温度对高水分稻谷储藏品质的影响及其预测模型研究

段依梦,宋 玉,曹 磊,陶 澍,张卫华,刘 超,*,杜传来,朱昌保,顾广东,曹胜男

(1.安徽科技学院食品工程学院,安徽凤阳 233100;2.安徽省农业科学院农产品加工研究所,安徽合肥 230031;3.安徽省粮油科学研究所,安徽合肥 230031)

近年来,稻谷就仓干燥技术因其能耗低、降水均匀、对品质影响较小等优势一直备受关注[1-2],稻谷就仓干燥是指将收获的稻谷存放在配有机械通风系统的筒仓内,以自然空气或加热空气作为干燥介质,在一定时间内,通过粮堆内外空气置换将稻谷水分降至标准以内后就仓储藏的一种干燥技术[3-4]。通常就仓干燥储藏水分要求小于18%,高水分不能就仓储藏,而刚收获稻谷水分含量较高(21%～24%),若不及时进行干燥,品质容易发生劣变。此时,温度及自身高水分因素导致的储藏真菌生长对其品质影响较大。因此,探讨在高水分条件下环境温度对谷物品质变化的影响,掌握高水分稻谷在不同温度条件下的品质变化规律,对指导稻谷及时进行就仓干燥具有重要的理论意义。

目前多数研究主要集中在高温烘干或储藏期间稻谷品质变化情况,而高水分稻谷的就仓干燥研究相对较少。张玉荣等[5]以含水量为26.5%的粳稻作为原料,在45、60、75、90 ℃高温条件下进行稻谷干燥实验,结果表明较高干燥温度对稻谷加工品质有影响;石翠霞等[6]于25、35 ℃恒温室内进行正常含水率稻谷储藏试验,发现该温度条件下,稻谷品质主要随储藏时间延长而改变。动力学模型研究多侧重于海鲜[7]、果蔬[8]、肉类[9]等,关于建立稻谷品质变化动力学模型预测其品质变化规律的研究尚少。

脂肪酸值的升高是稻谷品质劣变的主要表现之一,本实验根据其数据变化建立稻谷品质变化动力学模型,以此获得高水分稻谷在不同温度条件下储藏品质变化规律,为我国高水分稻谷收获后处理及就仓干燥提供理论数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

2019年产粳稻 安徽怀宁:安徽稼仙金佳粮集团股份有限公司,初始水分含量为14.3%;氢氧化钾、95%乙醇、邻苯二甲酸氢钾、无水乙醇、蒸馏水(不含CO2)、酚酞指示剂(均为分析纯) 国药集团化学试剂有限公司。

RXZ型多段编程智能人工气候箱 宁波江南仪器厂;RXZ智能型人工气候箱 宁波江南仪器厂;HZQ-Q 200型全温振荡培养箱 上海安亭科学仪器厂;JDMZ100稻谷出米率检测仪 北京东孚久恒仪器技术有限公司;FW100高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;GZX-GF 101-3BS电热恒温鼓风干燥箱 上海跃进医疗器械有限公司;ZD-85气浴恒温振荡器 浙江温州精达电器有限公司;HH-S4水浴锅 常州同宇仪器制造有限公司;BT457电子天平 深圳市博途电子科技有限公司;JFQS-13X20碎米分离器 台州市粮仪厂;TA.XTPLUS型质构仪 英国Stable Micto System(SMS)公司。

1.2 实验方法

1.2.1 稻谷预处理与储藏实验 取初始水分质量分数为14.3%的稻谷三份,每份约2 kg,在人工气候培养箱中(环境温度为20 ℃,RH 80%)调节水分含量至高水分区间(20%～21%)备用,约需7 d,实测值分别为19.85%、20.51%、21.12%,调质结束后稻谷爆腰率分别为:19.24%、18.23%、19.79%,且试验期间内肉眼观察无霉菌生长。

将调至目标水分含量的稻谷分别放置在已设定好的低温组(15 ℃)、中温组(25 ℃)及高温组(35 ℃)三组温度条件下[10]的人工气候培养箱中,设定人工气候箱湿度为70%,模拟三个不同温度条件下稻谷储藏实验,每隔2 d取样测定其水分含量及各项品质指标,直至稻谷水分低于14%或失去其储藏价值(脂肪酸值>35 mg/100 g)。

1.2.2 指标测定

1.2.2.1 水分测定 参考GB/T 5497-1985,粮食水分在18%以上时,采用两次烘干法测定;取整粒稻谷20 g,记为W,放入烘干后的铝盒中,于105 ℃条件下烘30～40 min,冷却至恒重(前后称量差不高于0.005 g),记下此时重量W1,此为第一次烘干;第二次烘干称取上述烘干后稻谷3 g,记为W2,在相同条件下烘3 h,取出,加盖冷却至恒重,记下此时重量W3,根据公式:水分含量(%)=[(WW2-W1W3)/WW2]×100,计算得到稻谷水分含量。

1.2.2.2 脂肪酸值测定 参考GB/T 20569-2006,准确称取10.00 g样品于250 mL三角瓶中,加入50 mL无水乙醇,放入25 ℃气浴恒温振荡器中,振荡20 min,过滤,取25 mL滤液,用标准KOH-乙醇溶液滴定。以100 g绝干稻谷所消耗KOH体积数表示稻谷脂肪酸值。

1.2.2.3 出糙率测定 参考GB/T 5494-2008,称取30 g样品,于105 ℃烘箱中,烘干至21.5～25.8 g,经砻谷机砻谷,测糙米重,糙米重量除以样品重即为稻谷出糙率。

1.2.2.4 整精米率测定 参考GB/T 21719-2008,取上述砻谷过后糙米,再将其放入碾米机中处理。得到的精米装入密封袋冷却至室温,在干燥的环境下通过碎米分离器分离碎米,留下整精米粒称其质量。进行3次重复实验,计算稻谷的整精米率。

1.2.2.5 米饭质构特性测定 参照参考文献[11],将米饭与水按照1∶1.6比例加入到蒸煮盒中,加盖蒸煮12 min后,继续焖30 min,得实验所需米饭。取完整米粒3颗,辐射状摆放在探头中央。采用P/36型探头,TPA测试模式,探头的测前、测中和测后速度分别为5、1、5 mm/s,触发力5 g,数据采集速率200 pps,变形量70%,保持时间5 s。

1.2.3 品质变化动力学模型的构建 食品在贮藏过程中发生的大多数品质变化都可遵循零级或一级反应动力学模型[12-13],脂肪酸值的升高是稻谷品质劣变的主要表现之一,故采用脂肪酸值作为考察指标,建立品质动力学模型对稻谷是否具有储藏价值进行判断[14-15]:

零级反应动力学模型:A=kt+A0

式(1)

一级反应动力学模型:ln A=ln A0+kt

式(2)

式中:t:稻谷储藏时间,d;A0:稻谷初始脂肪酸值含量,mg/100 g;A:稻谷储藏第t d品质指标;k:品质变化速率常数。

动力学模型可以有效反映稻谷在不同温度条件下的品质变化情况。品质变化速率常数k为温度的函数,一般符合Arrhenius方程(式3),该方程可用来描述不同环境条件下食品发生的品质变化[16-18]:

k=k0·e-EA/RT

式(3)

式中:k0:频率因子;EA:为活化能,J/mol;R:气体常数,值为8.314 J/(mol·K);T:反应的绝对温度,K。

1.3 数据处理

所有指标的测定至少做3次重复,采用Origin 9.1软件作图,数据分析采用SPSS 25.0进行单因素ANOVA检验。

2 结果与分析

2.1 不同温度对高水分含量稻谷水分含量的影响

由图1可知,高水分含量稻谷在不同温度条件下水分含量随着储藏时间增加呈现下降趋势,其中35 ℃条件下水分含量下降最快,于第5 d降至14%以下,第7 d以后水分含量略有上升,第7 d与第11、13 d值差异不显著,但显著低于其他时间(P<0.05)。25及15 ℃条件下稻谷水分含量下降较缓慢,25 ℃条件下稻谷在第13 d降至15%左右,15 ℃条件下第5 d水分含量变化逐渐趋于平稳,以上结果说明储藏温度对稻谷水分影响较大[19]。稻谷水分变化形式可概括为内部水分以液态或气态形式沿着毛细管扩散到稻谷表面,再由表面蒸发到环境介质中[20-21]。因此高水分稻谷在35 ℃条件下表面水分被快速带走,随着储藏时间增加,稻谷内外部形成水分梯度,促使稻谷内部水分向表面迁移。而15 ℃条件下,稻谷内外水分的这种变化较缓慢,水分含量相对较为稳定。

图1 不同温度条件对高水分含量稻谷水分的影响

2.2 温度对高水分稻谷储藏品质影响

2.2.1 脂肪酸值变化情况 由图2可知,随着储藏时间增加,20%含水量稻谷在不同温度条件下脂肪酸值均呈现上升趋势,35 ℃条件下,脂肪酸值上升最快,于第7 d之后处于重度不宜存状态(粳稻>35 mg/100 g),第7 d数值显著高于0～5 d数值(P<0.05),而25及15 ℃条件下,稻谷脂肪酸值上升缓慢,直至第10 d前后脂肪酸值接近重度不宜存状态。稻谷中脂类变化主要分为两种:一是在适宜环境条件下被氧化为过氧化物,其不饱和脂肪酸被氧化成羰基化合物;二是脂类物质因脂肪酶的激活而水解,产生油和脂肪酸[22]。脂肪酸值的变化与环境温度、稻谷水分有关,高温对于脂类的氧化有促进作用,而低温条件对于脂类的水解有一定的缓解作用,所以35 ℃条件下脂肪酸值上升最快,15 ℃条件下上升最慢。

图2 不同温度条件对高水分含量稻谷脂肪酸值的影响

2.2.2 温度对高水分稻谷加工品质的影响 根据稻谷水分含量变化情况,选取0、5 d(水分含量发生明显变化)及13 d样品测定稻谷出糙率、整精米率,用来衡量稻谷加工品质变化。由表1可知,稻谷出糙率随着时间的增长呈现上升趋势,35 ℃条件下,稻谷出糙率相对较低,有上升趋势,数值间无显著差异(P>0.05),变化幅度不明显,变化值为1.13%,25及15 ℃条件下出糙率间均差异显著(P<0.05),15与25 ℃条件变化幅度相近;整精米率是国家粮食定等标准之一[23],由表2可知,35及15 ℃条件下,稻谷整精米随着时间的增长也呈现上升趋势,15 ℃条件下,稻谷整精米率上升速率最快,为11.74%;25 ℃条件下次之,35 ℃上升幅度最小,变化幅度为2.50%。分析原因,稻谷稻壳的韧性随着稻谷水分含量的下降而下降,有利于稻谷砻谷,因此,在三个温度条件下,稻谷出糙率与整精米率呈现上升趋势,但35 ℃条件下,上升最慢。

表1 不同温度条件对稻谷出糙率的影响

表2 不同温度条件对稻谷整精米率的影响

2.2.3 温度对米饭质构品质的影响 米饭质构特性的变化是稻谷储藏过程中变化较显著的指标之一,是影响稻谷食味品质的重要因素[24-25],由图3可知,不同温度条件下稻谷在干燥过程中米饭硬度随干燥时间的延长有一定的波动,这可能是由于样品个体差异引起的,但总体呈现增大趋势,其中35 ℃米饭第11 d的硬度最高,显著大于其他时间(P<0.05),25 ℃条件下米饭硬度在5 d以后增大趋势明显,第7 d硬度值显著升高(P<0.05),7 d以后变化较小;15 ℃条件下米饭硬度在第7 d以后显著性增加(P<0.05)。米饭硬度的变化可能与稻谷水分含量相关,稻谷水分含量在储藏过程中持续下降,稻谷硬度随水分含量的减少而增大,水分越少,硬度越大。整体而言,35 ℃米饭的硬度最高,25 ℃次之,15 ℃最低。

图3 不同温度条件对米饭硬度的影响

米饭胶着度指米饭的粘牙程度[26],温度对其影响较大,由图4可知,米饭胶着性随着干燥时间的延长基本呈先增大后降低趋势,但不同温度条件下趋势略有差异,其中15 ℃在第5 d以后显著增大(P<0.05),而后略有波动;25 ℃米饭胶着性在1～7 d内显著增大(P<0.05),9 d以后略有降低但差异不显著(P>0.05);35 ℃米饭胶着性在1～9 d内呈波动式上升,9 d以后差异不显著(P>0.05),但在9～13 d显著高于15、25 ℃(P<0.05);整体而言,温度越高,米饭胶着度变化越大,15 ℃米饭的胶着性最低。

图4 不同温度条件对米饭胶着度的影响

由图5可知,不同温度条件下米饭弹性在干燥过程中基本上呈现先增大后降低的趋势,其中15 ℃下米饭弹性在第9 d达到最大值,显著高于其他时间(P<0.05);25 ℃米饭弹性在第7 d达到最大值,显著高于其他时间(P<0.05);35 ℃下米饭弹性波动较大,在第5 d达到最大值,显著高于其他时间(P<0.05),7 d后变化不显著(P>0.05)。品质较好的稻谷,米饭弹性也较好[27]。整体而言,15 ℃米饭弹性能达到的最大值略高于25、35 ℃。

图5 不同温度条件对米饭弹性的影响

2.3 不同温度条件下高水分稻谷品质预测模型构建

2.3.1 动力学模型反应级数及品质变化速率常数确定 持续测定不同温度条件下稻谷的脂肪酸值,同时采用Origin 9.1软件对指标进行零级或一级品质动力学模型分析,即线性或指数方程回归分析,相关结果如表3。

表3 不同温度条件下高水分稻谷零级动力学模型及相关参数

由表3、表4可知,稻谷脂肪酸值在不同温度条件下建立回归方程,回归系数R2均大于0.90,表明稻谷脂肪酸值建立的动力学拟合曲线有较高的拟合度。

表4 不同温度条件下高水分稻谷一级动力学模型及相关参数

2.3.2 反应活化能的确定 将式(3)Arrhenius方程变形,可得:

lnk=-EA/RT+lnk0

式(4)

故根据式(4)可将上述所得品质变化速率常数k值,以及绝对温度T值,以-lnk与1/T形式作图,见图6。

图6 不同温度条件下高水分稻谷 脂肪酸值变化的Arrhenius曲线

由图6可得,lnk=409.091/T-3.950,R2=0.744,式(5),将式(5)与式(4)比较,计算得到该反应活化能EA=3401.183 J/mol,频率因子k0=0.0193。

2.3.3 品质变化规律预测模型的建立 将式(1)与式(2)的零级与一级动力学模型联立,再经左右积分,可得:

lnA-lnA0=k0·e-EA/RT·t

式(6)

此处A0为稻谷脂肪酸值在各温度条件下0 d的初始值,A为储藏了时间t d之后的脂肪酸值,根据各温度下的初始脂肪酸值可得到不同温度条件下稻谷脂肪酸值的预测模型,见表5。

表5 不同温度条件下高水分稻谷脂肪酸值的预测模型

2.4 品质变化规律预测模型验证

将2.1.2中各温度条件下随机天数实际所测值与经建立的Arrhenius模型方程计算得到的预测值进行比较,验证上述模型的准确性:

由表6可知,各温度条件下高水分稻谷实际测量值与方程预测值间的相对误差均小于10%,低于一般数值模拟要求的15%精度[13-14,28],因此该预测模型对于预测稻谷脂肪酸值变化是可信的。

表6 稻谷脂肪酸值预测值与实测值的比较

3 结论

15、25、35 ℃三种温度条件下,稻谷的水分含量呈现下降趋势,随着储藏时间增加及水分含量的下降,稻谷脂肪酸值呈现上升趋势,稻谷水分与脂肪酸值在35 ℃条件下变化幅度相对较大,35 ℃于第7 d水分降至最低值,且脂肪酸值处于重度不宜存状态,更不利于稻谷进行长期储藏;稻谷出糙率与整精米率反映稻谷加工品质,稻谷加工品质均呈现上升趋势,但35 ℃上升幅度相对最小,25、15 ℃对稻谷加工品质更有益;米饭的质构特性反映稻谷的食味品质,本实验中高水分稻谷的食味品质下降,且35 ℃条件下,米饭食味品质变化更加明显。综上所述,高水分稻谷在35 ℃条件下,品质劣变速度加快,而低温可减缓其品质劣变速度,对高水分稻谷就仓干燥有理论指导意义。

通过对稻谷脂肪酸值指标零级及一级动力学模型拟合发现,稻谷脂肪酸值指标拟合度R2均大于0.90,遵循一级动力学模型。以-lnk与1/T值作线性拟合,得到高水分稻谷的品质预测模型:lnA=0.0193e409.09/T·t+lnA0。该方程所得预测值与三个温度条件下的脂肪酸值实测值相对误差小于10%,表明该方程可准确预测稻谷的品质变化情况,可以有效指导不同就仓温度条件下高水分稻谷及时进入干燥阶段,为高水分稻谷在不同就仓温度条件下品质变化提供理论基础和应用指导。