稳态强磁场中小麦储藏生理特性分析

蒋华伟 李战升 甄 彤 李卫东 李晓丽 嵇立安

(河南工业大学信息科学与工程学院1，郑州 450001)(河南省邮电规划设计研究院2，郑州 450008)

我国不仅是小麦生产大国，也是小麦产后储藏的重要国家，实际储存中小麦会受到虫害、霉变以及小麦自身呼吸消化等引起的陈化变质情况。联合国粮农组织(FAO)的调查发现:世界每年平均储粮损失约10%～18%。除去约5%～7%是霉菌侵染发生霉变而不能食用外，其余基本上是由储藏技术和条件不当所造成的粮食品质坏变。

对小麦储藏期间品质特性变化以及小麦陈化效应和机理研究，国内外已开展了相关工作［1－4］。研究发现小麦储存代谢和陈化过程的生理特性变化是一个不可忽视的因素;因此，为延缓小麦储藏时的陈化过程，需要研究储藏期间表现为降落值、生活力、黏度等生理特性的变化规律，以此来揭示小麦储藏中生化指标的深层量化关系。

针对粮食陈化过程的生理和生化特性，特别是粮食储藏期间自身呼吸和微生物活动等的变化，目前已有较多的前期试验分析。如梁微等［5］和Thomas等［6］对储粮过程中霉菌数量和CO2浓度变化的关联性开展了研究。还有Antonio等［7］在不同情况下，通过监测CO2浓度变化来预测霉菌的活动状态以及对粮食储藏危害的差异性关系分析。耿旭等［8］利用试验测试来推断储粮霉菌的生长情况。罗建伟等［9］研究不同条件下CO2气体浓度对粮食真菌的抑制效果。

这些试验分析工作很少关注储藏环境中电磁场等非生物因素对小麦的作用效应。虽然有陈仁菊等［10］和高梦祥等［11］开展了脉冲磁场中脉冲数和强度对鲜牛奶酶活性的影响研究，尹焕才等［12］和张萍萍等［13］进行了强磁场对小麦抗氧化酶的诱导表达作用以及对枯草芽胞杆菌影响的前期探索，以及文献［14］中探讨了强磁场对粮食储藏期间呼吸作用的效应。不过这些不涉及强磁场与小麦储藏期间质变之间的作用关系，尤其是超导稳态强磁场对小麦储藏陈化变质中生理特征参数的效应鲜有研究，不了解稳态强磁磁场在小麦质变和陈化过程的作用机制。因此，本研究开展了稳态强磁场下小麦储藏中降落值、生活力(指小麦发芽潜在能力和胚所具有的生命力，通常用发芽势或发芽率来表示)和黏度等生理作用探索，以揭示储藏小麦质变与稳态磁场强度间的关联性，为小麦的安全储藏提供技术支撑。

1 稳态强磁场

目前，国内外强磁场实验室的稳态强磁场一般是由超导磁体和水冷磁体构成的混合磁体，用于提供接近或高于40 T的磁场强度。其中水冷磁体主要采用常规导体和比特片(Bitter)构成;而超导磁体一般通过铌三锡(Nb3Sn)线圈内插于铌钛(NbTi)线圈获得。一般来说内插超导磁体可以提供20 T左右的磁场，本次试验测试采用超导强磁场来完成。

超导强磁场主要利用低温下导体的超导(零电阻)特性，由超导导体的快速大电流励磁和多匝线圈的倍增作用产生。由于焦耳热可能导致超导导体的失超现象，所以低温系统和磁体系统中超导导体的设计是关键［15］。

同极低温、超高压一样，强磁场作为极端试验条件下提供的电磁场，可以作为发现、研究和认识新现象等的试验手段［16］。研究发现:强磁场对物质能量的影响与磁场强度的平方成正比，强磁场通过影响物质的反应热、pH值、反应进行方向、反应速率、活化能、熵等，进而对生物的组织、生化反应、生长过程、基因、细菌的新陈代谢产生不可预知的作用。在借鉴大型超导螺旋磁体(LHC)装置以及美国等强磁场试验装置设计经验基础上，国内的中科院等离子所建成了20 T超导磁体设备，近几年中科院强磁场科学研究中心正在建造40 T(目标45 T)混合强磁场装置，目前已有开放有偿使用的SM1(Superconducting Magnet)和SM2超导磁体，它们为进行磁场作用下物性探索奠定了基础。因此利用超导磁体(如SM2)，进行强磁场作用下小麦储藏期间质变和陈化特性(本次主要是生理特征)研究，可以为小麦品质检测，预防储藏小麦霉变和过度陈化提供理论依据，对小麦的安全储藏具有重要的作用。

2 小麦生理特性参数测试试验设计

2.1 试验材料

小麦:豫麦52和豫麦34，经过3个月后成熟期。

2.2 测试中小麦无菌处理

由于小麦种皮较薄，无菌处理时采用浓度为5%的次氯酸钠溶液，时间为5 min;若时间过长，不仅会影响小麦的生命力(尤其是胚部)，还会加速测试中的质变过程。

2.3 测试中小麦水分调节

根据测试中对水分的要求，用蒸馏水喷洒拌和均匀，试验中分别选取5 kg小麦封装在3个1 000 mL玻瓶中，平衡5 d。在整个测试期间，调节瓶内水分的使其湿度保持为相对稳定的12.5%。

2.4 测试中小麦保持温度

为模拟室温下的小麦储藏效果，在试验过程中采用空调、加热器和保温材料等方法，把温度控制在25℃左右。

2.5 稳态强磁场装置

测试采用中科院大科学装置的SM2超导磁体，其参数为:室温孔径52 mm，中心场磁场强度18～20 T，磁场均匀度10－3/cm3量级。温度可控在－269～40℃，精度为±0.5℃，除了无电磁辐射外，对照组与试验组所处环境相同。

2.6 小麦储藏生理特性值测试

降落值根据GB 10361—1989测量。

黏度按照GB 5516—1985测量。

生活力的测定采用红四唑染色法，从纯净的试样中随机取试样2份，每份100粒，放在烧杯内加入清水浸没，在室温下浸6～18 h后用刀片将种子的胚切去一半，将切好的种子移入染液缸，倒入0.2%的红四唑，再将其放入30℃环境中染色40 min，然后数出籽粒胚部被染红的种子即可。

2.7 数据测试处理

在90 d 的储藏时间内，分别在10、20、40、60、70、80和90 d时测量小麦的降落值、生活力和黏度数据。要求在每个测试时间点测量3次，其时间隔为1.5 h，由求平均值消除系统误差和随机误差来确定相应的数据。

3 结果与分析

3.1 常规小麦储藏生理指标变化

采用5%的次氯酸钠溶液对小麦消毒5 min，用无菌水清洗;并调节水分为12.5%;装于温度为25℃的储藏容器中，根据2.6和2.7要求，进行数据试验测试。获得图1所示的降落值、生活力和黏度数据。

图1 12.5%水分和温度25℃储藏小麦生理指标变化

在湿度为12.5%和室温情况下，通过观察图1的数据可以发现:小麦在90 d的储藏期间，其生理特性参数降落值与黏度、生活力的升降变化趋势不同。其中降落值在0～60 d内先急剧增加，然后再从60～70 d内缓慢升到约613 s的最大值，最后在600 s上下的范围内振荡变化。测试期间内小麦的生活力近似呈线性的凹形曲线变化，从89%降为78%，变化幅度为11%。对储藏期间的小麦，在0～60 d内，黏度值首先是快速下降，然后缓慢减小到4 cst。

从降落值和黏度值在0～60 d内的快速变化和后期的缓变情况，可以推测在小麦储藏前期品质可能发生较大变化，而后期发生质变的速度较为平稳。因此，需要对小麦储藏初期的品质变化加强管理，进行定期检测，防止微生物活动、霉变、腐坏等质变而引起的小麦过早陈化。

3.2 稳态强磁场下小麦储藏生理参数变化

数据测量和处理方法见 2.6、2.7 和 3.1。磁场强度选用7 T和15 T，并将密封储藏的小麦暴露于超导强磁场中5 h，然后在非磁场存储状态下测试降落值、生活力和黏度。

采用12.5%水分以及模拟室温的25℃储藏温度，并从5 T、7 T、13 T和15 T磁场强度中选取7 T和15 T的2种处理数据进行对比，具体测试结果见图2和图3。二者生活力特征参数变化趋势与图1几乎一致;另外7 T低场下的3种数据更接近于图1的情况。

观察图2发现，经强度为7 T的磁场中暴露5 h后，在水分为12.5%和温度为25℃时，小麦的降落值早期随时间的延长而快速增加到约为580 s;在60 d后，降落值呈波动形变化并缓慢增大。储藏期间，小麦的黏度在60 d内下降较快，接着再逐渐减小到6 cst。小麦生活力也是呈线性的凹形曲线变化，从92%降到84%，变化了8%。

图2 磁场强度为7 T时12.5%水分和温度25℃储藏小麦生理参数变化

图3 是采用15 T更高的磁场强度并暴露5 h后的结果。对于储藏期间小麦的降落值、生活力和黏度值随时间变化情况类似于图2。不过图3中降落值在60 d后变化不再明显，同时黏度值在60 d，特别是70 d后，减小变化趋于平缓。图3中小麦生活力呈线性变化，从94%降到88%，变化了6%。由图2和图3的数据可观察发现:强磁场作用下，储藏小麦生理特性数据变化与图1中对照条件下相比有类似的曲线趋势。

图3 磁场强度为15 T时12.5%水分和温度25℃储藏小麦生理参数变化

另外，通过对比图1、图2和图3发现，在7 T和15 T磁场中暴露5 h后，储藏小麦的黏度值和生活力出现不同程度的减小，而降落值却呈增大趋势。在7 T情况下，降落值、生活力和黏度值生理特征数据，与常规条件下进行对比，分别变化 －3.9%、27%和20%;而对15T更高磁场强度，3个特征参数分别变化了－6.9%、45%和30%。

同时根据图2和图3，还可以观察到降落值在60 d后，曲线斜率已呈平坦之势，不再有显著的增加，由此可以推测储藏小麦中α－淀粉酶品质、含量和活性等变化明显。而储藏小麦的黏度值在60 d后，尤其是15 T中70 d后，其变化曲线的斜率趋向于0，表现出平稳减小的趋势，它再现了由小麦中淀粉颗粒的晶体结构、淀粉分子间氢键链接形式、以及淀粉与脂类或蛋白质复合结构铰链间作用等所确定的不同生化趋势。在很大程度上，由降落值、黏度和生活力预测了小麦的发芽率、发芽快慢和小麦品质等综合表现的生命力。这表明:经过7 T和15 T稳态强磁场的处理，可以抑制储藏小麦降落值、黏度等不利变化，起到有效阻止储藏期小麦陈化进程的作用，在某种程度上可预防微生物、霉变等带来的有害影响，有利于小麦的安全绿色储藏。

4 结论

在室温和湿度为12.5%常规条件下，通过对小麦的降落值、生活力以及黏度值数据的变化分析，发现降落值和黏度值具有在前60 d内快速变化和后30 d缓变等特点，应严格加强监控早期可能出现的小麦品质变化。

对7 T和15 T稳态强磁场作用，在相同湿度和温度(25℃)下，生活力与常规条件下一样呈线性的凹形曲线变化，但降落值和黏度变化范围程度减小;尤其在15 T强磁场作用下，降落值在60 d后和黏度值在70 d后，都呈平坦变化趋势。这显示了超导强磁场的处理，可以通过抑制小麦生理特性变化来延缓储藏小麦的陈化变质进程。

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