筒的联合收割机脱粒滚筒转速为505 r·min-1,脱粒滚筒宽度1000 mm,稻谷籽粒在滚筒中受到的作用力较小、作用时间较少;切流式脱粒滚筒加轴流板齿分离滚筒结构的联合收割机脱粒滚筒转速为800～900 r·min-1,分离滚筒长度3344 mm,稻谷籽粒在滚筒中受到的作用力较大、作用时间较长。机械脱粒对稻谷籽粒产生的损伤有外部损伤和内部损伤两种,外部损伤有裂颖、脱壳、破碎等,内部损伤有内部裂纹或裂缝等[6]。机械脱粒对稻谷造成的外部损伤颖壳开裂使稻谷的斑点米、有色米、裂纹米、虫蚀米增加[7],影响稻谷的储藏性能。稻谷储藏过程中米质劣变、发芽率下降一直是困扰生产、储运和经营部门,而又难以解决的问题[8]。

现阶段国内外关于稻谷携带微生物的研究主要有水稻带菌种类的检测[9-11]、水稻所带的优势菌落[12-14]、水稻菌落的利用[15]、霉菌在稻谷粒中的分布[16]等,有研究发现不同脱粒方式收获稻谷发芽率不一样,同时其发芽过程中种子霉变程度不一致,由此推测不同脱粒方式收获稻谷发芽情况的差异可能与稻谷霉菌量有关。本文主要对现阶段稻谷收获的两种主要机械脱粒方式——切流式脱粒和轴流式脱粒收获的3个粳稻品种进行霉菌菌落计数实验和发芽实验,测定了裂颖率、发芽性能指标、粳稻霉菌量、糙米霉菌量、全部裂颖籽粒霉菌量、正常籽粒霉菌量,并将在同样条件下以手工脱粒收获粳稻样品作为对照组。目的是将稻谷收获的两种主要机械脱粒方式放在同样的实验环境中进行对比实验,并与对照组相比较,来确定机械脱粒损伤对粳稻霉菌量的影响及粳稻霉菌量与粳稻发芽性能指标的相关性,以期对减少粳稻储藏过程中霉变量和保持粳稻种用品质选择合适的机械脱粒方式收获提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

粳稻品种 淮稻5号、华粳5号、连粳7号,采集地点为江苏省盐城市黄海农场大田地块;马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)、无菌稀释液(0.85%无菌生理盐水) 国产市售。

4LBZ-172B型久保田PRO888GM 久保田农业机械(苏州)有限公司;C230型约翰迪尔(佳木斯) 农业机械有限公司;BCD-248WSV冰箱 青岛海尔股份有限公司;LS-35HD立式压力蒸气灭菌器 江阴滨江医疗设备有限公司;HH-2数显恒温水浴锅 邦西仪器科技有限公司;RGQ-360N人工气候箱 上海森信实验仪器有限公司;ZGJZQ-10拍击式无菌均质器 金坛区金城硕华仪器厂;SP-DJ垂直净化工作台 上海浦东物理化学仪器厂;UTP-313电子天平(精度为0.01 g) 上海花潮电器有限公司;SLY-G微电脑自动数粒仪 浙江托普仪器有限公司;RO-10实验室纯水机 南京前沿仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 粳稻样品的制备 3个粳稻品种分别按3种收获方式收获:手工脱粒、轴流式脱粒、切流式脱粒,共9个样品,每个样品是3个地块同一粳稻品种的混合,每个样品的重量为10 kg。粳稻收获后在相同的环境中阴干到安全储藏含水量(粳稻样品含水率12%左右),储藏前去除受到机械收获损伤而脱壳的粳稻籽粒,在温度15 ℃、湿度60% RH的通风环境中储藏一年,此为原样,之后放入-4 ℃冷藏室中冷藏备用。裂颖率测定实验样品:收获后的粳稻;发芽实验样品:收获后的粳稻;霉菌菌落计数实验样品:收获后的粳稻、手工剥掉颖壳后的糙米、手工分选出的裂颖籽粒、手工分选出的非裂颖正常籽粒。

1.2.1.1 手工脱粒 采集稻穗阴干后手工从稻谷枝梗上脱下稻谷籽粒。

1.2.1.2 轴流式脱粒 4LBZ-172B型久保田PRO888GM联合收割机在大田中脱粒收获稻谷籽粒,后取样。

1.2.1.3 切流式脱粒 C230型约翰迪尔联合收割机在大田中脱粒收获稻谷籽粒,后取样。

1.2.2 测定方法

1.2.2.1 裂颖率的测定 每个粳稻样品用微电脑自动数粒仪取100粒,直接肉眼查看粳稻籽粒颖壳是否开裂,记录下粳稻样品籽粒颖壳开裂数据[17]。试验重复三次。

1.2.2.2 粳稻种子发芽实验 每个粳稻样品用微电脑自动数粒仪随机选取100粒,分别在去离子水中浸泡19 h,然后将100粒粳稻籽粒均布在透明发芽盒内湿润的发芽纸床上,根据国标GB/T 3543.4-1995[18]规定的条件在人工气候箱中进行发芽试验,人工气候箱的温度设定为28 ℃,光照强度设定为990 Lx。发芽实验的第5 d计算发芽势,在第14 d计算发芽率,并记录畸变数(死亡的软腐/发霉种子、不正常幼苗等)、幼苗根部发霉数。试验重复三次。

发芽势的计算公式:

发芽率的计算公式:

1.2.2.3 霉菌菌落计数实验 试验前用立式压力蒸气灭菌器对平皿、试管、吸头、马铃薯葡萄糖琼脂进行高温高压灭菌处理(灭菌温度121 ℃,灭菌时间15 min),马铃薯葡萄糖琼脂灭菌后放入46 ℃数显恒温水浴锅中恒温。根据GB 4789.15-2016[19]的条件在垂直净化工作台进行霉菌菌落计数试验,每个粳稻样品取25 g置于无菌均质袋中,向无菌均质袋中加入225 mL无菌稀释液,用拍击式无菌均质器均质(均质频率12次/s,均质时间3 min)后进行10倍递增系列稀释样品匀液,选择2～3个适宜稀释度的样本匀液,每个稀释度分别取1 mL样品匀液于2个平皿中,每个平皿倾注20～25 mL马铃薯葡萄糖琼脂,琼脂凝固后正置放入人工气候箱,在28 ℃中培养5 d后根据菌落形态进行霉菌菌落计数。实验重复三次。

霉菌量的计算:霉菌菌落计数实验完成后,霉菌量根据GB 4789.15-2016[19]进行菌落计数,计算公式如下:

a:若有两个连续稀释度的平板菌落数均在10～150 CFU之间、无蔓延菌落生长,用式(1)计算霉菌量。

式(1)

b:若只有一个稀释度的平板菌落数落在10～150 CFU,用式(2)计算霉菌量。

式(2)

式中:N为样品中菌落数;∑C为平板菌落数总和;n1为低稀释度平板个数;n2为高稀释度平板个数;d为稀释因子(低稀释度)。

1.2.3 粳稻霉菌量与粳稻种用品质的相关性 对不同机械脱粒方式收获粳稻样品霉菌量与裂颖率的相关关系进行分析,探讨机械脱粒损伤对粳稻霉菌量的影响;对不同机械脱粒方式收获粳稻霉菌量与发芽性能指标之间相关性进行分析。

1.3 数据处理

采用SPSS 24.0软件进行数据差异性和相关性分析,差异显著性使用最小显著差异法(LSD)检验,显著水平设为0.05,相关性水平设为0.01。采用Excel 2010软件进行绘图。所有试验独立进行3次平行试验,实验结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 粳稻裂颖率分析

切流式脱粒、轴流式脱粒、手工脱粒收获粳稻裂颖率结果如表1所示。与手工脱粒相比,2种机械脱粒均显著增加粳稻裂颖率(P<0.05),其中切流式脱粒收获粳稻裂颖率显著高于轴流式脱粒收获粳稻裂颖率(P<0.05),大小关系为:切流式>轴流式>手工。手工脱粒较轴流式脱粒粳稻裂颖率低,淮稻5号低7.80%,华粳5号低8.33%,连粳7号低9.33%;手工脱粒较切流式脱粒粳稻裂颖率低,淮稻5号低22.80%,华粳5号低25.66%,连粳7号低26.33%。裂颖是脱粒损伤中的显性损伤,稻谷在脱粒作用力下,颖壳开裂,与切流式脱粒收获相比,稻谷在轴流式脱粒滚筒中受到的脱粒作用力较小、籽粒在滚筒中的时间较短,轴流式脱粒收获稻谷裂颖率低于切流式脱粒。

表1 不同机械脱粒方式收获粳稻裂颖率(%)Table 1 Glume-opening rate in Japonica riceunder different mechanical threshing patterns(%)

2.2 粳稻发芽试验结果分析

切流式脱粒、轴流式脱粒、手工脱粒收获粳稻发芽试验结果如表2所示。手工脱粒与切流式脱粒、轴流式脱粒收获粳稻畸变数、幼苗根部发霉数差异显著(P<0.05),大小关系为:切流式>轴流式>手工,与手工脱粒相比,切流式脱粒收获粳稻畸变数、幼苗根部发霉数最大增加分别达12.00%、16.67%。手工脱粒收获与切流式脱粒收获的粳稻发芽势、发芽率差异显著(P<0.05),大小关系为:切流式<手工,与手工脱粒相比,切流式脱粒收获粳稻发芽势、发芽率最大降低分别达20.67%、22.34%。手工脱粒收获与轴流式脱粒收获的淮稻5号发芽势、发芽率的结果较接近(P>0.05),轴流式脱粒收获的华粳5号发芽势、发芽率比手工脱粒收获低10.00%、10.00%(P<0.05)。轴流式脱粒收获的连粳7号发芽势、发芽率比手工脱粒收获低12.34%、14.00%(P<0.05)。粳稻的种用品质可由发芽性能指标体现,机械脱粒收获粳稻发芽试验结果存在差异,但总体而言,与手工脱粒收获相比,切流式脱粒收获对粳稻发芽试验结果影响较大,轴流式脱粒收获对粳稻发芽试验结果影响较小,轴流式脱粒收获粳稻种用品质高于切流式脱粒收获粳稻种用品质。

表2 不同机械脱粒方式收获粳稻发芽性能指标(%)Table 2 Germinate performance indexes of Japonica rice under different threshing patterns(%)

2.3 不同脱粒方式收获粳稻的霉菌量变化

2.3.1 粳稻霉菌量分析 切流式脱粒、轴流式脱粒、手工脱粒收获粳稻霉菌量的结果如表3所示。手工脱粒与切流式脱粒、轴流式脱粒收获粳稻霉菌量差异显著(P<0.05),切流式脱粒与轴流式脱粒收获粳稻霉菌量亦具有显著差异(P<0.05),其大小关系为:切流式>轴流式>手工,切流式脱粒收获比手工脱粒收获粳稻霉菌量高达9.13倍,轴流式脱粒收获比手工脱粒收获粳稻霉菌量高达5.46倍。切流式脱粒收获粳稻霉菌量大于105CFU·g-1,粳稻已开始发生霉变,直接目测发现粳稻外观上没有明显变化。

表3 不同脱粒方式收获粳稻霉菌量(×104 CFU·g-1)Table 3 Number of mold colonies of Japonica rice underdifferent mechanical threshing patterns(×104 CFU·g-1)

轴流式脱粒收获粳稻霉菌量接近105CFU·g-1,粳稻已有霉变的趋势;手工脱粒收获粳稻霉菌量略高于104CFU·g-1,粳稻的储藏安全性比较高[4]。稻谷颖壳的主要成分是生物难以分解利用的木质素,因此稻谷颖壳的抗霉菌活动作用较强[20],机械脱粒收获比手工脱粒收获粳稻裂颖率高,颖壳的抗霉菌活动强度减弱,导致粳稻霉菌量增加。因此,与手工脱粒相比,切流式脱粒和轴流式脱粒均显著增加粳稻霉菌量(P<0.05),切流式脱粒收获粳稻比轴流式脱粒收获粳稻的储藏性能低。

2.3.2 糙米霉菌量分析 切流式脱粒、轴流式脱粒、手工脱粒收获糙米霉菌量的结果如表4所示。手工脱粒与切流式脱粒、轴流式脱粒收获糙米霉菌量差异均显著(P<0.05),切流式脱粒与轴流式脱粒收获糙米霉菌量亦具有显著差异(P<0.05),其大小关系为:切流式>轴流式>手工,切流式脱粒收获比手工脱粒收获糙米霉菌量高达13.01倍,轴流式脱粒收获比手工脱粒收获糙米霉菌量高达8.19倍。切流式脱粒收获糙米霉菌量超出105CFU·g-1,糙米已开始发生霉变,轴流式脱粒收获糙米霉菌量接近105CFU·g-1,糙米已有霉变的趋势,手工脱粒收获糙米霉菌量少于104CFU·g-1,糙米处于安全储藏状态。稻谷由颖壳和糙米构成,稻谷颖壳表面可以检测到霉菌[11],但是稻谷颖壳的抗霉菌活动作用较强,颖壳的霉菌生长迹象较弱[20],因此同一样品糙米的霉菌量少于稻谷的霉菌量。稻谷颖壳的开裂会使米粒容易受到虫害的蛀蚀[21],增加病菌感染米粒的机会,导致去壳后的糙米霉菌量增加。

表4 不同机械脱粒方式收获糙米霉菌量(×104 CFU·g-1)Table 4 Number of mold colonies of brown rice underdifferent mechanical threshing patterns(×104 CFU·g-1)

2.3.3 裂颖籽粒、正常籽粒霉菌量的分析 切流式脱粒、轴流式脱粒、手工脱粒收获粳稻裂颖籽粒霉菌量的结果如表5所示。手工脱粒分别与切流式脱粒、轴流式脱粒收获裂颖籽粒霉菌量差异显著(P<0.05),切流式脱粒与轴流式脱粒收获裂颖籽粒霉菌量亦具有显著差异(P<0.05),其大小关系为:切流式>轴流式>手工,切流式脱粒收获比手工脱粒收获裂颖籽粒霉菌量高达11.75倍,轴流式脱粒收获比手工脱粒收获裂颖籽粒霉菌量高达7.78倍。切流式脱粒收获裂颖籽粒霉菌量大于106CFU·g-1,粳稻霉变已经非常严重,直接目测发现稻谷籽粒湿润变软、颖壳表面有霉点且有黄粒出现;轴流式脱粒收获裂颖籽粒霉菌量接近106CFU·g-1,粳稻霉变比较严重,直接目测发现粳稻籽粒湿润变软、颖壳表面有霉点;手工脱粒收获裂颖籽粒霉菌量略高于105CFU·g-1,粳稻已经开始霉变,直接目测发现粳稻外观无明显变化。

表5 不同机械脱粒方式收获裂颖籽粒霉菌量(×104 CFU·g-1)Table 5 Number of mold colonies of Japonica rice ofglume-opening under different mechanicalthreshing patterns(×104 CFU·g-1)

切流式脱粒、轴流式脱粒、手工脱粒收获粳稻正常籽粒霉菌量的结果如表6所示。手工脱粒分别与切流式脱粒、轴流式脱粒收获正常籽粒霉菌量差异显著(P<0.05),切流式脱粒与轴流式脱粒收获正常籽粒霉菌量亦具有显著差异(P<0.05),其大小关系为:切流式>轴流式>手工,切流式脱粒收获比手工脱粒收获正常籽粒霉菌量高达2.81倍,轴流式脱粒收获比手工脱粒收获正常籽粒霉菌量高达1.81倍。切流式脱粒收获正常籽粒霉菌量超出104CFU·g-1,粳稻有霉变的趋势,轴流式机械脱粒收获正常籽粒霉菌量接近104CFU·g-1,粳稻储藏安全性比较高,手工脱粒收获正常籽粒霉菌量低于104CFU·g-1,粳稻处于安全储藏状态。

表6 不同机械脱粒方式收获正常籽粒霉菌量(×104 CFU·g-1)Table 6 Number of mold colonies of sound Japonica riceunder different mechanical threshing patterns(×104 CFU·g-1)

还可能与其它的机械脱粒内部损伤相关,机械脱粒内部损伤可能对细胞膜的结构造成损伤,使得细胞膜的完整性和通透性发生改变,细胞膜的渗漏可造成微生物的大量繁殖[22]。切流式脱粒对稻谷的损伤高于轴流式脱粒对稻谷的损伤[17],因此,与手工脱粒相比,切流式脱粒和轴流式脱粒均显著增加裂颖籽粒霉菌量、粳稻籽粒霉菌量、正常籽粒霉菌量(P<0.05),切流式脱粒收获籽粒霉菌量显著高于轴流式脱粒收获籽粒霉菌量(P<0.05)。

2.4 粳稻霉菌量与其品质的相关性分析

2.4.1 裂颖率对霉菌量的影响 切流式脱粒、轴流式脱粒及手工脱粒方式收获的3个粳稻品种的粳稻霉菌量、糙米霉菌量与裂颖率进行一元线性回归的拟合,拟合曲线如图1所示。由图1A可知,粳稻霉菌量与裂颖率线性关系式为:y=4362.8x-88166(y是霉菌量,x是裂颖率),决定系数R2为0.9082(P<0.001),表明粳稻霉菌量与裂颖率呈极显著的一元线性关系。由图1B可知,糙米霉菌量与裂颖率线性关系式为:y=3530.5x-72793(y是霉菌量,x是裂颖率),决定系数R2为0.8719(P<0.001),表明糙米霉菌量与裂颖率呈极显著的线性关系。不同机械脱粒方式收获粳稻霉菌量差异显著的原因之一是脱粒显性损伤中的籽粒裂颖,稻谷颖壳的抗霉菌活动作用较强[20],机械脱粒收获比手工脱粒收获稻谷籽粒裂颖率高,颖壳的抗霉菌活动强度减弱,机械脱粒收获稻谷籽粒霉菌量增加。从图1A和图1B中发现,当稻谷裂颖率处于同一区段时,随着裂颖率增加,粳稻霉菌量、糙米霉菌量随着裂颖率的增加而减少,出现此现象的原因可能与粳稻品种不同有关,不同稻谷品种带菌种类有所差异[11],微生物种类不同,生长繁殖速度有所不同。

图1 粳稻霉菌量与裂颖率(A)及糙米霉菌量与裂颖率(B)的线性关系Fig.1 Ralationship between number of mold colonies ofJaponica rice and glume-opening rate(A),and between number of mold colonies inbrown rice and glume-opening rate(B)

2.4.2 粳稻霉菌量与发芽性能指标之间相关性分析 在做粳稻籽粒发芽试验的过程中发现,不同机械脱粒方式收获的粳稻种子发芽试验结果存在差异,机械脱粒收获的粳稻种子在发芽试验过程中出现幼苗叶片发黄、幼苗根部发霉、种子畸变的现象比手工脱粒的更明显,且机械脱粒收获的粳稻种子发芽势和发芽率比手工脱粒的低。为清楚反映粳稻霉菌量对其发芽性能指标有无显著性影响,对粳稻种子发芽性能指标和粳稻霉菌量进行相关性分析,其结果如表7所示。

表7 不同机械脱粒方式粳稻霉菌量与发芽性能指标之间相关性分析Table 7 Correlation analysis between number of mold colonies and germinateperformance indexes of Japonica rice under different threshing patterns

由表7知,在置信度(双侧)为0.01时,粳稻霉菌量与发芽势、发芽率呈极显著性负相关(α<0.01),相关系数分别为0.917、0.905;粳稻霉菌量与畸变数、幼苗根部发霉数呈极显著性正相关(α<0.01),相关系数分别为0.896、0.959。粳稻发芽势与发芽率呈极显著性正相关(α<0.01),相关系数为0.986;粳稻发芽势与畸变数、幼苗根部发霉数呈极显著性负相关(α<0.01),相关系数分别为0.929、0.909。粳稻发芽率与畸变数、幼苗根部发霉数呈极显著性负相关(α<0.01),相关系数分别为0.934、0.909。各指标之间高度互相极显著相关(α<0.01)。霉菌是导致谷物有氧腐败的主要有害微生物[1],霉菌的活动最终影响储藏稻谷的品质[4]。机械脱粒收获比手工脱粒收获粳稻霉菌量多,粳稻霉菌量多,霉菌活动加强,导致粳稻的种用品质降低。粳稻霉菌量与发芽性能指标之间相关性分析的结果表明:粳稻霉菌活动对粳稻发芽性能指标影响较大,粳稻霉菌量与粳稻种用品质相关性极显著(α<0.01)。

3 结论

切流式脱粒与轴流式脱粒与对照组相比均显著增加粳稻霉菌量(P<0.05),并且切流式脱粒与轴流式脱粒两种机械脱粒方式收获粳稻霉菌量差异显著(P<0.05)。在干燥通风的自然条件下储藏一年后,切流式脱粒收获粳稻已开始发生霉变,轴流式脱粒收获粳稻已有霉变的趋势。切流式脱粒与轴流式脱粒两种机械脱粒方式收获粳稻霉菌量、糙米霉菌量与裂颖率呈极显著的线性相关关系(P<0.001),并且粳稻霉菌量与发芽性能指标相关性极显著(α<0.01),粳稻霉菌量与发芽势、发芽率呈极显著性负相关(α<0.01),相关系数分别为0.917、0.905,粳稻霉菌量与畸变数、幼苗根部发霉数呈极显著性正相关(α<0.01),相关系数分别为0.896、0.959。

通过对比分析切流式、轴流式和手工3种粳稻脱粒收获方式,轴流式脱粒收获粳稻储藏安全性优于切流式脱粒,并且轴流式脱粒收获粳稻种子发芽势、发芽率高于切流式脱粒,轴流式脱粒收获粳稻种子畸变数、幼苗根部发霉数低于切流式脱粒。因此,从减少粳稻储藏过程中的霉变量和保持粳稻种用品质来考虑,粳稻机械收获应优先选用轴流式脱粒收获方式。从不同机械脱粒方式收获粳稻裂颖籽粒、正常籽粒霉菌菌落计数实验数据和差异性分析可以看出,当粳稻籽粒受到的脱粒外部损伤程度一致时,切流式和轴流式脱粒方式收获粳稻籽粒霉菌量差异明显,但是粳稻霉菌量差异与脱粒损伤中何种内部损伤有关有待于进一步研究。