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甘蔗機械收獲后糖損失的影響因素分析

2020-01-15 09:16彭娜姚姿婷黃江峰陳保善張木清
中國糖料 2020年1期
關(guān)鍵詞:莖段蔗糖甘蔗

彭娜,姚姿婷,黃江峰,陳保善,3,張木清,3

(1.廣西大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南寧 530004;2.廣西生物學(xué)重點實驗室,南寧 530004;3.蔗糖產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,南寧 530004)

0 引言

甘蔗是主要的糖料作物,以甘蔗為原料的糖產(chǎn)量占全球糖供應(yīng)總量的85%以上[1]。在生產(chǎn)中,甘蔗蔗糖產(chǎn)量受其品質(zhì)嚴重影響。國內(nèi)甘蔗砍收后,由于各種原因,蔗糖企業(yè)不能做到原料蔗及時入榨,導(dǎo)致甘蔗品質(zhì)嚴重下降[2]。甘蔗砍收后堆放過程,隨著堆放時間延長,甘蔗品種蔗糖分、重力純度、簡純度、單莖重均逐漸下降,纖維分和還原糖分隨堆放時間推移而升高[3-9]。

廣西是我國最大的甘蔗和蔗糖生產(chǎn)基地,種植面積和蔗糖產(chǎn)量占全國的60%以上,蔗糖業(yè)產(chǎn)值占廣西國民生產(chǎn)總值的10%~11%[10]。但土地租金、勞動力成本、立地條件等因素不斷推高甘蔗種植生產(chǎn)成本,2013 年以來廣西甘蔗播種面積呈下降趨勢。甘蔗全程機械化生產(chǎn)被認為是降低甘蔗種植成本、提高種植經(jīng)濟效益的有效方法[11-12]。2017/2018 年榨季,甘蔗生產(chǎn)綜合機械化率達59%[13],但機械收獲面積不到10%,成為蔗糖生產(chǎn)的主要限制因素。但是我國機械收獲面臨很多問題,如農(nóng)機農(nóng)藝的融合、收獲季節(jié)的降雨、含雜率高等問題,甘蔗機械收獲后未及時壓榨導(dǎo)致的蔗糖分損失是其中的一個關(guān)鍵問題。機械收獲帶來更多的切口和傷口,如蔗頭破裂等,這些傷口加劇了甘蔗劣化[14],給糖廠帶來經(jīng)濟損失。因此,探究這一過程中的影響因素從而控制其發(fā)生具有重要意義。莖段劣變發(fā)生的環(huán)境因素較復(fù)雜,本研究旨在確定甘蔗劣變過程的核心影響因素,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中甘蔗機械收獲的合理安排時間及收獲后處理提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料采自廣西大學(xué)扶綏基地,品種為廣西大學(xué)培育的‘中蔗1 號’、‘中蔗9 號’、‘中蔗10 號’、‘中蔗11號’。試驗材料種植時間為2018年2月5日,試驗材料獲取時間為2018年12月10日。

1.2 試驗儀器

本試驗所涉及的試驗儀器:電子分析天平(METTLER TOLEDO,上海)、DM540-CPS 系統(tǒng)(Bruker Optik GmbH,Germany)、恒溫培養(yǎng)箱(SANFA,上海)、自動旋光儀(加航,上海)、手持錘度計(ATAGO,日本)、臺式數(shù)顯pH 計(METTLER TOLEDO,上海)。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計

我們發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中劣變是從切口(傷口)處開始發(fā)生的,并且劣變程度與莖段切口和傷口數(shù)量相關(guān),多次試驗發(fā)現(xiàn)使用DM540-CPS系統(tǒng)能夠在不產(chǎn)生蔗汁的情況下增大傷口面積,加速劣變發(fā)生。生產(chǎn)中的儲存莖段的環(huán)境復(fù)雜,影響因素眾多,試驗室環(huán)境難以模擬。因此將其進行極端處理,加速劣變發(fā)生,有利于我們找到與劣變發(fā)生最相關(guān)的環(huán)境因素。通過DM540-CPS 系統(tǒng)(該系統(tǒng)通過高速旋轉(zhuǎn)刀片將甘蔗迅速粉碎,期間沒有壓榨過程,不產(chǎn)生蔗汁)將莖段粉碎后置于室溫和恒溫箱中,連續(xù)監(jiān)測其蔗糖含量、pH、錘度、微生物總數(shù)的動態(tài)變化。

采收成熟的健康甘蔗,6 根為一組,每個品種3 組,每組經(jīng)DM540-CPS 系統(tǒng)粉碎成直徑約5 mm 的碎塊,混勻后取樣,分別置于室溫(20 ℃)和高溫(37 ℃)恒溫培養(yǎng)箱中,處理0 h、12 h、48 h、84 h、120 h后取出,測量樣品中的蔗糖含量、pH、錘度并進行微生物計數(shù)。

1.3.2 試驗過程

取100 g 莖段粉末,按照全國甘蔗糖業(yè)標準化與質(zhì)量檢測中心制定的二次旋光法測量蔗糖含量。另取100 g莖段粉末,加300 mL ddH2O,榨汁機混勻,經(jīng)過8層紗布過濾,對濾液進行pH、錘度和菌落總數(shù)測定。菌落總數(shù)(TVC)采用GB 4789.2-2010法[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel統(tǒng)計處理,用SPSS 19.0 軟件進行鄧肯多重比較(Duncans multiple-range test),p<0.05 為顯著性差異水平。采用Pearson 相關(guān)分析法進行指標相關(guān)性分析;以特征值大于1 對因子進行提取,并獲得各檢測指標和環(huán)境因素得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理條件對蔗糖含量的影響

儲存開始后,所有處理組的蔗糖含量均急劇下降,前12 h的蔗糖損失率高達30.87%,處理48 h后的蔗糖損失率為74.68%,48 h 后蔗糖含量趨于穩(wěn)定。由此可見,在傷口較多的情況下,莖段劣變發(fā)生十分迅猛,蔗糖損失在12 h 內(nèi)就已達極顯著水平。不同的溫度處理組之間,37 ℃高溫組下降斜率更大,樣品中蔗糖含量更快地降解為零,可見高溫條件下糖分損失更快。同一處理的不同品種之間蔗糖含量下降斜率基本相同,中蔗10號和中蔗11號是高糖品種,糖分損失速率相同的情況下,放置相同時間其蔗糖分含量高于低糖品種,即中蔗1號和中蔗9 號。從0 h到120 h,蔗糖分降幅大小為:中蔗11號>中蔗10號>中蔗9號>中蔗1號(圖1)。

圖1 不同處理條件對蔗糖含量的影響Fig.1 Sucrose content of sugarcane stored at different temperatures

2.2 不同處理下pH的變化

新鮮甘蔗莖段的pH 在5.5左右,儲存前12 h內(nèi),所有處理組的pH均急劇下降至4.0左右,12 h后pH下降速度減慢趨于穩(wěn)定(圖2)。不同品種的pH 起始值略有不同,但在處理后的所有時間點均無顯著差異,可見溫度和品種未對pH變化產(chǎn)生顯著影響。

圖2 不同溫度處理條件對pH的影響Fig.2 pH variations in sugarcane stored at different temperatures

2.3 不同處理條件對微生物數(shù)量的影響

儲存開始時,樣品中細菌數(shù)量高于真菌(圖3),然而隨著儲存時間的延長,細菌菌落數(shù)量持續(xù)下降,可能是莖段中的酸性環(huán)境不適合細菌生長,高溫處理更是加快了衰減的速度。與細菌不同,處理12 h后的樣品中真菌菌落數(shù)量顯著上升,此時莖段中的營養(yǎng)物質(zhì)和適宜的環(huán)境溫度為真菌的生長繁殖提供良好的環(huán)境。不過,樣品中的真菌菌落總數(shù)在高溫條件下處理120 h后出現(xiàn)大幅下降,可能是高溫(37 ℃)條件下更適宜真菌生長,養(yǎng)分消耗更快,當(dāng)莖段中的養(yǎng)分已全部分解完畢,微生物群落趨于衰亡??梢?,儲存過程中,無論溫度如何,均有利于真菌生長繁殖,因此莖段采收后應(yīng)避免長時間的存放。

圖3 不同處理條件對微生物數(shù)量的影響Fig.3 Amounts(CFU)of bacteria and fungi of sugarcane stored at different temperatures

2.4 各指標和環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析

以120 h 內(nèi)所測得的甘蔗各項指標整體變化進行相關(guān)分析(表1),結(jié)果表明,蔗糖與pH 呈顯著正相關(guān),真菌菌落數(shù)量與蔗糖和pH含量呈顯著負相關(guān),細菌菌落數(shù)量與蔗糖和pH含量呈顯著正相關(guān),顯著水平均是極顯著。研究同時表明,儲存時間與蔗糖含量、pH 和菌落數(shù)量均顯著相關(guān),是劣變過程的核心影響因素。而儲存溫度僅與微生物菌落總數(shù)顯著相關(guān),與蔗糖含量和pH 無顯著相關(guān)性,說明儲存溫度對微生物數(shù)量有一定影響,但影響還不足以使得劣變程度產(chǎn)生顯著差異。另外,甘蔗品種只與蔗糖含量呈極顯著相關(guān),與pH和微生物數(shù)量都無顯著相關(guān)性,說明不同品種影響莖段中蔗糖的含量,但對劣變程度沒有顯著影響。

表1 各檢測指標的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 1 Correlation coefficient matrix of each index

表2 各測試指標的因子分析Table 2 Factor analysis of each index

2.5 因子分析

對蔗糖含量、甘蔗品種、處理時間、儲存溫度、pH 值、菌落計數(shù)6個指標的特征向量和貢獻率進行因子分析(表2)。結(jié)果表明,3 個因子特征值累積貢獻率85.5%(分別為49.1%、21.8%、14.616%),在第一因子中,蔗糖含量、pH 值、細菌菌落總數(shù)和處理時間的系數(shù)較大,占全部信息量的49.1%,蔗糖含量、pH值和菌落總數(shù)是衡量劣變程度的指標,故該因子代表了儲存時間和劣變程度的情況,也證明了在3個環(huán)境因子中儲存時間是與劣變程度關(guān)系最密切的環(huán)境因子;在第二因子中,儲存溫度和真菌菌落總數(shù)的系數(shù)比較大,反映了全部信息量的21.8%;在第三因子中,甘蔗品種的系數(shù)比較大,反映了全部信息量的14.6%。

3 討論與結(jié)論

甘蔗機收堆放過程中,隨著時間的推移,品質(zhì)會發(fā)生變化,其劣變程度受儲存時間、甘蔗品種、環(huán)境溫度等多因素影響,進而影響產(chǎn)糖率,對蔗農(nóng)和糖廠造成損失。本研究選用中蔗系列4 個品種,對莖段進行粉碎處理加快劣變發(fā)生,探究機收后儲存時間、甘蔗品種、環(huán)境溫度對莖段劣變程度的影響。結(jié)果顯示,在堆放前12 h 內(nèi),蔗糖含量和pH 值顯著下降,真菌菌落數(shù)量顯著上升,檢測指標的相關(guān)性分析顯示蔗糖含量與pH 值和菌落總數(shù)顯著相關(guān),這與前人的研究結(jié)果相同[3-4,16-17],且試驗結(jié)果也與田間觀察到的現(xiàn)象一致。甘蔗品質(zhì)劣變總是伴隨著酸化且在切口處能明顯觀察到附著白色、青色或紅色的真菌菌絲。pH 和真菌菌落總數(shù)的變化在前12 h內(nèi)完成顯著變化后趨于穩(wěn)定,而蔗糖含量的下降是到48 h 后才趨于穩(wěn)定,說明在前12 h內(nèi),真菌大幅增長,消耗蔗糖并產(chǎn)生有機酸降低環(huán)境pH 值。在酸性環(huán)境下,蔗糖易轉(zhuǎn)化為單糖,并抑制細菌生長,從而使得真菌維持高豐度直至養(yǎng)分耗盡。前人的研究將蔗糖含量的下降歸結(jié)于3方面原因,莖段呼吸、酸轉(zhuǎn)化和微生物,其中微生物發(fā)揮主要作用[20],這與我們的結(jié)果一致。

對檢測指標和環(huán)境因素的相關(guān)性分析,結(jié)果顯示劣變過程的核心影響因素是儲存時間,其次是儲存溫度,與甘蔗品種相關(guān)性不高。儲存時間與反映劣變程度的指標,蔗糖含量、pH 和菌落數(shù)量均極顯著相關(guān)。總體來看,莖段切碎后12 h內(nèi)蔗糖損失高達30.87%,48 h后的蔗糖損失率達到74.68%,縮短儲存時間才是減少糖分降解的有效途徑。另外,儲存溫度越高,真菌菌落數(shù)量上升和蔗糖下降速率越快。儲存溫度只與微生物數(shù)量顯著相關(guān),與其他指標無顯著相關(guān),即環(huán)境溫度較高會在一定程度上加快劣變,但影響作用尚不顯著。而甘蔗品種與蔗糖含量相關(guān),與其他指標均無相關(guān)性,說明不同的甘蔗品種蔗糖含量差異大,但并不影響其劣變發(fā)生程度,因此甘蔗品種不是驅(qū)動劣變過程的核心影響因素。因子分析是主成分分析的進一步發(fā)展,是用較少數(shù)的公因子的線性函數(shù)與特定因子之和來表達原觀察變量的每一個分量,以達到合宜的解釋原變量相關(guān)性并降低其維數(shù)的目的[19-20]。本研究采用因子分析將6 個指標分為3個主因子,在此基礎(chǔ)上得到了與相關(guān)性分析一致的結(jié)果。儲存時間和檢測指標歸屬于因子1,解釋了總變異的49.1%。綜合所有分析顯示,建議糖廠在安排甘蔗收運榨工作時,盡量選擇環(huán)境溫度較低的天氣進行機械收獲,并且在收獲后12 h內(nèi)進場壓榨,避免過夜。

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