超導強磁場下小麥霉菌呼吸強度變化分析研究

蔣華偉

(河南工業大學信息科學與工程學院，鄭州 450001)

糧食安全儲藏的關鍵是預防其發生陳化質變，對外觀表現為散粒體聚積的儲藏糧食，實際上它是一個龐大的生態體系，在這個群體中既有糧食顆粒、夾雜物和蟲鼠害，又有細菌、酵母菌和霉菌等微生物，除此之外還有溫度、水分、空氣以及電磁輻射等非生物因素作用，由此形成一個相互聯系、相互依賴和相互制約的復雜系統；在一定條件下，又演變為鼠蟲危害、糧食和微生物過度呼吸代謝以及菌類霉變等所導致的陳化變質過程。

在預防和抑制微生物的生理活動上，特別是糧食儲藏中霉變的特性和效應機理方面，目前國內外已開展了有關的研究[1－4]，但該項工作還在不斷的深入進展中。另外表現為呼吸的儲糧霉菌代謝也是一個不可忽視的因素，為延緩儲糧品質的陳化，需要研究糧食安全儲藏時霉菌呼吸生理效應。

針對糧食陳化過程的呼吸作用，特別是微生物呼吸過程中所產生的CO2濃度這個參數變化，對此已進行了前期研究，它主要集中在CO2濃度的檢測和推演霉化程度等方面。如 Thomas等[5]和梁微等[6]用檢測儀器對糧堆CO2濃度與儲糧霉菌數量變化的相關性進行了研究。還有在不同生理狀態下，Antonio等[7]根據霉菌對糧食危害和儲藏安全的差異性關系，由監測儲糧中CO2濃度變化來推演儲糧霉菌的活動狀態。耿旭等[8]在獲得儲糧CO2濃度變化呈S形曲線基礎上，來推斷霉菌的生長狀態。羅建偉等[9]針對不同糧食水分、環境溫度以及不同CO2氣體濃度下儲糧真菌區的變化情況，研究了CO2濃度對糧食真菌的抑制效果。

上述工作沒有涉及實際環境中離子束、電磁場等外界因素對儲糧生物效應研究，盡管陳仁菊等[10]和高夢祥等[11]研究了脈沖強磁場對牛奶中酶活性的影響和殺菌效果，尹煥才等[12]和張萍萍等[13]探討了靜態強磁場和超導強磁場對枯草芽胞桿菌以及小麥抗氧化酶的誘導表達的影響。不過這些工作沒有提及強磁場等非生物因素與儲糧霉變之間的作用，尤其是超導強磁場等非生物因素對儲藏糧食陳化變質中霉菌呼吸代謝效應卻鮮有研究。糧倉的實際情況顯示霉菌的呼吸作用是不可忽視的，因為儲糧霉菌呼吸不僅和糧食的霉變之間是緊密關聯的，而且為其他微生物的生存(如發酵產生酒精的酵母菌)提供了合適的水分和溫度等條件，加速了糧食的陳化變質過程。因此，儲糧霉菌的呼吸作用與非生物因素，特別是與超導穩態磁場的強度有著密切的關系，本研究開展了超導強磁場下糧食(小麥)霉菌呼吸效應探索，為糧食安全儲藏提供技術保證。

1 超導強磁場與儲糧霉菌呼吸

1.1 超導強磁場

超導強磁場是由超導導體的大電流和多匝磁體的倍增作用產生，關鍵是低溫系統和磁體系統中超導導體的設計[14]。強磁場同極高溫、極高壓一樣，作為極端條件下的電磁場形式可以直接得到原子尺度，在發現新現象和認識新現象等科學認知方面具有重要作用[15]。目前的物理學、化學、生物學、材料科學、磁共振技術和磁懸浮微重力技術已成為強磁場作用下新的學科研究方向。

由于磁場對物質體系能量的影響隨著磁場強度的平方呈正比增加，所以強磁場對物質的化學反應具有顯著的作用，它影響到化學反應的反應熱、pH、反應進行方向、反應速率、活化能、熵等諸多方面，進而對生物的組織、生化反應、生長過程、基因、細菌的新陳代謝產生不可預知的影響。在日本大型超導磁體螺旋裝置出現后，國內中科院電工所成功研制了中心磁場為4 T(Tesla，特斯拉)的二極超導磁體系統，隨后中科院等離子所建成了20 T混合磁體裝置，目前中科院強磁場科學中心正在建造40 T混合強磁場裝置，這為開展強磁場作用下物性探索奠定了基礎，并使之成為可能。因此利用超導強磁場條件，進行其作用下糧食和細菌(特別是霉菌)的特性研究，對提升糧食儲藏水平具有極其重要的作用和意義。

1.2 儲糧霉菌呼吸

儲糧過程中霉菌的呼吸是將有機物徹底(好氧型)或不徹底(厭氧型)氧化、產生水和氣體，并釋放能量的過程，一般會消耗糧食的營養物質。影響糧食中霉菌呼吸作用的因素有濕度(含水量)、溫度以及其他情況。其中含水量是影響霉菌呼吸作用的關鍵因素[1]，低含水量，呼吸作用微弱，隨著水分的增高，呼吸強度隨之增強，當含水量達15%時，呼吸強度顯著。溫度也是其影響因素，在低溫下，霉菌的呼吸作用會受到抑制或很微弱，同樣呼吸強度隨糧溫的升高而增強，但溫度過高呼吸強度反而減小，甚至強度迅速衰減。

儲糧霉菌的呼吸為細菌、酵母菌等其他微生物提供了適宜的水分和溫度等條件，助長了糧食的霉變過程，加快了糧食的陳化變質，尤其是在發酵過程產生的酒精會對糧食的生命力產生很大破壞作用。因此需要開展糧食霉菌呼吸作用的探索工作，特別是研究不同水分條件下，超導強磁場中糧食霉菌呼吸中CO2濃度變化關系，可以為糧情檢測，預防糧食霉變和過度陳化提供理論依據。

2 小麥霉菌呼吸產生CO2試驗設計

2.1 測試小麥品種

選取一般小麥作為研究對象，本試驗為河南本地產小麥。

2.2 小麥水分調節

取5 kg小麥，根據試驗水分要求，用蒸餾水噴灑拌和均勻，然后密封裝入15℃下1 000 mL玻瓶中平衡10 d。在整個試驗期間，調節和保持裝糧玻瓶內相對平衡的濕度，試驗中濕度分別為12.5%、15%、16.5%。

2.3 小麥儲藏溫度

在試驗過程中采用空調、加熱器和保溫材料等方法，把室溫控制在試驗需要的30℃范圍。

2.4 試驗方法

采用次氯酸鈉溶液(體積分數為5%)消毒小麥，時間為5 min左右，不宜過長，否則會影響小麥的生命力(尤其是胚部)，并用無菌水清洗小麥；然后把灰綠曲霉單孢懸液均勻地噴灑到試驗用小麥上；根據要求把水分調至為12.5%、15%和16.5%，分別裝于溫度為30℃的儲藏容器中；用傳感器來檢測CO2濃度，并通過顯微鏡來觀察霉菌的生理狀態和CO2濃度變化情況。

2.5 超導強磁場裝置

使用中科院等離子體物理研究所的超導強磁場裝置。超導磁體參數為內徑54 mm，外徑170 mm，高度162 mm，中心場0～8.8 T，運行電流0～51 A，磁場均勻度2×10－3/cm3。溫度可控在 －269～40℃，精度為±0.5℃，除了無電磁輻射外，對照組與試驗組所處環境相同。

2.6 CO2濃度檢測

裝置預熱后，將CO2測試儀的進出氣管與小麥儲藏容器中的管道連接，打開氣管的進出閥門，啟動輸氣泵，保持2 min后，屏幕上顯示的數字即為檢測濃度。

2.7 數據處理

在小麥40 d的儲藏時間內，分別在 2、6、10、14、18、25和40 d的時間處用CO2測試儀測量CO2濃度數據，在測試時間處間隔為2 h下測量3次，然后求平均值。

3 結果與分析

3.1 常規小麥霉菌呼吸CO2試驗

采用5%的次氯酸鈉溶液對小麥消毒5 min左右，用無菌水清洗；然后把灰綠曲霉單孢懸液均勻地噴灑到試驗用小麥上，并調節水分為12.5%、15%和16.5%；接著裝于溫度為30℃的儲藏容器中，進行數據測試處理，通過顯微鏡觀察霉菌生理狀態。獲得圖1所示霉菌呼吸CO2濃度等結果。

圖1 30℃儲藏小麥霉菌呼吸CO2濃度變化

通過觀察圖1濕度為12.5%、15%和16.5%的情況，可以發現霉菌呼吸產生的CO2濃度盡管在數量上有一定的差別，如低濕度的呼吸強度明顯小于中高濕度的，但3種濕度下的CO2濃度大致呈先穩增、后巨變、再緩增的趨勢；同時還發現小麥中霉菌的生長具有3個生理階段，即孢子生長期、菌絲生長期和子代繁殖期(在圖1中標出3種濕度的生理階段，各階段大致上發生了階梯平移，即等量增加；同時15%中等濕度的菌絲生長期提前2 d，16.5%高濕度的菌絲生長期和子代繁殖期分別提前2 d)。處于不同生理狀態下的霉菌使小麥中CO2濃度的變化速率表現出明顯的不同情況。對低濕度下當處于孢子生長期時(0～4 d)，CO2濃度緩慢增加，僅升高0.57%，說明霉菌呼吸強度很弱；當進入菌絲生長期時(4～12 d)，CO2濃度升高速率大于0.3%/d，CO2濃度增加非常快，這表明此時霉菌呼吸極為旺盛，是小麥儲藏中霉菌由若變強的關鍵轉折點，需要對此時小麥儲藏中霉菌活動和可能霉變嚴加監測；當到了子代繁殖期(12～40 d)，CO2濃度仍呈增加趨勢，但斜率有所減小，遠沒有菌絲生長期增長快，顯示霉菌呼吸強度趨于下降，但整體上CO2濃度有增無減，若小麥儲藏時前期已有霉變的可能，此時仍會促使儲藏小麥結塊和霉爛的變化。

另外觀察圖1濕度為12.5%的小麥另一組數據的變化，即發現脂肪酸值也呈類似于CO2濃度變化的曲線趨勢，這表明小麥儲藏過程中脂肪酸值的產生和變化與霉菌的生理狀態和活動相關。在霉菌不同生理階段，由于呼吸提供了合適的水分和能量，尤其是酶催化作用的溫度條件，使小麥中的脂肪在酶的作用下水解、氧化產生脂肪酸值，隨著儲藏時間的延長，霉菌生理活動的增強，同時還會使水解出來的脂肪酸進一步被氧化，這反過來又促進了小麥儲藏的進一步變質。

3.2 超導強磁場下霉菌呼吸CO2試驗

數據測量和處理方法見2.7和3.1部分。磁場強度選用1、3、5和7 T的4種劑量，并將密封儲藏的小麥暴露于超導強磁場中3 h，然后在非磁場密封狀態存儲下檢測CO2濃度。

由于采用磁場強度有1、3、5和7 T共4種處理方法，同時還分別對應于12.5%低水分、15%中等水分和16.5%高水分情況(30℃儲藏溫度)，顯然數據量比較大，處理和對比分析工作較為復雜，因此，在這些數據中選取磁場為強度5 T、7 T和儲藏溫度為30℃具有代表性的情況來比較分析(圖2和圖3)。選取5 T和7 T高強度試驗條件進行對比，而低磁場強度下的數據類似于圖1的情況，沒有明顯的區分度。

圖2 磁場為強度為5 T和30℃儲藏小麥霉菌呼吸CO2濃度變化

由圖2可以發現，在強度為5 T的磁場中暴露3 h后，不同水分(濕度)情況下，儲藏小麥中霉菌呼吸產生的CO2濃度隨著時間的增加而逐漸提高，同時霉菌的生長仍包括孢子生長期、菌絲生長期和子代繁殖期3個生理活動階段(圖2，中等濕度和高濕度類似于圖1的平移變化)。

在圖3中采用了更高的7 T磁場強度，暴露時間仍為3 h，對于低、中、高3種水分(濕度)，儲藏小麥中霉菌呼吸產生的CO2濃度隨時間變化情況具有圖2的趨勢，而且霉菌的生長也包括孢子生長期、菌絲生長期和子代繁殖期3個生理活動階段(圖3，中、高濕度的也類似于圖1的變化)。由圖2和圖3的數據可觀察發現:強磁場作用下，儲藏小麥中霉菌呼吸作用得到的CO2濃度變化類似于圖1中對照條件下曲線趨勢。

通過對圖1、圖2和圖3的比較可以發現，在5 T和7 T磁場中暴露3 h后，不同水分(濕度)條件下，儲藏小麥中霉菌呼吸產生的CO2濃度都出現不同程度的減小，在5 T情況下，對于水分為12.5%、15%和16.5%3種情況，相對于對照條件，分別下降了0.42%、0.58%和0.75%；而對7T更高磁場強度，3種濕度下分別下降了0.7%、0.94%和1.1%。同時在圖2和圖3上，還觀察到15%和16.5%濕度下，在16 d(7 T的為14 d)后，從CO2濃度變化曲線的斜率看，其變化呈平坦之勢，似乎不再明顯增加；而對12.5%的水分，在40 d后，CO2濃度變化曲線的斜率反而顯示了負增長的趨勢，使CO2濃度有下降的可能，該濕度下的脂肪酸值也出現類似的情形。這表明:經過5 T和7 T高超導強磁場的處理，可以抑制儲藏小麥中霉菌的呼吸作用，延緩小麥的陳化變質，在某種程度上可預防菌霉帶來的霉變、毒素的產生，對小麥的安全儲藏是有利的。

圖3 磁場為強度為7T和30℃儲藏小麥霉菌呼吸CO2濃度變化

4 結論

本試驗對小麥儲藏中霉菌呼吸變化進行了分析研究，特別在是常規條件下和超導強磁場作用下，開展了儲藏小麥霉菌呼吸所產生CO2濃度變化的量化探索，為小麥的安全儲藏提供理論依據。

在30℃的常規條件下，水分為12.5%、15%和16.5%，對小麥霉菌處于不同生理階段呼吸產生CO2濃度變化的分析，發現當進入菌絲生長期時，強化了霉菌呼吸，CO2濃度增加快于其他階段，針對此時儲藏小麥中霉菌呼吸旺盛的關鍵點，應嚴格加強監控霉菌的活動和可能的霉變。

對5 T和7 T超導強磁場作用，在不同水分情況下，霉菌呼吸產生的CO2濃度出現不同程度的減小，對15%和16.5%的濕度，最后的變化呈平坦之勢；對12.5%的水分，由變化曲線的斜率可知CO2濃度有下降的可能，同時脂肪酸值也出現類似的情形。這顯示了超導強磁場的處理，可以通過抑制霉菌的呼吸作用來延緩儲藏小麥的陳化變質過程。

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