小麥超弱發(fā)光特性研究

吳才章 徐振方 王繼偉

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州 450001)

近年來(lái)，生物超弱發(fā)光研究得到越來(lái)越多研究者的關(guān)注，植物和種子的超弱發(fā)光往往作為研究的對(duì)象［1－3］。通過(guò)植物超弱發(fā)光變化來(lái)研究植物對(duì)外界刺激的反映，進(jìn)而研究影響植物生長(zhǎng)的各種有利和不利因素［4－6］。有關(guān)種子超弱發(fā)光的研究也一直在進(jìn)行中，種子的超弱發(fā)光與植物相比較弱，這給種子超弱發(fā)光的研究增添一定的難度。種子在吸脹期或萌發(fā)期間處于活躍的生長(zhǎng)期，超弱發(fā)光強(qiáng)度較強(qiáng)，一般在250～700光子/(cm2·s)左右［7］，相對(duì)容易探測(cè)，所以當(dāng)前對(duì)種子自身超弱發(fā)光的研究主要集中在種子萌發(fā)期。Chen等［8］通過(guò)對(duì)萌發(fā)期水稻超弱發(fā)光的研究，發(fā)現(xiàn)水稻超弱發(fā)光與其活力相關(guān)。Triglia等［9］在考慮吸脹對(duì)超弱發(fā)光影響的情況下，研究了黃豆種子超弱發(fā)光與活力的關(guān)系，以及不同環(huán)境溫度下黃豆種子超弱發(fā)光強(qiáng)度在萌發(fā)初期(0～12 h)的變化情況。李韶山等［10］對(duì)萌發(fā)期的花生自發(fā)光進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)萌發(fā)過(guò)程中的自發(fā)光雙峰現(xiàn)象對(duì)應(yīng)吸漲和呼吸激增，得出種子的活力指數(shù)與自發(fā)光正相關(guān)的結(jié)論。這些研究主要關(guān)注種子萌發(fā)初期自身超弱自發(fā)光的動(dòng)態(tài)特性，以便了解種子萌發(fā)期的生長(zhǎng)生理狀況，主要用于作物生長(zhǎng)發(fā)育的研究。鄭亞飛［11］對(duì)不同新陳度的蔬菜種子超弱發(fā)光及發(fā)芽率進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)蔬菜種子超弱發(fā)光與其發(fā)芽率等正相關(guān)。吳文福等［12］研究了干燥后玉米種子的超弱發(fā)光，得出干燥后的生物超弱發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)芽率之間等正相關(guān)性的結(jié)論。鮑杰等［13］對(duì)不同儲(chǔ)藏年份小麥超弱發(fā)光進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)藏年份越長(zhǎng)，小麥超弱發(fā)光強(qiáng)度越弱，小麥超弱發(fā)光與糧食新陳度直接相關(guān)，獲得了一些有益的結(jié)論。本試驗(yàn)通過(guò)人工老化的方法快速獲得不同新陳度的小麥樣品，進(jìn)一步研究在儲(chǔ)藏條件下小麥自身超弱發(fā)光的靜態(tài)特性，研究?jī)?chǔ)藏期小麥自身超弱發(fā)光特性及變化規(guī)律，為糧食儲(chǔ)藏技術(shù)的改進(jìn)提供新的技術(shù)手段。

1 材料與方法

1.1 材料

選取河南省種植規(guī)模較大的3種小麥品種作為試驗(yàn)樣品，分別為鄭麥9023、矮抗58、周麥16。這些小麥樣品全部購(gòu)買自當(dāng)年(2012)各自的育種單位，樣品購(gòu)買之后，經(jīng)過(guò)晾曬，使它們的含水分率達(dá)到10%，將這些糧食分別裝在透氣的袋子中，并混放在密閉的恒溫箱中，溫度設(shè)定為20℃，經(jīng)過(guò)1個(gè)月的存放，這些糧食基本達(dá)到均衡一致的狀態(tài)，供試驗(yàn)使用。

小麥在儲(chǔ)藏過(guò)程中，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加，由新到陳，新陳度是儲(chǔ)藏糧食的一個(gè)重要品質(zhì)指標(biāo)，糧食新陳度可以由脂肪酸值表征。一般儲(chǔ)藏情況下，小麥儲(chǔ)藏1年，脂肪酸值有一定程度的增加［14－15］，當(dāng)脂肪酸值達(dá)到一定值后就可認(rèn)為是陳化糧。采用人工加速老化的方法，可以快速獲得與自然儲(chǔ)藏年份相當(dāng)?shù)牟煌玛惗刃←湗悠?。試?yàn)中將鄭麥9023放置在老化箱中，分別在15、25、35℃等溫度條件下進(jìn)行快速老化4個(gè)月，獲得不同新陳度的小麥樣品。將老化好的樣品，進(jìn)行晾曬處理，均勻化儲(chǔ)藏，最終水分率也保持在10%。試驗(yàn)中每次取100 g樣品作為測(cè)試對(duì)象。

1.2 超弱發(fā)光測(cè)試裝置

用于測(cè)試的光子計(jì)數(shù)模塊購(gòu)自德國(guó)PerkinElmer公司，型號(hào)為MP－1993，測(cè)試窗口的直徑為15 mm，測(cè)量的光譜范圍是185－750 nm。該模塊采用一種新型的側(cè)窗型光電倍增管C1993P，具有極低的背景噪聲(暗計(jì)數(shù)達(dá)到每秒幾個(gè)光子)和極高的光子探測(cè)水平，可以實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。由于測(cè)試系統(tǒng)用于超弱發(fā)光檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果的正確與否取決于對(duì)外界各種干擾的屏蔽。外界的干擾源主要有環(huán)境光干擾源和各種電磁干擾源，如果這些干擾源不能很好的屏蔽，將導(dǎo)致測(cè)試的完全失敗。為了很好地屏蔽這些干擾源，測(cè)試系統(tǒng)采用暗室+黑箱的方法屏蔽各種干擾源。將測(cè)試樣品和MP－1993光子計(jì)數(shù)器放置在一個(gè)人工黑箱中，人工黑箱是一個(gè)鋁盒，盒子外面有4層黑布和4層紅布包裹，鋁盒屏蔽部分電磁干擾，黑布和紅布屏蔽光干擾源。人工黑箱放置在恒溫恒濕箱內(nèi)，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)測(cè)試需要的各種溫濕度，恒溫恒濕箱溫度控制精度為±1℃，相對(duì)濕度控制精度為±2.5%。為進(jìn)一步避免操作測(cè)試樣品時(shí)自然光引起光子計(jì)數(shù)器的過(guò)度曝光，在恒溫恒濕箱的外面搭建一個(gè)暗室，暗室采用兩層黑布和兩層紅布構(gòu)成。這樣就搭建起了一個(gè)用于超弱光測(cè)試的試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，利用該試驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)小麥超弱發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行定量的測(cè)試。通過(guò)多次測(cè)試，在環(huán)境溫度20℃、光子計(jì)數(shù)器高壓2 200 V的條件下，光子計(jì)數(shù)器暗計(jì)數(shù)為7光子/(cm2·S)。光子計(jì)數(shù)器的傳感面積為1.766 cm2，試驗(yàn)中樣品超弱發(fā)光強(qiáng)度是單位面積每秒鐘輻射的光子數(shù)，為簡(jiǎn)便表達(dá)，超弱發(fā)光強(qiáng)度單位省略傳感面積。

圖1 超弱發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)框圖

1.3 測(cè)試方法

測(cè)試中將恒溫恒濕箱的相對(duì)濕度設(shè)定為50%，為完成某個(gè)溫度下的測(cè)量，先設(shè)定相應(yīng)的溫度值，待恒溫恒濕箱的溫濕度恒定后，首先將測(cè)試樣品均勻平攤在測(cè)試容器內(nèi)，在恒溫箱內(nèi)靜置12 h以上，以保證每粒小麥樣品的溫度與設(shè)定溫度完全一致，并使樣品的延遲發(fā)光完全熄滅，然后進(jìn)行樣品自身超弱發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)試。試驗(yàn)中要保證測(cè)試樣品表面的平坦，保證樣品的測(cè)試面比光子計(jì)數(shù)器的測(cè)量孔足夠大，還要始終保持樣品和測(cè)試孔之間的距離恒定。通過(guò)對(duì)小麥樣品的反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在測(cè)試條件(溫度和濕度)不變的情況下，小麥樣品輻射的光子數(shù)并不穩(wěn)定，而且有很大的波動(dòng)。但是在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，譬如大于十幾分鐘后，輻射光子數(shù)的平均值保持恒定。試驗(yàn)中樣品超弱發(fā)光強(qiáng)度取30 min內(nèi)樣品輻射光子數(shù)強(qiáng)度的平均值，結(jié)果取整數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種小麥樣品超弱發(fā)光的測(cè)試

鄭麥9023超弱發(fā)光強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示，橫軸是測(cè)試時(shí)間，縱軸是每秒鐘光子計(jì)數(shù)器的輸出值。測(cè)試時(shí)恒溫恒濕箱的溫度設(shè)定為25℃。系統(tǒng)存在由傳感器暗計(jì)數(shù)和環(huán)境引起的本底噪聲，圖2中同時(shí)給出了系統(tǒng)本底噪聲的測(cè)試情況，小麥樣品超弱發(fā)光的實(shí)際強(qiáng)度還要減去相應(yīng)的本底噪聲。表1是在相同條件下對(duì)3種小麥樣品超弱發(fā)光輻射強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果。每種樣品重復(fù)測(cè)量3次，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

圖2 鄭麥9023超弱發(fā)光強(qiáng)度曲線

表1 不同品種小麥樣品超弱發(fā)光

測(cè)試結(jié)果表明，不同品種的小麥樣品在相同測(cè)試條件下超弱發(fā)光強(qiáng)度稍有不同，周麥16輻射強(qiáng)度最強(qiáng)，鄭麥9023最弱。

2.2 不同新陳度小麥樣品超弱發(fā)光的測(cè)試

依據(jù)GB/T 5510—2011中的苯提取法對(duì)小麥樣品進(jìn)行脂肪酸值測(cè)定。同樣對(duì)這些樣品超弱發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)的恒溫恒濕箱的溫度也設(shè)定為25℃。樣品脂肪酸值和超弱發(fā)光強(qiáng)度及其標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。

表2 不同新陳度小麥樣品超弱發(fā)光

結(jié)果表明，同一品種不同新陳度小麥樣品超弱發(fā)光存在一個(gè)明顯規(guī)律，隨著老化程度的增加，脂肪酸值逐漸增加，超弱發(fā)光強(qiáng)度逐漸減弱。經(jīng)過(guò)線性擬合，它們的相關(guān)系數(shù)R=－0.96，說(shuō)明小麥自身超弱發(fā)光與其脂肪酸值負(fù)相關(guān)。

2.3 溫度對(duì)小麥超弱發(fā)光的影響

小麥自身超弱發(fā)光容易受環(huán)境溫度的影響，環(huán)境溫度變化之所以能影響小麥自身的超弱發(fā)光，是由于環(huán)境溫度變化最終會(huì)引起小麥自身溫度的變化，進(jìn)而引起糧食自身超弱發(fā)光強(qiáng)度的變化。測(cè)試的溫度范圍為5～40℃，每隔5℃進(jìn)行1次測(cè)量，這個(gè)溫度范圍涵蓋了我國(guó)小麥儲(chǔ)藏的溫度變動(dòng)范圍。3種小麥品種超弱發(fā)光強(qiáng)度隨溫度的變化曲線如圖3所示。

圖3 小麥超弱發(fā)光隨溫度變化曲線

3 討論

不同品種小麥在相同條件下超弱發(fā)光強(qiáng)度稍有不同，但這種大小關(guān)系并不是必然的，研究認(rèn)為除了品種的差異外，產(chǎn)地、營(yíng)養(yǎng)等生長(zhǎng)環(huán)境不同也是導(dǎo)致樣品超弱發(fā)光強(qiáng)度存在差異的原因。

儲(chǔ)藏狀態(tài)下，溫度越高，其超弱發(fā)光越劇烈，這意味著糧食老化的加劇，這從一個(gè)側(cè)面解釋了低溫儲(chǔ)藏可以延長(zhǎng)儲(chǔ)糧時(shí)間，高溫則加速老化。溫度之所以對(duì)小麥超弱發(fā)光強(qiáng)度造成一定的影響，研究認(rèn)為從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是因?yàn)殡S著糧食自身溫度的增大，糧食活躍度相應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致糧食超弱發(fā)光強(qiáng)度的增強(qiáng)。

4 結(jié)論

儲(chǔ)藏期糧食的超弱發(fā)光是一個(gè)穩(wěn)定輻射過(guò)程，常溫下小麥自身超弱發(fā)光強(qiáng)度在幾十個(gè)光子/(cm2·s)左右。對(duì)于同一小麥品種，不同新陳度樣品超弱發(fā)光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，隨著脂肪酸值的增加，活性降低，小麥超弱發(fā)光強(qiáng)度減弱，即小麥超弱發(fā)光與其新陳度相關(guān)。

小麥自身超弱發(fā)光容易受自身溫度變化的影響，隨著糧食的溫度升高其超弱發(fā)光強(qiáng)度相應(yīng)增強(qiáng)。由糧食超弱發(fā)光與溫度的變化關(guān)系曲線可以看出，在儲(chǔ)藏的高溫區(qū)，即大于25℃，小麥超弱發(fā)光強(qiáng)度曲線變化較劇烈;在儲(chǔ)藏的低溫區(qū)，即小于15℃，發(fā)光強(qiáng)度曲線較平坦。綜合耗能，小麥低溫儲(chǔ)藏的最佳值在15℃左右，這與我國(guó)低溫儲(chǔ)糧選擇的儲(chǔ)藏溫度是一致的。

糧食超弱發(fā)光檢測(cè)方法為糧食儲(chǔ)藏品質(zhì)檢測(cè)提供一個(gè)新的途徑，通過(guò)對(duì)小麥自身超弱發(fā)光的檢測(cè)，進(jìn)而推斷小麥的新陳度，為糧食儲(chǔ)藏品質(zhì)檢測(cè)提供了一種實(shí)時(shí)、在線、非侵方法。總之，糧食超弱發(fā)光特性的深入研究可以為糧食儲(chǔ)藏技術(shù)的改進(jìn)提供重要的科學(xué)依據(jù)，對(duì)深入理解糧食的生理特性有著重要的意義。

［1］Devaraj B，Usa M，Inaba H.Biophotons:ultraweak light emission from living systems［J］.Current Opinion in Solid State＆Materials Science，1997，2(1):188 －193

［2］Musumeci F，Applegate L A，Privitera G，et al.Spectral analysis of laser－induced ultraweak delayed luminescence in cultured normal and tumor human cells:temperature dependence［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology B:Biology，2005，79(2):93 －99

［3］Nigglia H J，Scaletta C，Yu Yan，et al.Ultraweak photon emission in assessing bone growth factor efficiency using fibroblastic differentiation［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology B:Biology，2001，64(1):62 －68

［4］Havaux M.Spontaneous and thermoinduced photon emission:new methods to detect and quantify oxidative stress in plants［J］.Trends in Plant Science，2003，8(9):409 －413

［5］Yu Yan，Popp F A，Sigrist S，et al.Further analysis of delayed luminescence of plants［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology B:Biology，2005，78(3):235 －244

［6］Kageyama C，Katoa K，Iyozumi H，et al.Photon emissions from rice cells elicited by N－acetylchitooligosaccharide are generated through phospholipid signaling in close association with the production of reactive oxygen species［J］.Plant Physiology and Biochemistry，2006，44(11):901 －909

［7］Colli L.Further measurement on the bioluminescence of the seedling［J］.Experiment，1955，11(12):479

［8］Chen W L，Xing D，Wang J，et al.Rapid determination of rice seed vigour by spontaneous chemiluminescence and singlet oxygen generation during early imbibition［J］.Luminescence，2003，18(1):19 －24

［9］Triglia A，Grasso F，Musumeci F，et al.Temperature Dependence of the Ultraweak Spontaneous Photon Emission from Soya Seeds［J］.Nuovo Cimento D，2003，15(11):1360 －1370

［10］李韶山，王艷，郭周義，等.萌發(fā)花生種子超弱發(fā)光的研究［J］.光子學(xué)報(bào)，2000，29(11):966－969

［11］鄭亞飛.兩種蔬菜種子生物超弱發(fā)光與活力相關(guān)性的的研究［J］.德州學(xué)院學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26(6):5 －7

［12］吳文福，夏艷輝，周德義，等.干燥后玉米種子生物超弱發(fā)光與活力相關(guān)性的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(3):8－10

［13］鮑杰，吳才章.基于虛擬儀器的小麥新陳度檢測(cè)［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2011，26(6):102 －105

［14］唐慶，鄭萬(wàn)芳，柯文，等.小麥脂肪酸值的變化規(guī)律及其在新鮮度判定中的應(yīng)用［J］.糧油倉(cāng)儲(chǔ)科技通訊，2007，27(4):45－47

［15］陳兆慶.小麥脂肪酸值是判斷小麥新鮮度的一項(xiàng)指標(biāo)［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010，17(19):39 －40.