宋 平，徐 靜，馬賀男，王 成，楊 濤※，高 鶴

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；5.中國(guó)刑事警察學(xué)院網(wǎng)絡(luò)犯罪偵查系，沈陽(yáng)110854；6.遼寧省林業(yè)技術(shù)推廣站，沈陽(yáng) 110036）

用低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)水稻浸種過(guò)程中種子水分的相態(tài)及分布特征

宋 平1，2，3，4，徐 靜1，馬賀男5，王 成2，3，4，楊 濤1※，高 鶴6

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；5.中國(guó)刑事警察學(xué)院網(wǎng)絡(luò)犯罪偵查系，沈陽(yáng)110854；6.遼寧省林業(yè)技術(shù)推廣站，沈陽(yáng) 110036）

為研究水稻浸種過(guò)程中種子的水分相態(tài)及其分布特征，利用低場(chǎng)核磁共振快速、無(wú)損、準(zhǔn)確的檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)硬脈沖回波序列CPMG（carr-purcell-meiboom-gill sequence）測(cè)量水稻種子橫向弛豫時(shí)間T2，根據(jù)橫向弛豫時(shí)間T2的差異區(qū)分種子內(nèi)部的水分相態(tài)及其變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)T2反演譜橫向弛豫時(shí)間T2長(zhǎng)短的差異，發(fā)現(xiàn)水稻浸種過(guò)程中種子內(nèi)部水分存在結(jié)合水、自由水2種水分狀態(tài)，同時(shí)可區(qū)分出內(nèi)層水、中層水、外層水3種水分分層；二者均能通過(guò)回歸方程合理的估測(cè)水稻在浸種過(guò)程中種子的吸水率情況；通過(guò)T2反演譜信號(hào)幅值大小的差異，發(fā)現(xiàn)水稻浸種過(guò)程中的種子總水含量不斷上升，但由于判定依據(jù)及劃分方式的不同，二者在水分的流動(dòng)方式上略顯差異。低場(chǎng)核磁共振技術(shù)對(duì)水稻浸種過(guò)程中種子內(nèi)部的水分變化進(jìn)行了直觀的揭示，提供了一種高效的種子水分檢測(cè)方法。

作物；水分；核磁共振；低場(chǎng)核磁共振；弛豫時(shí)間；弛豫譜；自由水；結(jié)合水

宋 平，徐 靜，馬賀男，王 成，楊 濤，高 鶴.用低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)水稻浸種過(guò)程中種子水分的相態(tài)及分布特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（6）：204-210.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.028 http://www.tcsae.org

Song Ping,Xu Jing,Ma Henan,Wang Cheng,Yang Tao,Gao He.Moisture phase state and distribution characteristics of seed during rice seed soaking process by low field nuclear magnetic resonance[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE）,2016,32(6):204－210.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.028 http://www.tcsae.org

0 引言

水稻浸種過(guò)程就是種子的吸水過(guò)程，吸水后酶的活性上升，在酶活性的作用下胚乳淀粉逐步溶解成糖，釋放出供胚根、胚芽和胚軸所需要的養(yǎng)分。水稻在浸種過(guò)程中的水分含量及水分與有機(jī)物的結(jié)合程度隨時(shí)發(fā)生著改變，通常都是利用稱重法判斷種子的吸水量，通過(guò)外觀目測(cè)判斷種子的萌發(fā)狀況。尋求一種快速、準(zhǔn)確的方法對(duì)谷物水分分布及水分流動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，判斷種子的吸水量是否到達(dá)萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提高種子的萌發(fā)率及成苗率具有重要的意義。

低場(chǎng)核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）通過(guò)對(duì)質(zhì)子核共振譜弛豫時(shí)間的測(cè)定，以快速、無(wú)損、準(zhǔn)確的檢測(cè)方式來(lái)描述水分子的存在狀態(tài)及其流動(dòng)特性[1-8]。利用核磁共振技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)在植物細(xì)胞組織中，至少同時(shí)存在2種具有不同弛豫特性的水分。張緒坤等將胡蘿卜干燥過(guò)程水分相態(tài)劃分為結(jié)合水、半結(jié)合水、自由水3種類型[9]；A．C．金茲布爾格將水分劃分為化學(xué)結(jié)合水、物理化學(xué)結(jié)合水和物理機(jī)械結(jié)合水3種類型[10]；荒木力將生物體中水的狀態(tài)分為自由水、構(gòu)造水、結(jié)合水3種類型；韓雅珊將食品中水分劃分為束縛水、毛細(xì)管水、截留水3種類型[11]；劉鄰渭將水的結(jié)合形式劃分為構(gòu)成水、鄰近水、多層水、體相水4種類型[12]；韓敏義等認(rèn)為在豬肉中存在自由水、可移動(dòng)水、中度可移動(dòng)水和化合水4種類型[13]；Borisova等檢測(cè)到跟肌肉蛋白有關(guān)的組分、代表肉中的肌動(dòng)球蛋白等大分子以及3種不同形式的水分的5種不同組分[14]，但對(duì)水稻種子浸種過(guò)程中水分存在相態(tài)尚無(wú)報(bào)道。

本研究通過(guò)對(duì)水稻浸種過(guò)程中種子的核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2的測(cè)定，利用T2反演譜橫向弛豫時(shí)間T2長(zhǎng)短的差異區(qū)分種子內(nèi)部水分相態(tài)，根據(jù)T2反演譜信號(hào)幅值大小的差異研究種子內(nèi)部水分的流動(dòng)過(guò)程，提出了一種快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的種子水分檢測(cè)方法。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料及制備

試驗(yàn)材料選取的是2014年份沈農(nóng)9903號(hào)水稻種子，樣本來(lái)自沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，每次選取成熟飽滿水稻種子10粒，將其置于TE313S-DS電子天平（讀數(shù)精度：0．001 g，稱量范圍：150 g，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）稱量質(zhì)量；取質(zhì)量總和均為0.251 g作為1個(gè)試驗(yàn)樣本，共稱取樣本120個(gè)。在室溫（20℃）條件下隨機(jī)將試驗(yàn)樣本置于清水中進(jìn)行浸種處理，浸種時(shí)間分別為1～6 h不等，將浸種后樣品撈出瀝干，并用吸水紙擦去表面水分，為防止水分蒸發(fā)，將其放入10 mL離心管中準(zhǔn)備檢測(cè)。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

1.2.1 核磁共振儀

高場(chǎng)核磁共振一般是對(duì)樣品化學(xué)性質(zhì)的檢測(cè)，低場(chǎng)核磁共振指的是磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.5T或低于此強(qiáng)度的核磁共振，它一般是對(duì)樣品物理性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)[15]。橫向弛豫時(shí)間T2由MiniMR-60核磁共振儀（磁場(chǎng)強(qiáng)度：（0．5±0．05）T，磁體類型：永磁體，磁體溫度：32℃，射頻脈沖頻率：12.2 MHz，探頭線圈直徑：15 mm，上海紐邁電子科技有限公司）測(cè)定。

1.2.2 核磁共振波譜分析系統(tǒng)

利用核磁共振波譜分析軟件中FID(free induction decay)脈沖序列尋找磁場(chǎng)的中心頻率及硬脈沖脈寬，利用硬脈沖回波序列CPMG（carr-purcell-meiboom-gillsequence）測(cè)定樣品的橫向弛豫時(shí)間T2，在浸種前后將試驗(yàn)樣品置于直徑為 12 mm的核磁共振 NMR（nuclear magnetic resonance）試管中，放在永磁場(chǎng)核磁線圈中心位置，分別對(duì)其進(jìn)行橫向弛豫時(shí)間T2測(cè)定，每次檢測(cè)4次重復(fù)。CPMG脈沖序列的參數(shù)設(shè)置為：主頻SF=12 MHz，偏移頻率O1依據(jù)每次試驗(yàn)設(shè)定，90°脈沖射頻脈寬P1=8 μs，180°脈沖射頻脈寬P2=11 μs，接收機(jī)帶寬SW=250 kHz，回波時(shí)間TE=0.1 ms，信號(hào)采集總時(shí)間ACQ=50 s，重復(fù)采樣等待時(shí)間TW=5 000 ms，回波個(gè)數(shù)NECH=500，重復(fù)采樣次數(shù)NS=16，信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)TD=12 632。

1.2.3 核磁共振反演擬合系統(tǒng)

將4次重復(fù)采集生成的自旋回波信號(hào)導(dǎo)入核磁共振反演擬合軟件各自反演，將反演結(jié)果取平均值作為樣本的弛豫時(shí)間和信號(hào)幅值。將所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)交由SPSS20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所有數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行回歸分析。這里考慮由于樣品組成、核磁共振設(shè)備及測(cè)量參數(shù)的不同會(huì)造成數(shù)值上的差異，所以在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中會(huì)將離散性較大的數(shù)據(jù)剔除。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻浸種過(guò)程種子水分的存在狀態(tài)

氫核（1H）多為低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的研究對(duì)象，它利用1H核在磁場(chǎng)中所具備的自旋特性，以非輻射的方式使其從高能態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)變，弛豫時(shí)間的測(cè)量多用氫質(zhì)子的橫向弛豫時(shí)間T2來(lái)表示，氫質(zhì)子主要來(lái)源于水分子，故可以通過(guò)弛豫時(shí)間的變化來(lái)分析物質(zhì)的含水量、水分分布、水分遷移以及其他性質(zhì)[16]。

種子中的水分一般存在結(jié)合水（束縛水）和自由水（游離水）2種狀態(tài)，自由水是指能自由流動(dòng)的水，它一般不被種子的膠體吸附或吸附力很小，主要在種子的細(xì)胞間隙和毛細(xì)管中存在，具有一般的水的所具備的性質(zhì)。結(jié)合水是指不能自由流動(dòng)的水，它被種子中的親水性膠體以化學(xué)鍵緊密的結(jié)合著[17]。

由核磁共振原理可知，T2弛豫時(shí)間的長(zhǎng)短不同，證明質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境便不相同，從而水分的自由度也不同。T2弛豫時(shí)間越短表明水與物質(zhì)結(jié)合越緊密，說(shuō)明質(zhì)子自由度越低；T2弛豫時(shí)間越長(zhǎng)說(shuō)明質(zhì)子自由度越高，因此弛豫時(shí)間T2可以間接表明水分的相態(tài)特征[18-19]。不同弛豫時(shí)間T2波峰所覆蓋信號(hào)幅值，即T2區(qū)間的積分面積可以表示各個(gè)區(qū)間氫質(zhì)子的相對(duì)含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同相態(tài)水分的定量測(cè)量。

在核磁共振反演擬合軟件迭代次數(shù)為10 000次的參數(shù)設(shè)置下，此時(shí)每個(gè)T2反演譜曲線上均有2個(gè)波峰（如圖1），根據(jù)橫向弛豫時(shí)間T2的差異將水分劃分為2種存在狀態(tài)（如表1）。各峰結(jié)束時(shí)間T2i表示樣品中第i種成分的橫向弛豫時(shí)間，各峰與橫坐標(biāo)面積A2i表示第i種成分的信號(hào)強(qiáng)度，即為各組分水的水含量。將較短弛豫時(shí)間T21定義為結(jié)合水，這部分水通過(guò)氫鍵與其它大分子結(jié)合緊密，吸附結(jié)合在有機(jī)固體物質(zhì)上，這些水不溶解于其他物質(zhì)，流動(dòng)性較差，其對(duì)應(yīng)的弛豫譜信號(hào)幅值為A21；將較長(zhǎng)弛豫時(shí)間T22定義為自由水，這部分水可以在原生質(zhì)細(xì)胞間隙、液泡間流動(dòng)，是良好的溶劑并參與物質(zhì)代謝，這些水以游離性形式存在流動(dòng)性較強(qiáng)，其對(duì)應(yīng)的弛豫譜信號(hào)幅值為A22。

表1 水分狀態(tài)劃分橫向弛豫時(shí)間及信號(hào)幅值Table 1 Transverse relaxation time and signal amplitude for moisture phase division

圖1 迭代次數(shù)10 000次T2反演圖譜Fig.1 T2inversion map for 10 000 iterations

T2弛豫譜中各個(gè)峰所對(duì)應(yīng)的峰面積總和構(gòu)成了核磁共振T2弛豫譜總幅值A(chǔ)，它與樣品中氫原子的數(shù)量成正比，故樣品中的總體水分含量由T2弛豫譜總幅值A(chǔ)表示[20-22]。通過(guò)前期試驗(yàn)已知，根據(jù)水稻浸種前后的核磁共振信號(hào)幅值，可以計(jì)算得出水稻種子吸水率（moisture absorption ratio，MAR）[23]。利用SPSS20.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，在α=0.05顯著性水平條件下，結(jié)合水信號(hào)幅值A(chǔ)21及自由水信號(hào)幅值A(chǔ)22與水稻種子吸水率具有較為一致的回歸關(guān)系，二元回歸方程為：MAR（%）=-53.056 2+ 0.031 7A21+0.060 3A22，其相關(guān)系數(shù)R=0.999 2（決定系數(shù)R2=0.998 4），說(shuō)明方程擬合度較好。

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行顯著性檢測(cè)，測(cè)驗(yàn)結(jié)果F= 949.483 4，P<0.001，達(dá)到極顯著水平，配合的回歸方程效果是良好的，故水稻種子自由水與結(jié)合水2種水分的核磁共振信號(hào)幅值與水稻在浸種過(guò)程種子的吸水率之間具有真實(shí)的回歸關(guān)系，根據(jù)回歸方程MAR（%）=-53.056 2+ 0.031 7A21+0.060 3A22去估測(cè)水稻種子浸種過(guò)程的吸水率是合理的。

但觀察表1，發(fā)現(xiàn)2種狀態(tài)劃分在弛豫時(shí)間上不存在明確的分界點(diǎn)，隨著浸種時(shí)間的延長(zhǎng)，橫向弛豫時(shí)間T21對(duì)應(yīng)橫向弛豫譜信號(hào)幅值A(chǔ)21不斷增加，水稻種子結(jié)合水部分的T21并非恒定不變，而是呈延長(zhǎng)的結(jié)合趨勢(shì)，結(jié)合水的橫向弛豫時(shí)間由4 ms增至23 ms，從核磁共振反演擬合軟件也發(fā)現(xiàn)反演圖譜不斷右移的趨勢(shì)（如圖1）。說(shuō)明水稻在浸種過(guò)程中隨著水分不斷侵入到種子內(nèi)部，種子有機(jī)物與水分結(jié)合的強(qiáng)度從整體上程減弱趨勢(shì)，這里考慮是否存在其它相態(tài)水分。

2.2 水稻浸種過(guò)程種子水分的分層特征

鄒德曼[24]認(rèn)為種子水分分為3層，多層水（外層水）、第二層水（中層水）和第一層水（內(nèi)層水）。物質(zhì)內(nèi)部不同成分的弛豫時(shí)間不同，同樣不同的弛豫時(shí)間也直接反映了物質(zhì)不同成分間的差異，全部氫原子弛豫信號(hào)的疊加構(gòu)成了直接采樣的波譜，它無(wú)法反映各種成分弛豫時(shí)間上的差異。不同成分的核磁信號(hào)強(qiáng)度和弛豫時(shí)間可以通過(guò)反演的方式處理，這樣得到區(qū)分物質(zhì)成分的反演譜。反演擬合軟件中采用的反演算法是一種逐步迭代尋優(yōu)的算法，根據(jù)迭代次數(shù)來(lái)控制反演精度，此參數(shù)設(shè)置不同會(huì)得到不同的反演圖譜。實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)調(diào)整迭代次數(shù)同時(shí)觀察相應(yīng)的反演圖譜，并結(jié)合樣品的實(shí)際特性來(lái)選擇合適參數(shù)設(shè)置。改變核磁共振反演擬合軟件參數(shù)，將迭代次數(shù)設(shè)置為100 000次，此時(shí)每個(gè)T2反演譜曲線上均有3個(gè)波峰，根據(jù)橫向弛豫時(shí)間T2將水分劃分為3層 (如表2)。將較短弛豫時(shí)間T21（0.01～0.5 ms）在磁場(chǎng)中被認(rèn)定是內(nèi)層水，其對(duì)應(yīng)的橫向弛豫譜信號(hào)幅值為A21；將較長(zhǎng)弛豫時(shí)間T22（0.5～8 ms）在磁場(chǎng)中被認(rèn)定是中層水，其對(duì)應(yīng)的橫向弛豫譜信號(hào)幅值為A22，將最長(zhǎng)弛豫時(shí)間T23（8～80 ms）在磁場(chǎng)中被認(rèn)定是外層水；其對(duì)應(yīng)的橫向弛豫譜信號(hào)幅值為A23（如圖2）。

圖2 迭代次數(shù)100 000次T2反演圖譜Fig.2 T2inversion map for 100 000 iterations

利用SPSS20.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，在顯著性水平α=0.05條件下，發(fā)現(xiàn)水稻種子吸水率與內(nèi)層水弛豫譜幅值A(chǔ)21、中層水弛豫譜信號(hào)幅值A(chǔ)22、外層水弛豫譜信號(hào)幅值A(chǔ)23具有較為一致的線性回歸關(guān)系，三元回歸方程為：MAR（%）=-44.275 9+0.029 8A21+0.023 8A22+ 0.026 8A23，其相關(guān)系數(shù)R=0.997 4（決定系數(shù)R2=0.994 9），說(shuō)明方程擬合度較好。

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行顯著性檢測(cè)，測(cè)驗(yàn)結(jié)果F= 130.7325，P=0.0076，達(dá)到極顯著水平，配合的回歸方程效果是良好的，故水稻種子的內(nèi)層水、中層水、外層水3種水分的核磁共振信號(hào)幅值與水稻在浸種過(guò)程中種子的吸水率之間有真實(shí)的回歸關(guān)系。根據(jù)回歸方程MAR（%）=-44.275 9+ 0.029 8A21+0.023 8A22+0.026 8A23去估測(cè)水稻種子浸種過(guò)程的吸水率是合理的。

用相關(guān)系數(shù)R及決定系數(shù)R2來(lái)刻畫回歸效果，相關(guān)系數(shù)R及決定系數(shù)R2越大，說(shuō)明模型的擬合效果越好，觀察上述二元回歸方程及三元回歸方程的相關(guān)系數(shù)R及決定系數(shù)R2，這里二元回歸方程的回歸效果更優(yōu)。

表2 水分層次劃分橫向弛豫時(shí)間及信號(hào)幅值Table 2 Horizontal relaxation time and signal amplitude formoisture level division

由于水分與有機(jī)物形成氫鍵的牢固程度不同導(dǎo)致其結(jié)合程度存在相應(yīng)的差異，各種水分在生物體中是以不同比例構(gòu)成的動(dòng)態(tài)平衡，不同的水分相態(tài)使得生物體具有不同的屬性特征，無(wú)論是自由水與結(jié)合水兩種水分狀態(tài)的劃分，還是內(nèi)層水、中層水、外層水3種水分分層的劃分，不過(guò)是表明水分與生物體物質(zhì)之間吸引力的大小，水分與物質(zhì)之間吸引力的強(qiáng)弱及結(jié)合能力的大小差異，從而表現(xiàn)的游離性的強(qiáng)弱，其本質(zhì)上不存在截然的分界線[25]。

2.3 水稻浸種過(guò)程內(nèi)部水分分布規(guī)律

種子浸種的最初時(shí)期被定義為充分吸水時(shí)期，而浸種最開始的6 h吸水過(guò)程又是急劇吸水階段，無(wú)論是自由水與結(jié)合水2種水分狀態(tài)的劃分，還是內(nèi)層水、中層水、外層水3種水分分層的劃分，核磁共振信號(hào)總幅值均為不斷上升趨勢(shì)，說(shuō)明水稻6 h浸種時(shí)間種子的總水含量為不斷增加，這與Rathjen[25]等認(rèn)為谷物在6 h浸種時(shí)間水分含量為持續(xù)增加這一結(jié)論一致。

弛豫時(shí)間T2的大小反映樣品中水分自由度的大小，弛豫時(shí)間T2的變化能反映水分子的流動(dòng)性。所以可以根據(jù)T2弛豫譜中波峰位置及信號(hào)幅值的差異來(lái)辨別組織中流動(dòng)特性[26-28]。圖3為結(jié)合水和自由水2種水分存在狀態(tài)水含量隨浸種時(shí)間變化曲線，圖4為內(nèi)層水、中層水和外層水水分含量隨浸種時(shí)間變化曲線，圖5為結(jié)合水和自由水水分存在狀態(tài)各狀態(tài)水含量在總水含量所占比率隨浸種時(shí)間變化曲線，圖6為內(nèi)層水、中層水和外層水3種水分分分層各層水含量在總水含量所占比率隨浸種時(shí)間變化曲線。

各種水分相態(tài)的比例不同，原生質(zhì)的物理性質(zhì)及其代謝強(qiáng)度便不相同。結(jié)合水及自由水2種水分相態(tài)與內(nèi)層水、中層水、外層水3種水分分層的劃分采取的水分與大分子結(jié)合程度強(qiáng)弱劃分點(diǎn)不盡相同，相對(duì)于結(jié)合水及自由水兩種相態(tài)，內(nèi)層水與大分子結(jié)合的更“緊密”，外層水則更“自由”。

6 h浸種時(shí)間處于種子萌發(fā)過(guò)程中大量吸水的吸脹階段，水分通過(guò)變軟的種皮進(jìn)入到種子內(nèi)部，成為水溶性和細(xì)胞膜透水性水分在水稻種子內(nèi)部自由移動(dòng)，這些水分不會(huì)被植物細(xì)胞內(nèi)大分子或膠體顆粒所吸附，從而成為起溶劑作用的“自由”水。隨著浸種時(shí)間延長(zhǎng)，“自由”水的含量在總的水含量的比例中不斷的增加，此時(shí)物質(zhì)原生質(zhì)粘度將逐漸變小，這促使了細(xì)胞代謝更加旺盛，果糖、葡萄糖等有機(jī)碳水化合物的濃度亦將增高，水分向“結(jié)合”狀態(tài)遷移。

水稻種子內(nèi)部的淀粉及其蛋白質(zhì)具有很強(qiáng)的親水特性。沈農(nóng)9903號(hào)水稻種子直鏈淀粉含量為17.2%，直鏈淀粉的特性是可溶于水，但其生淀粉分子靠分子間氫鍵結(jié)合，從而排列的非常緊密，彼此之間的間隙很小形成了束狀的膠束，這樣導(dǎo)致即便水分子也難以滲透進(jìn)去。生淀粉稱為β-淀粉，它具有膠束的結(jié)構(gòu)，只有在水中經(jīng)過(guò)加熱處理后，一部分膠束被溶解，水分子進(jìn)入空隙與淀粉分子進(jìn)行結(jié)合，從而生淀粉的膠束消失。水稻浸種過(guò)程并無(wú)加熱升溫過(guò)程，82.7%的支鏈淀粉又難溶于水，所以種子中淀粉不是造成與水結(jié)合程度增加的主要原因。

圖3 2種水分狀態(tài)水含量隨浸種時(shí)間變化曲線Fig.3 Curves of 2 kinds of moisture content change with soaking time

圖5 各水分狀態(tài)含水比率隨浸種時(shí)間變化曲線Fig.5 Curves of moisture phases ratio change with soaking time

沈農(nóng)9903號(hào)水稻種子蛋白質(zhì)含量為9.1%，蛋白質(zhì)表面分布著許多親水基團(tuán),如-NH2，－COOH，－OH，－CONH2等，水與上述親水基團(tuán)有很強(qiáng)的親和力。當(dāng)水與蛋白質(zhì)接觸時(shí)，蛋白質(zhì)分子周圍很容易被水分子吸附，在有機(jī)固體物質(zhì)上結(jié)合或吸附的水，依靠蛋白質(zhì)的極性基（羧基和氨基）與氫鍵相結(jié)合，細(xì)胞體內(nèi)的結(jié)合水即由這些水膠體形成。

總之水分在種子內(nèi)部是一個(gè)自由流動(dòng)的過(guò)程，隨著浸種時(shí)間的增加，種子中出現(xiàn)了游離狀態(tài)的水，此時(shí)種子的生命活動(dòng)更加旺盛，水解酶由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為活化狀態(tài)，呼吸強(qiáng)度迅速升高，新陳代謝加快，此時(shí)種子中糖類、脂肪和蛋白質(zhì)在酶的催化作用下將不溶性高分子貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性簡(jiǎn)單物質(zhì)，為種子的萌發(fā)提供了重要的保證。

3 結(jié)論

1）低場(chǎng)核磁共振技術(shù)通過(guò)橫向弛豫時(shí)間T2反映水分的組成；信號(hào)幅值A(chǔ)2反映水分的分布情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻浸種過(guò)程中水分組成、分布及含量的快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的檢測(cè)，通過(guò)改變反演擬合軟件迭代次數(shù)參數(shù)，可得到不同的水分存在狀態(tài)及水分分層。

2）在水稻種子2種水分狀態(tài)劃分下，可建立水稻浸種過(guò)程種子吸水率MAR與結(jié)合水弛豫譜幅值A(chǔ)21、自由水弛豫譜信號(hào)幅值A(chǔ)22的回歸方程，并且回歸方程顯著性檢測(cè)結(jié)果表明通過(guò)二元回歸方程去估測(cè)水稻種子浸種過(guò)程的吸水率是合理的。

3）在水稻種子3種水分分層劃分下，可建立水稻浸種過(guò)程種子吸水率MAR與內(nèi)層水弛豫譜幅值A(chǔ)21、中層水弛豫譜信號(hào)幅值A(chǔ)22、外層水弛豫譜信號(hào)幅值A(chǔ)23的回歸方程，并且回歸方程顯著性檢測(cè)結(jié)果表明通過(guò)三元回歸方程去估測(cè)水稻種子浸種過(guò)程的吸水率是合理的。

4）在6 h浸種過(guò)程中水稻種子總水含量持續(xù)增加；由于2種水分狀態(tài)及3種水分分層采取的水分與大分子結(jié)合程度強(qiáng)弱劃分點(diǎn)不盡相同，二者的水分流動(dòng)略顯差異；浸種過(guò)程改變了種子內(nèi)部各相態(tài)水分含量及其分布特性。

圖4 3種水分分層水含量隨浸種時(shí)間變化曲線Fig.4 Curves of 3 kinds of stratified moisture content change with soaking time

圖6 各水分分層含水比率隨浸種時(shí)間變化曲線Fig.6 Curves of stratified moisture content ratio change with soaking time

[1]陳衛(wèi)江，林向陽(yáng)，阮榕生，等．核磁共振技術(shù)無(wú)損快速評(píng)價(jià)食品水分的研究[J]．食品研究與開發(fā)，2006，27(4)：125－127．Chen Weijiang,Lin Xiangyang,Ruan Rongsheng,et al.Study on quick and non-destructive estimate the moisture content of food [J].Food Research and Development,2006,27(4):125－127. (in Chinese with English abstract)

[2]顧小紅，任璐，陳尚衛(wèi)，等．核磁共振技術(shù)在食品研究中的應(yīng)用[J]．食品工業(yè)科技，2005，26(9)：189－191．Gu Xiaohong,Ren Lu,Chen Shangwei,et al.Application of NMRonfoodresearch[J].Science and Technology of Food Industry, 2005,26(9):189－191.(in Chinese with English abstract)

[3]Chaland B,Mariette F,Marchal P,et al.1H nuclear magnetic resonance relaxometric characterization of fat and water states in soft and hard cheese[J].Journal of Dairy Research,2000,67(67): 609-618.

[4]Bertram H C,Rasmussen M,Busk H,et al.Changes in porcine muscle water characteristics during growth—an in vitro low-field NMR relaxation study[J].Journal of Magnetic Resonance,2002, 157(2):267-276.

[5]Bertram H C,Straadt I K,Jensen J A,et al.Relationship between water mobility and distribution and sensory attributes in pork slaughtered at an age between 90 and 180 days[J].Meat Science,2007,77(2):190-195.

[6]陳臣，郭本恒．核磁共振技術(shù)在乳制品研究中的應(yīng)用[J]．中國(guó)乳品工業(yè)，2007，35(7)：32－35．Chen Chen,Guo Benheng.Application of NMR to the research of dairy products[J].China Dairy Industry,2007,35(7):32－35. (in Chinese with English abstract)

[7]邵小龍，李云飛．用低場(chǎng)核磁研究燙漂對(duì)甜玉米水分布和狀態(tài)影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(10)：302－306．Shao Xiaolong,Li Yunfei.Effects of blanching on water distribution and water status in sweet corn investigated by using MRI and NMR[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2009,25 (10):302－306.(in Chinese with English abstract)

[8]Salomonsen T,Sejersen M T,Viereck N.Water mobility in acidified milk drinks studied by low-field 1H NMR[J]. International Dairy Journal,2007,17:294-301.

[9]張緒坤，祝樹森，黃儉花，等.用低場(chǎng)核磁分析胡蘿卜切片干燥過(guò)程的內(nèi)部水分變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(22)：282－287. Zhang Xukun,Zhu Shusen,Huang Jianhua,et al.Analysis on internal moisture changes of carrotslicesduring drying process using low-field NMR[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28 (22):282－287.(in Chinese with English abstract)

[10]A.C.金茲布爾格.食品干燥原理與技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：輕工業(yè)出版社，1986.

[11]韓雅珊.食品化學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1996.

[12]劉鄰渭.食品化學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[13]韓敏義，費(fèi)英，徐幸蓮，等.低場(chǎng)NMR研究pH對(duì)肌原纖維蛋白熱誘導(dǎo)凝膠的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42(6)：2098－2104. Han Minyi,Fei Ying,XuXinglian,et al.Heat-induce gelation of my of ibrillar proteins as affected by pH-A low-field NMR study [J].Science Agricultural China,2009,42(6):2098－2104.(in Chinese with English abstract)

[14]Borisova M A,Oreshkin E F.On the water condition in pork meat [J].Meat science,1992,31(3):257－265.

[15]Hills B P,Wright K M,Gillies D G.A low-field,low-cost Halbach magnet array for open-access NMR[J].Journal of Magnetic Resonance,2005,175(2):336-339.

[16]李春，張錄達(dá)，任發(fā)政，等.利用低場(chǎng)核磁共振研究冷卻條件對(duì)豬肉保水性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(23)：243－249. Li Chun,Zhang Luda,Ren Fazheng,et al.Study on different chilling factors influencing water-holding capacity of pork based on low-field nuclear magnetic resonance(LF-NMR)[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(23):243－249.(in Chinese with English abstract)

[17]張紅生，胡晉．種子學(xué)[M]．北京：科學(xué)出版社,2009．

[18]閆曉蕾.山梨糖醇在香腸制品中的作用研究[D].無(wú)錫：江南大學(xué)，2012. Yan Xiaolei.Research on the Water Holding Capacity ofthe Sorbitol in Sausage[D].Wuxi:Jiangnan University,2012.(in Chinese with English abstract)

[19]Bertram H C,Andersen H J.NMR and the water-holding issue of pork[J].Journal of Animal Breeding&Genetics,2007,124 (Supplement s1):35-42.

[20]張緒坤，祝樹森，黃儉花，等．用低場(chǎng)核磁分析胡蘿卜切片干燥過(guò)程的內(nèi)部水分變化[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（22）：282-287．Zhang Xukun,Zhu Shusen,Huang Jianhua,et al.Analysis on internal moisture changes of carrot slices during drying process using low-field NMR[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28 (22):282－287.(in Chinese with English abstract)

[21]As H V.Intact plant MRI for the study of cell water relations, membrane permeability,cell-to-cell and long distance water transport[J].Journal of Experimental Botany,2007,58(4):743-756.

[22]Ishida N,Koizumi M,Kano H.The NMR microscope:a unique and promising tool for plant science[J].Annals of Botany,2000, 86(2):259-278.

[23]宋平，楊濤，王成，等.利用低場(chǎng)核磁共振分析水稻種子浸泡過(guò)程中的水分變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(15)：279－284. Song Ping,Yang Tao,Wang Cheng,et al.Analysis of moisture changes during rice seed soaking process usinglow-field NMR [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2015,31(15):279－284.(in Chinese with English abstract)

[24]鄒德曼.作物種子生理學(xué)[M].杭州：浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1984．

[25]Rathjen J R,Strounina E V,Mares D J.Water movement into dormant and non-dormant wheat(Triticumaestivum L.)grains.[J]. Journal of Experimental Botany,2009,60(6):1619-1631.

[26]侯彩云，大下誠(chéng)一，瀨尾康久，等.蒸煮過(guò)程中稻米水分狀態(tài)的質(zhì)子核磁共振譜測(cè)定[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17（2）：126-131.

[27]Troutman M Y,Mastikhin I V,Balcom B J,et al.Moisture migration in soft-panned confections during engrossing and aging as observed by magnetic resonance imaging[J].Journal of Food Engineering,2001,48(3):257-267.

[28]Chaland B,Mariette F,Marchal P,et al.1H nuclear magnetic resonance relaxometric characterization of fat and water states in soft and hard cheese[J].Journal of Dairy Research,2000,67(67): 609-618.

Moisture phase state and distribution characteristics of seed during rice seed soaking process by low field nuclear magnetic resonance

Song Ping1,2,3,4,Xu Jing1,Ma Henan5,Wang Cheng2,3,4,Yang Tao1※,Gao He6
(1.College of Information and Electrical Engineering,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China;2.National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture,Beijing 100097,China;3.Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture,Beijing 100097,China;4.Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture, Beijing 100097,China;5.Network Crime Investigation Department，National Police University of China,Shenyang 110854,China; 6.Liaoning Province Station of Forestry Technology Popularizing,Shenyang 110036,China)

Nuclear magnetic resonance(NMR)is a fast,nondestructive and accurate test technique,which can be used to study the phase and distribution characteristics of moisture in rice seed during the soaking process.In this paper,the transverse relaxation time T2 has been analyzed by Carr-Purcell-Mei boom-Gill(CPMG)pulse sequence.Thephase and change rules of moisture in rice seed are distinguished according to the different transverse relaxation time T2in the T2inversion spectrum.Samples of rice seed(variety was Shennong 9903)were obtained from Rice Research Institution, Shenyang Agricultural University in 2014.The mass of 10 seeds was determined as one sample with the total weight of 0.251 g,and there were 120 samples that were used in the present paper.The central frequency and the width of pulse of the magnetic field were searched by free induction decay(FID)pulse sequence,and all test samples were put in the low field NMR instrument one by one.All the tests were conducted by 4 times.The initial moisture content of the seeds was analyzed by NMR and the average transverse relaxation time T2of rice seed was determined by CPMG pulse sequence.Test samples after data acquisition were soaked in water;the soaking time was ranging from 1 to 6h under standard laboratory conditions(20℃).After wiping the surface water of test samples with absorbent paper,the soaked samples were put in the NMR instrument again for data collection,and each test was repeated by 4 times.The spin echo signals collected by the repeated tests were valuated by the NMR inversion fitting software,and the average value of the inversion results was taken as the relaxation time and the signal amplitude of the sample.All the experimental data were statistically analyzed and expressed by mean±standard deviation,and the results were analyzed by the regression analysis.The comparative dispersion of the data were obliterated according to the composition of the samples,the NMR equipment and the different measurement parameters.The test results showed that the low field NMR technique could be used for the analysis of the component,distribution and content of rice seed moisture during the soaking process.The results also showed that the value of T2could indicate moisture component and phase state and the value of moisture signal amplitude(A2)could reflect the distribution of moisture.Moisture stratification and phase state could be evaluated by changing the number of iterations in the inversion fitting procedures.The experimental results showed that:the internal moisture of seed could be divided to bound water and free water during the soaking process according to the different transverse relaxation time T2.Moisture stratification of seed could also be divided into inner moisture,middle moisture and outer moisture.It could be seen that the moisture absorption ratio of rice seed could be reasonably estimated by the regression equation of 2 moisture states and moisture stratification.It was found that the total moisture content was kept increasing in the soaking process according to the difference of signal amplitude in the T2inversion spectrum,while the movement of moisture was a little different due to different determination basisand classification. Low field NMR technique has 2 advantages:the first one is it reveals the moisture variation more intuitively during seed soaking,the second one is itreveals the moisture transfer more dynamically during seed soaking,and thus it provides an efficient detection method for the determination of the moisture content of seeds.

crops;moisture;nuclear magnetic resonance;low field nuclear magnetic resonance;relaxation time;inversion spectrum;free water;bound water

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.028

S351.5+1

A

1002-6819（2016）-06-0204-07

2015-09-02

2016-01-25

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）：作物生產(chǎn)智能監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)研究（2012AA10A503）；國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“便攜式植物微觀動(dòng)態(tài)離子流檢測(cè)設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用”（2011YQ080052）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)“作物育種材料農(nóng)藝性狀信息高通量獲取與輔助篩分技術(shù)”（201203026）

宋 平，博士生，副教授，從事精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的研究。沈陽(yáng) 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，110866。Email:songping_1010@163.com

※通信作者：楊 濤，博士，教授，主要從事計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的教學(xué)與研究工作。沈陽(yáng) 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，110866。Email:328748306@qq.com