白蘇種子的凍干萌發特性研究

張 青，魏 燕，姜若文，龐永琳

(上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093)

白蘇，唇形科紫蘇屬，一年生草本植物，其葉片呈卵形或卵圓形，梗和葉均為中藥。白蘇有調節血脂、預防血栓的作用，其分布地區十分廣泛，在中國、日本、朝鮮、韓國、印度、不丹、緬甸和俄羅斯等國家都有種植。白蘇藥食兩用類種子的生命力并不頑強，容易受到外界環境的影響，用普通方法長期貯存后的白蘇種子發芽率大幅降低，因此迫切需要一種能使白蘇種子長期貯存且保證其生命活力的方法。白蘇種子方面的研究與報道[1-5]較少，且主要集中在離體組織培養、轉基因體系建立、多種基因的遺傳轉化和分離、克隆和表達分析等生物技術方面，較少涉及白蘇種子的貯存。

冷凍干燥[6-9]是將富含水分的物質先低溫冷卻到其玻璃化轉變溫度或共晶點以下，此時物料中的大部分水分就會凍結成冰，剩余的少部分水分會和物料共同形成玻璃態，之后在真空環境下對物料進行低溫加熱，讓冰升華，繼續在真空環境下給物料升溫，從而去除與物料結合在一起的吸附水。

傳統的長期低溫貯存方法成本高，耗能大，不夠環保。而冷凍干燥方法已經在諸多種子的貯存中得到了應用，因此可以研究冷凍干燥方法是否適用于白蘇種子。李圣福等[10]對玉米種子進行了冷凍干燥和烘箱干燥，測定了處理后種子的發芽率，從而篩選出對玉米種子適宜的超干燥方法。孟淑春[11]對韭菜種子分別進行冷凍干燥、硅膠干燥、50℃加溫干燥等處理，比較不同干燥方法對韭菜種子貯存的影響。對于常見的谷物、蔬菜種子的冷凍干燥工藝[12-15]已經是屢見不鮮，而對中醫藥種子進行冷凍干燥尚未普及。以白蘇種子為研究對象，研究了冷凍干燥方法對中藥種子萌發特性的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗設備

真空冷凍干燥機(上海田楓實業有限公司生產，TF-SFD-2)，電熱恒溫鼓風干燥箱(上海博迅實業有限公司醫療設備廠生產，GZX-9030MBE)，箱式電阻爐(上海實研電爐有限公司生產，SX2-12-10)，差示掃描量熱儀(耐馳科學儀器商貿(上海)有限公司生產，DSC200F3)，外徑千分尺(上海量具刃具廠生產，S104-101-101)，電子分析天平(上海雙旭電子有限公司生產，S114)及玻璃培養皿、濾紙、一次性手套、鑷子、稱量紙等一次性實驗耗材。

1.2 白蘇種子選取

選取白蘇種子500 g(山東濰坊2020年秋白蘇種子，山東濰坊壽光山研種業苗木場提供)。

1.3 種子相關參數測定

1.3.1 外部形態數據測定

選取 30 粒形態飽滿的白蘇種子，可以近似認為該種子為球體性狀，用螺旋測微儀測量其直徑，并標注其顏色。

1.3.2 凈度的測定

隨機稱取100 g種子，將廢種子、雜質和凈種子分離，稱量凈種子的質量。

1.3.3 種子的百粒重測定

百粒重是100粒該種子的總質量。將純凈的白蘇種子用四分法分成4份，從每份中取25粒，100粒為一組，用電子天平稱量，重復3次，取平均值。

1.3.4 種子含水量的測定

選取100粒風干的白蘇種子進行稱量，放入預先升溫到145℃的箱式電阻爐內，在5 min之內將電阻爐內溫度降至130℃，以130℃±2℃烘干90 min，加蓋取出后迅速置于干燥器內，待其冷卻至室溫進行稱量，重復3次。

1.3.5 種子吸水率的測定

種子的吸水程度用吸水率表示。在溫度、陽光、氧氣等環境因素都適宜的情況下，對于具有生命活性的種子能否發芽的關鍵是水分。一般認為，種子處于吸水萌發階段時，如果吸水率能達到種子自重的35%～37%，那么種子就能正常萌發。

稱取1 g白蘇種子，放入加有25℃蒸餾水的玻璃皿中進行膨脹24 h，用濾紙吸干種子表面水分再稱量，重復3次。

1.4 種子吸脹及DSC測共晶共熔點

取少量種子，隨機無序地撒入1%瓊脂培養基中，保證種子平鋪在培養基溶液的表面上，進行吸脹24 h后取出種子，并用濾紙吸干種子表面附著的水分，此時種子處于吸足水分但還未發芽的狀態，各個種子間的含水量大致相同。

共晶點是指物料中的水完全凍結成冰時物料的溫度。共熔點是指已經全部凍結的物料在升溫過程中開始出現液相時物料的溫度[16]。將吸脹后的種子放入專用的熱分析坩堝里，鋪滿坩堝底部，測量其凈重，盡量使被測種子的總質量在20 mg左右，將坩堝蓋與坩堝壓實。對DSC儀器進行溫度標定和熱流標定，將裝有種子的壓實坩堝輕輕放入差示掃描量熱儀中，設置程序，降溫速度和升溫速度均為1 K/min。先從常溫降溫降至-40℃，保持恒溫5 min，再升溫至40℃，整個過程大概需要3 h，對DSC曲線圖進行軟件分析，得到種子的共晶點和共熔點[12]。

1.5 種子干燥處理

1.5.1 種子的冷凍干燥

取300粒種子預先進行種子吸脹，之后進行冷凍干燥處理[13]。預凍溫度要低于共晶點 5℃～10℃。根據DSC測定結果確定預凍溫度為-25℃，升華干燥溫度為0℃，真空度為40 Pa。緩慢冷凍會產生較大冰晶，快速冷凍會產生較小冰晶，因此快速冷凍可以減少對細胞的損傷。預凍時間一般在2～4 h，因此在該實驗中，從常溫降至-25℃大概需要1 h，達到-25℃后再保溫1.5 h。升華干燥時間為4 h，解析干燥溫度為20℃。當種子的中心溫度與預設的20℃的擱板溫度大致相同時，保持該狀態干燥2 h。取出種子后保證密封包裝。本實驗的真空度控制在40 Pa左右。

1.5.2 種子的熱風干燥

取300粒種子放進小坩堝，置于電熱恒溫鼓風干燥箱，溫度40℃，進行熱風干燥處理1.5 h。取出種子后保證密封包裝。

1.5.3 測定干燥處理后的種子含水量和復水率

1.6 種子的萌發

取種子100粒不作任何處理，只作為對照組。先對種子進行緩濕，將種子放入培養皿，在緩濕箱內(80%相對濕度)處理。將緩濕后的種子與對照組的種子放在10%瓊脂培養基的培養皿內，若瓊脂沉淀，可以微微加熱并持續攪拌使其融化。將培養皿置于恒溫箱內，開始進行種子萌發，每天定時統計種子發芽數并比較發芽率。

2 實驗結果分析

2.1 種子外部形態數據、百粒重、凈重

經過白蘇種子三組的稱量，由表1可得，白蘇種子的平均百粒重為 2.31 g，凈度為 98.54%，可見該白蘇種子的凈度較高。

表1 種子的百粒重和凈度Tab.1 Weight of 100 seeds and purity

2.2 干燥處理前種子含水量和吸水率

干燥處理前種子的含水量與吸水率實驗數據測量結果見表2和表3。

表2 種子的含水量測定結果Tab.2 Determination of moisture content of seeds

表3 種子的吸水率測定結果Tab.3 Determination of water absorption of seeds

超干燥處理前，白蘇種子的含水量為 6.79%，吸水率為 48.100%，由此可得出白蘇本身屬于比較干燥的種子。

2.3 DSC測試種子的共晶共熔點

從圖1熱流曲線可以看出，當差式掃描量熱儀從25℃掃描到-40℃時，白蘇種子的溫度降到-16℃左右時出現一個向下的放熱峰，峰值為-16.5℃，完全凍結時的溫度為-17.4℃；相同地，差式掃描量熱儀從-40℃掃描 40℃時，白蘇種子的溫度漸漸升高，當溫度升高到-0.2℃時，白蘇種子內的水分開始融化，吸收熱量，出現一個向上的放熱峰，峰值為 0.8℃。根據圖1及共晶點、共熔點的定義可得，白蘇種子的共晶點溫度為-17.4℃，共熔點溫度為 -0.2℃。

圖1 白蘇種子的熱流曲線Fig.1 Heat flow curve of perilla seeds

2.4 冷凍干燥、熱風干燥處理后的種子含水量及復水率

將冷凍干燥與熱風干燥后的各項數據作比較可以得出，冷凍干燥降低種子含水量的效果更好，該處理后的種子復水率也明顯低于熱風干燥方法。

表4 100 g白蘇種子冷凍干燥和熱風干燥后的含水量和復水率Tab.4 Moisture content and the rehydration rate of 100 g perilla seeds after freeze-dried and hot air drying

表5 種子的萌發狀況Tab.5 Germination status of seeds

計算可得，冷凍干燥處理后的白蘇萌發率為3%，熱風干燥處理后的白蘇萌發率為90%，對照組的白蘇萌發率為93%。

根據以上實驗數據可以看出，熱風干燥和對照組的白蘇種子發芽狀況較為相近，因此可以認為熱風干燥方法適合作為白蘇種子長期貯藏前的處理，而冷凍干燥后的白蘇種子發芽狀況并不好。

圖2 種子的萌發狀況折線圖Fig.2 Line chart of germination status of seeds

3 結論

本實驗采用熱風干燥和冷凍干燥兩種方法對白蘇種子進行干燥。熱風干燥后的白蘇種子的顏色有略微加深，種子的含水量降低了4%左右，復水率相比干燥前的吸水率都有所下降，說明熱風干燥方法對種子的吸水率有影響，萌發階段的發芽狀況與對照組較為相近，發芽率也較高；冷凍干燥后的白蘇種子的顏色略微發白，符合冷凍干燥后的產品外觀美觀的特征，含水量降低了4%～5%，且復水性很好，但是在萌發階段卻無法正常發芽，原因在于凍干過程中緩濕時種子吸水過多，培養皿內的瓊脂溶液濃度過高，凍干溫度過低、時間過長、升降溫速率過快等因素均有可能對白蘇種子造成損傷。

然而，凍干保存白蘇種子對中醫藥種質資源保存、能源節約等方面具有重要意義，今后可以從凍干前種子預處理、改進凍干工藝、改良種子萌發環境等方面做進一步探索。