蔣華偉 李戰(zhàn)升 甄 彤 李衛(wèi)東 李曉麗 嵇立安

(河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1，鄭州 450001)(河南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院2，鄭州 450008)

我國不僅是小麥生產(chǎn)大國，也是小麥產(chǎn)后儲藏的重要國家，實(shí)際儲存中小麥會(huì)受到蟲害、霉變以及小麥自身呼吸消化等引起的陳化變質(zhì)情況。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的調(diào)查發(fā)現(xiàn):世界每年平均儲糧損失約10%～18%。除去約5%～7%是霉菌侵染發(fā)生霉變而不能食用外，其余基本上是由儲藏技術(shù)和條件不當(dāng)所造成的糧食品質(zhì)壞變。

對小麥儲藏期間品質(zhì)特性變化以及小麥陳化效應(yīng)和機(jī)理研究，國內(nèi)外已開展了相關(guān)工作［1－4］。研究發(fā)現(xiàn)小麥儲存代謝和陳化過程的生理特性變化是一個(gè)不可忽視的因素;因此，為延緩小麥儲藏時(shí)的陳化過程，需要研究儲藏期間表現(xiàn)為降落值、生活力、黏度等生理特性的變化規(guī)律，以此來揭示小麥儲藏中生化指標(biāo)的深層量化關(guān)系。

針對糧食陳化過程的生理和生化特性，特別是糧食儲藏期間自身呼吸和微生物活動(dòng)等的變化，目前已有較多的前期試驗(yàn)分析。如梁微等［5］和Thomas等［6］對儲糧過程中霉菌數(shù)量和CO2濃度變化的關(guān)聯(lián)性開展了研究。還有Antonio等［7］在不同情況下，通過監(jiān)測CO2濃度變化來預(yù)測霉菌的活動(dòng)狀態(tài)以及對糧食儲藏危害的差異性關(guān)系分析。耿旭等［8］利用試驗(yàn)測試來推斷儲糧霉菌的生長情況。羅建偉等［9］研究不同條件下CO2氣體濃度對糧食真菌的抑制效果。

這些試驗(yàn)分析工作很少關(guān)注儲藏環(huán)境中電磁場等非生物因素對小麥的作用效應(yīng)。雖然有陳仁菊等［10］和高夢祥等［11］開展了脈沖磁場中脈沖數(shù)和強(qiáng)度對鮮牛奶酶活性的影響研究，尹煥才等［12］和張萍萍等［13］進(jìn)行了強(qiáng)磁場對小麥抗氧化酶的誘導(dǎo)表達(dá)作用以及對枯草芽胞桿菌影響的前期探索，以及文獻(xiàn)［14］中探討了強(qiáng)磁場對糧食儲藏期間呼吸作用的效應(yīng)。不過這些不涉及強(qiáng)磁場與小麥儲藏期間質(zhì)變之間的作用關(guān)系，尤其是超導(dǎo)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場對小麥儲藏陳化變質(zhì)中生理特征參數(shù)的效應(yīng)鮮有研究，不了解穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁磁場在小麥質(zhì)變和陳化過程的作用機(jī)制。因此，本研究開展了穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場下小麥儲藏中降落值、生活力(指小麥發(fā)芽潛在能力和胚所具有的生命力，通常用發(fā)芽勢或發(fā)芽率來表示)和黏度等生理作用探索，以揭示儲藏小麥質(zhì)變與穩(wěn)態(tài)磁場強(qiáng)度間的關(guān)聯(lián)性，為小麥的安全儲藏提供技術(shù)支撐。

1 穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場

目前，國內(nèi)外強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場一般是由超導(dǎo)磁體和水冷磁體構(gòu)成的混合磁體，用于提供接近或高于40 T的磁場強(qiáng)度。其中水冷磁體主要采用常規(guī)導(dǎo)體和比特片(Bitter)構(gòu)成;而超導(dǎo)磁體一般通過鈮三錫(Nb3Sn)線圈內(nèi)插于鈮鈦(NbTi)線圈獲得。一般來說內(nèi)插超導(dǎo)磁體可以提供20 T左右的磁場，本次試驗(yàn)測試采用超導(dǎo)強(qiáng)磁場來完成。

超導(dǎo)強(qiáng)磁場主要利用低溫下導(dǎo)體的超導(dǎo)(零電阻)特性，由超導(dǎo)導(dǎo)體的快速大電流勵(lì)磁和多匝線圈的倍增作用產(chǎn)生。由于焦耳熱可能導(dǎo)致超導(dǎo)導(dǎo)體的失超現(xiàn)象，所以低溫系統(tǒng)和磁體系統(tǒng)中超導(dǎo)導(dǎo)體的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵［15］。

同極低溫、超高壓一樣，強(qiáng)磁場作為極端試驗(yàn)條件下提供的電磁場，可以作為發(fā)現(xiàn)、研究和認(rèn)識新現(xiàn)象等的試驗(yàn)手段［16］。研究發(fā)現(xiàn):強(qiáng)磁場對物質(zhì)能量的影響與磁場強(qiáng)度的平方成正比，強(qiáng)磁場通過影響物質(zhì)的反應(yīng)熱、pH值、反應(yīng)進(jìn)行方向、反應(yīng)速率、活化能、熵等，進(jìn)而對生物的組織、生化反應(yīng)、生長過程、基因、細(xì)菌的新陳代謝產(chǎn)生不可預(yù)知的作用。在借鑒大型超導(dǎo)螺旋磁體(LHC)裝置以及美國等強(qiáng)磁場試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，國內(nèi)的中科院等離子所建成了20 T超導(dǎo)磁體設(shè)備，近幾年中科院強(qiáng)磁場科學(xué)研究中心正在建造40 T(目標(biāo)45 T)混合強(qiáng)磁場裝置，目前已有開放有償使用的SM1(Superconducting Magnet)和SM2超導(dǎo)磁體，它們?yōu)檫M(jìn)行磁場作用下物性探索奠定了基礎(chǔ)。因此利用超導(dǎo)磁體(如SM2)，進(jìn)行強(qiáng)磁場作用下小麥儲藏期間質(zhì)變和陳化特性(本次主要是生理特征)研究，可以為小麥品質(zhì)檢測，預(yù)防儲藏小麥霉變和過度陳化提供理論依據(jù)，對小麥的安全儲藏具有重要的作用。

2 小麥生理特性參數(shù)測試試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

小麥:豫麥52和豫麥34，經(jīng)過3個(gè)月后成熟期。

2.2 測試中小麥無菌處理

由于小麥種皮較薄，無菌處理時(shí)采用濃度為5%的次氯酸鈉溶液，時(shí)間為5 min;若時(shí)間過長，不僅會(huì)影響小麥的生命力(尤其是胚部)，還會(huì)加速測試中的質(zhì)變過程。

2.3 測試中小麥水分調(diào)節(jié)

根據(jù)測試中對水分的要求，用蒸餾水噴灑拌和均勻，試驗(yàn)中分別選取5 kg小麥封裝在3個(gè)1 000 mL玻瓶中，平衡5 d。在整個(gè)測試期間，調(diào)節(jié)瓶內(nèi)水分的使其濕度保持為相對穩(wěn)定的12.5%。

2.4 測試中小麥保持溫度

為模擬室溫下的小麥儲藏效果，在試驗(yàn)過程中采用空調(diào)、加熱器和保溫材料等方法，把溫度控制在25℃左右。

2.5 穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置

測試采用中科院大科學(xué)裝置的SM2超導(dǎo)磁體，其參數(shù)為:室溫孔徑52 mm，中心場磁場強(qiáng)度18～20 T，磁場均勻度10－3/cm3量級。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(yàn)組所處環(huán)境相同。

2.6 小麥儲藏生理特性值測試

降落值根據(jù)GB 10361—1989測量。

黏度按照GB 5516—1985測量。

生活力的測定采用紅四唑染色法，從純凈的試樣中隨機(jī)取試樣2份，每份100粒，放在燒杯內(nèi)加入清水浸沒，在室溫下浸6～18 h后用刀片將種子的胚切去一半，將切好的種子移入染液缸，倒入0.2%的紅四唑，再將其放入30℃環(huán)境中染色40 min，然后數(shù)出籽粒胚部被染紅的種子即可。

2.7 數(shù)據(jù)測試處理

在90 d 的儲藏時(shí)間內(nèi)，分別在10、20、40、60、70、80和90 d時(shí)測量小麥的降落值、生活力和黏度數(shù)據(jù)。要求在每個(gè)測試時(shí)間點(diǎn)測量3次，其時(shí)間隔為1.5 h，由求平均值消除系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差來確定相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 常規(guī)小麥儲藏生理指標(biāo)變化

采用5%的次氯酸鈉溶液對小麥消毒5 min，用無菌水清洗;并調(diào)節(jié)水分為12.5%;裝于溫度為25℃的儲藏容器中，根據(jù)2.6和2.7要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)試驗(yàn)測試。獲得圖1所示的降落值、生活力和黏度數(shù)據(jù)。

圖1 12.5%水分和溫度25℃儲藏小麥生理指標(biāo)變化

在濕度為12.5%和室溫情況下，通過觀察圖1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):小麥在90 d的儲藏期間，其生理特性參數(shù)降落值與黏度、生活力的升降變化趨勢不同。其中降落值在0～60 d內(nèi)先急劇增加，然后再從60～70 d內(nèi)緩慢升到約613 s的最大值，最后在600 s上下的范圍內(nèi)振蕩變化。測試期間內(nèi)小麥的生活力近似呈線性的凹形曲線變化，從89%降為78%，變化幅度為11%。對儲藏期間的小麥，在0～60 d內(nèi)，黏度值首先是快速下降，然后緩慢減小到4 cst。

從降落值和黏度值在0～60 d內(nèi)的快速變化和后期的緩變情況，可以推測在小麥儲藏前期品質(zhì)可能發(fā)生較大變化，而后期發(fā)生質(zhì)變的速度較為平穩(wěn)。因此，需要對小麥儲藏初期的品質(zhì)變化加強(qiáng)管理，進(jìn)行定期檢測，防止微生物活動(dòng)、霉變、腐壞等質(zhì)變而引起的小麥過早陳化。

3.2 穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場下小麥儲藏生理參數(shù)變化

數(shù)據(jù)測量和處理方法見 2.6、2.7 和 3.1。磁場強(qiáng)度選用7 T和15 T，并將密封儲藏的小麥暴露于超導(dǎo)強(qiáng)磁場中5 h，然后在非磁場存儲狀態(tài)下測試降落值、生活力和黏度。

采用12.5%水分以及模擬室溫的25℃儲藏溫度，并從5 T、7 T、13 T和15 T磁場強(qiáng)度中選取7 T和15 T的2種處理數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，具體測試結(jié)果見圖2和圖3。二者生活力特征參數(shù)變化趨勢與圖1幾乎一致;另外7 T低場下的3種數(shù)據(jù)更接近于圖1的情況。

觀察圖2發(fā)現(xiàn)，經(jīng)強(qiáng)度為7 T的磁場中暴露5 h后，在水分為12.5%和溫度為25℃時(shí)，小麥的降落值早期隨時(shí)間的延長而快速增加到約為580 s;在60 d后，降落值呈波動(dòng)形變化并緩慢增大。儲藏期間，小麥的黏度在60 d內(nèi)下降較快，接著再逐漸減小到6 cst。小麥生活力也是呈線性的凹形曲線變化，從92%降到84%，變化了8%。

圖2 磁場強(qiáng)度為7 T時(shí)12.5%水分和溫度25℃儲藏小麥生理參數(shù)變化

圖3 是采用15 T更高的磁場強(qiáng)度并暴露5 h后的結(jié)果。對于儲藏期間小麥的降落值、生活力和黏度值隨時(shí)間變化情況類似于圖2。不過圖3中降落值在60 d后變化不再明顯，同時(shí)黏度值在60 d，特別是70 d后，減小變化趨于平緩。圖3中小麥生活力呈線性變化，從94%降到88%，變化了6%。由圖2和圖3的數(shù)據(jù)可觀察發(fā)現(xiàn):強(qiáng)磁場作用下，儲藏小麥生理特性數(shù)據(jù)變化與圖1中對照條件下相比有類似的曲線趨勢。

圖3 磁場強(qiáng)度為15 T時(shí)12.5%水分和溫度25℃儲藏小麥生理參數(shù)變化

另外，通過對比圖1、圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，在7 T和15 T磁場中暴露5 h后，儲藏小麥的黏度值和生活力出現(xiàn)不同程度的減小，而降落值卻呈增大趨勢。在7 T情況下，降落值、生活力和黏度值生理特征數(shù)據(jù)，與常規(guī)條件下進(jìn)行對比，分別變化 －3.9%、27%和20%;而對15T更高磁場強(qiáng)度，3個(gè)特征參數(shù)分別變化了－6.9%、45%和30%。

同時(shí)根據(jù)圖2和圖3，還可以觀察到降落值在60 d后，曲線斜率已呈平坦之勢，不再有顯著的增加，由此可以推測儲藏小麥中α－淀粉酶品質(zhì)、含量和活性等變化明顯。而儲藏小麥的黏度值在60 d后，尤其是15 T中70 d后，其變化曲線的斜率趨向于0，表現(xiàn)出平穩(wěn)減小的趨勢，它再現(xiàn)了由小麥中淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)、淀粉分子間氫鍵鏈接形式、以及淀粉與脂類或蛋白質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)鉸鏈間作用等所確定的不同生化趨勢。在很大程度上，由降落值、黏度和生活力預(yù)測了小麥的發(fā)芽率、發(fā)芽快慢和小麥品質(zhì)等綜合表現(xiàn)的生命力。這表明:經(jīng)過7 T和15 T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場的處理，可以抑制儲藏小麥降落值、黏度等不利變化，起到有效阻止儲藏期小麥陳化進(jìn)程的作用，在某種程度上可預(yù)防微生物、霉變等帶來的有害影響，有利于小麥的安全綠色儲藏。

4 結(jié)論

在室溫和濕度為12.5%常規(guī)條件下，通過對小麥的降落值、生活力以及黏度值數(shù)據(jù)的變化分析，發(fā)現(xiàn)降落值和黏度值具有在前60 d內(nèi)快速變化和后30 d緩變等特點(diǎn)，應(yīng)嚴(yán)格加強(qiáng)監(jiān)控早期可能出現(xiàn)的小麥品質(zhì)變化。

對7 T和15 T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場作用，在相同濕度和溫度(25℃)下，生活力與常規(guī)條件下一樣呈線性的凹形曲線變化，但降落值和黏度變化范圍程度減小;尤其在15 T強(qiáng)磁場作用下，降落值在60 d后和黏度值在70 d后，都呈平坦變化趨勢。這顯示了超導(dǎo)強(qiáng)磁場的處理，可以通過抑制小麥生理特性變化來延緩儲藏小麥的陳化變質(zhì)進(jìn)程。

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