非熱加工技術對種子萌發(fā)生物效應的研究進展

楊慧，周霖，邊媛媛，武俊瑞*

1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院（沈陽 110000）；2. 沈陽醫(yī)學院公共衛(wèi)生學院（沈陽 110000）

可食用的農(nóng)作物（糧食作物、油料作物、蔬菜作物）是人類基本食物的來源之一。根據(jù)世界糧農(nóng)組織（FAO）報告，2018年世界糧食產(chǎn)量約25.87億 t，消費量約26.83億 t。因此，糧食安全成為一個重要且令人擔憂的全球問題。從耕地面積難以增加的社會現(xiàn)狀來看，確保糧食安全的主要途徑為提高可食用農(nóng)作物的產(chǎn)量和種子發(fā)芽率，同時優(yōu)化農(nóng)作物品質(zhì)。

種子發(fā)芽是植物生命中一個重要階段，它既受內(nèi)在因素（胚的完整性等）的影響，又受外在因素（水、溫度、氧氣和光照等）的影響。在適宜條件下，種子萌發(fā)迅速；在不利條件下，種子呈現(xiàn)休眠狀態(tài)，暫緩發(fā)芽或發(fā)芽緩慢。促進種子發(fā)芽常用的方法有灌溉、低溫層積、施肥等。其中，灌溉由于水是一種稀缺資源，其所使用的農(nóng)田水資源的可用性以及所用的水質(zhì)仍具有爭議；低溫層積法由于催芽時間較長，尚需進一步探索；使用磷、二胺、尿素等常用肥料也可提高種子發(fā)芽率和作物產(chǎn)量，但肥料對環(huán)境和植物的不利影響不可忽視。近幾年，在食品行業(yè)中，一些非熱加工技術在干燥、萃取、表面改性、乳化、保鮮、滅菌等加工操作中得到廣泛應用。它們也可用作打破種子休眠和改善種子發(fā)芽特性的有效技術。這些技術與傳統(tǒng)方法相比，其優(yōu)勢在于減少農(nóng)藥用量，減少對環(huán)境和生物的負面影響，種子的遺傳變異小，適用于種子儲存期和播種前的消毒處理[1]。

針對脈沖電場、超聲、微波輻射、低溫等離子體、超高壓處理等非熱加工技術對不同農(nóng)作物種子萌發(fā)和生長特性的影響及它們提高種子發(fā)芽率的內(nèi)在機制展開探究與分析。

1 高壓脈沖電場技術

高壓脈沖電場（PEF）是一種非熱液態(tài)食品加工和保藏技術。它是在適宜的溫度條件下，對食品進行高電壓（0～50 kV）和短脈沖（0～2 000 μs）處理，達到殺菌鈍酶目的，從而能最大限度保存食品原有風味、口感和營養(yǎng)價值。除此之外，PEF還具有粒子束和電子輻射作用，可以改變種子的生理變化，從而影響種子萌發(fā)。

遲燕平等[2]發(fā)現(xiàn)，PEF可以提高番茄種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，尤其以發(fā)芽勢的提高最為顯著，其最佳作用條件為6～8 kV/cm的場強下作用180 s。劉建民等[3]證實PFE能夠顯著提高薔薇種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)。Dymek等[4]研究不同電壓下（110，160，240，320，400和480 V）PEF對大麥種子生理代謝的影響，結果發(fā)現(xiàn)PEF處理促進大麥種子胚根的萌發(fā)，但對大麥種子總的代謝活性影響不顯著。Mahajan等[5]將鷹嘴豆置于1.3 kV電場中作用15 min，結果顯示電場使種子內(nèi)部產(chǎn)生大量的偶極子，這些極子會與水分子相互作用，促使種子吸收更多的水分，從而提高了鷹嘴豆的發(fā)芽率。Kiatgamjorn等[6]研究發(fā)現(xiàn)在20 kV/m電場強度下處理的大豆種子，由于偶極子排列的差異性，電場水平方向的種子發(fā)芽率高于垂直方向。類似的報道指出，亞麻種子經(jīng)PEF處理后，其發(fā)芽率從2%提高到13%[7]；番茄種子在30 kV/m電場中處理30 s后的發(fā)芽率為100%，而對照組只有76%[8]。

因此，PEF處理對提高種子的發(fā)芽率具有積極影響，其作用機制在于電場的綜合場效應，可引起種子內(nèi)偶極-偶極相互作用，如發(fā)生種子細胞內(nèi)蛋白質(zhì)、糖、脂質(zhì)等極性分子和離子的定向排列，使含金屬的酶構象發(fā)生變化，從而提高酶的活性，引起種子某些生理變化，例如呼吸作用加快，種子吸水率提高，光合作用增強等，最終促進種子萌發(fā)。

2 超聲

超聲是一種頻率大于20 kHz且不引起聽覺的彈性機械波，具有處理效率高、作用溫和、成本低等優(yōu)點，近年來被廣泛應用于提取、干燥、均質(zhì)化、乳化、脫水、消泡及萃取等食品加工環(huán)節(jié)。此外，超聲波作為一種能量也可作用于種子，從而對種子萌發(fā)和幼芽生長產(chǎn)生一定影響。

許多研究表明，超聲處理對于種子的發(fā)芽率和生長發(fā)育具有積極影響。任興安等[9]研究表明水稻種子經(jīng)超聲（250 W，13～18 kHz）處理后，相對于對照組，其發(fā)芽率提高10%以上，且芽長明顯增加29.11%～43.67%，根的增長幅度約44%。程威威等[10]證實超聲處理8 h后糙米的發(fā)芽率提高29.25%。Yaldagard等[11]研究也發(fā)現(xiàn)，與對照種子相比較，在460 W的超聲處理下作用大麥種子5～10 min，其發(fā)芽期縮短30%～45%。同樣，芝麻種子經(jīng)20 kHz超聲處理10～20 min后，其發(fā)芽率也顯著增高，進一步試驗表明，這是由于超聲處理后，芝麻種皮和種子周圍的保護層上產(chǎn)生縫隙，提高種子的吸水量[12]。然而在Goussous等[13]的研究中，經(jīng)40 kHz超聲處理不同時間后的鷹嘴豆、小麥和西瓜的發(fā)芽率分別提高133%（45 min），95%（30 min）和45%（5 min），但辣椒種子的發(fā)芽率下降19%。同樣對茴香種子進行超聲處理，也出現(xiàn)類似結果，其發(fā)芽率下降30.5%[14]。此外，趙艷軍等[15]發(fā)現(xiàn)小麥種子經(jīng)超聲處理10 min后，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、活力指數(shù)和淀粉酶活力與對照組相比分別提高4%，3%，1.46和7.06 U，而當超聲處理時間超過20 min后，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率等生物學指標受到顯著的抑制。

因此，適宜的超聲處理對種子萌發(fā)有積極的影響，其原理在于超聲作為一種聲能，能沖擊種子表面引起種皮軟化，從而改變細胞壁的結構和細胞膜的通透性，有利于種子的吸水膨脹，并提高種子內(nèi)酶的活性，使細胞活力增強。

3 微波輻射

微波是一種波長范圍為1 nm～1 m、頻率范圍為300 MHz～300 GHz的電磁波（常用的波長12.2 cm、頻率2.45 GHz），主要應用于加熱干燥、殺菌、烘烤、烹調(diào)及解凍和滅酶等多種不同工藝的食品領域，具有加熱均勻、熱效應高、無污染和易于控制等優(yōu)勢。除此之外，微波的生物學效應受到越來越多學者關注，尤其是微波對種子萌發(fā)和生長速率的影響。

研究表明，微波處理對于一些農(nóng)作物（糧食和蔬菜種子）的發(fā)芽率有促進作用，尤其對帶有硬殼的小顆粒種子，效果更為顯著。胡燕月等[16]發(fā)現(xiàn)微波處理（功率高于450 W）對水稻種子萌發(fā)和芽長生長具有明顯的促進作用，且與微波產(chǎn)生的熱效應無關。同樣，在2.45 GHz的微波條件下處理MR219水稻種子10 h后，其發(fā)芽率提高100%，這可能是因為微波促進水稻種子中胚對水分子的吸收[17]。楊俊紅等[18]證實微波不僅提高白菜種子的發(fā)芽率，而且也提高其耐鹽堿性。劉金文等[19]發(fā)現(xiàn)微波處理使大豆種子通過調(diào)節(jié)自身糖含量的差異，促進其發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)。Jakubowski[20]研究微波對食用馬鈴薯塊莖發(fā)芽的影響，結果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，微波促進馬鈴薯塊莖的出芽率。與上述試驗發(fā)現(xiàn)相反，Sahin[21]發(fā)現(xiàn)在2.8 kW功率下對雜草種子進行微波處理126 s，由于其熱效應，其發(fā)芽抑制率為100%。同樣，經(jīng)過9.3 GHz的微波處理5 min后的蘿卜和胡蘿卜種子的發(fā)芽率與空白對照組相比也明顯降低[22]；使用10.5和12.5 GHz這2個微波頻率處理蘿卜種子時，其發(fā)芽率和下胚軸生長均受到抑制[23]。郝曜山等[24]以冬小麥為材料，發(fā)現(xiàn)低功率微波處理對種子萌發(fā)起促進作用，高功率則起抑制作用，且抑制作用隨微波功率及處理時間的增加而增強直至種子失去萌發(fā)能力。

微波對種子萌發(fā)的影響取決于種子的類型、微波頻率、功率和作用時間。其作用機理為：低功率微波產(chǎn)生的電磁波，使種子體內(nèi)某些代謝活動增強，如呼吸強度、根系活力等，同時也改變了種子內(nèi)某些生物大分子的結構，導致種子吸水量增加，促進種子萌發(fā)；但如果對種子使用較高功率和作用長時間的微波處理，熱效應則會破壞種子的結構和功能，降低種子活力，抑制種子萌發(fā)。

4 低溫等離子體

低溫等離子體是氣體在高電壓或者高溫狀態(tài)下產(chǎn)生的異于固、液、氣三態(tài)的原子、離子、電子等粒子集合體，按照離子溫度不同又分為熱等離子體和低溫等離子體，其中，低溫等離子體技術具有經(jīng)濟、安全、無污染的優(yōu)點，主要應用在食品保鮮、微生物滅菌、降解農(nóng)藥等方面。此外，低溫等離子體在提高種子發(fā)芽率方面也發(fā)揮著積極重要的作用。

研究發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)處理的種子相比，低溫等離子體處理后的油菜籽種子發(fā)芽率提高7.7%，綠豆種子發(fā)芽率提高15.3%，大豆種子的發(fā)芽率從14.66%提高到63.33%，這是由于等離子處理后種子的親水性增強，從而促進種子吸水膨脹和萌發(fā)[25-26]。于晶等[27]也發(fā)現(xiàn)低溫等離子體處理胡蘿卜種子，可使出苗期和肉質(zhì)根膨大期提前，提高胡蘿卜產(chǎn)量。李玲等[28]研究發(fā)現(xiàn)低溫等離子體處理后，大豆、油菜、花生和芝麻種子發(fā)芽指數(shù)分別比對照提高8.04%，7.94%，12.68%和12.50%，活力指數(shù)分別較對照提高26.17%，20.10%，18.19%和31.03%；張娜等[29]發(fā)現(xiàn)小麥種子經(jīng)低溫等離子體機處理后，顯著提高小麥的株高、分蘗數(shù)和穗粒數(shù)等，且增產(chǎn)效果明顯。也有試驗表明，等離子技術對小麥的發(fā)芽率影響不明顯，但促進了芽和根的生長[30]。

等離子體技術促進種子萌發(fā)的原因：一方面可能是等離子體使種子細胞活力增強，導致一系列生理代謝反應加快進行；另一方面，等離子體可能改變了種子的種皮結構，使其親水性和通透性增強，促使外部的水和氧氣迅速進入種子，從而提高種子發(fā)芽率。

5 超高壓技術

超高壓技術（HHP）是指以水作為介質(zhì)，在常溫或較低溫度下對試驗樣品施以3～5 min的100～800 MPa壓力。HHP在食品行業(yè)應用較廣，是一種改善食品安全和品質(zhì)的新技術，可改變食品中酶、蛋白質(zhì)及淀粉等生物大分子的活性，同時殺死細菌等微生物以達到滅菌的效果。有趣的是，HHP對種子萌發(fā)也有一定的影響。

Ariefdjohan等[31]在研究HHP處理對紫花苜蓿種子的影響時發(fā)現(xiàn)，475 MPa壓力處理2 min后，其發(fā)芽率僅28%，而對照組的發(fā)芽率為95%。??lek等[32]研究發(fā)現(xiàn)高于或低于300 MPa的壓力處理會破壞種子胚的完整性，從而降低其發(fā)芽率。在HHP作用綠豆種子時，Pe?as等[33]發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增大其發(fā)芽率降低，其原因可能是高壓處理改變或破壞種子種皮的通透性，導致細胞內(nèi)鹽類、有機物等滲出，使其細胞內(nèi)環(huán)境中酶的活性改變，即高壓處理對種子內(nèi)部的膜防御體系造成了較大的破壞。Wuytack等[34]證實高壓會導致種子中部分化合物的水合作用不完全，致使種子發(fā)生發(fā)芽滯后的現(xiàn)象。徐世平等[35]通過高壓處理水稻種子，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的升高其發(fā)芽率降低，且幼苗生長受到抑制，但在中后期壓力處理的稻株生長迅速、長勢及產(chǎn)量超過對照組。申斯樂等[36]利用高壓對小麥種子進行處理，發(fā)現(xiàn)高壓對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長有一定的抑制作用，并且壓力及保壓時間對種子萌發(fā)均有影響，但這種影響并非隨著壓力升高而增加，在某一條件下，種子萌發(fā)及幼苗長勢會出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象說明，壓力會對種子造成一定的損傷，但種子對壓力的損傷會產(chǎn)生抗御作用，即當壓力到達臨界值時，種子將啟動自我修復功能，然而當壓力繼續(xù)增大時，其損傷會再次加劇。值得注意的是，壓力處理對種子發(fā)芽率的負面作用可用于控制馬鈴薯塊莖上芽的生長，試驗表明100 MPa處理后馬鈴薯塊莖上芽的形成率比對照組低65%[37]。

因此，種子發(fā)芽率的降低與壓力水平和暴露時間顯著相關，而壓力水平的升高和暴露時間的延長抑制種子發(fā)芽過程中的生理代謝。

6 結語

非熱加工技術在適宜條件下可以提高農(nóng)作物種子的活力，促進種子萌發(fā)，進而提高農(nóng)作物產(chǎn)量，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有廣闊的應用前景。此外，在處理種子過程中可以減少農(nóng)藥、激素和化學肥料的使用量，降低大氣、土壤和水體中污染物含量，達到優(yōu)化人類的生存環(huán)境目的。同時，農(nóng)作物中的農(nóng)藥殘留隨之減少，保護生態(tài)平衡，間接提高食品安全性，有益于人類健康。因此，在能源危機深重的21世紀，出于糧食安全、保護耕地、土壤和生命安全的需要，種子的非熱加工技術值得大力推廣。