花生種皮變化對種子抗破損力的影響

王 通禹山林謝宏峰 陳明娜王 冕陳 娜潘麗娟許 靜馮 昊遲曉元

(山東省花生研究所/農(nóng)業(yè)部花生生物學與遺傳育種重點實驗室,山東 青島 266100)

花生是我國重要的油料作物和經(jīng)濟作物,其種植面積及年產(chǎn)量均居世界前列,在我國食品加工、食用油脂供應及出口貿(mào)易中均占有重要地位[1]。在花生的生產(chǎn)、加工及貿(mào)易中,脫殼是其重要環(huán)節(jié)之一[2]。脫殼破碎率是影響花生籽仁品質(zhì)和商品特性的重要因素之一。人工剝殼對種子損傷較小,但效率低,成本高。雖然機械剝殼速度快,但破碎率高,且發(fā)芽率低,反而降低了其商業(yè)品質(zhì)和價值[2-3]。因此,降低花生籽仁的機械破損率一直是備受關(guān)注的技術(shù)難題。

花生的脫殼效率和種子破損率是衡量花生脫殼效果最直觀的指標,其與種子抗機械損傷能力有直接關(guān)系。目前,關(guān)于如何降低花生機械脫殼種子破損率的研究主要圍繞花生的品種類型、含水量、莢果形狀和籽仁形狀,以及脫殼機械的工作性能和操作工藝等方面,以分析干燥花生籽仁的機械破損變化為基礎(chǔ),從力學特性上揭示花生種子的抗機械損傷特性[4-9]。然而有關(guān)花生種子的組織細胞結(jié)構(gòu)、生理變化等因素與花生種子抗機械損傷的關(guān)系的研究尚無報道。

花生種子由種皮、子葉和胚3部分構(gòu)成,其中種皮主要起到保護作用,可降低各類生物和非生物對種胚的損傷[10],種皮的保護作用與其組織細胞的物理結(jié)構(gòu)(厚度、密度、裂縫和空洞化等)和化學組分(果膠質(zhì)、多酚、生物堿和花青素等)變化密切相關(guān)[11-13]。為探明收獲后花生種皮超顯微結(jié)構(gòu)及組成的變化,研究干種子破損率變化的細胞和生理機理,本文利用收獲的花生種子為材料,進行曬干和存儲,對不同時間段的種子進行含水量、抗破損力檢測,并對種皮進行果膠質(zhì)含量差異以及細胞壁超顯微結(jié)構(gòu)的變化過程進行研究,以期為花生種子加工技術(shù)的發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為花育917,是由山東省花生研究所育成的高油酸大花生。于2019年9月花生收獲后,在萊西試驗農(nóng)場進行晾曬、取樣和存儲。

1.2 含水量檢測和取樣

花生晾曬過程中,于每日18時稱取約200 g潔凈雙仁莢果,設(shè)3個重復。參照朱萍等[14]的方法,利用臺式鼓風干燥箱,在130～133℃下對種子進行相對含水量(Relative Moisture Content,RMC)檢測。分別在含水量為28%、10%和8%時,隨機取種子進行后續(xù)破損力、種皮果膠質(zhì)和超顯微結(jié)構(gòu)檢測。

1.3 抗破損力測定

花生種子抗破損的力學測定參照易克傳[4]和王京[15]等的方法,利用數(shù)顯硬度計(FT-ZG01)檢測使花生種子破裂的正壓破損力,每組重復10次。

1.4 果膠質(zhì)相對含量測定

稱取花生種皮2 g,研磨粉碎,參照茅林春[16]和萬清余[17]等的方法進行花生種皮原果膠質(zhì)和水溶性果膠質(zhì)含量的檢測。

1.5 電鏡觀察

花生種皮切成1mm×2mm 小塊,置于密封管中,用FAA溶液(用38%甲醛5 mL,冰乙酸5 mL,70%酒精90 mL 和甘油5 mL 配制)進行組織固定。參考周桂元等[12]的方法根據(jù)電鏡制樣程序,將種皮橫斷面、內(nèi)表皮和外表皮鍍膜后,在掃描電鏡下觀察種皮超微結(jié)構(gòu),對其標定后進行拍照。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子抗破損力的變化

圖1發(fā)現(xiàn),花生莢果收獲后,晾曬至干燥過程中,種子含水量不斷降低,由最初30%(晾曬2 d)降至約10%(晾曬10 d,至干燥),同時種子抗破損力也呈降低趨勢,由74 N 降至68 N。在花生曬干后,置于倉庫存儲至90 d,使種子抗破損力繼續(xù)降低,至55 N。種子抗破損能力與種子抗破損力大小呈正相關(guān)性,因此,種子含水量和存儲時間對種子抗破損能力均有一定的影響。

圖1 花生種子干燥、存儲過程中抗破損力、果膠質(zhì)含量變化分析Fig.1 Changes of anti-breakage force,moisture and protopectin content of peanut seed during drying and storage

2.2 花生種皮果膠質(zhì)含量變化分析

對種皮果膠質(zhì)含量變化的研究表明(圖1),剛收獲的鮮花生種皮果膠質(zhì)大部分為原果膠質(zhì),相對含量約0.97mg/g FM,而水溶性果膠質(zhì)含量很低,約0.27 mg/g FM。隨種子干燥和貯藏時間的延長,種皮中原果膠質(zhì)表現(xiàn)出下降趨勢,而水溶性果膠質(zhì)持續(xù)增加,并在種子貯藏90 d后,種皮水溶性果膠質(zhì)含量(0.55 mg/g FM)超過原果膠質(zhì)(0.41 mg/g FM)。原果膠質(zhì)含量與花生種子的干燥、存儲時間具有顯著負相關(guān)性,推測其含量的減少和可溶性果膠質(zhì)的增加對花生種皮的物理結(jié)構(gòu)強度有影響,進而降低了對種子的保護作用。

2.3 不同干燥程度花生種皮的超顯微結(jié)構(gòu)變化

花生種皮的橫斷面結(jié)構(gòu)顯示,收獲、晾曬2 d后(圖2 A),種皮的表皮層、柵欄層和柱狀細胞層等結(jié)構(gòu)細胞間填充物較多,細胞密度大,細胞排列緊密、空洞小。隨著花生含水量的降低和存儲時間的延長(圖2 B 和C),種皮結(jié)構(gòu)細胞間隙增大(填充物顯著減少),細胞密度降低,空洞化加重,各結(jié)構(gòu)層變薄,整個種皮厚度嚴重縮減。在曬干、儲藏90 d后(圖2 C),種皮各細胞層間結(jié)構(gòu)強度顯著降低,并出現(xiàn)細胞層破碎。

對花生內(nèi)(圖2 D,E,F)、外(圖2 G,H,I)種皮表面進行超顯微觀察,結(jié)果顯示,種皮內(nèi)表皮平滑,表面紋理呈不規(guī)則狀,其凸起較寬、淺;表皮細胞排列緊密,細胞間隙很小,細胞界限不清晰(圖2 D)。隨著種子含水量的降低,種皮內(nèi)表皮細胞出現(xiàn)萎縮,細胞紋理先趨于平坦化(圖2 E);然而在儲存90 d以后,內(nèi)表皮細胞紋理變得更淺、更密(圖2 F),但其他結(jié)構(gòu)特性無顯著變化。種皮外表面呈不規(guī)則的凹入和凸起,表皮紋理為網(wǎng)紋狀;細胞界限清晰,排列緊密,交聯(lián)處凹陷成溝,而細胞表面隆起為較粗的脊,隆脊表面有不規(guī)則的細鱗狀凸起(圖2 G)。隨著含水量降低(圖2 H),外表皮細胞表面隆脊變低,鱗狀凸起消失,但細胞結(jié)構(gòu)和網(wǎng)紋分布基本保持完整。經(jīng)長期干燥儲存90 d后,細胞表面隆脊顯著凹陷,并在表面形成新的凹凸網(wǎng)紋,細胞間的交聯(lián)溝基本消失,細胞界限不清;同時,因細胞壁的脫水、塌陷,外種皮的凹凸網(wǎng)紋及其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂、破損(圖2 I)。以上說明,隨著含水量的降低和存儲時間的延長,花生種皮紋理隆起,細胞牢固性變差、容易破裂,空洞細胞內(nèi)陷嚴重,這可能與種皮原果膠質(zhì)的減少有關(guān)。因此,機械脫殼使花生種皮極易破碎。

圖2 鮮花生干燥過程中種皮的電鏡超顯微掃描圖Fig.2 Ultrastructural observation of peanut testa during drying

3 結(jié)論

果膠質(zhì)(pectin)是一類廣泛存在于高等植物細胞壁的初生壁和胞間片層的雜多糖,其主要與種皮中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等細胞相結(jié)合形成原果膠質(zhì)[18-19],在維持細胞間粘合、穩(wěn)定組織細胞結(jié)構(gòu)上起到重要調(diào)節(jié)作用[20-21]。而種皮細胞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對種皮的機械強度和保護作用有直接影響[12-13]。在花生成熟干燥和存儲過程中,種皮的果膠質(zhì)組成和細胞結(jié)構(gòu)均發(fā)生顯著變化,其中較明顯的是原果膠質(zhì)不斷向水溶性果膠質(zhì)轉(zhuǎn)變(圖1),這種轉(zhuǎn)變可能與種皮細胞的交聯(lián)作用被破壞有關(guān),并導致細胞層斷裂、破碎,使得種皮細胞層的穩(wěn)定性和機械強度降低,對種胚保護作用變差(圖2)。說明花生種子的成熟、干燥和存儲過程就是種皮細胞衰老失活和各類化學物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化的過程。

含水量是影響花生種子機械破損率的重要因素之一[4,16],尤其在鮮花生晾曬至干燥過程中,種子含水量、種子抗破損力和種皮原果膠質(zhì)含量均呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢(圖1),雖然種皮厚度有所降低,種皮細胞表面扁平化,但細胞結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,機械強度較高,對種子還有一定保護作用(圖2),使種子保持較高的抗破損能力。對于長期存儲(3個月以上)的花生干種子,其含水量幾乎無變化,但是種子抗破損力和種皮原果膠質(zhì)含量仍有顯著降低,且種皮細胞的物理結(jié)構(gòu)嚴重破損,機械強度以及對種子的保護作用也明顯變差,種子抗破損力顯著變低,破碎率增加。對長期存放的干花生噴灑適量的水,放置24 h,然后進行機械脫殼,在一定程度上可提高種子抗破損能力,降低破碎率[3],這可能與種皮吸水后細胞結(jié)構(gòu)和機械強度變化有關(guān)。以上說明,含水量和果膠質(zhì)含量變化通過影響花生種皮的結(jié)構(gòu)和機械強度,進而影響種子對破損的抗性,并呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性。

總之,在機械脫殼過程中,為了降低花生籽仁的損傷率,應選擇曬干后儲藏不久的莢果進行脫殼,脫殼前不需噴水,脫殼后的種子易于后續(xù)的加工、存儲。雖然噴水脫殼的方法也可降低破碎率,但存在一些問題,不易應用推廣:首先花生種子吸水后,胚已有萌動,需盡早播種,若存放時間過長,很容易發(fā)霉變質(zhì);其次花生籽仁的破碎率仍然較高,農(nóng)民難以接受。另外,在花生育種方面,應注重選育種皮中原果膠質(zhì)含量和機械強度較高的品種,以提高花生種子的抗破損力和脫殼效率。