梁義濤，朱遠(yuǎn)坤，王 鋒，史衛(wèi)亞，龐 蕊

(河南工業(yè)大學(xué)a.糧食信息處理與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

所有的生物系統(tǒng)都存在著對外界環(huán)境的光子輻射現(xiàn)象，其量上極其微弱，一般以單位時間內(nèi)輻射的光子數(shù)來計量。這種普遍存在于生物系統(tǒng)中的超微弱光子輻射稱為生物光子輻射(BPE)。通常，BPE在形式上包含自發(fā)BPE和受激BPE;其中因受光照而被激發(fā)的BPE稱為延遲發(fā)光(DL)［1］。20世紀(jì)50年代，文獻(xiàn)［2］首次觀測到綠色植物受光照后有發(fā)光的現(xiàn)象，且這種發(fā)光遠(yuǎn)大于生物體自身的發(fā)光，這是最早研究延遲發(fā)光的報道。大量研究表明:延遲發(fā)光與生物系統(tǒng)的光合作用、生化氧化、細(xì)胞分裂、細(xì)胞癌變等關(guān)系密切，可以作為生物體代謝活動的一項(xiàng)綜合指標(biāo)［3－5］。

小麥?zhǔn)侵袊闹匾獌浼Z品種，在其生產(chǎn)、加工、儲藏、流通等環(huán)節(jié)，各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)均需進(jìn)行檢測［6］。特別是在儲藏期間，隨著儲藏時間的延長，小麥籽粒受自身生理活動(呼吸氧化作用)和外界環(huán)境(溫度、濕度、微生物和害蟲侵害等)的影響，其品質(zhì)會有一定程度的劣變［7］。在小麥的各個流通環(huán)節(jié)可能造成小麥破損粒、蟲蝕粒等不完善粒增多、粉質(zhì)化或角質(zhì)化程度發(fā)生變化等問題的出現(xiàn)。這些問題均會造成小麥籽粒的物理結(jié)構(gòu)變化?，F(xiàn)有的相關(guān)檢測基本上是依靠人工方法或有損的方法完成，且多數(shù)只能體現(xiàn)小麥某一方面或某幾方面的局部指標(biāo)［8］。這些方法均有主觀影響較大、技術(shù)復(fù)雜、檢測的時間較長和屬于破壞性檢測等缺點(diǎn)［9］。綜合來看，小麥籽粒的物理結(jié)構(gòu)變化可反映在其內(nèi)部生命狀態(tài)的變化上。

近年來，基于對生物延遲發(fā)光特性與其生命狀態(tài)密切相關(guān)的認(rèn)識，有研究者將生物延遲發(fā)光分析技術(shù)引入糧食的物理特性及品質(zhì)檢測領(lǐng)域，并取得了初步的成果，如文獻(xiàn)［10］測量單粒干燥大豆種子的延遲發(fā)光，研究發(fā)現(xiàn)種子活力與DL的一些參數(shù)有關(guān)。文獻(xiàn)［11］研究稻谷霉變與超微弱發(fā)光特性的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)霉變稻谷隨著溫度、檢測時間、霉變程度和霉變含量的改變而改變。文獻(xiàn)［12］的研究表明:水稻種子活性與其超微弱發(fā)光量呈正相關(guān)的關(guān)系。文獻(xiàn)［13］利用超微弱發(fā)光原理，設(shè)計了一套基于虛擬儀器的小麥籽粒超弱發(fā)光檢測系統(tǒng)。提出了一種基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的新陳小麥檢測方法。

調(diào)研中發(fā)現(xiàn):小麥籽粒在收割后到儲存入庫之前需要晾曬，其間還有可能遭受雨水的浸泡，使得其細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞。當(dāng)種子吸水后，細(xì)胞膜進(jìn)行修復(fù)，新陳代謝變得旺盛，但種子浸泡時間過長會給種子帶來吸脹損傷以及缺氧呼吸的傷害，導(dǎo)致新陳代謝活動減弱。本研究嘗試通過對不同年限、不同浸泡時間及去胚芽的小麥籽粒延遲發(fā)光特性的比較研究，驗(yàn)證分析小麥籽粒的延遲發(fā)光特性與其不同結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性。

1 材料和方法

1.1 材料與處理方法

選擇不同儲藏年限的小麥籽粒:2011年6月份收獲的鄭麥9023小麥種子(簡稱為新種子)和2009年6月份收獲的鄭麥9023小麥種子(簡稱為舊種子)。

首先，選取籽粒飽滿的小麥種子若干，在25℃環(huán)境溫度下，分別浸泡2 h和4 h，浸泡后將小麥籽粒攤開自然風(fēng)干至與浸泡前的質(zhì)量相等，使種子浸泡前后質(zhì)量保持不變。浸泡再干燥的目的就是使細(xì)胞膜發(fā)生變化，進(jìn)而比較分析小麥籽粒由于這種內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)變化而引起的延遲發(fā)光變化。

其次，再選取沒有浸泡過的飽滿新小麥籽粒若干，將其胚芽剔除，再觀測小麥延遲發(fā)光的變化，從而定性的分析胚芽在小麥DL中的作用。理論上，由于小麥胚芽是小麥生命的代謝最旺盛部分，而延遲發(fā)光反映的正是小麥籽粒的綜合生命狀態(tài)，剔除胚芽后小麥的延遲發(fā)光變化應(yīng)較為明顯。最后，所制備的樣品用保鮮袋分別封裝。

測量前，首先稱量(5±0.02)g以下樣品:浸泡4 h新種子，浸泡2 h新種子和未浸泡新種子;浸泡4 h舊種子，浸泡2 h舊種子和未浸泡舊種子。將它們先后放在30℃左右的太陽光下照射30 min。光照后快速倒入石英杯(盡量平鋪)，放入光屏蔽室中測量小麥籽粒輻射的光子數(shù)作為發(fā)光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)測量單元時間為10 s，總測量時長1 000 s，獲得100個數(shù)據(jù)。去胚芽后未浸泡新種子，在相同條件下進(jìn)行光子數(shù)測量，總測量時長10 000 s，獲得1 000個數(shù)據(jù)。

1.2 延遲發(fā)光的測量

采用北京建新力拓公司BPCL-ZL-TGC超微弱發(fā)光測量儀。測量信號包括樣品的生物光子信號及探測器的本底噪聲。該儀器的半導(dǎo)體致冷裝置可以使光探測器光陰極處的溫度比室溫低10℃左右，保持較低的噪聲計數(shù)，因此具有更低的探測下限。測量系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)原理圖

儀器工作電壓是1 036 V(用C-14校準(zhǔn)，使得測量效率最高)，測量前后各測一次本底，測量得到的光子數(shù)是自動減除本底噪聲后的數(shù)值。為使本底穩(wěn)定，測量前預(yù)熱設(shè)備1 h。

2 結(jié)果分析

2.1 浸泡相同時間的新、舊小麥籽粒延遲發(fā)光特性比較

將浸泡4 h、2 h、未浸泡的新種子和舊種子在太陽光下照射30 min后，立即拿到光屏蔽室測量其延遲發(fā)光，記錄小麥籽粒每10 s輻射的光子數(shù)，測量總時間是1 000 s。測量結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 浸泡4 h新舊小麥延遲發(fā)光曲線

圖3 浸泡2 h新舊小麥延遲發(fā)光曲線

一般的數(shù)據(jù)分析技術(shù)包含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述法和數(shù)學(xué)模型描述法［14］，本文采用指數(shù)函數(shù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，從而建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，來描述數(shù)據(jù)的特性。采用的指數(shù)擬合函數(shù)模型如下:

其中，I(t)為發(fā)光強(qiáng)度，當(dāng)t=0時，發(fā)光初始強(qiáng)度I(t0)=I1(t0)+I2(t0)。參數(shù)I1(t0)、I2(t0)、k1、k2與小麥籽粒的特性有關(guān)，如新鮮度、水分含量、籽粒的形狀和色澤、以及是否經(jīng)過處理等。擬合效果參數(shù)比較見表1。

圖4 未浸泡新舊小麥延遲發(fā)光曲線

表1數(shù)據(jù)表明:用指數(shù)函數(shù)擬合的曲線確定系數(shù)R2都較接近于1，效果均較為理想。說明擬合的曲線與原始數(shù)據(jù)較吻合，指數(shù)函數(shù)能較好地描繪小麥籽粒的DL特性。

曲線擬合后，各組依次對應(yīng)的擬合方程參數(shù)如表2所示。

種子從生理成熟期就開始發(fā)生劣變，種子劣變是逐漸加深和傷害積累的結(jié)果。種子發(fā)生劣變時，膜的滲漏程度較干燥種子嚴(yán)重。種子劣變使膜端的卵磷脂和磷脂酰乙醇胺分解解體，使膜端失去了親水基團(tuán)，因而也就失去了水合和修復(fù)功能。由于膜內(nèi)部脂肪水解和氧化，又使膜內(nèi)部疏水基團(tuán)解體。劣變種子再度吸水時，膜的修復(fù)很緩慢，甚至無法恢復(fù)到正常的結(jié)構(gòu)，因而造成了永久性的損傷，導(dǎo)致正常的新陳代謝過程受到嚴(yán)重影響。

表1 指數(shù)函數(shù)擬合效果參數(shù)

表2 延遲發(fā)光曲線擬合參數(shù)

舊種子一般比新種子干燥，細(xì)胞膜破壞程度較深，修復(fù)需較長時間。新、舊小麥浸泡相同時間后，新種子可能快速修復(fù)完畢，而舊種子仍在進(jìn)行旺盛的新陳代謝來修復(fù)細(xì)胞膜，導(dǎo)致舊種子發(fā)光強(qiáng)度都比新種子強(qiáng)(見圖2、圖3和圖4)。如圖2所示，浸泡4 h，舊種子延遲發(fā)光初始強(qiáng)度明顯比新種子大，這是由于浸泡4 h后，新小麥種子細(xì)胞膜已基本修復(fù)，此時其新陳代謝沒有舊種子旺盛。圖3和圖4中，浸泡2 h新種子和舊種子延遲發(fā)光初始強(qiáng)度大致相等，未浸泡新種子和舊種子延遲發(fā)光初始強(qiáng)度大致相等，但舊種子最終趨向的穩(wěn)態(tài)值都較大。這是由于新舊種子的細(xì)胞膜都在以大致相等的速率修復(fù)，而隨著時間的推移，舊種子仍在修復(fù)細(xì)胞膜，新陳代謝一直處于比較旺盛的狀態(tài)。

2.2 新、舊小麥籽粒浸泡不同時間的延遲發(fā)光特性比較

種子的生命活動必須在自由態(tài)水存在的狀況下才能旺盛進(jìn)行。當(dāng)種子水分減少至僅存在結(jié)合態(tài)水時，種子中的酶首先是水解酶就成為鈍化狀態(tài)，種子的新陳代謝降至很微弱的程度。小麥種子儲存入庫之前需要曬干，即減少自由態(tài)水，有利于種子安全貯藏。其次，種子干燥時，細(xì)胞膜遭到不同程度的破壞，這一變化大大減弱種子的生理活動，而種子浸泡后，自由態(tài)水增加，細(xì)胞膜進(jìn)行修復(fù)，新陳代謝變得活躍。如圖5和圖6所示，浸泡4 h與浸泡2 h的小麥籽粒延遲發(fā)光明顯比沒有浸泡過的小麥籽粒延遲發(fā)光強(qiáng)。

圖5說明:浸泡2 h新小麥籽粒比浸泡4 h新小麥籽粒的延遲發(fā)光初始值大，下降速率也更快，這是由于浸泡2 h新小麥種子已經(jīng)修復(fù)到一個極值狀態(tài)，浸泡時間過長反而會帶來吸脹損傷以及缺氧呼吸的傷害，導(dǎo)致新陳代謝活動減弱。而圖6中浸泡4 h舊小麥籽粒比浸泡2 h舊小麥籽粒初始值大，下降速率也更快，即浸泡4 h舊種子新陳代謝比較旺盛，這說明種子越干燥，自由態(tài)水越少，細(xì)胞膜破壞越嚴(yán)重，種子的新陳代謝越不活躍，需較長的時間種子才會達(dá)到一個極值狀態(tài)。

圖5 新小麥浸泡不同時間的延遲發(fā)光曲線

圖6 舊小麥浸泡不同時間的延遲發(fā)光曲線

2.3 無胚芽新種子與有胚芽新種子延遲發(fā)光特性比較

測量無胚芽和有胚芽的新種子延遲發(fā)光，擬合曲線如圖7所示。

圖7 無胚芽新種子與有胚芽新種子延遲發(fā)光曲線

小麥胚芽是小麥生命的最旺盛部分，是小麥中營養(yǎng)價值最高的部分，含豐富的維生素E、B1及蛋白質(zhì)等。去除胚芽，對小麥籽粒造成了嚴(yán)重的機(jī)械損傷，這是一個不可修復(fù)的破壞，造成了小麥籽粒組織結(jié)構(gòu)的改變。相同的條件下，有胚芽小麥籽粒在每個時刻都比無胚芽小麥籽粒延遲發(fā)光要強(qiáng)很多。有胚芽小麥籽粒延遲發(fā)光初始強(qiáng)度是無胚芽小麥籽粒的6倍以上。有胚芽小麥籽粒最終的穩(wěn)態(tài)值是無胚芽小麥籽粒的2倍。由此可得出結(jié)論，小麥種子的胚芽是新陳代謝的旺盛部位，也是延遲發(fā)光的主要部位，去除胚芽，改變種子的組織結(jié)構(gòu)，給種子的延遲發(fā)光帶來了很大影響。

3 結(jié)論

本文通過測量獲得太陽光照誘導(dǎo)條件下各種樣品的延遲發(fā)光信息，用曲線擬合技術(shù)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)種子的儲藏時間長短、浸泡時間長短、有無胚芽都會帶來小麥籽粒組織結(jié)構(gòu)及生理生化上的變化，這些變化相應(yīng)地反映在其延遲發(fā)光變化上:

(1)種子越干燥，細(xì)胞膜破壞程度越深，吸水后修復(fù)需要的時間越長，修復(fù)期間新陳代謝比較旺盛，延遲發(fā)光強(qiáng)度越大。浸泡4 h新種子修復(fù)基本完成，延遲發(fā)光初始強(qiáng)度明顯比浸泡4 h舊種子小;而浸泡2 h和未浸泡新種子和舊種子修復(fù)程度差不多，發(fā)光初始強(qiáng)度大致相等，隨著時間的推移，舊種子仍在修復(fù)細(xì)胞膜，舊種子最終趨向的穩(wěn)態(tài)值都較大。

(2)種子的生命活動只有在自由態(tài)水存在的情況下才能旺盛進(jìn)行。當(dāng)種子水分減少至不存在自由態(tài)水時，種子的新陳代謝變得很微弱，表現(xiàn)在浸泡過的小麥種子延遲發(fā)光都比未浸泡的延遲發(fā)光強(qiáng)。但浸泡時間過長會帶來吸脹損傷以及缺氧呼吸的傷害，導(dǎo)致新陳代謝活動減弱，表現(xiàn)在浸泡2 h的新小麥籽粒比浸泡4 h的新小麥籽粒的延遲發(fā)光初始值大。細(xì)胞膜破壞再修復(fù)有一定范圍，修復(fù)的程度以及修復(fù)的時間與細(xì)胞膜破壞的程度有關(guān)，舊小麥種子細(xì)胞膜破壞較大，修復(fù)時間也較長，表現(xiàn)在浸泡4 h舊小麥籽粒比浸泡2 h舊小麥籽粒初始值大。

(3)小麥種子的胚芽是新陳代謝很強(qiáng)的部位，是延遲發(fā)光的主要部位，去除胚芽導(dǎo)致延遲發(fā)光發(fā)生變化，表現(xiàn)在有胚芽小麥籽粒延遲發(fā)光初始強(qiáng)度是無胚芽小麥籽粒的6倍以上，有胚芽小麥籽粒最終的穩(wěn)態(tài)值是無胚芽小麥籽粒的2倍。

試驗(yàn)結(jié)果表明:小麥籽粒延遲發(fā)光特性與其多項(xiàng)生理特性有關(guān)。儲藏時間不同、浸泡時間不同、有無胚芽等都會引起延遲發(fā)光的不同。說明延遲發(fā)光可以作為反映小麥籽粒內(nèi)部新陳代謝變化的一個窗口，可反映其細(xì)胞膜破壞及修復(fù)程度、胚芽有無破損等信息?？蓪⑦@種科學(xué)、快速、無損的檢測技術(shù)應(yīng)用于糧食品質(zhì)檢測上，具有很好的應(yīng)用前景。

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