不同結構小麥籽粒延遲發光特性

梁義濤，朱遠坤，王 鋒，史衛亞，龐 蕊

(河南工業大學a.糧食信息處理與控制教育部重點實驗室;b.信息科學與工程學院，河南鄭州450001)

0 引言

所有的生物系統都存在著對外界環境的光子輻射現象，其量上極其微弱，一般以單位時間內輻射的光子數來計量。這種普遍存在于生物系統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BPE和受激BPE;其中因受光照而被激發的BPE稱為延遲發光(DL)［1］。20世紀50年代，文獻［2］首次觀測到綠色植物受光照后有發光的現象，且這種發光遠大于生物體自身的發光，這是最早研究延遲發光的報道。大量研究表明:延遲發光與生物系統的光合作用、生化氧化、細胞分裂、細胞癌變等關系密切，可以作為生物體代謝活動的一項綜合指標［3－5］。

小麥是中國的重要儲備糧品種，在其生產、加工、儲藏、流通等環節，各項品質指標均需進行檢測［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)和外界環境(溫度、濕度、微生物和害蟲侵害等)的影響，其品質會有一定程度的劣變［7］。在小麥的各個流通環節可能造成小麥破損粒、蟲蝕粒等不完善粒增多、粉質化或角質化程度發生變化等問題的出現。這些問題均會造成小麥籽粒的物理結構變化。現有的相關檢測基本上是依靠人工方法或有損的方法完成，且多數只能體現小麥某一方面或某幾方面的局部指標［8］。這些方法均有主觀影響較大、技術復雜、檢測的時間較長和屬于破壞性檢測等缺點［9］。綜合來看，小麥籽粒的物理結構變化可反映在其內部生命狀態的變化上。

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

調研中發現: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，使得其細胞膜結構遭到破壞。當種子吸水后，細胞膜進行修復，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光特性的比較研究，驗證分析小麥籽粒的延遲發光特性與其不同結構之間的相關性。

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干至與浸泡前的質量相等，使種子浸泡前后質量保持不變。浸泡再干燥的目的就是使細胞膜發生變化，進而比較分析小麥籽粒由于這種內部孔洞結構變化而引起的延遲發光變化。

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，而延遲發光反映的正是小麥籽粒的綜合生命狀態，剔除胚芽后小麥的延遲發光變化應較為明顯。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作為發光強度數據，數據測量單元時間為10 s，總測量時長1 000 s，獲得100個數據。去胚芽后未浸泡新種子，在相同條件下進行光子數測量，總測量時長10 000 s，獲得1 000個數據。

1.2 延遲發光的測量

采用北京建新力拓公司BPCL-ZL-TGC超微弱發光測量儀。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，因此具有更低的探測下限。測量系統原理如圖1所示。

圖1 測量系統原理圖

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

2 結果分析

2.1 浸泡相同時間的新、舊小麥籽粒延遲發光特性比較

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光，記錄小麥籽粒每10 s輻射的光子數，測量總時間是1 000 s。測量結果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 浸泡4 h新舊小麥延遲發光曲線

圖3 浸泡2 h新舊小麥延遲發光曲線

一般的數據分析技術包含實驗數據描述法和數學模型描述法［14］，本文采用指數函數對這些數據進行曲線擬合，從而建立相應的數學模型，來描述數據的特性。采用的指數擬合函數模型如下:

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

圖4 未浸泡新舊小麥延遲發光曲線

表1數據表明:用指數函數擬合的曲線確定系數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據較吻合，指數函數能較好地描繪小麥籽粒的DL特性。

曲線擬合后，各組依次對應的擬合方程參數如表2所示。

種子從生理成熟期就開始發生劣變，種子劣變是逐漸加深和傷害積累的結果。種子發生劣變時，膜的滲漏程度較干燥種子嚴重。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，因而也就失去了水合和修復功能。由于膜內部脂肪水解和氧化，又使膜內部疏水基團解體。劣變種子再度吸水時，膜的修復很緩慢，甚至無法恢復到正常的結構，因而造成了永久性的損傷，導致正常的新陳代謝過程受到嚴重影響。

表1 指數函數擬合效果參數

表2 延遲發光曲線擬合參數

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

2.2 新、舊小麥籽粒浸泡不同時間的延遲發光特性比較

種子的生命活動必須在自由態水存在的狀況下才能旺盛進行。當種子水分減少至僅存在結合態水時，種子中的酶首先是水解酶就成為鈍化狀態，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，即減少自由態水，有利于種子安全貯藏。其次，種子干燥時，細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，自由態水增加，細胞膜進行修復，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的小麥籽粒延遲發光明顯比沒有浸泡過的小麥籽粒延遲發光強。

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新小麥種子已經修復到一個極值狀態，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，自由態水越少，細胞膜破壞越嚴重，種子的新陳代謝越不活躍，需較長的時間種子才會達到一個極值狀態。

圖5 新小麥浸泡不同時間的延遲發光曲線

圖6 舊小麥浸泡不同時間的延遲發光曲線

2.3 無胚芽新種子與有胚芽新種子延遲發光特性比較

測量無胚芽和有胚芽的新種子延遲發光，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光曲線

小麥胚芽是小麥生命的最旺盛部分，是小麥中營養價值最高的部分，含豐富的維生素E、B1及蛋白質等。去除胚芽，對小麥籽粒造成了嚴重的機械損傷，這是一個不可修復的破壞，造成了小麥籽粒組織結構的改變。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光要強很多。有胚芽小麥籽粒延遲發光初始強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態值是無胚芽小麥籽粒的2倍。由此可得出結論，小麥種子的胚芽是新陳代謝的旺盛部位，也是延遲發光的主要部位，去除胚芽，改變種子的組織結構，給種子的延遲發光帶來了很大影響。

3 結論

本文通過測量獲得太陽光照誘導條件下各種樣品的延遲發光信息，用曲線擬合技術分析試驗數據，發現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構及生理生化上的變化，這些變化相應地反映在其延遲發光變化上:

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

(2)種子的生命活動只有在自由態水存在的情況下才能旺盛進行。當種子水分減少至不存在自由態水時，種子的新陳代謝變得很微弱，表現在浸泡過的小麥種子延遲發光都比未浸泡的延遲發光強。但浸泡時間過長會帶來吸脹損傷以及缺氧呼吸的傷害，導致新陳代謝活動減弱，表現在浸泡2 h的新小麥籽粒比浸泡4 h的新小麥籽粒的延遲發光初始值大。細胞膜破壞再修復有一定范圍，修復的程度以及修復的時間與細胞膜破壞的程度有關，舊小麥種子細胞膜破壞較大，修復時間也較長，表現在浸泡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的部位，是延遲發光的主要部位，去除胚芽導致延遲發光發生變化，表現在有胚芽小麥籽粒延遲發光初始強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態值是無胚芽小麥籽粒的2倍。

試驗結果表明:小麥籽粒延遲發光特性與其多項生理特性有關。儲藏時間不同、浸泡時間不同、有無胚芽等都會引起延遲發光的不同。說明延遲發光可以作為反映小麥籽粒內部新陳代謝變化的一個窗口，可反映其細胞膜破壞及修復程度、胚芽有無破損等信息。可將這種科學、快速、無損的檢測技術應用于糧食品質檢測上，具有很好的應用前景。

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