董 琛 張 藝 張志勇

(1. 山東體育學(xué)院體育社會(huì)科學(xué)學(xué)院運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)與智慧配餐實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250102；2. 德國(guó)慕尼黑大學(xué)人類科學(xué)中心，德國(guó) 慕尼黑 280539)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，人類活動(dòng)造成的環(huán)境物理性污染已成為繼化學(xué)性污染之后不可忽視的人為污染，尤其在食品加工領(lǐng)域[1-2]，相關(guān)設(shè)備電離輻射污染日益加重且因劑量不高易被忽視[3]。當(dāng)?shù)蛣┝侩婋x輻射作用于生物體時(shí)，細(xì)胞、組織和器官等都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)[4]，并引發(fā)一連串的生物學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致食品品質(zhì)、成分的變化[5]。

大麥?zhǔn)侵袊?guó)重要的糧食作物，含有量多質(zhì)好的蛋白質(zhì)、氨基酸，且膳食纖維、礦物質(zhì)含量豐富，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高，在食用、飼用、釀造、藥用等多領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)[6-7]。近年來，現(xiàn)代芽類食品日益涌現(xiàn)[8]，發(fā)芽大麥有效賴氨酸含量升高，適口性增加[9]，在腸道內(nèi)還可以發(fā)揮高保水功能，增加短鏈脂肪酸吸收，防止便秘[10]。但是，因?yàn)榉N子發(fā)芽時(shí)對(duì)環(huán)境條件要求較高，經(jīng)常受到輻射、溫濕度、水分及人類活動(dòng)的干擾[11]。

種子發(fā)芽對(duì)環(huán)境的響應(yīng)可以認(rèn)為是其本身貯存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)用于幼株變成獨(dú)立自氧組織的過程，低劑量電離輻射是影響大麥種子發(fā)芽的重要因素之一[12]，其作用于有機(jī)體時(shí)會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生損傷[13]。而針對(duì)電離輻射，細(xì)胞也會(huì)立即啟動(dòng)一系列的生化途徑，促進(jìn)細(xì)胞的存活，同時(shí)保持遺傳完整性[14]。這種損傷效應(yīng)主要取決于細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和更新的速度，一般來說，分裂速度快、細(xì)胞周期短的不斷增殖的細(xì)胞易受損傷[15]。而處于穩(wěn)定狀態(tài)的細(xì)胞和正常情況下沒有或很少有分裂的，或者只有在特殊刺激條件下才發(fā)生修復(fù)增殖的細(xì)胞則具有抗輻射能力[16]。研究[17]指出，電離輻射對(duì)種子發(fā)芽的影響取決于輻射類型、輻射劑量、植物種類及發(fā)育階段等，然而其是否對(duì)大麥種子發(fā)芽產(chǎn)生食品品質(zhì)成分的影響還有待論證。

試驗(yàn)擬利用目前已發(fā)展相對(duì)成熟的等離子體理論和方法[18]，根據(jù)其物質(zhì)漂移多物理場(chǎng)模型和等離子體化學(xué)反應(yīng)建立的電離輻射的時(shí)空分布模型[19]，在裝置的幾何構(gòu)型、控制方程和邊界條件的基礎(chǔ)上，通過仿真試驗(yàn)和有限元分析與計(jì)算得到各培養(yǎng)位置上所受的精確輻射強(qiáng)度；根據(jù)大麥發(fā)芽的食品加工原理、試驗(yàn)現(xiàn)象和相關(guān)假設(shè)，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立電離輻射強(qiáng)度與大麥發(fā)芽動(dòng)態(tài)之間精確的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性，并通過生理生化參數(shù)和計(jì)算機(jī)仿真兩方面對(duì)空間電離輻射對(duì)大麥種子發(fā)芽影響的機(jī)理進(jìn)行闡釋，旨在為提升現(xiàn)代芽類食品加工水平提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品材料與處理

大麥(HordeumvulgareL.)種子：無菌水中浸泡10 h，然后置于底部有濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)皿中發(fā)芽，每皿50粒，培養(yǎng)皿用錫箔紙遮光處理，于電離輻射模擬培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)3 d。

試驗(yàn)建立的低劑量電離輻射模擬培養(yǎng)平臺(tái)(LDIRES)能夠有效地模擬低劑量電離輻射(LDIR)環(huán)境，培養(yǎng)皿呈六邊形排列(見圖1)，可以使大麥在生長(zhǎng)過程中受到強(qiáng)度不同的電離輻射照射。培養(yǎng)過程中，保持溫度23 ℃，壓強(qiáng)100 kPa，相對(duì)濕度保持30%～70%。低功率小型X光管(TUB00083-2型，德國(guó)Moxtek公司)為輻照光源，最大管電流200 μA，最大管電壓50 kV，最大輸出功率4 W，靶材鎢靶。去除準(zhǔn)直器后，X射線發(fā)射角為60°。

1.2 大麥種子培養(yǎng)皿上所受LDIR的精確劑量

在LDIRES內(nèi)空氣等離子體控制方程、邊界條件和裝置的幾何構(gòu)型的基礎(chǔ)上，利用COMSOL Multiphysics仿真計(jì)算平臺(tái)對(duì)控制方程進(jìn)行求解[20]。LDIRES內(nèi)部空間任意一點(diǎn)的LDIR強(qiáng)度定義為nε/ne，按式(1)進(jìn)行求解。

(1)

式中：

D——大麥種子所在培養(yǎng)皿底部的空間曲面；

I——單位時(shí)間大麥種子培養(yǎng)皿底部所接受到的總的LDIR強(qiáng)度(見表1)，μSv/s；

nε——電子的能量密度,J/m2；

ne——電子的數(shù)量密度。

nε、ne均為標(biāo)量場(chǎng)，是時(shí)空的函數(shù)，可分別表示為nε(t,x,y,z)和ne(t,x,y,z)，其中t表示時(shí)間，(x,y,z)表示3D空間。

①、⑥設(shè)為試驗(yàn)組Ⅰ，②、⑤設(shè)為試驗(yàn)組Ⅱ，③、④設(shè)為試驗(yàn)組Ⅲ圖1 低劑量電離輻射的幾何構(gòu)型Figure 1 LDIRES prototype (A) and its 3D geometric configuration

1.3 形態(tài)測(cè)定

根據(jù)位置定義，種子表面5 mm以上凸起為種子的根和芽，用直尺、游標(biāo)卡尺測(cè)定其芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)等，測(cè)定時(shí)隨機(jī)取樣。

1.4 營(yíng)養(yǎng)成分的測(cè)定

1.4.1 蛋白質(zhì)含量 采用考馬斯亮藍(lán)比色法[21]。

1.4.2 脂肪含量 按GB/T 5512—2008中的索氏抽提法執(zhí)行。

1.4.3 淀粉含量 按GB/T 5009.9—2008中的酸式水解法執(zhí)行。

1.4.4 可溶性膳食纖維含量 按GB/T 5009.88—2008中的酶質(zhì)量法執(zhí)行。

1.5 建模與仿真

利用物質(zhì)漂移多物理場(chǎng)模型和等離子體化學(xué)反應(yīng)建立電離輻射的時(shí)空分布模型，在裝置的幾何構(gòu)型、控制方程和邊界條件的基礎(chǔ)上，通過仿真試驗(yàn)和有限元分析與計(jì)算各培養(yǎng)位置上所受的精確輻射強(qiáng)度。根據(jù)大麥發(fā)芽的生態(tài)學(xué)原理、試驗(yàn)現(xiàn)象和相關(guān)假設(shè)[22]，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立電離輻射強(qiáng)度與大麥發(fā)芽動(dòng)態(tài)之間精確的數(shù)學(xué)模型，并通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

所有試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，運(yùn)用SPSS軟件的單因素方差分析(ANOVA)進(jìn)行顯著性分析(P≤0.05)。

表1 LDIRES內(nèi)不同位置處大麥培養(yǎng)皿所受的LDIR強(qiáng)度

2 結(jié)果與分析

2.1 低劑量X射線對(duì)大麥種子發(fā)芽的影響

由圖2可知，不同輻射強(qiáng)度的大麥發(fā)芽種子在形態(tài)上具有明顯差異，接收電離輻射最強(qiáng)的Ⅰ組其生長(zhǎng)受到抑制最明顯；輻射3 d后，各試驗(yàn)組與對(duì)照組的大麥種子發(fā)芽率無明顯差異。試驗(yàn)組Ⅰ的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)受到的抑制最大，輻射3 d后其芽長(zhǎng)比對(duì)照組短30～33 mm，受輻射最小的試驗(yàn)組3的芽長(zhǎng)比對(duì)照組短3～5 mm。輻射3 d后試驗(yàn)組1的根長(zhǎng)為對(duì)照組的20%～22%。

由圖3可知，電離輻射對(duì)大麥種子吸水活力以及生長(zhǎng)發(fā)育有影響，輻射3 d后接收最大電離輻射的試驗(yàn)組Ⅰ的生物量是對(duì)照組的48%～50%。種子發(fā)芽被輻射后，某些生物效應(yīng)可能存在潛伏期，其表觀性狀可能不會(huì)立即表現(xiàn)出來，這種潛伏期可能會(huì)依據(jù)物種的不同而有所不同，從幾分鐘到幾年不等[23]，其主要取決于電離輻射劑量和種子本身的抗輻射能力[24]。發(fā)芽種子細(xì)胞中，果膠是一種電離輻射敏感物質(zhì)，其通過自身降解實(shí)現(xiàn)對(duì)電離輻射的預(yù)警和信號(hào)指示[24]。電離輻射導(dǎo)致的細(xì)胞壁降解在宏觀上是肉眼可見的，可能也是由于中間片層果膠物質(zhì)的降解導(dǎo)致了組織軟化，同時(shí)增加了細(xì)胞孔隙，利于細(xì)胞吸水，有時(shí)對(duì)于難發(fā)芽物種種子起促進(jìn)發(fā)芽作用[23]。種子發(fā)芽后，新長(zhǎng)出的根與芽快速生長(zhǎng)，分生組織活躍，電離輻射對(duì)分裂能力強(qiáng)的細(xì)胞具有更加明顯的抑制作用。根、芽由于生長(zhǎng)次序和位置的不同對(duì)電離輻射的敏感度也不同[25]，與試驗(yàn)結(jié)果類似，第1天各組種子根、芽的生長(zhǎng)無明顯差異，之后由于新根、新芽的生長(zhǎng)而具有明顯差異。

2.2 低劑量X射線對(duì)大麥種子發(fā)芽后品質(zhì)的影響

由圖4可知，隨著大麥種子吸水發(fā)芽，各樣品的淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，輻射第3天降至50%～60%。輻射第1天各樣品的淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著性差異，隨著樣品接收電離輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異幅度逐漸上升。類似的，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨種子的發(fā)育而逐漸降低，輻射第1天均無顯著性差異。蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異發(fā)生在輻射第2天，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顯著性差異發(fā)生在輻射第3天。接收電離輻射的樣品在第3天蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與對(duì)照組有顯著性差異，且試驗(yàn)組Ⅰ的差異性最大?？扇苄陨攀忱w維質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨種子的發(fā)芽逐漸升高，但接收電離輻射種子的升高程度遠(yuǎn)不及對(duì)照組，各試驗(yàn)組在輻射第1，2，3天均與對(duì)照組有明顯差異。

圖2 電離輻射時(shí)間對(duì)大麥種子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)的影響Figure 2 Effects of ionizing radiation on shoot length and root length of barley seeds

圖3 電離輻射時(shí)間對(duì)大麥種子生物量的影響Figure 3 Effects of ionizing radiation on biomass of barley seeds

2.3 種子發(fā)芽環(huán)境的控制方程

2.3.1 發(fā)芽環(huán)境的電子密度和電子能量分布方程 試驗(yàn)采用物質(zhì)遷移—擴(kuò)散方程描述電子密度和電子能量在LDIRES內(nèi)部的分布，由于LDIRES是封閉運(yùn)行，因此可以認(rèn)為裝置內(nèi)空氣基本不流動(dòng)，忽略空氣對(duì)流對(duì)電子密度和電子能量分布的影響。根據(jù)經(jīng)典的等離子體理論，LDIRES內(nèi)部的電子密度和電子能量分布的耦合控制方程為：

(2)

(3)

Γe=-ne(μe·E)-De·▽ne，

(4)

圖4 電離輻射時(shí)間對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的影響Figure 4 Effects of ionizing radiation on nutrient componene of barley seeds

Γε=-nε(με·E)-Dε·▽nε，

(5)

式中：

ne、nε——電子密度和電子能量密度；

E——電場(chǎng)強(qiáng)度，N/C；

Γe、Γε——電子通量和能量通量；

De、Dε——電子密度和電子能量的擴(kuò)散系數(shù)；

μe、με——電子密度和電子能量的遷移系數(shù)。

式(2)、式(3)中Re和Rε表示源項(xiàng)，由等離子體化學(xué)動(dòng)力學(xué)速率方程所確定。

(6)

式中：

xj——第j個(gè)化學(xué)反應(yīng)中生成物的摩爾分?jǐn)?shù)；

Nn——中性介質(zhì)的密度，m-3。

電子能量的損耗等于所有因與金屬內(nèi)非彈性壁碰撞導(dǎo)致的電子能量損失之和。

(7)

式中：

Δεj——第j次非彈性壁碰導(dǎo)致的能量損失，eV。

在LDIRES內(nèi)部空間由O2和Ar構(gòu)成的等離子體中，存在15種物質(zhì)和62個(gè)等離子化學(xué)反應(yīng)，而在LDIRES金屬內(nèi)壁上存在10個(gè)等離子體反應(yīng)。

根據(jù)頻域法拉第方程計(jì)算模擬電離輻射裝置內(nèi)部X射線誘導(dǎo)產(chǎn)生的空間高頻電場(chǎng)分布。

(8)

式中：

ω——角頻率，rad/s；

σ——空氣電導(dǎo)率；

A、B——磁矢勢(shì)和磁通密度，T；

ε0、εr——真空和空氣的介電常數(shù)；

μ0、μr——真空和空氣的導(dǎo)磁系數(shù)。

2.3.2 種子發(fā)芽環(huán)境等離子體邊界條件

(1) LDIRES金屬內(nèi)壁的邊界條件：在LDIRES金屬內(nèi)壁的平均自由程內(nèi)，電子的得失來自2個(gè)方面，① 由于電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)而被金屬內(nèi)壁吸收，② 由于空氣中的陽離子與金屬內(nèi)壁發(fā)生碰撞可能會(huì)釋放電子。

因此，在LDIRES的金屬內(nèi)壁存在以下關(guān)于電子的數(shù)量和能量通量邊界條件：

(9)

(10)

式中：

r、n——LDIRES金屬內(nèi)壁的反射系數(shù)和壁面上的單位法向矢量；

vT——熱速度，m/s。

(2) 大麥種子培養(yǎng)皿處的邊界條件：由于培養(yǎng)皿及大麥種子均可視作絕緣體，因此等離子體在此處的邊界條件為：

(11)

2.4 大麥種子萌發(fā)過程對(duì)LDIR變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

基于大麥種子在萌發(fā)過程中的質(zhì)量守恒原則，大麥種子的鮮重(x)可以看作由5部分構(gòu)成：種子中胚的質(zhì)量(m)，種子內(nèi)胚乳的質(zhì)量(s)、含水量(w)、O2的質(zhì)量([O2])和CO2的質(zhì)量([CO2])，即：

x=m+s+w+[O2]+[CO2]。

(12)

在大麥種子萌發(fā)過程中，存在

(13)

試驗(yàn)將胚的生長(zhǎng)過程看作是種子萌發(fā)的動(dòng)力學(xué)原因，因?yàn)榇诉^程如果不存在，種子內(nèi)部的其他物質(zhì)將不會(huì)發(fā)生任何變化，所以可以認(rèn)為種子內(nèi)部所有的非生命物質(zhì)——胚乳、水分、O2和CO2數(shù)量的變化速率均與胚的生長(zhǎng)速率密切相關(guān)，都可在胚生長(zhǎng)速率的基礎(chǔ)上經(jīng)過校正獲得。因此確定胚的生長(zhǎng)速率是描述種子萌發(fā)動(dòng)力學(xué)過程的核心。

試驗(yàn)中可以認(rèn)為在LDIRES中水分和O2是供應(yīng)充足的，種子的萌發(fā)過程只受胚乳含量的限制，因此采用Monod方程的形式描述胚的生長(zhǎng)過程：

(14)

式中：

K——大麥胚生長(zhǎng)對(duì)胚乳依賴的半飽和常數(shù)，116.93 mg；

μ——胚的比生長(zhǎng)速率。

μ與LDIR的強(qiáng)度(I)之間存在函數(shù)關(guān)系，即I越大，μ越小，二者呈負(fù)相關(guān)。利用Hill函數(shù)表示I對(duì)μ的不利影響：

(15)

因此，

(16)

式中：

μ0——無LDIR時(shí)胚的比生長(zhǎng)速率，0.98 d-1；

δ——試驗(yàn)常數(shù)，568 μSv/s;

n——試驗(yàn)常數(shù)，1.4。

I的大小已根據(jù)裝置的幾何構(gòu)型、邊界條件求解Plasma方程，以及有限元分析與計(jì)算獲得。

在種子的胚生長(zhǎng)過程中，一定會(huì)伴隨著對(duì)所貯存胚乳的消耗，可以認(rèn)為消耗速率近似與胚的生長(zhǎng)速率呈正比，即：

(17)

式中：

α——萌發(fā)過程中胚對(duì)胚乳的消耗系數(shù)，0.84(即每生長(zhǎng)1 mg的胚需要消耗0.84 mg的胚乳)。

此外，在胚生長(zhǎng)過程中，一定會(huì)伴隨著從外界環(huán)境吸收水分進(jìn)入種子內(nèi)部，試驗(yàn)表明吸收水分的速率與胚的生長(zhǎng)速率呈正相關(guān)，即：

(18)

式中：

β——種子在萌發(fā)過程中的吸水系數(shù)。

試驗(yàn)表明，隨著胚的生長(zhǎng)，吸水系數(shù)隨胚的增大呈指數(shù)趨勢(shì)遞減，可以用以下模型進(jìn)行表示：

(19)

式中：

β0——種子在萌發(fā)開始時(shí)對(duì)外界水分的吸收系數(shù)，15.8；

ε——試驗(yàn)常數(shù)，0.35。

ε反映了種子在萌發(fā)過程中對(duì)水分的利用效率，不同植物的種子其取值不同。ε越大，對(duì)水分的利用效率越高，反之越低。因此大麥種子在萌發(fā)過程中對(duì)水分的吸收速率為：

(20)

同理，種子的胚生長(zhǎng)過程中，一定伴隨著從外界環(huán)境吸收O2進(jìn)入種子內(nèi)部，其吸收速率與胚的生長(zhǎng)速率呈正比，可表示為：

(21)

式中：

γ——種子在萌發(fā)過程中對(duì)外界O2的吸收系數(shù)，8.2。

故在種子胚生長(zhǎng)過程中釋放CO2的速率為：

(22)

式中：

R——大麥種子的呼吸熵，0.85。

式(12)～式(22)即為大麥種子鮮重(x)對(duì)LDIR強(qiáng)度變化響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，其具體仿真模型如圖5所示。

在MatLab/Simulink平臺(tái)上對(duì)此動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀行У啬M了大麥種子的萌發(fā)過程對(duì)LDIR強(qiáng)度變化的響應(yīng)，精確地建立了二者之間的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)認(rèn)識(shí)LDIR環(huán)境下植物種子的萌發(fā)動(dòng)態(tài)具有較高的理論價(jià)值。

圖5 大麥種子萌發(fā)對(duì)LDIR變化響應(yīng)的仿真模型Figure 5 Simulation model ofbarley seed germination response to LDIR intensity variation

圖6 不同強(qiáng)度LDIR下大麥種子萌發(fā)的動(dòng)態(tài)過程驗(yàn)證Figure 6 Model validation of kinetic model of barley seed germination response to LDIR intensity variation

3 結(jié)論

為了探究電離輻射與大麥發(fā)芽之間的關(guān)系，利用物質(zhì)漂移多物理場(chǎng)模型和等離子體化學(xué)反應(yīng)建立了電離輻射的時(shí)空分布模型，在裝置的幾何構(gòu)型、控制方程和邊界條件的基礎(chǔ)上，通過仿真試驗(yàn)和有限元分析與計(jì)算得到了各培養(yǎng)位置上所受到的精確輻射強(qiáng)度，并運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立了電離輻射強(qiáng)度與大麥發(fā)芽動(dòng)態(tài)之間精確的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。結(jié)果表明，低劑量X射線可抑制大麥種子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)和生物量的增加，降低種子對(duì)淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪三大營(yíng)養(yǎng)物的利用效率，降低可溶性膳食纖維的轉(zhuǎn)化率。試驗(yàn)僅對(duì)常見食用大麥進(jìn)行了較為深入的低劑量X射線影響分析，后續(xù)需進(jìn)一步擴(kuò)展研究芽類食物范圍，提升現(xiàn)代芽類食品加工水平。