基于水活度测定草类植物种子含水量

陈利军，王靖靖，陈香来，胡小文

(兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020)

种子含水量是指种子所含水分的重量与种子总重量的百分比，也称种子含水率[1-2]。种子含水量是影响种子活力、萌发和安全贮藏的重要因素[3-8]，同时也是衡量种子质量的重要指标。因此，快速准确地测定种子含水量无论对于种子质量的检测还是安全贮藏都具有重要意义。目前种子含水量的测定方法有多种[9-13]，包括卡尔费休法、烘干减重法、微波加热法、水分快速仪法、核磁共振法等。根据《国际种子检验规程》，低恒温烘干法作为种子含水量测定的标准方法，测定结果准确、重复性好，但低恒温烘干法测定种子含水量需要时间相对较长，且对种子样品具有破坏性；水分快速仪法测定种子含水量首先需要建立标准样品，且其含水量的测定仅限于标准样品含水量的范围之内，对于少数样品种子含水量的测定较为麻烦；微波加热法用于种子水分的测定具有快速准确的特点，但其恒重时间因物种与种子含水量而异，不利于标准化操作，且对种子造成一定的损害。

水分活度是指同温下物质中水的蒸气压与纯水的蒸气压之比[14]，与物质的含水量以及所处的环境条件如温度等密切相关。如在食品与制药材料等方面的研究表明，水活度与其含水量密切相关，因而可用于指示食品与制药材料的水分状况是否适于安全贮藏。在少数有关种子水分测定的研究中也发现，水活度与种子含水量呈现一定的数学函数关系，因而可用于种子含水量的无损测定[14]。但另一方面，物质的水活度可能受到多方面因素的影响，如测定的温度、测定的样品量[15-17]以及测定的平衡时间等；此外，在测定种子水活度时，不同物种甚至不同种批种子在化学组分上的差异[18-23]，也会导致水活度与其含水量的关系发生变化。因而，在应用该技术测定种子含水量时，评价上述因素的影响非常必要。基于此，本研究拟针对以下几个问题进行探讨：1)平衡温度、平衡时间以及样品量对种子水活度测定的影响；2)不同牧草种子水活度与含水量的关系；3)常见牧草种子含水量预测模型建立与验证。从而，为牧草种子含水量的无损快速测定提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验的种子材料由农业部牧草与草坪草种子质量监督检验测试中心(兰州)提供。分别为中华羊茅(Festucasinensis)、披碱草(Elymusdahuricus)、红豆草(Onobrychisviciifolia)、箭筈豌豆(Viciasativa)、早熟禾(Poaannua)、燕麦(Avenasativa)、小黑麦(×TriticaleWittmack)、玉米(Zeamays)。

1.2 试验方法

1.2.1牧草种子含水量的调节 根据8个种批初始含水量，将种子含水量调整至4%～20%，若目标含水量低于种子初始含水量，将种子置于干燥器干燥至目标含水量；反之，通过添加不同量蒸馏水以调整种子至目标含水量，加水后，充分摇匀置于20 °C黑暗环境，每天摇匀一次，使各种子含水量趋于均匀，7 d后用于含水量与水活度的测定。

1.2.2温度对种子水活度的影响 种批置于测量舱后，在20、25及30 ℃条件下分别平衡30 min后，读取水活度值及其平衡温度，每种批3次重复。

1.2.3平衡时间与样品量对种子水活度的影响 对每一个测定种批，分别加入测量舱体积1/3、1/2及2/3的种子，置于20 ℃条件下平衡2、6、10、14、18、22、26、30、34、38、42、46、50 min后，读取其水活度值。

1.2.4种子水活度的测定 种子水活度采用水活度仪(HYGROPALM23-AW，罗卓尼克)进行测定。将种子样品直接加入测量舱，置于一定环境条件下，待读数稳定后读取其水活度值，每种批重复3次。

1.2.5种子含水量的测定 种子含水量的测定采用低恒温烘干法。

1.3 数据分析

采用Excel 2010进行绘图与数据处理，用SPSS Statistics19软件对数据进行相关性分析和多重比较。种子水分预测模型采用SPSS的曲线拟合功能，最优拟合函数基于校正后的赤池信息量准则(Corrected Akaike Information Criterion)进行判定。

2 结果与分析

2.1 温度对水活度测定的影响

平衡温度影响种子水活度值，在一定种子含水量条件下，随温度的上升，小黑麦种子水活度显著(P<0.05)下降(表1)。这一结果表明,水活度的测定应充分考虑平衡温度的影响。对于不同种批种子水活度的比较或者基于水活度的种子含水量测定，应控制测量环境的温度或者通过一定方式对温度引起的偏差进行校正。

2.2 平衡时间与样品量对水活度测定的影响

水活度的测定通常需要将样品放置测量舱，待其空间相对湿度达到充分平衡后进行测量。如平衡时间不够，则测量值偏低，因此确定平衡时间对准确估算种子含水量非常重要。通过比较不同加样量与平衡时间对测定值的影响可以发现，随平衡时间延长，测定值逐步趋向稳定；而随加样量增加，达到稳定平衡的时间缩短(图1)。对于参试的3个物种(小黑麦、燕麦、两个不同种批的箭筈豌豆)而言，当加样量大于测量舱体积的1/2时，平衡时间明显缩短，一般为10～15 min，当加样量为测量舱2/3时，平衡时间只需2～6 min。此外，种子水活度的大小也明显影响平衡时间，如水活度较高时，箭筈豌豆种批的平衡时间明显低于水活度值低的箭筈豌豆种批。因而，在测定种子水活度时，应尽可能使种子填满测量舱的1/2以上，平衡时间以15 min为宜，对于特别干燥的种子可适当延长平衡时间，如20 min，反之亦然。

表1 温度对小黑麦种子水活度测定的影响Table 1 Effect of temperature on water activity of ×Triticale Wittmack seeds

同列不同小写字母表示同一种子含水量下不同环境温度间差异显著(P<0.05)。

Different lowercase letters for the same seed moisture within the same column indicate significant difference bteween different enviroment temperatures at the 0.05 level.

2.3 种子含水量与水活度

不同种批种子含水量与种子的水活度均呈现极显著正相关，二者关系可用线性、对数、二次函数、S曲线等多种函数进行模拟。除指数函数用于描述箭筈豌豆、红豆草、早熟禾3种植物种子时决定系数低于0.9外，其他函数用于所有物种其决定系数均高于0.9(表2)。综合考虑拟合优度与函数参数量，S-函数是描述种子含水量与水活度的最优模型(表2，AICc值最低，图2)。但值得注意的是，尽管不同物种水活度与含水量的关系均可用S-函数来描述，但二者的关系则因物种不同而异，这可能是由于不同物种种子大小、化学组成不同而致。因而，在应用水活度测定种子含水量时，物种或种批间化学与物理性质的差异可能是影响其应用的一个重要因素。

图1 加样量与平衡时间对水活度测定值的影响Fig. 1 Impact of sample volume and equrium time on seed water activity

图2 8种草类植物种子含水量与水活度的关系Fig. 2 Relationship between seed moisture content and water activity in eight forage species

2.4 水活度预测种子含水量模型的验证

通过比较不同种批基于低恒温烘干法与水活度法测定的种子含水量，可以发现，二者在种子含水量上的相对误差均小于2%(表3)，除箭筈豌豆2个种批外，其他22个种批两种方法测定的含水量值绝对偏差均小于或等于0.3%。根据国际种子检验规程，不同测定方法获得的种子含水量其测定值绝对偏差不应超过0.3%。这一结果表明，基于水活度值测定同一物种不同种批种子含水量是可行的。本研究发现，箭筈豌豆种子含水量的测定结果，在两种方法间存在较大偏差，可能的原因是箭筈豌豆种子相对较大，且不同种批种子硬实率存在一定差异，这可能影响到结果的准确性。

表3 基于低恒温烘干法与水活度测定的种子含水量比较Table 3 Seed moisture content based on low constant temperature oven method and water activity for 8 seed lots

3 结论

基于对种子水活度测定影响因素以及水活度与种子含水量函数关系的研究表明，种子水活度可用于牧草种子含水量的无损快速测定，但在测定过程中应充分考虑到平衡时间与测量温度的影响。