0 引言
【研究意义】胚芽米又称留胚米,是稻谷加工过程中保留了80%以上胚芽的大米,营养价值较高。胚芽米由于胚芽的存在,其脂肪含量、蛋白质含量、维生素、矿物质等含量都远高于精米[1]。同时,胚芽中存在大量对人体有益的不饱和脂肪酸、必需氨基酸等。糙米营养价值略高于胚芽米,但由于口感较差、消化吸收性差、含抗营养性的植酸等原因,难以推广。胚芽米结合了精米的优质口感与糙米的营养价值,是一种较为理想的优质主粮。但胚芽米胚芽由于失去了稻壳、糠皮的保护,暴露在外,极易滋生霉菌。再加上胚芽米本身的呼吸作用,使脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶等物质分泌过多,会分解胚芽米中的营养物质,加速陈化,影响口感。密封包装的胚芽米在常温环境下,仅30 d左右的保质期,无法达到粮食常规的加工、运输、销售及食用周期。目前中国市场上的胚芽米普遍采用传统的塑料复合薄膜进行真空小包装,通过“现磨现卖”或“先下单后加工”的方式售卖胚芽米,以此缩短销售储藏时间,降低食用周期,保证胚芽米的品质。若想市场化大规模销售胚芽米,其储藏时间过短是一个务必要解决的问题。【前人研究进展】在台湾地区,胚芽米的包装方式是先将袋内抽真空,后充入一定CO2,抑制胚芽米的呼吸作用[2-3]。严松等[3]认为,对胚芽米储藏时间影响最大的是环境温度,其次是气调方式,最后是微波强度,密封包装有利于胚芽米的储藏保鲜[4]。王丽群[5]等认为内源性酶类与胚芽米储藏期间的陈化密切相关,陈化的米胚中过氧化氢酶（CAT1）和抗坏血酸过氧化物酶（APX1）这类抗氧化酶基因的表达减少会导致米胚中活性氧的聚集,致使胚芽米失活[6]。目前,国际上鲜有研究胚芽米储藏的新型包装材料。当前,60%—70%的大米采用塑料薄膜的包装方式进行包装贮藏。纳米Ag具有高效的杀菌性能,不易产生抗药性等优点,是近年来材料研究的一大热点;纳米TiO2、SiO2则具有高度光催化活性,成本低,耐酸碱腐蚀,长期作用无损耗等特性;目前,纳米材料已应用于包括肉类、果蔬、奶制品等多种食品的包装,并发挥了一定作用[7-9]。【本研究切入点】新型纳米抗菌包装材料以PE为基础,添加一定量纳米Ag、TiO2、SiO2无机抗菌剂以产生多效抑菌与缓释抑菌作用,此外添加的多项辅助剂料如分子筛等,用以调节包装材料内部的气体组成,具有创新性。【拟解决的关键问题】霉菌的繁殖与脂肪的氧化是胚芽劣变的重要原因,因此控制胚芽米储藏过程中霉菌生长,改变包装材料中气体组成较为重要。本研究采用纳米抗菌包装材料对胚芽米进行小包装储藏,拟通过抗菌及改变包装材料内气体组成达到延缓胚芽米的陈化作用。1 材料与方法
试验于2016年9—12月在南京财经大学食品科学与工程学院进行。1.1 材料与试剂
胚芽米：品种为五优稻4号,2016年10月产于黑龙江省五常市。留胚率大于80%,初始水分含量15.03%,表面含少量糊粉层。氢氧化钾、95%乙醇、无水乙醇、酚酞、邻苯二甲酸氢钾、无水乙醚、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、甲醇、无水硫酸钠、石油醚、浓盐酸、氯化钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、戊二醛、叔丁醇、乙腈（上述试剂均为分析纯）。正己烷（色谱纯）、氢氧化钾（优级纯）、纯油脂,参照GB/T 5523—2008制备。孟加拉红琼脂、营养琼脂、大肠埃希氏菌ATCC25922,上海鲁微科技有限公司。SP-2560毛细管柱（100 m×0.25 mm×0.2 μm）、3%含量纳米Ag（载体为磷酸锆）,南京海泰纳米材料有限公司。30%含量纳米Ag（载体为二氧化硅）,常州英中纳米科技有限公司。
1.2 仪器与设备
间向平行双螺杆挤出机KTE20/500-4-40、塑料造粒机（南京科尔挤出装备有限公司）,吹膜机JFYC-28（金方圆机械制造有限公司）,FS-100型——FS-500型塑料薄膜封口机（德清拜杰电器有限公司）,FOX型多段编程人工气候箱（宁波东南仪器有限公司）,OXYBABYM+O2/CO2便携式气体分析仪（上海众林机电设备有限公司）,无菌均质器（无锡沃信仪器有限公司）,智能光照培养箱GHP-250（上海三发科学仪器有限公司）,Agilent 6890E气相色谱仪（安捷伦科技有限公司）,4500快速黏度测定仪（rapid viscosity meter,RVA）（波通瑞华科学仪器有限公司）,S-3000N扫描电子显微镜（日本日立公司）。1.3 方法
1.3.1 包装材料制备纳米母粒1：15.55%的纳米复合粉体（30%的3%Ag含量纳米Ag,35%纳米TiO2,25%纳米凹凸棒土,10%纳米SiO2）和49.01%LDPE、23.44%LLDPE、9%分散剂、1%润滑剂、2%偶联剂混合,倒入塑料造粒机造粒,制得纳米母粒。
纳米母粒2：11.66%的纳米复合粉体（4%的30%Ag含量纳米Ag,48%纳米TiO2,34.3%纳米凹凸棒土,13.7%纳米SiO2）、51.64%LDPE、24.7% LLDPE、9%分散剂、1%润滑剂、2%偶联剂混合,倒入塑料造粒机造粒,制得纳米母粒。
分子筛母粒：20%的ZSM-5分子筛、46% LDPE、22%LLDPE、9%分散剂、1%润滑剂与2%偶联剂混合,倒入塑料造粒机造粒,制得分子筛母粒。
纳米抗菌材料1：7.5%的分子筛母粒（9%分散剂,1%润滑剂,2%偶联剂）、7.5%的纳米母粒1、42.5%LDPE和42.5%LLDPE混合造粒制成。
纳米抗菌材料2：7.5%的分子筛母粒（9%分散剂,1%润滑剂,2%偶联剂）、5.63%的纳米母粒2、43.44%LDPE和43.44%LLDPE混合造粒制成。
普通包装材料：50%LDPE和50%LLDPE混合造粒制成。
依次按配方比例制备含Ag 1.4 g∙kg-1的纳米母粒1、纳米母粒2,以及分子筛母粒。随后通过吹膜机制备3种包装袋,规格为35 cm×15 cm,单层厚度100 μm。
1.3.2 储藏条件 分别称取胚芽米400 g,装入普通包装材料、纳米抗菌包装材料1、纳米抗菌包装材料2,各6袋,袋中预留适量空气。将恒温恒湿箱环境设定为25℃、65%湿度,模拟常温环境储藏胚芽米。将18袋胚芽米放入恒温恒湿箱,每7 d采样一次进行指标检测。
1.3.3 包装材料内O2与CO2体积分数测定 参照文献[10]所提供的方法,用OXYBABY M+O2/CO2便携式气体分析仪测定。
1.3.4 塑料薄膜抗菌性测定 将3种包装材料剪成10 cm×10 cm大小,在无菌条件下,以生理盐水为溶剂吸取适当浓度的菌液1 mL置于3种包装材质薄膜上,覆盖普通包装薄膜保存24 h后,进行菌落计数。比较3种包装材料上培养得到的菌落数量,得到抗菌性能比对。以普通包装材料作为空白样品,计算：
1.3.5 霉菌菌落总数测定 参照GB 4789.15—2010《食品安全国家标准 食品微生物学检验 霉菌和酵母计数》进行测定。
1.3.6 脂肪酶活性测定 参照GB/T 5523—2008《粮油检验 粮食、油料脂的脂肪酶活动度的测定》进行测定。
1.3.7 游离脂肪酸含量测定 参照GB/T 5510— 2011《粮油检验 粮食油料脂肪酸值测定》进行测定。
1.3.8 胚芽米脂肪酸组成
1.3.8.1 测定方法 采用国标GB/T 17377—2008《动植物油脂脂肪酸甲酯的气相色谱分析》对处理好的胚芽米油肪酸甲酯进行GC测定,并采用面积归一化法计算各种脂肪酸的相对含量。
1.3.8.2 胚芽米油脂提取 称取25 g胚芽米米粉,加入95%乙醇浸泡,再加入7 mol∙L-1盐酸溶液60 mL,放入80℃恒温水浴锅中消化30 min。冷却,用乙醚与石油醚混合液提取脂肪,用无水Na2SO4干燥并蒸馏除去溶剂,提取胚芽米油脂。
1.3.8.3 脂肪酸甲酯化 取50 mg油样,加入10 mL具塞试管,再加15 mL 1 mol∙L-1 KOH-CH3OH溶液;50℃水浴振荡加热30 min,使其充分甲酯化;加入3 mL正己烷,振荡均匀后静置2 min;取上清液2 mL于10 mL试管中,加少许无水Na2SO4;进行气相色谱测定。
1.3.8.4 气相色谱条件 氢离子化检测器（FID）,SP-2560毛细柱（100 m×0.25 mm×0.2 μm）,进样口温度250℃,分流比10﹕1,进样1.0 μL,载气为氮气,流速20 cm∙s-1（2 mL∙min-1）,升温程序为：初温130℃并保持6 min,然后以3℃∙min-1的速率升至240℃并保持35 min。
1.3.9 胚芽米淀粉糊化特性 参照文献[11]所提供方法进行测定。
1.3.9.1 大米淀粉提取 取50 g米粉,加入1﹕5（m/m）石油醚磁力搅拌3 h后静置弃去上清液;干燥后加入质量分数0.05% 的NaOH搅拌20 h后;3 000×g离心10 min,弃上清液;加入同样比例的NaOH搅拌20 h后离心,水洗3遍;用0.1 mol∙L-1 HCl调节匀浆pH至7.5,加入0.14 g中性蛋白酶,37℃条件下搅拌3 h后,离心,水洗3遍后,将沉淀物冷冻干燥,得到淀粉。
1.3.9.2 大米淀粉的糊化特性：准确称取3 g淀粉加入25 mL去离子水,用RVA测定峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值、消减值和糊化温度。加热程序为：以160 r/min的恒定转速与13℃∙min-1的速率从50℃升温至95℃;95℃维持3 min;再以13℃∙min-1速率降温至50℃,50℃保持4 min。每个样品重复3次。
1.3.10 胚芽米扫描电子显微镜前处理 参照文献[12]所提供方法进行测定。
取20—25粒完整大米样品放于培养皿中,用2.5%戊二醛浸泡2 h进行固定,用pH 7.8的磷酸缓冲液漂洗3次,再用超纯水清洗3次后,分别用30%、50%、60%、70%、80%、90%和100%乙醇脱水。再分别用50%、70%和100%叔丁醇浸泡10 min后,用叔丁醇、乙腈混合液干燥样品,拦腰切割,放置于黑色导电双面胶并固定在载物台上,放入离子溅射仪的喷金室,溅射电流为1.5 mA,加速电压15 kV,溅射时间90 s,处理完毕后,扫描电镜不同放大倍率下观察大米胚部形态及淀粉组织结构。
1.4 数据处理
每组试验重复3次,结果以平均值±标准差表示。数据使用JMP10.0与SPSS19.0统计软件分析,采用Student t检验法,显著差异选用P<0.05。2 结果
2.1 3种包装材料内O2与CO2体积分数变化情况
胚芽米储藏过程中,自主呼吸较为强烈,会消耗O2。由图1可知,3种袋内的O2体积分数逐渐降低,由20.1%分别下降至14.9%、11.8%、11.6%;CO2体积分数逐渐升高,由0.69%分别升至2.43%、3.16%、3.43%;O2/CO2体积分数比值则由29.13分别下降至6.13、3.73与3.38。普通包装材料的透氧率较高,而抗菌包装材料中,加入的ZSM-5分子筛能够降低材料透氧率,使材料中的氧气被利用,一直维持材料内低氧状态。数据显示,纳米抗菌材料可对袋内气体组成进行调节,进而达到抑制呼吸的作用。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图13种包装方式下袋内O2（A）与CO2（B）体积分数变化
-->Fig. 1Changes of O2 volume fraction (A) and CO2 volume fraction (B) of 3 different packages
-->
2.2 包装材料抑菌性检测
采用大肠埃希氏菌与霉菌作为抑菌试验的菌种。由图2可知,两种纳米抗菌材料检测中微生物繁殖数量极少。以无抗菌性能的普通材料为对照,抗菌性测定中纳米抗菌材料1与抗菌材料2的大肠埃希氏菌的抗菌率分别为99.80%与99.94%;对霉菌的抗菌率则分别为95.22%与96.57%。数据显示同等包装材料对细菌的杀菌效果优于对霉菌的杀菌效果,这是由于霉菌的生命力较强,短时间内,抗菌材料无法充分发挥抑菌功效。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图23种包装材质下霉菌和大肠埃希氏菌生长情况
-->Fig. 2Growths of Escherichia coli and moulds of 3 different packages
-->
2.3 菌落总数测定
由图3可知,新鲜胚芽米霉菌数量为530 cfu/g,贮藏28 d后普通包装材料中胚芽米霉菌量上升到41×104 cfu/g,远高于纳米抗菌材料1中的18×104 cfu/g与抗菌材料2中的17×104 cfu/g。说明纳米抗菌材料具有明显的抑菌作用,与抑菌性试验结果相一致。大米的霉菌繁殖数量是判定大米储藏状况的重要指标。检测到胚芽米中的霉菌与精白米类似,主要是白曲霉与黄曲霉。霉菌中含有一定的脂肪酶、蛋白酶等,随着霉菌的大量繁殖,胚芽米中大量存在的油脂、蛋白质会被快速分解为脂肪酸、氨基酸,加速胚芽米的陈化。因此,防霉保鲜对于胚芽米的储藏至关重要。
2.4 脂肪酶活力测定
稻谷中的脂肪酶能水解甘油三酯形成脂肪酸与甘油,是影响其陈化变质的重要因素[13]。脂肪酶活性越高,水解产生游离脂肪酸的能力越强。稻谷在储藏过程中,随储藏时间的延长,本身的脂肪酶活性会逐渐降低。由图4可知,在25℃,3种包装材料中胚芽米的脂肪酶活性均呈先下降后上升的趋势,但两种抗菌性纳米包袋内的酶活性都低于普通袋内的数值。储藏过程中抗菌包装的胚芽米脂肪酶活性最低值约为2.9 mg∙g-1,低于普通材料包装胚芽米的3.6 mg∙g-1。同时,普通材料包装的胚芽米在储藏21 d后,脂肪酶活性的上升速率较高。较低的脂肪酶活性可以延缓胚芽米的陈化变质,延长储藏时间。可以推断出,抗菌包装材料抑制脂肪酶活性的作用降低了脂肪水解速率,提高了胚芽米的贮藏效果。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图33种包装胚芽米的霉菌菌落总数生长情况
-->Fig. 3The numbers of total plate count of moulds of 3 different packages
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图43种材料包装胚芽米脂肪酶活性变化情况
-->Fig. 4Changes of lipase activity of 3 different packages
-->
2.5 游离脂肪酸含量测定
油脂的变化是影响胚芽米酸败变质的最主要因素,脂肪酸值的高低直接反应了胚芽米的变质程度。由图5可知,新鲜胚芽米的脂肪酸值为28.03 mg KOH/100 g干基。储藏期间,3种材质包装的胚芽米脂肪酸值在储藏14 d后差距显现。普通包装材料中的胚芽米脂肪酸值最终达到87.8 KOH/100 g干基,纳米抗菌材料1与抗菌材料2中仅分别为67.2与63.8 KOH/100 g干基。与脂肪酶活性变化趋势相对应,证明用纳米抗菌材料包装胚芽米能有效减缓油脂水解,减少游离脂肪酸生成。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图53种材料包装胚芽米游离脂肪酸变化情况
-->Fig. 5Changes of free fatty acid of 3 different packages
-->
2.6 脂肪酸组成变化
脂类的变化被认为是导致陈化的最主要因素。由表1可知,测得胚芽米脂肪酸组成主要包括肉蔻酸（C14:0）、棕榈酸（C16:0）、硬脂酸（C18:0）、油酸（C18:1）、亚油酸（C18:2）、亚麻酸（C18:3）、花生酸（C20:0）、山嵛酸（C22:0）、芥酸（C22:1）、木焦油酸（C24:0）等,占胚芽米脂肪酸总量的98%以上,其中亚油酸、油酸、棕榈酸占总脂肪酸含量的90%以上。两种纳米抗菌材料中的胚芽米不饱和脂肪酸比例分别为69.1%与67.4%,高于普通包装材料中的65.95%,更接近新鲜值,使胚芽米保持较好的营养价值,对人体较有益。纳米抗菌包装材料对胚芽米霉菌繁殖、脂肪酶活性、自主呼吸作用的抑制,减少了油脂的水解,达到延长胚芽米储藏时间的作用。Table 1
表1
表1储藏28 d后3种材料包装胚芽米脂肪酸组成变化
Table 1Changes of the fatty acid composition of milled rice with embryo stored in 3 different packing materials for 28 days
| 包装方式 Packaging method | C14:0 | C16:0 | C18:0 | C18:1 | C18:2 | C18:3 | C20:0 | C22:0 | C22:1 | C24:0 | 其他 Other | 总不饱和 All |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 相对百分含量Relative contents (%) | ||||||||||||
| A | 0.59± 0.01c | 24.59± 0.15c | 1.57± 0.02a | 26.54± 0.13b | 42.60± 0.2a | 1.17± 0.02a | 0.63± 0.02a | 0.54± 0.02b | 0.21± 0.01b | 0.23± 0.01c | 0.60± 0.01a | 71.22± 0.14a |
| B | 0.89± 0.02b | 29.04± 0.14a | 1.50± 0.02b | 30.20± 0.16a | 33.41± 0.1b | 1.10± 0.02b | 0.48± 0.02b | 0.47± 0.02c | 0.30± 0.03b | 0.67± 0.02b | 0.43± 0.01c | 65.95± 0.07d |
| C | 0.86± 0.01b | 25.91± 0.12b | 1.49± 0.04b | 31.56± 0.14a | 34.00± 0.2b | 1.13± 0.04c | 0.40± 0.02c | 0.53± 0.02b | 1.29± 0.04a | 0.76± 0.02b | 0.42± 0.02c | 69.10± 0.05b |
| D | 1.12± 0.01a | 26.62± 0.12b | 1.52± 0.02b | 30.67± 0.12a | 34.70± 0.16b | 1.09± 0.01b | 0.45± 0.01b | 0.60± 0.01a | 0.16± 0.01b | 0.98± 0.02a | 0.57± 0.01b | 67.41± 0.14c |
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2.7 胚芽米淀粉的糊化特性
胚芽米淀粉是由直链淀粉、中间级分和支链淀粉组成的高分子化合物[9],多种因素的作用改变了淀粉的糊化特性,影响了胚芽米的口感。由表2可以看出,随着储藏时间的延长,不同包装胚芽米的峰值黏度、崩解值都上升至高点后开始下降;热浆黏度、最终黏度总体处于上升趋势;糊化温度则先下降后快速上升。整体上,普通包装材料中的胚芽米淀粉糊化程度大于纳米抗菌包装材料中的胚芽米。Table 2
表2
表23种材料包装胚芽米淀粉糊化特性变化
Table 2Changes of the gelatinization characteristics of milled rice with embryo stored in 3 different packages
| 包装材料 Packing material | 储藏时间 Storage time (d) | 峰值黏度 Peak viscosity (cP) | 热浆黏度 Trough viscosity (cP) | 崩解值 Breakdown (cP) | 最终黏度 Final viscosity (cP) | 糊化温度 Pasting temperature (℃) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 普通包装材料 Ordinary packages | 0 7 14 21 28 | 5878±16f 7651±118a 7712±116a 7047±66c 7028±26c | 3294±68ef 3426±18de 3486±52de 3241±115fg 4280±74a | 2568±72e 4068±121a 4146±178a 3805±23b 2927±48d | 5728±156e 6503±50c 6151±136d 6217±237d 7912±142a | 73.1±0.3bc 72.0±1.2cd 70.4±0.7e 73.8±1.1b 81.9±1.3a |
| 纳米抗菌材料1 Anti-bacterial nano material 1 | 0 7 14 21 28 | 5878±16f 7323±102b 7298±117b 7625±142a 6574±16e | 3294±68ef 3317±60ef 3227±50fg 3535±125cd 3636±132c | 2568±72e 4160±52a 4071±113a 4090±106a 2938±116d | 5728±156e 5758±66e 6164±39d 6466±55c 7660±1b | 73.1±0.3bc 70.4±0.4e 70.2±0.4e 72.3±0.1c 80.7±0.4a |
| 纳米抗菌材料2 Anti-bacterial nano material 2 | 0 7 14 21 28 | 5878±16f 6967±156c 6996±14c 7062±25c 6759±90d | 3294±68ef 3185±81fg 3144±8g 3155±109g 3885±127b | 2568±72e 3782±121c 3852±6b 4063±23a 2838±73d | 5728±156e 5895±64e 6204±133d 6160±37d 7761±67ab | 73.1±0.3bc 70.4±0.4e 70.9±0.8de 73.1±1.1bc 81.0±0.1a |
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2.8 胚芽米微观结构
胚芽米经加速电压15 kV,扫描电子显微镜放大到40倍后得到图6,新鲜样品（图6-A）表面几乎没有裂痕。而普通材料贮藏28 d后的胚芽米（图6-B）表面出现大量裂痕,导致腰爆现象,影响颗粒完整性。纳米抗菌材料包装的胚芽米（图6-C、D）中的图片显示胚芽米裂痕较少,与新鲜胚芽米差别较小。观察放大1 000倍后的胚芽米切面,从图6-E中可以观察到饱满的单粒淀粉及紧密的淀粉质体,表面较为平滑,裂痕较少。在储存28 d后,3种包装材料储存的胚芽米胚乳微观结构发生不同程度的变化。图6-F图中大米淀粉质体出现较多裂痕,表面出现较多凹陷,棱角不明显,有明显的深沟出现;淀粉粒间有较多间隙,部分间隙较深。纳米抗菌包装材料对应的图6-G、图6-H大米淀粉质体也出现了裂痕,但相比图6-F裂解较少,尤其图6-H中的淀粉质体最平整,最接近新鲜胚芽米微观结构。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6胚芽米扫描电镜图
A、E：新鲜;B、F：普通包装材料;C、G：纳米抗菌材料1;D、H：纳米抗菌材料2
-->Fig. 6The Scanning electron microscopy images of milled rice with embryo
A, E: Fresh data; B, F: Normal packages; C, G: Anti-bacterial nano material 1; D, H: Anti-bacterial nano material 2
-->
3 讨论
3.1 袋内气体组成变化
袋内气体组成检测试验中,两种纳米抗菌包装材料的O2/CO2体积分数比值高于普通包装材料的比值。由于O2的亲电作用,抗菌包装材料中的纳米Ag与纳米TiO2表面会与O2共价键结合,吸附O2[14-15];纳米Ag的氧化也会消耗O2;胚芽米的呼吸作用也会消耗O2,释放CO2;同时,纳米抗菌材料中的ZSM-5分子筛也具有吸附氧气等作用[16]。多种机理协同作用,使纳米包装袋内O2/CO2的体积分数比值下降,造成低O2、高CO2的内部环境,进一步抑制胚芽米自主呼吸与降低品质劣变速度。3.2 包装材料抑菌效果
纳米银作为一种高效的无机抗菌剂,是近年来研究的一大热点。银离子能与氧气反应,产生含氮、硫的化合物,破坏霉菌的分裂机制[17],或与酶蛋白的巯基（-SH）反应,使蛋白质凝固,细菌失活[18-19];谢小保等[20]研究认为,纳米银粒子破坏微生物细胞壁进入周质空间,随后破坏细胞膜进入菌体内部,影响DNA等物质;此外,纳米银能够改变细胞膜的通透性并致使细胞破裂,导致胞内大量的蛋白质与还原糖泄漏,导致微生物死亡[21]。TiO2/SiO2系抗菌剂具有较高的光催化活性,能在光的照射下催化H2O或OH-生成强氧化性的羟基自由基（·OH）与超氧负离子（O2-）[22],高效杀死微生物[23]。纳米抗菌包装材料将TiO2/SiO2系抗菌剂与纳米银Ag抗菌剂的优势相结合,形成多效抗菌,对细菌与霉菌有良好的抑菌性。胚芽米表面没有麸皮与稻壳保护,富含脂类、蛋白质等营养物质的胚芽暴露在表面,比精白米更易滋生霉菌[24]。研究认为,PE/Ag保鲜膜与PVC/TiO2保鲜膜对粮食的防霉效果都较好[25]。纳米包装材料的多效抑菌作用,以及抗菌包装材料内的低氧环境,大大降低了胚芽米霉菌繁殖速度[26]。3.3 脂肪酶活力变化
胚芽米贮藏前14 d脂肪酶活性降低,使得脂肪酸败减缓。在14 d后酶活性停止下降并逐步上升,是由于此时胚芽米表面的霉菌大量繁殖。微生物能分泌脂肪酶,加速对大米脂肪的水解,使大米脂肪酸值快速上升,而微生物分泌的脂肪酶活性相比于胚芽米本身的脂肪酶活性高[27]。纳米包装材料中的TiO2/SiO2系抗菌剂经光催化作用能产生具有强氧化性的·OH与O2-,抑制了袋内的酶蛋白活性;同时纳米抗菌包装材料中霉菌菌落数量较少,霉菌分泌的脂肪酶也较少。3.4 脂肪酸含量与组成变化
脂类约占胚芽重量的25%,对胚芽米的陈化有较大影响[28]。新鲜胚芽米的游离脂肪酸值远高于去胚后精米的6.71 mg KOH/100 g干基,达28.03 mg KOH/100 g干基,接近孙辉[29]、宋伟等[30]测得的糙米初始游离脂肪酸值30 mg KOH/100 g干基左右。胚芽米在后续的贮藏期间,脂肪酸含量快速上升,远高于同等环境下精白米、糙米、稻谷的增长速度。原因是脂类丰富的胚芽处于米的表面,油脂暴露在外界环境中,易受脂肪酶、脂肪氧化酶、光氧化和其他助氧化剂等影响,分解生成脂肪酸[31]。纳米抗菌包装材料通过调节脂肪酶活力、霉菌总数与袋内气体组成,可进一步抑制胚芽米游离脂肪酸的产生。胚芽米中主要的油酸和亚油酸为不饱和脂肪酸,对人体有益。其所含双键易受外界环境条件影响,在光、氧气、湿、热等条件下易发生氧化水解作用,产生脂肪酸[32]。油脂中脂肪酸的饱和程度与油脂的稳定性有密切关系[33],油脂分子的不饱和程度越高,氧化作用发生越明显[34]。此外,脂肪酶对脂肪酸的水解也主要作用于不饱和脂肪酸。3种包装材料中不饱和的亚油酸由42.60%分别下降至33.41%、34.00%与34.70%,与上述机理相符。胚芽米不饱和脂肪酸的水解与氧化,呼吸作用与新陈代谢等作用会消耗脂肪,相对稳定的饱和脂肪酸如棕榈酸等占比将会上升,总不饱和脂肪酸比例则下降。两种抗菌包装材料由于气体组成调节及抑菌作用,延缓胚芽米陈化速率,降低了胚芽米脂肪氧化,使得胚芽米中不饱和脂肪酸变化较小。
3.5 胚芽米淀粉的糊化特性变化
大米储藏期间,淀粉分子结构以及分子质量分布的改变,对淀粉糊化特性产生很大影响[7]。糊化温度因直链淀粉含量、结晶度和支链淀粉结构等的不同而存在差异。普通包装材料中储藏28 d后的胚芽米糊化温度上升最高,说明其淀粉结构变化最大。当温度高于糊化温度时晶体发生崩解,淀粉颗粒开始溶胀,黏度突然升高,并逐渐达到峰值黏度[35]。峰值黏度则反映了淀粉及其混合物结合水的能力,间接反映米饭的蒸煮品质[36]。热浆黏度是淀粉粒膨胀至极限后破裂而不再产生相互摩擦,使糊液黏度急剧下降所致,反映了淀粉在高温下耐剪切能力。最终黏度反映大米在熟化并冷却后形成黏糊或凝胶的能力,最终黏度越大,表明冷却至室温状态下老化后的淀粉糊越硬[36]。使用纳米抗菌材料包装的胚芽米,糊化特性变化量都低于普通包装袋下的胚芽米,说明纳米抗菌材料对胚芽米淀粉贮藏有一定作用。3.6 胚芽米微观结构变化
胚芽米胚乳中单粒淀粉直径较小,为2.6—7.0 μm。淀粉粒为有棱角的多面体,主要包括直链淀粉和支链淀粉形成的无定形区及结晶区[11,37]。淀粉质体是膨大的前质体,是淀粉的储藏场所。淀粉质体在储藏过程中,逐步发生裂解,变为小分子淀粉颗粒。有研究认为,酶促与非酶促反应,使阿魏酸与酚类化合物游离出来,降低细胞壁弹性,同时细胞内部活性氧和自由基的存在破坏细胞壁的网络结构,导致淀粉粒裂解[11,38]。此外,霉菌能够分泌淀粉酶,而淀粉酶对淀粉有水解作用。因此,纳米抗菌材料对霉菌的抑制以及对胚芽米呼吸的抑制有利于胚芽米淀粉的品质保持。4 结论
胚芽米由于表皮的胚芽营养物质集中而易受侵蚀,加上本身的呼吸作用等因素,陈化速度较快,可贮藏时间较短。纳米抗菌包装材料对包装袋内的O2/CO2具有一定调节能力,可抑制胚芽米的呼吸 作用,减少胚芽米储藏过程中的霉菌繁殖速度;进一步减少脂肪酶分泌与降低脂肪酶活性,从而减少油脂的水解与饱和脂肪酸的生成;延缓胚芽米淀粉在储藏过程中的陈化,维持一定的口感。纳米抗菌包装材料对胚芽米品质的有效调节,能够达到一定防霉保鲜的效果,延缓胚芽米的陈化,延长储藏时间。The authors have declared that no competing interests exist.
