稻谷作为我国主要的粮食作物之一,其2022年产量占全球总产量的28%以上[联合国粮食及农业组织(FAO)数据],在保障口粮安全中占据核心地位。然而,随着畜牧业的快速发展,饲料粮需求持续攀升。据农业农村部畜牧兽医局统计,2023年,我国饲料用量占粮食总消耗量的53%,其中玉米和大豆的进口依赖度居高不下,凸显饲料粮供给的结构性矛盾。在此背景下,挖掘超期储存稻谷的饲料化潜力成为缓解资源压力的重要途径。然而,稻谷在长期储存过程中易受环境因素影响发生品质劣变,导致脂肪酸值(fatty acid value,FAV)升高、蛋白质氧化及霉菌毒素积累,进而限制其饲用价值。本文选择稻谷为研究对象,原因在于稻谷库存规模庞大,超期储存问题突出,其营养成分组成(糙米)与玉米接近,具备替代玉米的潜力,并且现有研究对稻谷储存的劣变机制缺乏系统性总结。因此,本文通过整合国内外研究成果,揭示稻谷储存过程中品质与营养成分变化的规律,旨在为超期稻谷的科学管理与高效利用提供依据。
1 物理因素对稻谷品质和养分的影响
与稻谷储存和处理相关的物理因素有温度、湿度和水分含量等因素。低温、适宜湿度的储存环境是保持稻谷品质和营养价值的关键。
1.1 温度对稻谷品质和养分的影响
在不同的贮藏条件,尤其是高温贮藏条件下,稻谷会加速变质。随着温度的升高,稻谷脂质水解增加,脂肪酶和过氧化氢酶活性受到抑制,稻谷胚乳表面变得粗糙,导致脂肪酸和脂质氧化增加,稻谷品质受到影响[1]。Ziegler等[2]指出,高温可以加速稻谷中脂肪酸的氧化,导致FAV升高,这是稻谷劣变的重要指标;在高温(40 ℃)下储存的稻谷,其淀粉降解速度加快,导致碳水化合物的可利用性降低;经过90 d的储存,稻谷的淀粉老化程度增加20%,影响其消化率和食用品质。有研究以我国东北地区“稻花香二号”“辽星”和“盐丰”为对象,发现30 ℃储藏300 d,3种稻谷的蛋白质溶解度均呈下降趋势;70 ℃储藏300 d,3种稻谷的蛋白质溶解度显著降低[3]。叶霞[4]研究发现,在不同温度下,随着储藏时间的延长,稻谷的赖氨酸和色氨酸含量逐渐减少,温度越高,其含量减少越快;赖氨酸和色氨酸含量变化符合动力学一级反应,含量变化速率常数与温度的关系遵循阿伦尼乌斯(Arrhenius)公式;且色氨酸变质对温度更加敏感。有研究表明,低温储粮可以更好地保持稻谷的品质;在积温相同的条件下,储藏温度先低温后高温比先高温后低温更有利于稻谷品质的保持;积温相同,恒温模式相较于变温模式更有利于稻谷品质的保持[5]。
稻谷被归类为热敏性粮种,在高温条件下,稻谷的品质陈化速度最快。高温会加速稻谷中脂肪的氧化过程,导致FAV显著增加,稻谷的原始FAV为12.60 mg氢氧化钾(KOH)/100 g,在低温和变温条件下试样的FAV变化在试验前后相差不大,前者升至13.70 mg KOH/100 g,后者升至14.50 mg KOH/100 g;而高温条件下试样的FAV变化剧烈,储存24 d时开始迅速升高,96 d后变化更快,经过192 d储存后FAV高达20.00 mg KOH/100 g,接近品质控制指标的下限;高温也会损害稻谷的发芽能力,降低发芽率,稻谷的原始发芽率为92.5%,经过不同温度条件下储存192 d后,高温条件下保管试样的发芽率有较为明显的下降,发芽率降为80.0%,降低了12.5个百分点;而低温条件下保管试样的发芽率基本没有变化,仍有91.5%;变温条件下保管试样发芽率降为85.0%,降低了5.5个百分点,说明低温有助于减缓稻谷中生化反应的速度,从而保持其原有的食用品质,品质变化小[6]。
1.2 湿度对稻谷品质和养分的影响
稻谷储存过程中,随相对湿度(relative humidity,RH)增大,稻谷FAV增大,而且温度越高,FAV增加速率越快。在温度为10 ℃的条件下,稻谷若分别在45%和85% RH的环境中储存7.5个月,其FAV会分别达到48.65和49.90 mg KOH/100 g;相比之下,当温度提升至30 ℃时,在相同湿度条件下储存的稻谷,其FAV则会增加到53.30和56.55 mg KOH/100 g[7]。FAV在储存期间的上升归因于脂肪发生的水解反应,具体而言,随着储存环境中水分活动的增强,脂肪水解酶的活性也随之提升,因此,在储存过程中,RH的升高会导致脂肪酶活性增强,进而加快脂肪的水解速度,使得FAV逐渐增大;另外,随着RH增大,直链淀粉含量增加,支链淀粉及总淀粉含量降低;储藏温度和湿度对稻谷蛋白质含量的影响不明显,但会影响蛋白质组成;储藏7.5个月的稻谷,随着RH的增大,在蛋白酶的作用下,清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白及谷蛋白的含量降低,若同时温度升高,则降低速率增大,因此稻谷储存应选择合理的储存湿度;在10 ℃、65%RH时,储存稻谷7.5个月,赖氨酸含量变化在30%左右,有利于稻谷营养价值的完好保持[7]。
1.3 水分含量对稻谷品质和养分的影响
水分是稻谷的主要成分,也是影响稻谷陈化的主要因素,稻谷水分含量越高,脂肪酸的生成越快,导致稻谷陈化加重,降低食用品质[10]。水分和外部储存温度紧密联系,协同影响着稻谷的品质。Shafiekhani等[11]探讨了存储温度和稻谷水分含量对来自不同病害管理实践田地的磨碎杂交稻谷(品种XL745)颜色特性的影响,在较低的水分含量(12.5%)下,稻谷在所有研究的温度和处理条件下,直到储存6周后,颜色改变得到了抑制,并且在随后的16周内颜色改变增加不超过20%;随着储存水分含量的增加,变色程度增加,并在最高温度(40 ℃)下变得显著,在最高水分含量(21%)下,稻谷变色在所有储存温度下都显著增加,特别是在最高储存温度(40 ℃)下,颜色改变的比例在16周后分别达到了99.10%和96.47%。稻谷在不当的储存条件下会发生霉变,这不仅影响颜色,还会导致产生黄曲霉毒素等有害物质,进而影响稻谷的品质和养分。因此,适当的水分管理和温度控制对于确保稻谷品质和食品安全同样重要。
2 化学因素对稻谷品质和养分的影响
化学因素对稻谷存储影响的因素包括:氮气(N2)、氧气(O2)和CO2。气调储粮技术通过调节N2、O2和CO2浓度,能够有效延长稻谷储存期限并保持品质。N2浓度的提高和O2浓度的降低可以抑制稻谷呼吸和蛋白质氧化,而适量的CO2可以延缓品质劣变和抑制微生物生长,但需注意高浓度影响发芽力。此外,有机物含量的变化提示了温湿度对稻谷营养价值和口感的影响,强调了综合环境管理的必要性。未来研究应进一步优化气调条件和环境控制,以促进稻谷储存技术的发展。
2.1 储粮N2对稻谷品质和养分的影响
气调储粮作为一项广泛使用的绿色生态储存技术,通过调整储存环境中的气体构成,创造一个对霉菌和害虫生长发育不利的条件,以此实现抑制霉菌和杀灭害虫生长的效果,并进一步延缓粮食品质发生不利变化[14]。此技术凭借绿色、无毒且无污染的特性,成功打破了传统储粮方式对熏蒸药剂的高度依赖,同时也有效减轻了害虫抗药性提升及药物使用量不断攀升的问题,从而为害虫抗性的管理带来了全新的解决方案[15]。稻谷充N2调储存能有效地抑制其生理生化变化和抑制霉菌的影响较大。充N2调储存稻谷霉菌总数明显少于空气对照储存的稻谷,且在储存后期,充N2调储存稻谷霉菌总数处于平衡状态,不再过度生长繁殖。充N2调储存还能降低稻谷淀粉糊化特征值的变化,从而保持稻谷原有的硬度和黏度[16]。有研究发现,在45 ℃下储存稻谷45 d,N2组FAV比空气对照组低7 mg KOH/100 g,出糙率高0.20%,整精米率高16.05%,说明N2气调可抑制稻谷脂肪酸的生成和整精米率的下降[17]。高浓度N2气调储粮能较好地保持稻谷的水分、FAV和色泽气味,且在启封后未出现品质加速变化[18]。因此,在实际储存稻谷中,可通过N2气调延缓稻谷的品质劣变。
2.2 储粮O2对稻谷品质和养分的影响
由此可知,O2通过促进蛋白质的氧化,改变了稻米蛋白质的组成,进而影响了稻米的糊化特性和营养价值。蛋白质氧化导致的羰基化合物增加与自由基、脂质过氧化或中间产物的作用有关。此外,O2的存在还进一步导致脂质氧化催化,从而产生超氧化物和过氧化氢,进一步促进蛋白质的氧化。
2.3 储粮CO2对稻谷品质和养分的影响
CO2是一种无色无味的气体,其在自然界中的作用复杂多样。首先,在粮食覆膜包裹时,CO2的强烈吸附特性促使塑料薄膜紧密贴合粮粒表面,形成负压环境,这一状态有效提高了气密性、延缓了粮温的回升,为粮食的安全、高效及长期储存提供了有力保障;其次,CO2的麻醉与杀灭作用针对害虫效果显著,当CO2浓度达到80%时,害虫将在短时间内因窒息而死亡,这一机制快速且环保;此外,CO2还能作为增效剂,增强化学熏蒸剂的杀虫效果,显著减少熏蒸剂的使用量,尤其是在CO2浓度低于40%的条件下,这一效果尤为突出;值得注意的是,高浓度CO2对粮食品质的影响具有双面性,它能有效抑制粮食的呼吸作用,从而保持粮食品质的稳定,但是当CO2浓度过高(如超过80%)时,可能会严重损害粮食的发芽力,甚至导致发芽能力的完全丧失[24]。在抑制霉菌方面,CO2同样展现出了强大的能力。研究表明,当CO2浓度超过20%时,即可有效阻止黄曲霉的生长及其毒素的生成;然而,对于黑曲霉和青霉等其他霉菌种类,需将CO2浓度控制在80%以上才能达到显著的抑制效果,这表明CO2对不同霉菌的抑制能力存在差异[25]。除此之外,在特定条件下(如常温储藏的低水分稻谷),CO2气调储粮技术对稻谷真菌的抑制效果显著,无论是数量还是种类上均能得到有效控制,但值得注意的是,这种方法并不适用于高水分稻谷在常温下的长期储藏,即便在CO2浓度高达60%以上的情况下,也难以有效抑制导致稻谷霉变的储藏性真菌的生长[26]。因此,CO2在粮食贮存中的应用需综合考虑其多方面影响,科学合理地控制其浓度,以实现最佳的储藏效果。
3 生物因素对稻谷品质和养分的影响
稻谷储存中,生物因素如害虫和霉菌对品质保持至关重要。研究显示,米象(Sitophilus oryzae)等害虫通过啮食和产卵直接损害粮食,增加粮食中的FAV和尿酸含量,影响营养价值和安全性。霉菌在适宜的温湿条件下繁殖,减少粮食的淀粉含量并产生对人类健康有害的真菌毒素。植物挥发性化合物,如反式-2-己烯醛,显示出对害虫和霉菌的有效抑制作用,提供了生物防治的潜力。因此,采取综合管理措施,包括控制温湿度和应用生物防治策略,对于确保粮食储存品质和安全至关重要。
3.1 害虫对稻谷品质和养分的影响
稻谷在储存过程中极易受仓储昆虫及霉菌等的危害,我国目前发现的仓储昆虫有242种[27],仓储昆虫及微生物的生长会导致稻谷品质劣变,甚至丧失食用价值。米象被认为是危害谷物储存的主要害虫,成虫产卵并孵化成幼虫,在谷物内部进行蛀蚀般的取食和生长,经过约30 d的成长周期,幼虫会羽化为成虫,继续啮食粮粒[28]。在15~20 ℃的低温储存环境下,仓储害虫、霉菌以及螨类等生物的生长会受到一定程度的抑制,但并不能完全阻止其生长和繁殖。举例来说,当温度超过10 ℃时,米象等害虫仍能在粮食内部进行爬行活动[29]。在Van Bronswijk等[30]的研究中,通过对加拿大粮食生态系统的分析,发现害虫侵染对粮食品质有显著影响,在米象和红粉虫(Tribolium castaneum)侵染的系统中,粮食的FAV几乎翻倍,从试验开始的0.56增加到1.08,这表明粮食中的脂肪酸含量增加,是由于真菌和细菌活动增强导致的脂质分解;此外,尿酸含量的增加(从0.01 mg/mg粉尘增加到0.07 mg/mg粉尘)表明昆虫代谢活动的增强,这对粮食的营养价值和安全性产生负面影响。
3.2 霉菌对稻谷品质和养分的影响
4 干燥技术对储存稻谷营养价值的作用
4.1 干燥条件对稻谷品质和养分的影响
干燥时间的控制对稻谷品质和养分有显著影响。随着干燥时间的延长,稻谷的裂纹率增加,导致碎米增多,增加加工成本[34]。如果稻谷的干燥时间不足,其水分含量可能会偏高,过高的水分含量会导致粮食容易发霉、变质,从而影响其储存性和食用品质。此外,稻谷中的水分还可以为微生物的生长提供有利条件,这不仅会导致稻谷的营养价值降低,还可能产生对人体有害的代谢产物。因此,在干燥稻谷时,应该根据稻谷的种类、含水量以及干燥设备的能力等因素,合理控制干燥时间,以确保稻谷品质和养分的稳定。
在干燥过程中,温度与含水量的交互作用直接影响稻谷的裂纹形成。高温(如55 ℃)会加速稻谷内部水分迁移,导致表层快速失水收缩与内部膨胀的应力失衡,显著增加裂纹率,相比之下,低温(40 ℃)结合缓慢干燥可减少热应力,但需平衡能耗与效率;当最终含水量低于10%时,稻谷因过度脱水变得脆硬,裂纹风险陡增;而含水量控制在12%~13%时,稻谷保持适度弹性,抗机械损伤能力最强,同时避免高湿环境下的霉变风险[35]。稻谷的裂缝率高,可能会导致蛋白质的结构和性质发生变化,影响其消化吸收和生物利用度,而且还容易使其中的维生素暴露在外界环境中,增加维生素的氧化和流失。
4.2 干燥工艺对稻谷品质和养分的影响
不同的干燥工艺对粮食的品质和营养价值具有显著影响。通风是粮食干燥过程中的关键工艺,它影响粮食表面和空气的热交换速率,从而影响干燥效率。适度的通风量和空气流速对于促进粮食干燥是有益的,然而,如果气流速度过高,会导致粮食的降水速率迅速增加,这反而使得干燥过程的控制变得困难。过高的干燥速度容易引发粮食吸湿回潮,并可能导致粮食表面出现裂纹。自然通风干燥适用于粮食初始水分在20%左右的情况,干燥时间一般在4~8周,虽然这种方法受自然天气因素影响较大,但由于干燥过程较慢,通常能更好地保持粮食的品质和养分,特别是对于保留维生素和天然香气方面,相比之下,加热通风干燥通过使用约30℃的热风缩短了粮食的干燥时间,这对于加快处理速度非常有用[36]。然而,较高的温度会导致部分养分,如易受热影响的维生素,损失更多,同时影响粮食的最终风味。搅拌通风干燥通过搅拌器解决通风死角问题,提高干燥均匀性,这种方法特别适用于粮食初始水分含量较高或深层粮食堆的干燥。通过促进更加均匀的干燥,可以避免局部过热和养分损失,从而在保证干燥效率的同时也较好地维护了粮食的整体品质和营养价值。
微波干燥可以迅速减少籽粒间的水分,从而最大限度地减少稻粒的裂缝,保持稻粒的碾磨质量。但是,微波干燥会导致稻粒微观结构的改变,从而影响稻粒的碾磨特性。有研究发现,高温热风和微波干燥方式致使稻谷的水溶性蛋白质含量显著低于自然干燥的对照组,其中微波干燥所产生的影响更为显著;这或许是由于微波交变电磁场所导致的高温,使得蛋白质发生变性,进而造成水溶性降低;低温微波和热风干燥处理后的稻谷,其直链淀粉含量与自然干燥的对照组相比,变化并不明显,高温处理则会使其明显降低[37]。
Ding等[38]研究了红外辐射干燥,其比传统的空气干燥具有更高的干燥速度和更好的制粉质量。红外辐射干燥能够迅速降低粮食中的水分,与传统的对流热力干燥相比,干燥时间大幅缩短,干燥后粮食水分分布均匀,有助于提高粮食的储存稳定性和食用品质。同时,红外辐射在干燥过程中能有效杀灭粮食中的害虫和微生物,根据资料显示,玉米象成虫在红外辐射强度3 358 W/m2处理下死亡率达到99.99%,所需处理时间为9.73 s,这说明高强度红外辐射能对玉米象进行快速杀灭,从而减少化学药剂使用,有利于环保和食品安全[39]。此外,红外辐射干燥设备通常操作简便,易于实现自动化控制,这有助于提高生产效率和降低劳动强度,但在大规模应用时,其能耗和成本仍然是需要考虑的重要因素,尤其是在电力资源有限的地区,大规模应用红外辐射干燥技术进行粮食干燥不具有经济效益[40]。
通过对这些干燥技术的比较,可以看出选择合适的干燥技术对于最大化稻谷的品质维护和营养保留至关重要。不过,每种技术都有其适用场景和潜在的营养影响,因此在选择干燥技术时应考虑稻谷的特定要求和目标干燥条件。
5 超期储存粮食在畜禽饲粮中的应用
我国稻谷库存充足,但超过适宜储存年限的稻谷品质和营养成分有所降低,不仅给国家储备造成较大困难,还严重影响其经济效益和社会效益。稻谷按储存品质指标可分为宜存、轻度不宜存和重度不宜存[《稻谷储存品质判定规则》(GB/T 20569—2006)]。在常规储存条件下,稻谷正常储存年限一般为3年,不宜存的或超过3年储存期的稻谷等需轮换的稻谷在销售出库时,经专业粮食检验机构进行质量鉴定,可用于饲料消费或工业消费。我国畜禽养殖业多年来过度依赖“玉米-豆粕”型饲粮配方,稻谷脱壳所得糙米的有效能、粗蛋白质、钙、磷和部分氨基酸等成分含量高于或与玉米相当,将其应用到畜禽饲粮中可取得与玉米同等的效果[41-42]。研究发现,黑龙江省粮库储存5年、安徽省与湖南省粮库储存3年以内的稻谷,在脱壳为糙米后,其营养成分与当年新收获稻糙米相比差异较小,FAV和霉菌毒素含量较低[43]。但与1年储存期的稻糙米相比,黑龙江粮库储存6年的粳稻糙米降低了肉鸡血清抗氧化和免疫功能,安徽粮库储存4年的中晚籼稻糙米降低了肉鸡生长前期血清总蛋白含量,品质良好的库存稻糙米替代一级玉米对肉鸡生长性能、免疫器官指数、屠宰性能和肉品质均无显著影响[44]。黑龙江粮库储存的6年陈粳稻脱壳为糙米,其有效能值和氨基酸回肠消化率均未发生明显变化,在饲喂仔猪的过程中,尽管会导致其小肠消化酶活性有所降低,然而对仔猪生长性能、营养物质表观消化率、血清生化指标、胴体性状、肉品质以及肌肉中脂肪酸比例均为产生显著影响,因此如果储存条件适当,尽管储存6年的稻谷经脱壳为糙米后,仍然可以作为能量饲料用于仔猪饲粮中,可以有效替代饲粮中玉米的用量[45]。
针对超期储存粮食容易发生的氧化反应产物增多、FAV升高的问题,生产中主要通过在饲粮中添加抗氧化剂来延缓或预防超期储存氧化产物的累积。罗阳等[46]发现,以陈化粮组成的基础饲粮中添加500 mg/kg的新型复合抗氧化剂,可以改善肉鸭生长性能并缓解陈化粮对其抗氧化性能的不良影响。使用新型复合抗氧化剂可以显著提高育肥猪血清和肝脏超氧化物歧化酶(SOD)活性,以及肝脏和肾脏谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性,同时,还能显著提升心脏SOD活性,提高其抗氧化性能[47]。添加抗氧化剂是饲料粮食保存的重要措施,它通过清除自由基、抑制氧化酶活性以及螯合金属离子等机制,有效减缓油脂氧化,延长饲料保质期,改善饲料品质,从而保障动物营养摄入和减少经济损失。
6 小结与展望
影响稻谷在储存过程中品质和养分变化的主要因素有物理因素(水分、湿度和温度等)、化学因素(O2和CO2等)和生物因素(害虫和霉菌等)。不适当的温度和湿度及水分含量会加速稻谷陈化。随着温度、湿度和储存水分的升高,均会加速粮食中脂肪的氧化反应,导致脂肪酸分解,过氧化物生成;低温(≤20 ℃)、低湿(RH≤65%)及适度水分(≤13%)的储存环境可显著延缓脂肪酸氧化与蛋白质变性;气调储粮技术(如充氮降氧)能有效抑制霉菌生长并减少营养损失。如果储存条件适当,超过适宜储存年限(一般为3年)的稻谷,其营养成分不会发生明显变化。稻谷脱壳后的糙米的营养价值与玉米相当,经适宜的加工处理后,可替代玉米用于畜禽饲料且不影响动物生产性能。然而,需要注意的是,目前的研究多集中于不同储存条件对稻谷食用品质的影响,对稻谷营养成分变化的研究较少;并且不同仓储技术对稻谷营养成分和营养物质消化率影响的数据欠缺。稻谷在粮仓中超过适宜储存年限(一般为3年)后用于饲料,其饲用价值数据和规律还缺少深入研究。因此,需要进一步丰富相关研究数据,以便为超期储存粮食的高值化利用提供数据支撑,为玉米、豆粕替代技术和节粮减损提供保障;同时为粮食仓储技术的参数优化提供参考。