張 青，魏 燕，姜若文，龐永琳

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)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(diào)節(jié)血脂、預(yù)防血栓的作用，其分布地區(qū)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(huán)境的影響，用普通方法長期貯存后的白蘇種子發(fā)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(yǎng)、轉(zhuǎn)基因體系建立、多種基因的遺傳轉(zhuǎn)化和分離、克隆和表達分析等生物技術(shù)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(zhì)先低溫冷卻到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或共晶點以下，此時物料中的大部分水分就會凍結(jié)成冰，剩余的少部分水分會和物料共同形成玻璃態(tài)，之后在真空環(huán)境下對物料進行低溫加熱，讓冰升華，繼續(xù)在真空環(huán)境下給物料升溫，從而去除與物料結(jié)合在一起的吸附水。

傳統(tǒng)的長期低溫貯存方法成本高，耗能大，不夠環(huán)保。而冷凍干燥方法已經(jīng)在諸多種子的貯存中得到了應(yīng)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(fā)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(jīng)是屢見不鮮，而對中醫(yī)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(fā)特性的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)備

真空冷凍干燥機(上海田楓實業(yè)有限公司生產(chǎn)，TF-SFD-2)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠生產(chǎn)，GZX-9030MBE)，箱式電阻爐(上海實研電爐有限公司生產(chǎn)，SX2-12-10)，差示掃描量熱儀(耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)(上海)有限公司生產(chǎn)，DSC200F3)，外徑千分尺(上海量具刃具廠生產(chǎn)，S104-101-101)，電子分析天平(上海雙旭電子有限公司生產(chǎn)，S114)及玻璃培養(yǎng)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(yè)苗木場提供)。

1.3 種子相關(guān)參數(shù)測定

1.3.1 外部形態(tài)數(shù)據(jù)測定

選取 30 粒形態(tài)飽滿的白蘇種子，可以近似認(rèn)為該種子為球體性狀，用螺旋測微儀測量其直徑，并標(biāo)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(zhì)和凈種子分離，稱量凈種子的質(zhì)量。

1.3.3 種子的百粒重測定

百粒重是100粒該種子的總質(zhì)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(fù)3次，取平均值。

1.3.4 種子含水量的測定

選取100粒風(fēng)干的白蘇種子進行稱量，放入預(yù)先升溫到145℃的箱式電阻爐內(nèi)，在5 min之內(nèi)將電阻爐內(nèi)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(nèi)，待其冷卻至室溫進行稱量，重復(fù)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(huán)境因素都適宜的情況下，對于具有生命活性的種子能否發(fā)芽的關(guān)鍵是水分。一般認(rèn)為，種子處于吸水萌發(fā)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(fā)。

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(fù)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(yǎng)基中，保證種子平鋪在培養(yǎng)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(fā)芽的狀態(tài)，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(jié)成冰時物料的溫度。共熔點是指已經(jīng)全部凍結(jié)的物料在升溫過程中開始出現(xiàn)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(zhì)量在20 mg左右，將坩堝蓋與坩堝壓實。對DSC儀器進行溫度標(biāo)定和熱流標(biāo)定，將裝有種子的壓實坩堝輕輕放入差示掃描量熱儀中，設(shè)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(yù)先進行種子吸脹，之后進行冷凍干燥處理[13]。預(yù)凍溫度要低于共晶點 5℃～10℃。根據(jù)DSC測定結(jié)果確定預(yù)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(chǎn)生較大冰晶，快速冷凍會產(chǎn)生較小冰晶，因此快速冷凍可以減少對細(xì)胞的損傷。預(yù)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(dāng)種子的中心溫度與預(yù)設(shè)的20℃的擱板溫度大致相同時，保持該狀態(tài)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(fēng)干燥

取300粒種子放進小坩堝，置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，溫度40℃，進行熱風(fēng)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(fù)水率

1.6 種子的萌發(fā)

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(yǎng)皿，在緩濕箱內(nèi)(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(yǎng)基的培養(yǎng)皿內(nèi)，若瓊脂沉淀，可以微微加熱并持續(xù)攪拌使其融化。將培養(yǎng)皿置于恒溫箱內(nèi)，開始進行種子萌發(fā)，每天定時統(tǒng)計種子發(fā)芽數(shù)并比較發(fā)芽率。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 種子外部形態(tài)數(shù)據(jù)、百粒重、凈重

經(jīng)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(shù)據(jù)測量結(jié)果見表2和表3。

表2 種子的含水量測定結(jié)果Tab.2 Determination of moisture content of seeds

表3 種子的吸水率測定結(jié)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(dāng)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(xiàn)一個向下的放熱峰，峰值為-16.5℃，完全凍結(jié)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(dāng)溫度升高到-0.2℃時，白蘇種子內(nèi)的水分開始融化，吸收熱量，出現(xiàn)一個向上的放熱峰，峰值為 0.8℃。根據(jù)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(fēng)干燥處理后的種子含水量及復(fù)水率

將冷凍干燥與熱風(fēng)干燥后的各項數(shù)據(jù)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(fù)水率也明顯低于熱風(fēng)干燥方法。

表4 100 g白蘇種子冷凍干燥和熱風(fēng)干燥后的含水量和復(fù)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(fā)狀況Tab.5 Germination status of seeds

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

根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，熱風(fēng)干燥和對照組的白蘇種子發(fā)芽狀況較為相近，因此可以認(rèn)為熱風(fēng)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(fā)芽狀況并不好。

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

3 結(jié)論

本實驗采用熱風(fēng)干燥和冷凍干燥兩種方法對白蘇種子進行干燥。熱風(fēng)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(fù)水率相比干燥前的吸水率都有所下降，說明熱風(fēng)干燥方法對種子的吸水率有影響，萌發(fā)階段的發(fā)芽狀況與對照組較為相近，發(fā)芽率也較高；冷凍干燥后的白蘇種子的顏色略微發(fā)白，符合冷凍干燥后的產(chǎn)品外觀美觀的特征，含水量降低了4%～5%，且復(fù)水性很好，但是在萌發(fā)階段卻無法正常發(fā)芽，原因在于凍干過程中緩濕時種子吸水過多，培養(yǎng)皿內(nèi)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(yī)藥種質(zhì)資源保存、能源節(jié)約等方面具有重要意義，今后可以從凍干前種子預(yù)處理、改進凍干工藝、改良種子萌發(fā)環(huán)境等方面做進一步探索。