张崇霞 严晓平 王双林 朱延光

(中储粮成都储藏研究院有限公司， 成都 610091)

我国是世界上稻谷主产国之一，我国稻谷的播种面积约占粮食作物总面积的25%，产量约占全国粮食总产量的50%，占世界总产量的35%。我国稻谷主产区在南方，每年需要处理的高水分粮逾1亿t，约占总产量的20%～25%。高水分稻谷极易霉变、发芽，造成严重的数量损失和品质损失。在稻谷储藏过程中，受气温及粮堆中微气流影响，也会出现稻谷局部水分偏高现象[1，2]。

臭氧作为一种抑菌剂，经FDA允许可以直接用于食品链中，并且臭氧有降低真菌活性和降解真菌毒素的作用[3，4]。在一些应用中也出现臭氧对粮粒的物理化学性质产生影响，促进化学成分氧化降解，引起色泽改变、香气成分丢失并形成不良气味的情况[4]，这与臭氧的浓度、处理时间和被处理对象的种类有关[5，6]。本实验采用不同浓度臭氧处理不同含水量稻谷，对稻谷相关品质指标进行分析，旨在保证稻谷品质的前提下，达到灭霉和降低稻谷含水量的目的，探索臭氧处理稻谷的工艺条件。

1 材料与方法

1.1 实验材料

籼稻：兆优5431，2019年种植于四川广汉，收获于2019年10月份，初始含水量13.5%。

1.2 主要仪器设备

SOZ-YW-16G(空气源)型臭氧发生器，LX100A静音空压机，UV-100紫外臭氧检测仪，LDZX-100KBS型立式压力蒸汽灭菌器，JSC-800L型智能恒温恒湿培养箱，AL204分析天平，ZC-WQ-800臭氧尾气处理器。

1.3 实验方法

1.3.1 臭氧浓度对霉菌总数影响的单因素实验

对含水量15.5%的稻谷，分别用浓度150、300、450、600 mg/kg的臭氧处理4 h，处理后测定稻谷霉菌总数，同时测定未用臭氧处理时的稻谷霉菌总数。

1.3.2 臭氧处理时间对霉菌总数影响的单因素实验

对含水量15.5%的稻谷，用300 mg/kg的臭氧分别处理2、4、6、8 h，处理后测定稻谷霉菌总数含量，同时测定未用臭氧处理时的稻谷霉菌总数。

1.3.3 稻谷含水量对霉菌总数影响的单因素实验

将含水量12.5%、14.0%、15.5%、17.0%、18.5%的稻谷，分别用300 mg/kg的臭氧处理4h，处理后测定稻谷霉菌总数。

1.3.4 正交实验

在单因素实验结果基础上，选择臭氧浓度、臭氧处理时间和稻谷初始含水量作为主要影响因素，进行L9(34)正交实验设计，因素水平表设计见表1，正交实验设计见表2。

表1 L9(34)正交实验设计因素水平

表2 正交实验设计编码表

1.4 实验过程和指标测定

使用晾晒的方法将部分含水量13.5%的稻谷水分降到12.5%，使用无菌水调节部分含水量13.5%的稻谷水分分别为14.0%、15.5%、17.0%、18.5%，调高水分的稻谷分别装入具塞磨口玻璃瓶中置于15 ℃生态培养柜内平衡14 d，然后置于25 ℃生态培养柜内培养10 d。再将稻谷样品分装在2 L圆柱形玻璃管(长度64 cm，内径6.4 cm)中用臭氧处理(如图1)，臭氧流量5 L/min，处理过程中首先持续不断将臭氧通入装有蒸馏水的玻璃瓶，使臭氧有一定载湿量，防止干燥的臭氧通入稻谷中，引起稻谷水分丢失，再通入装稻谷的玻璃管，浓度保持在目标浓度±40 mg/kg，臭氧处理稻谷后通过三通阀流向紫外臭氧检测仪和臭氧尾气处理器，紫外检测仪在整个处理过程中在线监测臭氧浓度。达到处理时间后，停止通入臭氧，将稻谷样品从玻璃管中取出，装入自封袋，然后进行相关指标检测。臭氧处理时环境温度20～25 ℃。

图1 臭氧处理稻谷工艺示意图

脂肪酸值、品质评分值测定方法：GB/T 20569—2006《稻谷储存品质判定规则》；发芽率测定方法：GB/T 5520—2011《粮油检验 发芽试验》；水分测定方法：GB/T 21305—2007《谷物及谷物制品水分的测定 常规法》；霉菌总数测定方法：GB 4789.15—2016《食品微生物学检验 霉菌和酵母计数》；霉菌总数减量：臭氧处理前稻谷霉菌总数-臭氧处理后稻谷霉菌总数。

1.5 统计方法

每个实验重复3次，实验数据用Origin8.0进行曲线图绘制，用SPSS12.0软件进行主效应分析、LSD多重比较和多元线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 臭氧处理浓度对霉菌总数影响的单因素实验

对含水量15.5%的稻谷，用不同浓度的臭氧(150、300、450、600 mg/kg)处理4 h单因素实验结果见图2。从图2可以看出，未经臭氧处理的稻谷霉菌总数为2.37×104cfu/g，经臭氧处理后，稻谷霉菌总数下降明显。采用150、300、450、600 mg/kg的臭氧处理后，与处理前相比，稻谷霉菌总数分别减少了58%、56%、60%、61%。方差分析结果表明，不同浓度臭氧处理后稻谷霉菌总数与未用臭氧处理的稻谷霉菌总数均呈极显著差异。

图2 臭氧处理浓度和处理时间对稻谷霉菌总数的影响

考虑到实际应用中，维持高浓度臭氧需要投入更高的生产成本，因此在后续的正交实验设计中，选用150、300、450 mg/kg的臭氧浓度进行实验设计。

2.2 臭氧处理时间对霉菌总数影响的单因素实验

对含水量15.5%的稻谷，用300 mg/kg的臭氧分别处理不同时间(2、4、6、8 h)单因素实验结果见图2。从图2可以看出，未用臭氧处理的稻谷霉菌总数为2.37×104cfu/g，用臭氧处理后，稻谷霉菌总数下降。从图2可以看出，在用臭氧处理的0～6 h，处理时间越长，稻谷霉菌总数越低。在用臭氧处理6～8 h的稻谷霉菌总数变化不明显。用臭氧处理2、4、6、8 h后，与处理前相比，稻谷霉菌总数分别减少了33%、49%、62%、61%。

2.3 稻谷含水量对霉菌总数减量影响的单因素实验

用300 mg/kg的臭氧分别处理含水量12.5%、14.0%、15.5%、17.0%、18.5%的稻谷4 h，得到用臭氧处理不同稻谷含水量对霉菌总数减量影响的单因素实验结果见图3。考虑到不同含水量稻谷初始霉菌总数有差异，因此使用了霉菌总数减量为纵坐标绘制曲线图。从图3可以看出，稻谷含水量越高，用臭氧处理后，霉菌总数减量越大。对于含水量在12.5%～14.0%的稻谷，用臭氧处理后，霉菌总数减量在1.03×104～1.06×104cfu/g之间。当稻谷含水量高于14.0%，用臭氧处理后，霉菌总数减量增加明显。也就是说，稻谷含水量越高，用臭氧处理，杀灭霉菌的效果越好。

图3 稻谷含水量对稻谷霉菌总数减量的影响

2.4 正交实验臭氧处理对稻谷品质的影响

不同含水量的稻谷经臭氧处理后脂肪酸值、发芽率和品尝评分值变化见表3。臭氧浓度和臭氧处理时间对不同含水量稻谷的脂肪酸值、发芽率和品尝评分值通过SPSS 进行多因素方差分析结果见表4。

脂肪酸值是影响稻谷质量的重要指标，是稻谷储存品质判定指标之一，臭氧处理后，各处理组脂肪酸值在12.98～15.56 mg/100 g之间，远低于GB 20569—2006中籼稻宜存脂肪酸值小于等于30.0 mg/100 g的要求。方差分析结果表明臭氧处理时间和稻谷初始含水量对脂肪酸值有极显著影响(F=18.975，P<0.01；F=10.490，P<0.01)，臭氧处理浓度对脂肪酸值影响不显著(F=2.065，P>0.05)。

发芽率是衡量粮食籽粒综合品质的指标，在经臭氧处理后，各处理组发芽率在87%～97%之间，变化幅度小，发芽率仍然保持在较高的水平。方差分析结果表明臭氧浓度、臭氧处理时间和稻谷初始含水量对发芽率影响均不显著(F=0.646，P>0.05；F=1.403，P>0.05；F=2.349，P>0.05)。这表明对于含水量14%～17%的稻谷，用150～450 mg/kg的臭氧处理2～6 h，对稻谷发芽率无明显影响。

稻谷品尝评分值是判定稻谷是否宜存的重要指标，经臭氧处理后，各处理组品尝评分值在75～81分之间，变化范围小，高于GB 20569—2006《稻谷储存品质判定规则》中籼稻宜存品尝评分值大于等于70分的要求。方差分析结果表明臭氧浓度对品尝评分值有极显著影响(F=20.456，P<0.01)，臭氧处理时间和稻谷初始含水量对品尝评分值影响不显著(F=1.314，P>0.05；F=0.027，P>0.05)。

表3 不同处理稻谷品质指标变化

由分析可以看出，含水量14.0%～17.0%的稻谷，用150～600 mg/kg的臭氧处理2～6 h，处理后稻谷脂肪酸值、发芽率、品尝评分值变化范围小，这与很多研究的结果一致。Suian Jose等[3]用产量2 000 mg/h的臭氧发生器处理含水量18.6%的小麦发现，臭氧处理时间对小麦的发芽率、电导率、种子活力等生理指标影响不显著。Mendez等[7]研究发现，用50 mg/kg的臭氧处理粮粒，对发芽率没有影响。Rozado 等[3]用50 mg/kg臭氧以0.8 L/min的流量处理玉米，玉米的品质没有受到影响。Wu等[8]用0.016～0.33 mg/g臭氧处理小麦1 h，对小麦发芽率没有影响。Freitas等[9]用0.86 mg/L的臭氧处理玉米10～60 min，对发芽率没有影响。

表4 不同影响因素对稻谷品质指标影响方差分析结果

也有一些研究表明臭氧对粮粒的物理化学性质有影响，会促进粮粒化学成分的氧化降解，引起色泽改变、香气成分丢失并形成不良气味[4]，这与臭氧的浓度和处理时间有关[5，6]。本实验用不同浓度臭氧和处理时间处理稻谷，对稻谷相关品质指标影响较小。

2.5 正交实验臭氧处理对稻谷霉菌总数的影响

臭氧具有高效、广谱的杀菌效果，并且有无污染、成本低的优点。由表5可以看出，各实验组经臭氧处理后，霉菌总数减量在6.9×103～2.1×104cfu/g之间，臭氧处理灭霉效果明显。

表5 不同处理稻谷霉菌减量变化

臭氧处理浓度、处理时间和稻谷初始含水量对霉菌总数减量的影响见表6，由分析结果可以看出臭氧处理浓度、臭氧处理时间和稻谷初始含水量对霉菌总数减量均有极显著影响(F=10.545，P<0.01；F=18.758，P<0.01；F=10.132，P<0.01)。

Suian等[3]用产量2 000 mg/h的臭氧发生器处理含水量18.6%的小麦发现，臭氧处理时间对霉菌总数减量有最大影响，处理时间越长，霉菌总数减量越大。Mendez等[7]研究发现，用50 mg/kg的臭氧处理粮粒，臭氧处理时间对霉菌总数减少有最大影响。Kells等[5]研究发现臭氧穿过粮层时有两个阶段的变化，第1阶段，臭氧与粮粒表面物质发生氧化反应，使传过粮层的臭氧浓度不断降低。第2阶段，臭氧与粮粒表面物质反应完成，以固定浓度穿越粮层。在第1阶段，臭氧不仅与粮粒自身物质发生氧化反应，同时与粮粒表面的微生物发生氧化反应，使微生物的细胞壁削弱和破裂，达到灭霉的效果。研究表明，粮食的含水量和处理时的温度会影响到臭氧灭霉的效果[8,10]，Wu等[8]发现小麦含水量升高会使小麦籽粒水分活度提高，对臭氧的灭霉效果会起到促进作用。Khadre等[11]研究发现水分会促进臭氧的分解，从而加速臭氧对微生物的氧化，使其有更好的灭霉效果。也有研究表明，温度升高时，臭氧灭霉和对真菌毒素降解作用会增强，这与温度升高时，臭氧的分解加快有关[10，12]。

以霉菌总数减量为因变量，臭氧处理浓度、臭氧处理时间和稻谷初始含水量为自变量，用逐步回归法进行多元线性回归分析，得到模型。

表6 正交实验方差分析表(霉菌总数减量)

Y=1 602.78X1+1 448.15X2+4.15X3-16 572.22

式中：Y为臭氧处理后霉菌总数减量/cfu/g；X1为臭氧处理时间/h；X2为稻谷初始含水量/%；X3为臭氧处理浓度/mg/kg。

通过评价模型的R2LAI判定模型的可靠度，通过模型的方差分析表，判定模型的显著程度，结果见表7、表8。由表7可以看出，模型极显著(P<0.01)，回归模型调整决定系数为0.611，说明该模型可以解释总变异的61.1%。对回归方程进行系数显著性分析检验，由表8可以看出臭氧处理时间和稻谷初始含水量影响极显著(P<0.01)，臭氧处理浓度影响不显著(P>0.05)。

表7 回归模型方差分析表(霉菌总数减量)

表8 回归系数表(霉菌总数减量)

用臭氧处理偏高水分稻谷，一般都伴随着环境条件或局部储藏条件温度偏高的情况，而稻谷含水量偏高和较高的温度条件，对臭氧灭霉有很好的增效作用。

3 结论

以150～450 mg/kg臭氧处理稻谷2～6 h，稻谷品质指标变化较小，臭氧处理对稻谷含水量和霉菌总数有较大影响。方差分析表明臭氧处理浓度、臭氧处理时间和稻谷初始含水量对霉菌总数减少有极显著影响。

以稻谷霉菌总数减量(Y)为因变量，以臭氧处理时间(X1)、稻谷初始含水量(X2)、臭氧浓度(X3)为自变量，进行多元线性回归分析，得到模型Y=1 602.78X1+1 448.15X2+4.15X3-16 572.22。

根据研究结果可得出，在用臭氧处理偏高水分稻谷时，以低浓度臭氧进行较长时间的熏蒸处理，对品质指标影响小，并且有很好的降低霉菌总数的效果。以150mg/kg臭氧处理含水量17%的稻谷6 h为例，处理前稻谷稻谷脂肪酸值、发芽率和品尝评分值为15.91 mg/100 g、93%、80分，处理后稻谷脂肪酸值、发芽率和品尝评分值为14.36 mg/100 g、91%、80分，处理后霉菌总数减量2.2×104cfu/g。