超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)下小麥霉菌呼吸強(qiáng)度變化分析研究

蔣華偉

(河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

糧食安全儲(chǔ)藏的關(guān)鍵是預(yù)防其發(fā)生陳化質(zhì)變，對(duì)外觀表現(xiàn)為散粒體聚積的儲(chǔ)藏糧食，實(shí)際上它是一個(gè)龐大的生態(tài)體系，在這個(gè)群體中既有糧食顆粒、夾雜物和蟲鼠害，又有細(xì)菌、酵母菌和霉菌等微生物，除此之外還有溫度、水分、空氣以及電磁輻射等非生物因素作用，由此形成一個(gè)相互聯(lián)系、相互依賴和相互制約的復(fù)雜系統(tǒng)；在一定條件下，又演變?yōu)槭笙x危害、糧食和微生物過度呼吸代謝以及菌類霉變等所導(dǎo)致的陳化變質(zhì)過程。

在預(yù)防和抑制微生物的生理活動(dòng)上，特別是糧食儲(chǔ)藏中霉變的特性和效應(yīng)機(jī)理方面，目前國(guó)內(nèi)外已開展了有關(guān)的研究[1－4]，但該項(xiàng)工作還在不斷的深入進(jìn)展中。另外表現(xiàn)為呼吸的儲(chǔ)糧霉菌代謝也是一個(gè)不可忽視的因素，為延緩儲(chǔ)糧品質(zhì)的陳化，需要研究糧食安全儲(chǔ)藏時(shí)霉菌呼吸生理效應(yīng)。

針對(duì)糧食陳化過程的呼吸作用，特別是微生物呼吸過程中所產(chǎn)生的CO2濃度這個(gè)參數(shù)變化，對(duì)此已進(jìn)行了前期研究，它主要集中在CO2濃度的檢測(cè)和推演霉化程度等方面。如 Thomas等[5]和梁微等[6]用檢測(cè)儀器對(duì)糧堆CO2濃度與儲(chǔ)糧霉菌數(shù)量變化的相關(guān)性進(jìn)行了研究。還有在不同生理狀態(tài)下，Antonio等[7]根據(jù)霉菌對(duì)糧食危害和儲(chǔ)藏安全的差異性關(guān)系，由監(jiān)測(cè)儲(chǔ)糧中CO2濃度變化來推演儲(chǔ)糧霉菌的活動(dòng)狀態(tài)。耿旭等[8]在獲得儲(chǔ)糧CO2濃度變化呈S形曲線基礎(chǔ)上，來推斷霉菌的生長(zhǎng)狀態(tài)。羅建偉等[9]針對(duì)不同糧食水分、環(huán)境溫度以及不同CO2氣體濃度下儲(chǔ)糧真菌區(qū)的變化情況，研究了CO2濃度對(duì)糧食真菌的抑制效果。

上述工作沒有涉及實(shí)際環(huán)境中離子束、電磁場(chǎng)等外界因素對(duì)儲(chǔ)糧生物效應(yīng)研究，盡管陳仁菊等[10]和高夢(mèng)祥等[11]研究了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)牛奶中酶活性的影響和殺菌效果，尹煥才等[12]和張萍萍等[13]探討了靜態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)和超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)枯草芽胞桿菌以及小麥抗氧化酶的誘導(dǎo)表達(dá)的影響。不過這些工作沒有提及強(qiáng)磁場(chǎng)等非生物因素與儲(chǔ)糧霉變之間的作用，尤其是超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)等非生物因素對(duì)儲(chǔ)藏糧食陳化變質(zhì)中霉菌呼吸代謝效應(yīng)卻鮮有研究。糧倉(cāng)的實(shí)際情況顯示霉菌的呼吸作用是不可忽視的，因?yàn)閮?chǔ)糧霉菌呼吸不僅和糧食的霉變之間是緊密關(guān)聯(lián)的，而且為其他微生物的生存(如發(fā)酵產(chǎn)生酒精的酵母菌)提供了合適的水分和溫度等條件，加速了糧食的陳化變質(zhì)過程。因此，儲(chǔ)糧霉菌的呼吸作用與非生物因素，特別是與超導(dǎo)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的強(qiáng)度有著密切的關(guān)系，本研究開展了超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)下糧食(小麥)霉菌呼吸效應(yīng)探索，為糧食安全儲(chǔ)藏提供技術(shù)保證。

1 超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)與儲(chǔ)糧霉菌呼吸

1.1 超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)

超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)是由超導(dǎo)導(dǎo)體的大電流和多匝磁體的倍增作用產(chǎn)生，關(guān)鍵是低溫系統(tǒng)和磁體系統(tǒng)中超導(dǎo)導(dǎo)體的設(shè)計(jì)[14]。強(qiáng)磁場(chǎng)同極高溫、極高壓一樣，作為極端條件下的電磁場(chǎng)形式可以直接得到原子尺度，在發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和認(rèn)識(shí)新現(xiàn)象等科學(xué)認(rèn)知方面具有重要作用[15]。目前的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、磁共振技術(shù)和磁懸浮微重力技術(shù)已成為強(qiáng)磁場(chǎng)作用下新的學(xué)科研究方向。

由于磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)體系能量的影響隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方呈正比增加，所以強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)具有顯著的作用，它影響到化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱、pH、反應(yīng)進(jìn)行方向、反應(yīng)速率、活化能、熵等諸多方面，進(jìn)而對(duì)生物的組織、生化反應(yīng)、生長(zhǎng)過程、基因、細(xì)菌的新陳代謝產(chǎn)生不可預(yù)知的影響。在日本大型超導(dǎo)磁體螺旋裝置出現(xiàn)后，國(guó)內(nèi)中科院電工所成功研制了中心磁場(chǎng)為4 T(Tesla，特斯拉)的二極超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，隨后中科院等離子所建成了20 T混合磁體裝置，目前中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心正在建造40 T混合強(qiáng)磁場(chǎng)裝置，這為開展強(qiáng)磁場(chǎng)作用下物性探索奠定了基礎(chǔ)，并使之成為可能。因此利用超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)條件，進(jìn)行其作用下糧食和細(xì)菌(特別是霉菌)的特性研究，對(duì)提升糧食儲(chǔ)藏水平具有極其重要的作用和意義。

1.2 儲(chǔ)糧霉菌呼吸

儲(chǔ)糧過程中霉菌的呼吸是將有機(jī)物徹底(好氧型)或不徹底(厭氧型)氧化、產(chǎn)生水和氣體，并釋放能量的過程，一般會(huì)消耗糧食的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。影響糧食中霉菌呼吸作用的因素有濕度(含水量)、溫度以及其他情況。其中含水量是影響霉菌呼吸作用的關(guān)鍵因素[1]，低含水量，呼吸作用微弱，隨著水分的增高，呼吸強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，當(dāng)含水量達(dá)15%時(shí)，呼吸強(qiáng)度顯著。溫度也是其影響因素，在低溫下，霉菌的呼吸作用會(huì)受到抑制或很微弱，同樣呼吸強(qiáng)度隨糧溫的升高而增強(qiáng)，但溫度過高呼吸強(qiáng)度反而減小，甚至強(qiáng)度迅速衰減。

儲(chǔ)糧霉菌的呼吸為細(xì)菌、酵母菌等其他微生物提供了適宜的水分和溫度等條件，助長(zhǎng)了糧食的霉變過程，加快了糧食的陳化變質(zhì)，尤其是在發(fā)酵過程產(chǎn)生的酒精會(huì)對(duì)糧食的生命力產(chǎn)生很大破壞作用。因此需要開展糧食霉菌呼吸作用的探索工作，特別是研究不同水分條件下，超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)中糧食霉菌呼吸中CO2濃度變化關(guān)系，可以為糧情檢測(cè)，預(yù)防糧食霉變和過度陳化提供理論依據(jù)。

2 小麥霉菌呼吸產(chǎn)生CO2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試小麥品種

選取一般小麥作為研究對(duì)象，本試驗(yàn)為河南本地產(chǎn)小麥。

2.2 小麥水分調(diào)節(jié)

取5 kg小麥，根據(jù)試驗(yàn)水分要求，用蒸餾水噴灑拌和均勻，然后密封裝入15℃下1 000 mL玻瓶中平衡10 d。在整個(gè)試驗(yàn)期間，調(diào)節(jié)和保持裝糧玻瓶?jī)?nèi)相對(duì)平衡的濕度，試驗(yàn)中濕度分別為12.5%、15%、16.5%。

2.3 小麥儲(chǔ)藏溫度

在試驗(yàn)過程中采用空調(diào)、加熱器和保溫材料等方法，把室溫控制在試驗(yàn)需要的30℃范圍。

2.4 試驗(yàn)方法

采用次氯酸鈉溶液(體積分?jǐn)?shù)為5%)消毒小麥，時(shí)間為5 min左右，不宜過長(zhǎng)，否則會(huì)影響小麥的生命力(尤其是胚部)，并用無菌水清洗小麥；然后把灰綠曲霉單孢懸液均勻地噴灑到試驗(yàn)用小麥上；根據(jù)要求把水分調(diào)至為12.5%、15%和16.5%，分別裝于溫度為30℃的儲(chǔ)藏容器中；用傳感器來檢測(cè)CO2濃度，并通過顯微鏡來觀察霉菌的生理狀態(tài)和CO2濃度變化情況。

2.5 超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置

使用中科院等離子體物理研究所的超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置。超導(dǎo)磁體參數(shù)為內(nèi)徑54 mm，外徑170 mm，高度162 mm，中心場(chǎng)0～8.8 T，運(yùn)行電流0～51 A，磁場(chǎng)均勻度2×10－3/cm3。溫度可控在 －269～40℃，精度為±0.5℃，除了無電磁輻射外，對(duì)照組與試驗(yàn)組所處環(huán)境相同。

2.6 CO2濃度檢測(cè)

裝置預(yù)熱后，將CO2測(cè)試儀的進(jìn)出氣管與小麥儲(chǔ)藏容器中的管道連接，打開氣管的進(jìn)出閥門，啟動(dòng)輸氣泵，保持2 min后，屏幕上顯示的數(shù)字即為檢測(cè)濃度。

2.7 數(shù)據(jù)處理

在小麥40 d的儲(chǔ)藏時(shí)間內(nèi)，分別在 2、6、10、14、18、25和40 d的時(shí)間處用CO2測(cè)試儀測(cè)量CO2濃度數(shù)據(jù)，在測(cè)試時(shí)間處間隔為2 h下測(cè)量3次，然后求平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 常規(guī)小麥霉菌呼吸CO2試驗(yàn)

采用5%的次氯酸鈉溶液對(duì)小麥消毒5 min左右，用無菌水清洗；然后把灰綠曲霉單孢懸液均勻地噴灑到試驗(yàn)用小麥上，并調(diào)節(jié)水分為12.5%、15%和16.5%；接著裝于溫度為30℃的儲(chǔ)藏容器中，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試處理，通過顯微鏡觀察霉菌生理狀態(tài)。獲得圖1所示霉菌呼吸CO2濃度等結(jié)果。

圖1 30℃儲(chǔ)藏小麥霉菌呼吸CO2濃度變化

通過觀察圖1濕度為12.5%、15%和16.5%的情況，可以發(fā)現(xiàn)霉菌呼吸產(chǎn)生的CO2濃度盡管在數(shù)量上有一定的差別，如低濕度的呼吸強(qiáng)度明顯小于中高濕度的，但3種濕度下的CO2濃度大致呈先穩(wěn)增、后巨變、再緩增的趨勢(shì)；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)小麥中霉菌的生長(zhǎng)具有3個(gè)生理階段，即孢子生長(zhǎng)期、菌絲生長(zhǎng)期和子代繁殖期(在圖1中標(biāo)出3種濕度的生理階段，各階段大致上發(fā)生了階梯平移，即等量增加；同時(shí)15%中等濕度的菌絲生長(zhǎng)期提前2 d，16.5%高濕度的菌絲生長(zhǎng)期和子代繁殖期分別提前2 d)。處于不同生理狀態(tài)下的霉菌使小麥中CO2濃度的變化速率表現(xiàn)出明顯的不同情況。對(duì)低濕度下當(dāng)處于孢子生長(zhǎng)期時(shí)(0～4 d)，CO2濃度緩慢增加，僅升高0.57%，說明霉菌呼吸強(qiáng)度很弱；當(dāng)進(jìn)入菌絲生長(zhǎng)期時(shí)(4～12 d)，CO2濃度升高速率大于0.3%/d，CO2濃度增加非常快，這表明此時(shí)霉菌呼吸極為旺盛，是小麥儲(chǔ)藏中霉菌由若變強(qiáng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，需要對(duì)此時(shí)小麥儲(chǔ)藏中霉菌活動(dòng)和可能霉變嚴(yán)加監(jiān)測(cè)；當(dāng)?shù)搅俗哟敝称?12～40 d)，CO2濃度仍呈增加趨勢(shì)，但斜率有所減小，遠(yuǎn)沒有菌絲生長(zhǎng)期增長(zhǎng)快，顯示霉菌呼吸強(qiáng)度趨于下降，但整體上CO2濃度有增無減，若小麥儲(chǔ)藏時(shí)前期已有霉變的可能，此時(shí)仍會(huì)促使儲(chǔ)藏小麥結(jié)塊和霉?fàn)€的變化。

另外觀察圖1濕度為12.5%的小麥另一組數(shù)據(jù)的變化，即發(fā)現(xiàn)脂肪酸值也呈類似于CO2濃度變化的曲線趨勢(shì)，這表明小麥儲(chǔ)藏過程中脂肪酸值的產(chǎn)生和變化與霉菌的生理狀態(tài)和活動(dòng)相關(guān)。在霉菌不同生理階段，由于呼吸提供了合適的水分和能量，尤其是酶催化作用的溫度條件，使小麥中的脂肪在酶的作用下水解、氧化產(chǎn)生脂肪酸值，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，霉菌生理活動(dòng)的增強(qiáng)，同時(shí)還會(huì)使水解出來的脂肪酸進(jìn)一步被氧化，這反過來又促進(jìn)了小麥儲(chǔ)藏的進(jìn)一步變質(zhì)。

3.2 超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)下霉菌呼吸CO2試驗(yàn)

數(shù)據(jù)測(cè)量和處理方法見2.7和3.1部分。磁場(chǎng)強(qiáng)度選用1、3、5和7 T的4種劑量，并將密封儲(chǔ)藏的小麥暴露于超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)中3 h，然后在非磁場(chǎng)密封狀態(tài)存儲(chǔ)下檢測(cè)CO2濃度。

由于采用磁場(chǎng)強(qiáng)度有1、3、5和7 T共4種處理方法，同時(shí)還分別對(duì)應(yīng)于12.5%低水分、15%中等水分和16.5%高水分情況(30℃儲(chǔ)藏溫度)，顯然數(shù)據(jù)量比較大，處理和對(duì)比分析工作較為復(fù)雜，因此，在這些數(shù)據(jù)中選取磁場(chǎng)為強(qiáng)度5 T、7 T和儲(chǔ)藏溫度為30℃具有代表性的情況來比較分析(圖2和圖3)。選取5 T和7 T高強(qiáng)度試驗(yàn)條件進(jìn)行對(duì)比，而低磁場(chǎng)強(qiáng)度下的數(shù)據(jù)類似于圖1的情況，沒有明顯的區(qū)分度。

圖2 磁場(chǎng)為強(qiáng)度為5 T和30℃儲(chǔ)藏小麥霉菌呼吸CO2濃度變化

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)度為5 T的磁場(chǎng)中暴露3 h后，不同水分(濕度)情況下，儲(chǔ)藏小麥中霉菌呼吸產(chǎn)生的CO2濃度隨著時(shí)間的增加而逐漸提高，同時(shí)霉菌的生長(zhǎng)仍包括孢子生長(zhǎng)期、菌絲生長(zhǎng)期和子代繁殖期3個(gè)生理活動(dòng)階段(圖2，中等濕度和高濕度類似于圖1的平移變化)。

在圖3中采用了更高的7 T磁場(chǎng)強(qiáng)度，暴露時(shí)間仍為3 h，對(duì)于低、中、高3種水分(濕度)，儲(chǔ)藏小麥中霉菌呼吸產(chǎn)生的CO2濃度隨時(shí)間變化情況具有圖2的趨勢(shì)，而且霉菌的生長(zhǎng)也包括孢子生長(zhǎng)期、菌絲生長(zhǎng)期和子代繁殖期3個(gè)生理活動(dòng)階段(圖3，中、高濕度的也類似于圖1的變化)。由圖2和圖3的數(shù)據(jù)可觀察發(fā)現(xiàn):強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，儲(chǔ)藏小麥中霉菌呼吸作用得到的CO2濃度變化類似于圖1中對(duì)照條件下曲線趨勢(shì)。

通過對(duì)圖1、圖2和圖3的比較可以發(fā)現(xiàn)，在5 T和7 T磁場(chǎng)中暴露3 h后，不同水分(濕度)條件下，儲(chǔ)藏小麥中霉菌呼吸產(chǎn)生的CO2濃度都出現(xiàn)不同程度的減小，在5 T情況下，對(duì)于水分為12.5%、15%和16.5%3種情況，相對(duì)于對(duì)照條件，分別下降了0.42%、0.58%和0.75%；而對(duì)7T更高磁場(chǎng)強(qiáng)度，3種濕度下分別下降了0.7%、0.94%和1.1%。同時(shí)在圖2和圖3上，還觀察到15%和16.5%濕度下，在16 d(7 T的為14 d)后，從CO2濃度變化曲線的斜率看，其變化呈平坦之勢(shì)，似乎不再明顯增加；而對(duì)12.5%的水分，在40 d后，CO2濃度變化曲線的斜率反而顯示了負(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，使CO2濃度有下降的可能，該濕度下的脂肪酸值也出現(xiàn)類似的情形。這表明:經(jīng)過5 T和7 T高超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)的處理，可以抑制儲(chǔ)藏小麥中霉菌的呼吸作用，延緩小麥的陳化變質(zhì)，在某種程度上可預(yù)防菌霉帶來的霉變、毒素的產(chǎn)生，對(duì)小麥的安全儲(chǔ)藏是有利的。

圖3 磁場(chǎng)為強(qiáng)度為7T和30℃儲(chǔ)藏小麥霉菌呼吸CO2濃度變化

4 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)小麥儲(chǔ)藏中霉菌呼吸變化進(jìn)行了分析研究，特別在是常規(guī)條件下和超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，開展了儲(chǔ)藏小麥霉菌呼吸所產(chǎn)生CO2濃度變化的量化探索，為小麥的安全儲(chǔ)藏提供理論依據(jù)。

在30℃的常規(guī)條件下，水分為12.5%、15%和16.5%，對(duì)小麥霉菌處于不同生理階段呼吸產(chǎn)生CO2濃度變化的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)入菌絲生長(zhǎng)期時(shí)，強(qiáng)化了霉菌呼吸，CO2濃度增加快于其他階段，針對(duì)此時(shí)儲(chǔ)藏小麥中霉菌呼吸旺盛的關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)嚴(yán)格加強(qiáng)監(jiān)控霉菌的活動(dòng)和可能的霉變。

對(duì)5 T和7 T超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)作用，在不同水分情況下，霉菌呼吸產(chǎn)生的CO2濃度出現(xiàn)不同程度的減小，對(duì)15%和16.5%的濕度，最后的變化呈平坦之勢(shì)；對(duì)12.5%的水分，由變化曲線的斜率可知CO2濃度有下降的可能，同時(shí)脂肪酸值也出現(xiàn)類似的情形。這顯示了超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)的處理，可以通過抑制霉菌的呼吸作用來延緩儲(chǔ)藏小麥的陳化變質(zhì)過程。

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