烘干稻谷儲藏過程中脂肪酸值變化規律研究與脂肪酸值預測模型的建立

胡建蓉, 李 理, 付麗君, 熊升偉, 姜 濤,楊 娟, 王 錦, 陳晉瑩

(中儲糧成都儲藏研究院有限公司1,成都 610091)(西南財經大學統計學院2,成都 611130)

隨著農業科技的進步和生產投入的增加,全國糧食產量逐年增長[1],但由于糧食產量增長速度大大超過糧食收儲能力的擴增速度以及天氣、環境等諸多因素影響,機械烘干逐漸成為了糧食干燥的主要手段[2]。機械烘干的溫度較高,易使糧食籽粒內部發生化學變化[3],烘干稻谷在儲存短時間后脂肪酸值升高較快,造成稻谷品質快速下降。在新形勢下,研究烘干稻谷儲藏過程中脂肪酸值變化規律,掌握在現有條件下烘干稻谷儲藏的第一手資料,為延緩其劣變速度,延長輪換周期,科學運用儲糧技術提供依據,為節約糧食輪換費用和倉儲管理費用,創造較高的經濟、社會效益起積極的作用。

關于烘干稻谷的脂肪酸值變化,國內的研究多為稻谷烘干前后各理化指標變化的探討[4,5]以及不同烘干工藝對稻谷品質影響的研究[6,7]。本研究分別通過開展實驗室與實際倉房條件下烘干稻谷儲藏過程中脂肪酸值變化規律研究,建立脂肪酸值預測模型,科學指導烘干稻谷的安全儲藏和合理輪換。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 樣品來源

分別選用黑龍江(粳稻)、安徽(秈稻)2019年,遼寧(粳稻)2020年新收獲的烘干稻谷,以同批次曬干稻谷為對照進行實驗。

1.1.2 主要試劑和儀器

實驗用水:符合GB/T 6682—008《分析實驗室用水規格和試驗方法》中的規定;無水乙醇、95%乙醇、氫氧化鉀,均為分析純;領苯二甲酸氫鉀(基準試劑)。

JZSZ脂肪酸值自動滴定儀,JZDZ-1脂肪酸值專用振蕩器,JLXZ脂肪酸值離心機,ED115電熱鼓風干燥箱,JJ500電子天平(0.01 g),ME204E電子天平(0.1 mg)。

1.2 方法

1.2.1 實驗樣品的準備

曬干稻谷的準備:將稻谷攤薄放置于通風良好且寬闊的場地上,每1 h翻動1次,在2日內完成自然晾干,水質量分數為(14.0±0.2)%。

烘干稻谷的準備:采用煤作為燃料,將熱空氣輸送到稻谷干燥塔中,通過控制空氣流量控制烘干溫度在45～50 ℃,對稻谷進行烘干,烘后水質量分數為 (14.0±0.2)%。

1.2.2 測定方法和標準

對實驗稻谷進行水分和脂肪酸值的檢測。

水分的測定按GB/T 5497—1985《糧食、油料檢驗水分測定法》定溫定時法的規定執行。

樣品按 GB/T 20569—2006《稻谷儲存品質判定規則》的要求進行提取、按照LS/T 6105—2012《糧油檢驗谷物及制品脂肪酸值的測定自動滴定分析儀法》選用脂肪酸值自動滴定儀進行測定。

1.2.3 實驗室模擬儲藏實驗

在實驗室模擬條件下,研究稻谷在溫度分別為15、20、25、30 ℃,相對濕度為60%條件下水分、脂肪酸值的變化。跟蹤過程中監測模擬實驗氣候箱溫濕度,每日早上9點,下午5點各觀察記錄1次,確保樣品所需的環境條件,對有儲糧害蟲出現的樣品進行熏蒸殺蟲,每4個月將樣品袋中的樣品混合均勻,從中分取試樣,每份樣品約0.5 kg進行相關指標的檢測。

1.2.4 實倉預埋實驗

實倉預埋實驗分別在黑龍江、遼寧和安徽5個轄區內的8個倉中開展,實驗倉的具體情況如表1所示。

表1 稻谷實倉預埋實驗倉信息

將實驗用稻谷分別裝入統一的網兜中,埋入實驗的糧堆上層(糧面以下20 cm處),分區、設點嚴格按照《中央儲備糧油質量檢查扦樣檢驗管理辦法》(國糧發[2010]190號)的要求,預埋時烘干糧和曬干糧均為每個點位12袋,每袋約0.5 kg,在整個跟蹤過程中確保將糧溫控制在30 ℃以下,每4個月對預埋的樣品從各點位各取1袋樣品,將各點樣品進行充分混勻形成1份綜合樣品,檢測預埋樣在儲藏過程中的脂肪酸值變化。(房式倉和圓倉的具體扦樣示意圖例分別參見圖1和圖2)。

注:標記“● ”的為取樣點,邊角點距離墻面50 cm,埋樣點距離糧面20 cm。

備注:標記“● ”的為取樣點,外圓點距離圓倉的內壁1 m處,內圓點在半徑中心處,中心點為圓倉的中心點。埋樣點距離糧面20 cm。

1.2.5 稻谷脂肪酸值預測模型的建立

分別以實倉實驗所得數據和實驗室模擬儲藏15、20、25、30 ℃儲藏條件下的實驗數據為基礎,利用R軟件混合線性模型分別擬合參數(如在y=ax+b中,a、b為參數),使R2值最大化的稻谷脂肪酸值預測模型表達式,通過對比分析得出最優的模型,并用不同地區烘干稻谷的檢測數據予以驗證[8]。

1.2.6 實倉驗證實驗

實倉驗證實驗分別在安徽、成都、遼寧、黑龍江4個轄區內的7個倉中開展,實驗倉的具體情況如表2所示。

表2 稻谷脂肪酸值實倉驗證實驗實驗倉信息

1.2.7 數據分析

采用Microsoft Excel軟件作圖,R軟件進行數據處理和分析。

2 結果與討論

2.1 實驗室稻谷脂肪酸值規律分析

從表3可以看出烘干稻谷脂肪酸值的初始值在13.8～18.5 mg KOH/100 g之間,在不同溫度儲存2年(P為1年)之后,脂肪酸值都是增大的,檢測值在19.4～40.4 mg KOH/100 g之間,總體而言儲存溫度越高脂肪酸值越大。當溫度為15 ℃時脂肪酸值增幅很小,當儲藏溫度達到30 ℃以后,脂肪酸值的增幅可以達到175%。不同地區烘干稻谷脂肪酸值均是溫度越高增幅越大。整體來看,烘干稻谷和曬干稻谷的脂肪酸值變化無明顯差別。

表3 實驗室稻谷脂肪酸值變化分析

從圖3可以看出,粳稻(黑龍江、遼寧)和秈稻(安徽)的脂肪酸值均隨著儲存時間增加,呈現上升趨勢,總體來說溫度越高,脂肪酸值上升越快,脂肪酸值上升趨勢更多受溫度影響,烘干與曬干稻谷的變化趨勢基本一致。大約在儲存8個月后,30 ℃存儲的粳稻會出現輕度不宜存;儲存16個月后,30 ℃存儲的粳稻脂肪酸值接近35 mg KOH/100 g,脂肪酸值超過35 mg KOH/100 g粳稻重度不宜存。而儲存24個月以后,30 ℃儲存的秈稻會接近輕度不宜存。黑龍江樣品的脂肪酸值初始值較高(19.4 mg KOH/100 g),在后續儲藏中(20、25、30 ℃)較快的發展為不宜存,但在15 ℃儲藏條件下,2年后其脂肪酸值仍然沒有出現輕度不宜存。

注:橫坐標中1～7分別表示2020年4月、8月、12月,2021年4月、8月、12月,2022年4月。

2.2 實倉稻谷脂肪酸值規律分析

從表4可以看出實倉烘干稻谷脂肪酸值的初始值在13.8～18.5 mg KOH/100 g之間,在不同地區、不同倉房條件儲存2年(樣品P1烘為1年)之后,脂肪酸值都是增大的,檢測值在16.1～23.8 mg KOH/100 g之間。實倉條件下(糧溫控制在30℃以下)的儲藏期間粳稻脂肪酸值波動范圍為14.7～25.2 mg KOH/100 g,秈稻脂肪酸值波動范圍為13.7～22.0 mg KOH/100 g,秈稻和粳稻脂肪酸值增值均在10 mg KOH/100 g以下,秈稻增幅為30%～60%,粳稻增幅為30%以下,烘干與曬干稻谷區別不明顯。從圖4可以看出,在儲藏的前8個月(3月—10月),由于經歷春夏兩季,氣溫較高,脂肪酸值激增,平均增幅為15%,第3次檢測(第2年3月)經歷1個冬季氣溫降到零度以下,脂肪酸值增速明顯放緩甚至略有降低,之后的第2個夏季脂肪酸值再次較明顯增加,但增速比第一次度夏緩慢,平均增幅為8%,冬季后再放緩,呈現“S”型上升趨勢。稻谷存儲2年(樣品P1烘為一年)后脂肪酸值基本都在輕度不宜存線以下,但樣品H1-1曬脂肪酸值已經接近不宜存,說明在糧面下20 cm的初始脂肪酸值為19.4 mg KOH/100 g的稻谷在儲存2年以后開始出現輕度不宜存的現象。

注:橫坐標0～7分別表示為0,第1～7次。

表4 實倉稻谷脂肪酸值變化分析

2.3 實驗室模擬儲藏實驗相關性分析

在實驗室模擬儲藏的環境中,不同儲存溫度下相對濕度始終在60%,其他條件也保持幾乎完全相似,因此在實驗室環境中,稻谷的脂肪酸值主要受到儲存時間、溫度和稻谷水分的影響。從表5可以看出,儲存時間、水分、溫度對稻谷脂肪酸值的影響都是顯著的(P<0.001),由于稻谷脂肪酸值初始值的影響,所以在后面建立脂肪酸值的預測模型時,除了考慮溫度和儲存時間,也會考慮前一次檢測的脂肪酸值或者脂肪酸值初始值。

表5 實驗室稻谷脂肪酸值與儲藏條件相關性分析

2.4 實驗室稻谷脂肪酸值預測模型

Yit表示第i種稻谷,存儲td后的脂肪酸值,當期儲存時間表示從上次檢測到這次檢測的儲存時間,溫度指平均糧溫。

R2: 0.856。

2.5 實倉預埋實驗相關性分析

從表6可以看出,糧溫、倉型、水分等因素都與稻谷脂肪酸值有一定相關性,由于各種因素的耦合作用,顯示出糧溫、儲存時長、倉型對秈稻脂肪酸值的影響最為顯著(P<0.001)。

2.6 實倉稻谷脂肪酸值預測模型

Yit表示第i種水稻,存儲td后的脂肪酸值。

Yit=13.67+0.75×(儲存時長/100)+ 0.09×最高糧溫+0.25×平房倉+4.5×磚圓倉。

R2:0.794。

2.7 模型評價與選取

決定系數R2值用于判定一個多元線性預測模型表達式的擬合程度,其越接近1代表模型擬合程度越高,反之則表示擬合程度低。

通過對基于實倉實驗和實驗室模擬儲藏的數據統計分析以及對R2的計算和對比發現實驗室模擬儲藏對于實驗溫度和濕度是能準確控制的,其規律和相關性都比較明顯,因此由此建立的脂肪酸值預測模型擬合程度較高,而在實倉環境下,其檢測值受到多種因素的耦合作用,相關性表現得不如實驗室模擬狀態,并且由于各儲藏區域的倉型、儲糧環境都有較大的區別,由此建立的脂肪酸值預測模型擬合程度并不高。

安全水分的糧食在零下溫度的儲糧環境下,糧食品質變化非常小[9],在日常糧食儲藏管理中,我們更為關注的是糧食在較高溫度下的品質變化[10],由于以上原因實驗室模擬儲藏實驗研究的儲糧溫度范圍為15～30 ℃,基于此實驗建立的該模型更為適用于儲糧溫度在零度以上溫度。

因此,選用基于實驗室模擬儲藏的數據所建模型:

式中:Yit為第i種稻谷存儲td后的脂肪酸值;當期儲存時間表示從上次檢測到這次檢測的儲存時間;溫度指平均糧溫。

2.8 模型的驗證

根據稻谷儲存品質判定規則,粳稻脂肪酸值預測值和實測值的誤差范圍不應超過10 mg KOH/100 g,秈稻脂肪酸值預測值和實測值的誤差范圍不應超過7 mg KOH/100 g,當預測天數為 96～721 d,平均糧溫在零度以上時,不同地區不同品種的烘干稻谷脂肪酸值預測實倉驗證數據見表7,可以看出實測與預測值之間的絕對差值在0～3.2之間,烘干稻谷實際測量值與模型預測值間的相對誤差也在15%以內,擬合度較好[11]。

表7 實倉脂肪酸值驗證

3 結論與展望

對烘干稻谷儲藏過程中脂肪酸值變化規律進行研究,結果表明烘干與曬干稻谷在儲藏過程中脂肪酸值變化無明顯差異,當入倉烘干稻谷的脂肪酸值在13.8～18.5 mg KOH/100 g時,稻谷在25 ℃以上溫度儲存大約8個月后,會出現輕度不宜存,30 ℃存儲16個月后,會重度不宜存。實倉條件下(最高糧溫控制在30 ℃以下),烘干稻谷脂肪酸值的初始值為13.8～18.5 mg KOH/100 g,儲藏2年以后,秈稻脂肪酸值增幅為30%～60%,粳稻脂肪酸值增幅為30%以下。隨著儲存時間的增加,烘干稻谷脂肪酸值整體呈現上升趨勢,溫度越高,脂肪酸值上升越快,上升速率隨著儲存時間的增加有所放緩,脂肪酸值上升趨勢更多受溫度影響。初始脂肪酸值較高的樣品在后續儲藏中也較快的發展為不宜存。因此,為了保障庫存糧食的品質安全,建議各直屬庫點在稻谷收購時盡量選擇較低脂肪酸值的樣品入倉;在儲藏時,盡量控制溫度在25 ℃以下。

在實驗室模擬儲藏實驗數據基礎上建立脂肪酸值預測模型并進行了實倉驗證,擬合效果良好,為實際應用提供一定的參考價值。主要作用有:入倉前,糧食收儲企業可以通過模型算出不同溫度(水分)條件下烘干稻谷儲藏的最長時間,結合收儲企業自身的條件和需求,選擇合適的儲糧條件進行儲糧以達到預期目的。在一段時間內進行脂肪酸值預測,特別是溫度較高季節的糧情預判以及對跨區域糧食調運期間的烘干稻谷脂肪酸值變化做出科學的預測。