玉米種子的超干貯藏水分熱力學(xué)分析

張海嬌 張耀川 白素蘭

摘要 [目的]研究超干對(duì)玉米種子水分熱力學(xué)特性的影響。[方法]對(duì)4個(gè)玉米品種鄭單958、京單28、先玉335和農(nóng)大108采用干燥處理，回濕后測(cè)定其發(fā)芽率、種子含水量、水分吸附等溫線，通過(guò)3個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量種子的水分熱力學(xué)特性。[結(jié)果]不同玉米品種對(duì)水分的敏感程度不同，不同時(shí)期對(duì)水分的吸收也不同。京單28和農(nóng)大108是對(duì)超干燥處理較敏感的種子。測(cè)定超干前后種子水分吸附等溫線及水分熱力學(xué)參數(shù)可以判斷種子的耐干性。[結(jié)論]從水分熱力學(xué)吸附特征的角度對(duì)種子的耐干機(jī)制進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞 超干貯藏；發(fā)芽率；種子含水量；水分吸附等溫線；玉米

中圖分類(lèi)號(hào) Q947.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）18-0001-04

Thermodynamic Analysis of Maize Seed Moisture Content in Ultradry Storage

ZHANG Haijiao1，ZHANG Yaochuan1，BAI Sulan2 （1.Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102442；2.School of Life Science， Capital Normal University， Beijing 100048）

Abstract [Objective]To study the effect of ultradry storage on the water thermodynamic characteristics of maize seeds. [Method] This had been researched four maize varieties， Zhengdan 958， Jingdan 28， Xianyu 335 and Nongda 108. Through the dry processing， the germination rate， seed water content and moisture adsorption isotherm were detected to evaluate the seed moisture thermodynamic analysis after rehumidification. [Result] Different cultivars were sensitive to different moisture content， the absorption of water was also different at different time. Jingdan 28 and Nongda 108 were sensitive to ultradry storage. The adsorption isotherm and the thermodynamic parameters were determined to detect the dry resistance of seeds round about the ultradry storage. [Conclusion]The mechanism of seed dry resistance was preliminarily discussed from the point of view of water thermodynamics characteristics.

Key words Ultradry storage；Germination rate；Seed water content；Moisture adsorption isotherm；Maize

玉米又名玉蜀黍，俗稱(chēng)苞谷、棒子、珍珠米等，是世界上分布最廣泛的糧食作物之一，在我國(guó)播種面積居第1位。玉米籽粒在存儲(chǔ)過(guò)程中，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，其內(nèi)源酶活性減弱，呼吸強(qiáng)度降低，原生質(zhì)膠體結(jié)構(gòu)松弛，生物化學(xué)和物理化學(xué)性質(zhì)改變，生活力減弱，儲(chǔ)存品質(zhì)劣變，由于胚部大，脂肪含量高，相同條件下，玉米較其他谷物的儲(chǔ)存穩(wěn)定性差。前人做了大量的研究，結(jié)果表明水分對(duì)玉米儲(chǔ)存品質(zhì)影響很大，并證明超干有利于玉米儲(chǔ)存[1]。

種子超干貯藏是將種子含水率降至5%以下，密封后置于常溫條件下貯藏，又稱(chēng)超低含水率貯藏。超干貯藏不但具有低溫貯藏的效應(yīng)，極大地延長(zhǎng)種子壽命，而且可降低保管費(fèi)用，簡(jiǎn)便易行、高效低耗且利于環(huán)保。在種子尤其是種質(zhì)資源和高價(jià)值種子的長(zhǎng)期貯藏中，應(yīng)用前景廣闊[2]。目前，世界上許多大學(xué)和科研院所對(duì)種子超干貯藏進(jìn)行了研究，最早是1986年英國(guó)里丁大學(xué)將芝麻種子水分由5%降至2%，壽命提高了40倍[3]。水分熱力學(xué)分析是研究種子水分與周?chē)h(huán)境關(guān)系的方法之一。水分由于親水和疏水的相互作用，可以影響大分子結(jié)構(gòu)，而反過(guò)來(lái)大分子結(jié)構(gòu)又通過(guò)其對(duì)水分子吸附作用的變化來(lái)影響水分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。已有研究表明不耐干種子對(duì)水分的束縛能力低，較易失去吸附等溫線上第一吸附區(qū)域的強(qiáng)吸附水，繼而引起大分子構(gòu)象的變化從而影響種子活力[4]。種子含水量和貯藏溫度是影響種子活力和生活力的2個(gè)關(guān)鍵因素，在某種程度上可以互補(bǔ)[5-7]。由此，一種操作簡(jiǎn)便、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低的種質(zhì)資源保存技術(shù)——超干貯藏技術(shù)得以發(fā)展起來(lái)[8]。筆者以適宜超干貯藏的不同種類(lèi)玉米種子為材料，研究在超干處理前后種子活力及水分熱力學(xué)特性的變化，以期了解超干處理對(duì)某些種子水分熱力學(xué)特性的影響及與種子活力變化的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料 供試種子有鄭單958、京單28、先玉335、農(nóng)大108。供試種子均為2016年產(chǎn) ，表1為玉米種子的百粒重、發(fā)芽率和含水量。

1.2 方法

1.2.1 種子超干處理。采用硅膠室溫干燥，將超干種子密封于鋁箔袋中，室溫下貯藏，玉米種子經(jīng)過(guò)20 d處理后，含水量分別降為8%和5%。將超干后的種子密封于稱(chēng)量瓶中，備用。

1.2.2 種子含水量（WC）測(cè)定。根據(jù)《國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程》（ISTA），用低恒溫烘干箱測(cè)定，2次重復(fù)。玉米種子須磨碎后測(cè)定，烘干有效面積為0.2 g/cm2。

1.2.3 種子發(fā)芽率測(cè)定。根據(jù)《國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程》（ISTA），每次測(cè)定50粒種子，4次重復(fù)。

1.2.4 種子水分吸附等溫線測(cè)定。在10和30 ℃下，將50 g種子置于具有一系列不同相對(duì)濕度的密封容器中（即種子質(zhì)量不再增長(zhǎng)），測(cè)定WC，繪制種子WC隨相對(duì)水汽壓變化的曲線，即種子在10和30 ℃下的水分吸附等溫線。試驗(yàn)結(jié)果為3次重復(fù)的平均值。

1.2.5 水分熱力學(xué)分析。水分的熱力學(xué)吸附特征測(cè)定方法之一就是通過(guò)測(cè)定種子中水分的吸附等溫線[7-12]， 用Vant Hoff和DAcry/watt分析方法測(cè)得束縛水分的不同吸附類(lèi)型和各自的吸附情況。

DAcry/watt方程：

W=KK′（P/P0）/[1+K（P/P0）]+C（P/P0）+kk′（P/P0）/[1-k（P/P0）]

方程由3項(xiàng)構(gòu)成，分別代表3種水分吸附類(lèi)型并分別對(duì)應(yīng)于吸附等溫線上3個(gè)區(qū)段（region 1、region 2、 region 3）。式中第1項(xiàng)代表以單個(gè)水分子為結(jié)合對(duì)象的強(qiáng)吸附位點(diǎn)所結(jié)合的水，這部分水一般是與離子基團(tuán)結(jié)合，在相對(duì)濕度小于15%時(shí)仍存在于細(xì)胞中，是種子在干燥狀態(tài)下吸附水的主要成分；第2項(xiàng)代表以多個(gè)水分子為結(jié)合對(duì)象的弱吸附位點(diǎn)所結(jié)合的水，一般是以氫鍵與極性非離子基團(tuán)結(jié)合為膠體狀的水分，相對(duì)濕度為20%～60%時(shí)可在細(xì)胞中探測(cè)到；第3項(xiàng)代表松散結(jié)合的多分子水，相對(duì)濕度大于60%時(shí)存在于細(xì)胞內(nèi)，一般是與大分子的疏水端結(jié)合或吸附于已吸附的水分子上，屬于自由水。P/P0為相對(duì)水汽壓；K、K′與k、k′分別代表方程式中第1項(xiàng)與第3項(xiàng)中吸附水的位點(diǎn)對(duì)水的吸附力量和吸附位點(diǎn)數(shù)目；C代表方程式中第2項(xiàng)的吸附水位點(diǎn)的數(shù)目及吸附力量。在水分吸附等溫線上找出5個(gè)RH作為（P/P0）值以及對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)WC作為W值代入DAcry/watt方程，解方程組求得熱力學(xué)參數(shù)K、K′、C、k、k′值（計(jì)算K、K′時(shí)，取0～20%RH區(qū)域的5個(gè)點(diǎn)；計(jì)算C值時(shí)，取20%～60%RH區(qū)域的5個(gè)點(diǎn)；計(jì)算k、k′值時(shí)，取大于60%RH區(qū)域的5個(gè)點(diǎn)）。

Clausius-clapeyron方程：

△H=ln（aw1/aw2）R×T1×T2/（T2-T1）

式中，△H是一定水分含量下的熱差焓（differential enthalpy），即所測(cè)溫度范圍內(nèi)一定表面蓋度下的吸附熱量，反映吸附位點(diǎn)對(duì)水的束縛能力；aw1、aw2分別為溫度T1、T2（該試驗(yàn)溫度為30和10 ℃）下的相對(duì)水汽壓（P/P0）；R為理想氣體常數(shù)[8.314 J/（K·mol）]。

1.2.6 種子吸濕回干（H-DH）處理。種子先以水濕潤(rùn)，隨即鋪于濾紙上，再在上層覆蓋2張濕濾紙，使其緩慢吸濕后回干，如此重復(fù)1次，以不經(jīng)吸濕回干處理為對(duì)照。

1.3 數(shù)據(jù)處理 對(duì)比分析法通常是將2個(gè)相互聯(lián)系的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從數(shù)量上展示和說(shuō)明研究對(duì)象的規(guī)模、水平、速度，以及各種關(guān)系是否協(xié)調(diào)。在對(duì)比分析中，選擇合適的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)是十分關(guān)鍵的步驟，選擇合適，才能做出客觀的評(píng)價(jià)，選擇不合適，可能得出錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種子的水分吸附等溫線 常規(guī)種子的水分吸附等溫線具有反S型特征，并呈現(xiàn)出3個(gè)明顯的區(qū)段：region 1、region 2、region 3，分別對(duì)應(yīng)于DAcry/watt公式中的3項(xiàng)；而頑拗型種子的水分吸附等溫線是簡(jiǎn)單的雙曲線，這2類(lèi)種子對(duì)水分的吸附在吸附等溫線上反應(yīng)出明顯的不同。而在常規(guī)種子中進(jìn)行耐干能力的比較則要對(duì)各種熱力學(xué)系數(shù)有詳細(xì)的了解。

表1、2分別是10、30 ℃時(shí)4種玉米種子在一定相對(duì)濕度下達(dá)到水分平衡后的含水量，圖1～4是根據(jù)表1、2數(shù)據(jù)制得的4種玉米種子的水分吸附等溫線。

從水分的吸附等溫線的形狀看，鄭單958、先玉335、京單28和農(nóng)大108的吸附等溫線均為反S型，都可以分出3個(gè)區(qū)段：第1區(qū)段（region 1）為0～20%相對(duì)濕度，水分隨相對(duì)濕度上升較快，然后達(dá)到平緩；第2區(qū)段（region 2）為20%～60%相對(duì)濕度，此區(qū)段的曲線近似于線性平緩上升；第3區(qū)段為70%～95%相對(duì)濕度，曲線有比較大的陡度。不同種子的吸附等溫線不同，從表1可以看出，不同品種對(duì)水分敏感的程度不同，不同時(shí)期對(duì)水分的吸收也不同。

2.2 不同種子中水分存在狀況的熱力學(xué)特征 將表1所繪吸附等溫線上取得的數(shù)據(jù)代入DAcry/watt方程，按照“1.2.5”所述方法得出具有熱力學(xué)意義的參數(shù)K、K′、C、k、k′（表3）。

Vertucci等[13]指出，吸附等溫線上region 1的水分（RH為0～20%）具有很大的負(fù)△H值是耐干的重要原因之一，如果除去此水分將導(dǎo)致種子活力下降，因此，種子本身對(duì)此階段水的束縛力量決定了種子在干燥過(guò)程中的耐受能力，吸附力量（K）大、吸附位點(diǎn)數(shù)目（K′）多，則耐干能力強(qiáng)。從表3可以看出，對(duì)超干燥處理較敏感的京單28和農(nóng)大108的K值比其他種子小，而k′值也低于其他種子，說(shuō)明此類(lèi)種子在低的相對(duì)濕度環(huán)境中，不僅種子本身對(duì)水分的吸附位點(diǎn)數(shù)目少，而且種子對(duì)水分的吸附力量比耐干種子小。

2.3 種子吸附水的熱力學(xué)特征與耐干程度的關(guān)系 根據(jù)吸附等溫線在其上取得不同含水量時(shí)對(duì)應(yīng)的10與30 ℃時(shí)的相對(duì)濕度，用Clausius-clapeyron分析計(jì)算得出△H值，繪制出圖5～8。從圖中看出，對(duì)水分敏感的京單28與農(nóng)大108的△H最大負(fù)值峰均比其他耐干種子的低，這從另一個(gè)角度說(shuō)明此類(lèi)種子對(duì)束縛水的束縛能力下降，外界提供較低的能量即可使其部分束縛水丟失；京單28與農(nóng)大108的△H最大負(fù)值對(duì)應(yīng)的含水量均比鄭單958和農(nóng)大108高，而且在△H趨近于0時(shí)對(duì)應(yīng)的含水量也高，這表明有較高含水量的種子在進(jìn)一步脫水過(guò)程中若繼續(xù)提供足夠的能量會(huì)造成region 1水分喪失，從而引起大分子構(gòu)象變化，這也可能是京單28和農(nóng)大108種子耐干性不如鄭單958和先玉335。

3 結(jié)論與討論

（1）鄭單958、先玉335、京單28和農(nóng)大108的吸附等溫線均為反S型，都可以分出3個(gè)區(qū)段：第1區(qū)段（region 1）為0～20%相對(duì)濕度，水分隨相對(duì)濕度上升較快，然后達(dá)到平緩；第2區(qū)段（region 2）為20%～60%相對(duì)濕度，此區(qū)段的曲線近似于線性平緩上升；第3區(qū)段（region 3）為70%～95%相對(duì)濕度，曲線有比較大的陡度。不同種子的吸附等溫線不同，不同品種對(duì)水分的敏感程度不同，不同時(shí)期對(duì)水分的吸收也不同。

（2）京單28和農(nóng)大108的K值比其他種子小，而k′值也低于其他種子，說(shuō)明此類(lèi)種子在低的相對(duì)濕度環(huán)境中，不僅種子本身對(duì)水分的吸附位點(diǎn)數(shù)目少，而且種子對(duì)水分的吸附力量比耐干種子小，是超干燥處理較敏感的種子。

（3）對(duì)水分敏感的京單28與農(nóng)大108的△H最大負(fù)值峰都要比其他耐干種子的低，這從另一個(gè)角度說(shuō)明此類(lèi)種子對(duì)束縛水的束縛能力下降，外界提供較低的能量即可使其部分束縛水丟失。

（4）京單28與農(nóng)大108的△H最大負(fù)值對(duì)應(yīng)的含水量都比鄭單958和農(nóng)大108高，而且在△H趨近于0時(shí)對(duì)應(yīng)的含水量也高，這表明有較高含水量的種子在進(jìn)一步脫水過(guò)程中若繼續(xù)提供足夠的能量會(huì)造成region 1水分喪失，從而引起大分子構(gòu)象的變化，這也可能是京單28和農(nóng)大108種子耐干性不如鄭單958和先玉335。

（5）超干處理使那些對(duì)水分子吸附相對(duì)較弱且較易因超干而改變結(jié)構(gòu)的大分子喪失了對(duì)水分子在region 1的吸附作用，留下的均是較難因超干而改變結(jié)構(gòu)的大分子，是其對(duì)水分子的平均吸附力量相對(duì)超干前更大的原因。超干導(dǎo)致不耐干種子的一些大分子結(jié)構(gòu)因失水而發(fā)生不可逆的改變，使它們對(duì)水分子的吸附位點(diǎn)減少，吸附能力減弱，量化地反映在水分吸附等溫線中相關(guān)區(qū)段水分含量和水分子熱。超干導(dǎo)致的細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理特性的變化反映在使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致電解質(zhì)滲漏增多和酶活性下降。因此，測(cè)定超干前后種子水分吸附等溫線及水分熱力學(xué)參數(shù)可以判斷種子的耐干性。以上方法基于水分熱力學(xué)分析方法計(jì)算所得，與束縛水的實(shí)測(cè)分析可能會(huì)有偏差。

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