脈沖磁場(chǎng)下儲(chǔ)藏小麥自身呼吸CO2 變化分析研究

蔣華偉，李戰(zhàn)升

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

0 引言

防止糧食陳化變質(zhì)是安全儲(chǔ)藏的關(guān)鍵，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)占全國(guó)糧食總量50%～60%的農(nóng)戶儲(chǔ)糧的年平均損失率為8%～10%，其中5%左右是害蟲(chóng)造成的，剩余的是糧食自身呼吸、新陳代謝和微生物霉變所致.在糧食微生物的危害效應(yīng)和機(jī)理方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究[1-4]，并提出了許多有益的建議和措施.呼吸作用也是糧食安全儲(chǔ)藏的重要因素，糧食的呼吸是在活細(xì)胞內(nèi)所進(jìn)行的復(fù)雜生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，以消耗自身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為基礎(chǔ).影響糧食呼吸的因素有濕度、溫度、糧食顆粒的形狀、不同部位以及新陳程度等.針對(duì)糧食陳化過(guò)程的呼吸作用，特別是微生物呼吸過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2這個(gè)衡量參數(shù)效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行的研究主要集中在CO2濃度的檢測(cè)和推演霉化程度等方面.如Thomas[5]和梁微[6]用檢測(cè)儀器對(duì)糧堆的CO2濃度與儲(chǔ)糧霉菌數(shù)量變化的相關(guān)性進(jìn)行研究.還有在不同生理狀態(tài)下，Antonio[7]根據(jù)霉菌對(duì)糧食危害程度和安全風(fēng)險(xiǎn)的差異關(guān)系，由監(jiān)測(cè)儲(chǔ)糧中CO2濃度變化來(lái)推演儲(chǔ)糧霉菌的活動(dòng)狀態(tài).文獻(xiàn)［8］對(duì)儲(chǔ)糧中霉菌活動(dòng)的生理狀態(tài)與CO2濃度變化的相關(guān)性進(jìn)行研究，獲得呈“S”形曲線的儲(chǔ)糧CO2濃度變化關(guān)系，由CO2濃度變化來(lái)推斷霉菌的生長(zhǎng)狀態(tài).而文獻(xiàn)［9］針對(duì)不同糧食水分、環(huán)境溫度以及不同CO2氣體濃度下儲(chǔ)糧真菌區(qū)的變化情況，研究了較高水分、較高儲(chǔ)藏溫度下CO2濃度對(duì)糧食真菌的抑制效果.

目前對(duì)糧食陳化變質(zhì)中自身呼吸和新陳代謝效應(yīng)鮮有研究.實(shí)際上，該作用是不可忽略的.因?yàn)閮?chǔ)糧自身呼吸和微生物的霉變之間是互為影響，甚至糧食的過(guò)度呼吸為微生物的代謝提供了合適的水分和溫度等條件，并為霉變帶來(lái)了必要的能量物質(zhì).同時(shí)，前人的研究工作還沒(méi)有涉及實(shí)際環(huán)境中離子束、輻照、電磁等外界干擾因素的作用，特別是脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和脈沖數(shù)的量化作用效應(yīng)，因此，作者進(jìn)行了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下糧食（小麥）自身呼吸效應(yīng)探索，為糧食安全儲(chǔ)藏提供技術(shù)保證.

1 材料與方法

1.1 樣品

倉(cāng)儲(chǔ)小麥：本地.

1.2 儀器與試劑

CO2濃度測(cè)試儀和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院；QLY-T 型鉗式糧食水分快速測(cè)定儀：山東青州市巨豐糧油儀器廠.

次氯酸鈉溶液（5%）和蒸餾水.

1.3 方法

1.3.1 小麥水分調(diào)節(jié)

稱取10 kg 小麥，用蒸餾水噴灑拌和均勻，然后密封裝入15 ℃下10 L 玻瓶中平衡10 d.在整個(gè)試驗(yàn)期間，調(diào)節(jié)和保持裝糧玻瓶?jī)?nèi)的濕度相對(duì)平衡：低水分（12.5%）、中水分（15%）、高水分（16.5%）.

1.3.2 小麥儲(chǔ)藏溫度

在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中采用空調(diào)、加熱器和保溫材料等措施，把室溫控制在25 ℃以內(nèi).

1.3.3 磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)

加載磁場(chǎng)的方式是將小麥暴露于脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)中.脈沖磁場(chǎng)的強(qiáng)度分別為2 T、4 T、6 T、12 T 和16 T，脈沖數(shù)分別為2、4、6、8 和10；兩個(gè)脈沖間的時(shí)間間隔為20 s，脈沖寬度為15 ms；處理時(shí)間為2 h.

1.3.4 CO2濃度檢測(cè)

將預(yù)熱后的CO2測(cè)試儀的進(jìn)出氣管與小麥儲(chǔ)藏容器的管道連接，打開(kāi)氣管的進(jìn)出閥門(mén)，開(kāi)啟輸氣泵，保持3 min 后，屏幕上顯示的數(shù)字就是要檢測(cè)的濃度.

2 結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)小麥自身呼吸CO2 濃度變化

用5%的次氯酸鈉溶液洗滌小麥，目的是為了獲得無(wú)菌小麥真實(shí)的自身呼吸效果，并用無(wú)菌水清洗小麥，最后調(diào)節(jié)小麥的水分為12.5%、15%、16.5%，25 ℃下儲(chǔ)藏，結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 25 ℃時(shí)小麥自身呼吸CO2 濃度變化

從圖1 可知，在12.5%低水分情況下，小麥自身呼吸中CO2濃度呈線性變化，且變化幅度不大，在50 d 內(nèi)僅升高0.58%，這說(shuō)明低（安全）水分的糧食在常規(guī)儲(chǔ)糧期間，小麥自身呼吸作用不活躍，不會(huì)對(duì)小麥的品質(zhì)造成危害；在15%中等水分情況下，小麥自身呼吸CO2濃度大致呈線性變化，變化幅度較大，在50 d 內(nèi)升高了1.35%；但在第15 天處出現(xiàn)了可區(qū)分的拐點(diǎn)，盡管后面CO2濃度仍在增加，但爬升比較平坦；在16.5%高水分情況下，小麥自身呼吸中CO2濃度嚴(yán)重偏離線性變化趨勢(shì)，且變化幅度很大，在50 d 內(nèi)升高2.28%；類似于中等水分情況在第15 天處也出現(xiàn)了拐點(diǎn)，非常明顯，拐點(diǎn)之后CO2濃度仍將繼續(xù)增加，但趨勢(shì)緩急不定.

從圖1 可知，中、高等水分下的CO2濃度遠(yuǎn)比低水分情況下增加得快，這表明在相同儲(chǔ)藏溫度（25 ℃）下，中、高等水分導(dǎo)致小麥自身呼吸加速，可為微生物的生存和霉變提供先期條件（水分、溫度和營(yíng)養(yǎng)）；相比于低水分的先揚(yáng)后抑情況，當(dāng)儲(chǔ)藏時(shí)間超過(guò)25 d 后，中、高等水分下CO2濃度仍會(huì)升高，但變化趨勢(shì)難以確定，這可能與試驗(yàn)測(cè)試的精度或次數(shù)有關(guān).為此，對(duì)圖1 中的CO2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性相關(guān)性分析，來(lái)確定小麥自身呼吸作用中CO2濃度的變化，結(jié)果如表1 所示.

表1 小麥自身呼吸CO2 濃度變化線性關(guān)系

從相關(guān)系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)周期內(nèi)（50 d）CO2濃度變化的偏離程度，低水分比中、高水分的線性度更好，表象上為低水分CO2濃度的變化恒穩(wěn)，其實(shí)這反映了中、高水分下，圖1 拐點(diǎn)后的偏離不僅僅是偶然的測(cè)試誤差所致，由此進(jìn)一步推斷出實(shí)際非封閉的倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)糧環(huán)境中可能已有極少量微生物的出現(xiàn)，盡管數(shù)量不多，但它們的呼吸增加了小麥的CO2濃度.另外，斜率再次表明中、高水分下，小麥自身呼吸強(qiáng)度變大，由此導(dǎo)致溫度和水分快速提高，進(jìn)一步加快了小麥的陳化過(guò)程.

試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試前后濕度有一定變化.假設(shè)在理想密閉下，這與小麥呼吸中產(chǎn)生的水分有關(guān).

2.2 脈沖磁場(chǎng)下小麥自身呼吸CO2 濃度的變化

25 ℃下小麥的除菌處理仍采用2.1 中的方法.

由于采用的脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度為2 T、4 T、6 T、12 T和16 T，磁場(chǎng)的脈沖數(shù)為2、4、6、8 和10，顯然排列組合后有25 種形式，它們還分別對(duì)應(yīng)于12.5%低水分、15%中等水分以及16.5%高水分情況，這使得數(shù)據(jù)更加復(fù)雜，處理和對(duì)比分析工作尤為煩瑣.因此，在數(shù)據(jù)庫(kù)中選取具有代表性的兩種情況，即磁場(chǎng)強(qiáng)度為4 T 和脈沖數(shù)為6（記作4T-6）以及磁場(chǎng)強(qiáng)度為12 T 和脈沖數(shù)為8（記作12T-8）的數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2），并對(duì)它們進(jìn)行比較分析.

圖2 25 ℃時(shí)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)對(duì)小麥自身呼吸CO2 濃度的影響

在強(qiáng)度為4 T 和脈沖數(shù)為6 的磁場(chǎng)作用下，由圖2 可知：低水分（12.5%）情況下，CO2濃度的增加類似于圖1，脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)幾乎沒(méi)有對(duì)小麥起作用.但對(duì)中等水分（15%）和高水分（16.5%），小麥自身呼吸產(chǎn)生的CO2濃度隨時(shí)間呈現(xiàn)先增加再平緩減小的變化趨勢(shì)；在整個(gè)變化過(guò)程中，中、高水分分別存在兩個(gè)不同程度的拐點(diǎn)，盡管出現(xiàn)在不同的儲(chǔ)藏時(shí)間處（中等水分的為第15 天和第30 天；高水分的為第10 天和第25 天），但中、高水分兩種情況下的曲線都呈從早期先劇增、后緩增、再減小的三段變化；同時(shí)從起始CO2濃度快速增加，后來(lái)變慢以至減小的情況來(lái)看，可以推斷脈沖磁場(chǎng)的強(qiáng)度和脈沖數(shù)能促進(jìn)儲(chǔ)藏前期和中期的小麥呼吸，而在儲(chǔ)藏后期，強(qiáng)度和脈沖數(shù)對(duì)小麥的呼吸起抑制作用.

強(qiáng)度為12 T 和脈沖數(shù)為8 的磁場(chǎng)作用下，由圖2 可知：低水分情況下，CO2濃度變化與圖1 有所不同，CO2濃度隨儲(chǔ)藏時(shí)間出現(xiàn)了先較快增加，后平緩變化的趨勢(shì)，這說(shuō)明在室溫（25 ℃）儲(chǔ)藏條件下，高強(qiáng)度和大脈沖數(shù)在較長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)藏后能抑制小麥的呼吸作用，這對(duì)小麥的長(zhǎng)期儲(chǔ)藏是有利的，可以延緩其陳化變質(zhì)；而在中、高水分情況下，小麥自身呼吸產(chǎn)生的CO2濃度值相應(yīng)地減小，這顯示高磁場(chǎng)強(qiáng)度和大脈沖數(shù)對(duì)小麥的儲(chǔ)藏具有促進(jìn)作用.

從圖2 還可以發(fā)現(xiàn)，在儲(chǔ)藏后期，磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)對(duì)小麥呼吸作用表現(xiàn)為不同程度的抑制效果，表現(xiàn)出脈沖磁場(chǎng)作用的閾值性和累積效應(yīng).這可能是因?yàn)榇艌?chǎng)作為物理因素，對(duì)小麥呼吸作用的影響與多種因素有關(guān)，在不同濕度（水分）下，存活期內(nèi)小麥自身呼吸生理作用的變化是不同的，需要特定的磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)的效應(yīng)，同時(shí)還要有一定的作用時(shí)間積累，這顯示了磁場(chǎng)作用的閾值性.

脈沖磁場(chǎng)對(duì)小麥呼吸作用所具有的強(qiáng)度窗效應(yīng)（或稱功率窗），在某種程度上是與能夠觸發(fā)小麥靶系統(tǒng)生物效應(yīng)的電磁場(chǎng)閾值有一定關(guān)系，而時(shí)間窗效應(yīng)很可能跟小麥自身的調(diào)節(jié)適應(yīng)機(jī)制有關(guān).由此可以假設(shè)推斷：磁場(chǎng)作用于小麥細(xì)胞時(shí)，存在物理意義上的窗效應(yīng)，即這些部位（如小麥的胚）的呼吸只對(duì)某些特征參數(shù)的磁場(chǎng)作用才產(chǎn)生特異性的應(yīng)答現(xiàn)象.

3 結(jié)論

本文對(duì)常規(guī)條件下和在脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，小麥自身呼吸中CO2濃度變化進(jìn)行了研究，以推斷不同狀況下小麥陳化演變關(guān)系，為小麥的安全儲(chǔ)藏提供理論依據(jù).

在25 ℃的常規(guī)條件下儲(chǔ)藏50 d 內(nèi)，水分為12.5%的小麥呼吸產(chǎn)生的CO2濃度呈線性變化，且斜率很小，即CO2濃度變化恒穩(wěn)，可以安全存儲(chǔ)；而中（15%）、高（16.5%）水分小麥的CO2濃度變化已不再呈線性關(guān)系，特別是高濕度下產(chǎn)生了嚴(yán)重偏離，變化幅度較大，不利于小麥的安全存儲(chǔ).

在脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，較小磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)對(duì)低水分作用微弱，而較大磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)導(dǎo)致CO2濃度前期較快和后期平緩地增加，這說(shuō)明脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)和大脈沖數(shù)能通過(guò)抑制小麥的后期呼吸來(lái)延緩小麥的陳化變質(zhì)，實(shí)現(xiàn)小麥的安全儲(chǔ)藏.對(duì)中、高水分的小麥，CO2濃度變化曲線出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)（閾值），前期促進(jìn)小麥呼吸，后期抑制小麥呼吸，顯現(xiàn)出脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)在小麥呼吸作用中的窗口效應(yīng)，這可能是不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖數(shù)與小麥不同呼吸部位（靶點(diǎn)）作用的應(yīng)答機(jī)制所致，對(duì)此還需進(jìn)一步的研究和探索.

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