3種粳稻籽粒水分解吸過程中的裂紋變化

邵小龍，徐文，王瀟，楊曉靜，沈飛，劉琴

南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院/江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023

0 引言

【研究意義】稻谷是中國乃至亞洲生產(chǎn)、儲(chǔ)備、加工和消費(fèi)的主要糧種之一。在生長、運(yùn)輸、加工和倉儲(chǔ)等過程中，稻谷籽粒內(nèi)部、內(nèi)部與外界之間在不斷地進(jìn)行濕熱交換，導(dǎo)致稻谷水分吸附解吸行為循環(huán)發(fā)生[1]。水分的吸附解吸是促使稻谷裂紋變化的關(guān)鍵因素，而稻谷裂紋被認(rèn)為是導(dǎo)致碎米產(chǎn)生的最主要因素[2-5]。據(jù)調(diào)查，碎米市場價(jià)格不到整米的一半[3]。因此，研究水分吸附解吸對(duì)稻谷裂紋的影響規(guī)律，能為降低碎米率、減少糧食損失提供重要參考依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】稻谷裂紋產(chǎn)生的機(jī)理有多種說法，主要有應(yīng)力理論、“楔壓力”理論、水合作用力和玻璃化轉(zhuǎn)變理論等[6]。前 3種理論都認(rèn)為稻谷吸濕過程受力的作用導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，第4種理論認(rèn)為是干燥過程中溫度變化所引起。由于稻谷及其裂紋尺寸微小、受力和溫度量化研究受限，稻谷裂紋產(chǎn)生理論學(xué)說尚不完善。稻谷籽粒裂紋與自身水分變化密切相關(guān)，吸附水分會(huì)導(dǎo)致籽粒膨脹變形、內(nèi)部出現(xiàn)裂縫[7-8]；低場核磁共振（LF-NMR）是一項(xiàng)研究稻谷籽粒水分狀態(tài)及遷移的有效手段，常被用于水稻籽粒灌漿、稻谷干燥及水分吸附解吸等過程中的水分狀態(tài)及其變化[9-13]。干燥稻谷的初始含水量、水分變化幅度及干燥速率也會(huì)影響籽粒裂紋率[14-18]。HOGAN等[19]首次使用X射線成像手段對(duì)未脫殼稻谷進(jìn)行裂紋檢測研究，并證實(shí)圖像上的黑線為稻谷裂紋。該技術(shù)隨后被用于研究稻谷裂紋率及裂紋與其他品質(zhì)之間的聯(lián)系[20-21]。掃描電鏡被用于分析稻谷籽粒裂紋斷裂面微觀結(jié)構(gòu)[2]。【本研究切入點(diǎn)】以往研究集中關(guān)注干燥過程中稻谷裂紋率與水分含量之間的關(guān)系[17-18]，既沒有對(duì)稻谷裂紋進(jìn)行分類，又沒有對(duì)裂紋粒的水分分布進(jìn)行分析，因此缺乏裂紋變化與不同狀態(tài)水分間聯(lián)系的深入研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】由于稻谷在田間生長過程中經(jīng)歷過多次以解吸為主的水分解吸吸附循環(huán)后，部分裂紋已經(jīng)產(chǎn)生。因此，本研究著重于探究收割后粳稻籽粒裂紋發(fā)展變化過程，而非裂紋產(chǎn)生過程。本試驗(yàn)使用X射線、電子掃描成像和LF-NMR技術(shù)測定并比較粳稻籽粒水分解吸過程中水分分布及內(nèi)部裂紋的變化，深入分析籽粒水分解吸對(duì)裂紋變化的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用品種名為‘軟玉’‘淮稻5號(hào)’和‘南粳5055’3種粳稻。其中‘淮稻5號(hào)’為穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)品種，‘南粳5055’為穩(wěn)產(chǎn)較低產(chǎn)量品種，兩者在長江中下游地區(qū)種植面積廣?！浻瘛癁榻昱嘤缕贩N，處于試種階段，產(chǎn)量暫不穩(wěn)定，種植面積小，但具有口感軟糯的食味特性?！吹?號(hào)’通常作為普通大米產(chǎn)品的主要加工原料，而‘南粳5055’和‘軟玉’為優(yōu)質(zhì)大米產(chǎn)品的主要加工原料。本次選用的3種粳稻是長江中下游地區(qū)在種植供給和需求消費(fèi)上具有一定代表性的品種。試驗(yàn)材料均為常州常金米業(yè)種植基地2020年種植生產(chǎn)。該基地位于江蘇省常州市新北區(qū)孟河鎮(zhèn)萬綏村，亞熱帶季風(fēng)氣候。在當(dāng)年10月中旬，稻谷穎殼90%以上變黃，籽粒堅(jiān)硬。隨機(jī)在田塊多點(diǎn)用剪刀將帶穗稻谷手工取下并收集，當(dāng)天運(yùn)送至糧食儲(chǔ)運(yùn)國家工程實(shí)驗(yàn)室（稻谷平臺(tái)）于防潮墊上攤平自然通風(fēng)。經(jīng)手工脫粒，去除雜質(zhì)及霉粒后，用去離子水進(jìn)行分段加濕，3個(gè)品種稻谷的初始濕基含水率分別為20.10%、15.21%和 17.36%。每段加濕結(jié)束后置于 4℃人工氣候箱中，其間取出搖晃，使水分被均勻吸收，將粳稻調(diào)至25.00%目標(biāo)水分后冷藏備用。

1.2 主要儀器與設(shè)備

TP-214型分析天平，丹佛儀器（北京）有限公司；PQX-1000A型分段可編程人工氣候箱，寧波東南儀器有限公司；101-34S型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；FW100型高速萬能磨粉機(jī)，波通瑞華科學(xué)儀器有限公司；NMI-20 Analyst型核磁共振分析儀，上海紐邁電子科技有限公司；ZXFLASEE U型微焦點(diǎn) X光檢測儀，丹東市中訊科技有限公司；TM-3000型掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品準(zhǔn)備 采用電熱鼓風(fēng)干燥箱熱風(fēng)恒溫干燥處理樣品。干燥溫度為60℃，預(yù)熱時(shí)間為20 min。干燥期間將每個(gè)品種樣品進(jìn)行24等分劃分，每份樣品20 g。預(yù)熱結(jié)束后，取其中21份樣品，將單份樣品平鋪于單個(gè)托盤中，置于干燥箱中進(jìn)行薄層干燥。每隔10 min取出3份樣品，分別倒入干燥至恒重的稱量皿中后稱重并記錄。計(jì)算樣品的水分含量，直至3份樣品平均水分含量約為22.00%，混合并密封于自封袋中自然冷卻24 h后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。采用相同處理方法得到目標(biāo)水分約為20%、18%、15%、12%、10%和8%的樣品。

1.3.2 水分含量測定 參考 GB 5009.3—2016中的方法測定籽粒初始水分含量。

1.3.3 裂紋測定 采用 X射線成像設(shè)備對(duì)粳稻裂紋進(jìn)行測定。該設(shè)備由采集系統(tǒng)和成像系統(tǒng)組成，其中采集系統(tǒng)包括光源、可移動(dòng)載物臺(tái)和信號(hào)接收板，軟件系統(tǒng)為ZXVISPRO V2.0。參考ODEK等[21]的方法，隨機(jī)抽取300粒外觀完整的籽粒樣品，使用X射線成像系統(tǒng)進(jìn)行裂紋率的測定。其中，X射線儀的參數(shù)設(shè)置為：電壓30 kV，電流100 μA，窗寬10712，窗高9919，亮度 5，對(duì)比度 5。參考鄭華東等[22]的方法，根據(jù)X射線圖像中籽粒裂紋程度劃分為4種：完整粒、輕度裂紋粒、中度裂紋粒和重度裂紋粒，如圖1所示。圖中無裂紋的籽粒為完整粒（intact kernel，IK）（圖1-A），單裂紋的籽粒為輕度裂紋粒（slightly fissure kernel，SL-FK）（圖1-B），含雙裂紋的籽粒為中度裂紋粒（moderately fissure kernel，MO-FK）（圖 1-C），含3條及以上裂紋及龜裂紋（即同時(shí)出現(xiàn)橫向裂紋和縱向裂紋）的籽粒為重度裂紋粒（severe fissure kernel，SE-FK）（圖 1-D）。統(tǒng)計(jì)抽樣樣品中輕度、中度和重度裂紋籽粒的比例，分別記為 SL-PFK、MO-PFK和SE-PFK。

圖1 4種裂紋類型的稻谷籽粒X射線成像圖Fig.1 Four types of fissure in paddy rice kernels by X-ray images

1.3.4 稻谷裂紋處的微觀結(jié)構(gòu)成像 采用掃描電鏡對(duì)粳稻籽粒裂紋斷裂面進(jìn)行細(xì)胞和淀粉粒結(jié)構(gòu)的成像觀察。選擇檢測有裂紋的籽粒，手工剝殼并沿裂紋方向輕輕折斷后，放入離子濺射儀噴金室對(duì)斷裂面進(jìn)行噴金，濺射電流為1.5 A，加速電壓為15 kV，時(shí)間 90 s。

1.3.5 水分分布和狀態(tài)的測定 采用核磁共振分析儀測定粳稻籽粒水分分布和狀態(tài)。試驗(yàn)前，先用核磁共振波譜分析軟件中的FID（free induction decay）脈沖序列校準(zhǔn)中心頻率；然后稱?。?.00±0.01）g帶殼的籽粒置于直徑 15 mm 的核磁管中，采用 CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脈沖序列測定樣品的橫向弛豫參數(shù)，每組5個(gè)平行，取平均值。脈沖序列參數(shù)設(shè)置為：主頻 SF1=19 MHz，采樣頻率 SW=200 kHz，90°硬脈沖射頻脈寬P1=13 μs，180°硬脈沖射頻脈寬P2=25 μs，信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù) TD=300 150，重復(fù)采樣等待時(shí)間TW=1 500 ms，重復(fù)采樣次數(shù)NS=32，回波個(gè)數(shù)NECH=7 500。測定結(jié)束后將水分含量與單位質(zhì)量籽粒信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合。使用CONTIN算法對(duì)核磁數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到橫向弛豫時(shí)間和峰面積。由于稻谷中的脂肪含量極低，僅2%—3%，信號(hào)非常弱，此處未作探討[11]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用微軟Office 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖形繪制。使用 SPSS 24.0進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）和 Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)，均值采用最小顯著性差異法（LSD）和鄧肯分析（Duncan）進(jìn)行多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果

2.1 粳稻水分解吸過程中的裂紋分析

由圖2可知，水分解吸導(dǎo)致3種粳稻的裂紋率總體呈現(xiàn)上升的趨勢?！浻瘛▓D2-A）裂紋率從14.67%上升至 89.67%，水分含量在 14.96%—25.16%的籽粒裂紋率較少且變化不明顯，裂紋率僅增加了 9.66%，水分含量在11.94%—14.96%的籽粒裂紋率差異巨大，總增加量為 55.67%。由于 11.49%的‘軟玉’籽粒裂紋率已高達(dá)80.00%，因此當(dāng)水分含量低于11.94%后，籽粒的裂紋率變化明顯減小?！吹?號(hào)’（圖2-B）的裂紋率變化情況與‘軟玉’不同，高水 分的籽粒裂紋差異十分明顯，在水分含量為19.78%時(shí)，其裂紋率就已高達(dá) 41.67%；而水分含量在 15.21%— 19.78%的籽粒裂紋率基本沒有變化，且穩(wěn)定在45.00%以下；水分含量低于 15.21%后，裂紋率大量增加至80.00%后趨于穩(wěn)定。高水分的‘南粳5055’（圖2-C）籽粒裂紋率維持在 25.00%以下，當(dāng)水分含量低于17.84%后，裂紋率隨水分的解吸而明顯增加。表明不同品種粳稻籽粒水分解吸過程中裂紋率的變化存在差異。

圖2 粳稻籽粒水分解吸過程中裂紋變化Fig.2 Changes of fissure in paddy rice kernels during moisture desorption

由圖2樣品裂紋程度可知，低水分粳稻籽粒不僅裂紋率高于高水分的籽粒，其中度、重度裂紋比例也比高水分籽粒要高。高水分裂紋粒幾乎不含重度裂紋粒，且中度裂紋粒的比例也極少。中度裂紋率和重度裂紋率隨著水分解吸開始明顯增加，特別是當(dāng)籽粒的總裂紋率大于40.00%后，中度裂紋粒和重度裂紋粒的占比明顯增加?！浻瘛吹?號(hào)’和‘南粳5055’籽粒的輕度裂紋粒比例分別從14.67%、8.67%和8.33%上升至50.67%、52.67%和50.33%?！浻瘛吹?號(hào)’和‘南粳5055’籽粒的中度裂紋粒比例從0.00%分別上升至18.00%、14.67%和18.00%?！吹?號(hào)’重度裂紋粒比例一直增加，從0.00%上升至21.67%；而‘軟玉’和‘南粳5055’重度裂紋粒比例在水分含量為10.00%左右時(shí)達(dá)到最大值，隨后有所下降。‘軟玉’和‘南粳5055’在含水率為8%左右時(shí)，其中度裂紋率和重度裂紋率下降而輕度裂紋率上升。這可能是由于單次X射線成像僅得到某一角度的二維成像，部分裂紋的輕重程度無法被正確劃分所造成。如果調(diào)整籽粒放置，進(jìn)行多次成像并觀察，則可以降低這種隨機(jī)誤差。

2.2 粳稻籽粒裂紋斷裂面的微觀結(jié)構(gòu)分析

由于3種粳稻水分解吸過程中的裂紋變化規(guī)律較為一致，因此選擇其中一個(gè)品種進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)研究。圖3為放大60倍的‘南粳5055’裂紋處細(xì)胞結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像。由圖可知，在水分解吸過程中，細(xì)胞間界面和細(xì)胞斷裂面差異明顯。在裂紋斷裂面存在兩個(gè)典型的區(qū)域：一個(gè)是較為“粗糙”的淀粉間斷裂面，另一個(gè)則是較為“平滑”的細(xì)胞間斷面。隨著水分含量的降低，淀粉間斷裂面的比例減小，細(xì)胞間斷裂面的比例增加。因此，呈現(xiàn)出裂紋處斷裂面變光滑的趨勢，且由淀粉間斷裂面主導(dǎo)變?yōu)榧?xì)胞間斷裂面主導(dǎo)，此結(jié)果和ZHANG等[2]報(bào)道結(jié)果十分相似。圖4為放大2 000倍的‘南粳5055’籽粒裂紋斷裂面淀粉粒結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像，不同水分含量的粳稻籽粒裂紋在淀粉粒層次上差異明顯。籽粒的橫斷面微觀結(jié)構(gòu)主要由單粒淀粉粒、復(fù)合淀粉粒、脂肪滴和蛋白膜等結(jié)構(gòu)組成。籽粒在水分解吸過程中裂紋斷裂面的單粒淀粉粒數(shù)量增加，復(fù)合淀粉粒內(nèi)部出現(xiàn)間隙，這些間隙逐漸增加，并最終導(dǎo)致復(fù)合淀粉粒崩解成單粒淀粉粒。

圖3 ‘南粳5055’籽粒水分解吸過程中裂紋處細(xì)胞層次微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of fissure in Nanjing 5055 during moisture desorption at the cell level

圖4 ‘南粳5055’籽粒水分解吸過程中裂紋處淀粉粒層次微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of fissure in Nanjing 5055 during moisture desorption at the starch granule level

2.3 粳稻籽粒的低場核磁測試分析

將‘軟玉’‘淮稻5號(hào)’和‘南粳5055’單位質(zhì)量樣品的初始橫向弛豫強(qiáng)度分別與水分含量進(jìn)行線性擬合，決定系數(shù)（R2）分別為0.994、0.995和0.995。表明3品種粳稻籽粒初始橫向弛豫強(qiáng)度和水分含量之間都存在極顯著（P＜0.01）的線性關(guān)系。圖5為所有樣品的初始橫向弛豫強(qiáng)度與水分含量的線性擬合 R2為0.992。盡管與單一樣品線性模型的決定系數(shù)相比有所減小，但R2仍大于0.990。因此，可通過初始橫向弛豫信號(hào)強(qiáng)度來準(zhǔn)確地預(yù)測不同品種粳稻籽粒中的含水率。另外，3種粳稻水分分布特征一致，在水分解吸過程中沒有發(fā)生改變。

圖5 單位質(zhì)量粳稻籽粒的初始橫向弛豫強(qiáng)度與水分含量線性擬合Fig.5 Weighed initial transverse relaxation strength for paddy rice kernels as a function of moisture content

稻谷籽粒本身是一種非均相體系，LF-NMR技術(shù)可以利用氫質(zhì)子在磁場中的自旋-弛豫特性，分析食品中的水分分布特征及狀態(tài)的改變[23-25]。通過反演樣品的LF-NMR橫向弛豫信號(hào)，得到粳稻籽粒的弛豫強(qiáng)度分布圖（圖6）。反演圖譜都有2個(gè)峰，分別代表2種流動(dòng)性不同的水分，弛豫時(shí)間較短的T21峰（0.1—20 ms）表征籽粒內(nèi)部被淀粉、蛋白質(zhì)等大分子包圍或與其極性基團(tuán)作用緊密的“結(jié)合水”；弛豫時(shí)間較長的T22峰（24—350 ms）表征籽粒的液泡、原生質(zhì)和細(xì)胞間隙中流動(dòng)性最強(qiáng)的“自由水”。當(dāng)水與其他成分結(jié)合緊密或處于較小縫隙時(shí)，氫質(zhì)子自由度低，弛豫時(shí)間T2便會(huì)縮短，因此，弛豫時(shí)間為T21的水組分自由度小于弛豫時(shí)間為T22的水組分。

粳稻籽粒水分含量的降低導(dǎo)致橫向弛豫時(shí)間 T21和T22縮短，A21峰斜度增大，A22峰斜度減?。▓D6）。其中，‘軟玉’籽粒的橫向弛豫時(shí)間T21平均由2.42 ms縮短至0.74 ms，橫向弛豫時(shí)間T22平均由138.49 ms縮短至 96.68 ms（表1）；‘淮稻 5號(hào)’籽粒的 T21平均由 2.31 ms縮短至 0.66 ms，T22平均由 135.45 ms縮短至 103.08 ms；‘南粳 5055’籽粒的 T21平均由2.36 ms縮短至 0.74 ms，T22平均由 132.41 ms縮短至97.97 ms。由此可知，隨著籽粒水分解吸，含水量降低，籽粒中各狀態(tài)水分整體向左遷移，表明水分解吸使得籽粒內(nèi)氫質(zhì)子自由度降低，水分子的流動(dòng)性顯著減弱（P＜0.05）。

圖6 單位質(zhì)量粳稻籽粒水分解吸過程中低場核磁信號(hào)強(qiáng)度與橫向弛豫時(shí)間T2反演圖譜Fig.6 The inversion spectrum of normalization LF-NMR signal intensity for one gram of paddy rice kernels during moisture desorption and transverse relaxation time T2

表1 粳稻籽粒水分解吸過程中的橫向弛豫時(shí)間T2Table 1 Transverse relaxation time T2 for paddy rice kernels during moisture desorption

水分解吸導(dǎo)致籽粒表征“結(jié)合水”含量的 A21峰面積顯著減?。≒＜0.05）。其中，‘軟玉’的 P21峰比例平均由94.81%降低至77.72%；‘淮稻5號(hào)’的P21峰比例平均由95.38%降低至77.31%；‘南粳5055’的P21峰比例平均由94.01%降低至77.08%。而表征“自由水”的A22峰面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢， 但由于高水分粳稻的 A22峰面積變化差異不顯著（P＞0.05），因此，P22峰比例依然隨著水分的解吸而上升。其中，‘軟玉’的P22峰比例平均由5.19%上升至22.26%；‘淮稻5號(hào)’的P22峰比例平均由4.62%上升至22.22%；‘南粳5055’的P22峰比例平均由5.99%上升至22.91%。因?yàn)榈竟茸蚜Ｖ械某谠r(shí)間較長的“自由水”流動(dòng)性大于弛豫時(shí)間較短的“結(jié)合水”，所以部分“自由水”在水分解吸過程中揮發(fā)離開籽粒，同時(shí)部分“結(jié)合水”轉(zhuǎn)化為“自由水”?？傮w表現(xiàn)為“結(jié)合水”面積和相對(duì)面積比例隨水分解吸過程逐漸減小，而“自由水”的面積有增有減，但相對(duì)面積比例是上升趨勢。因此，在稻谷水分解吸過程中，除了含水量下降，各組分水分流動(dòng)性下降，“結(jié)合水”含 量降低也是水分變化的重要特征。

2.4 粳稻裂紋與水分分布的關(guān)系

粳稻品種與其籽粒的重度裂紋率呈顯著相關(guān)（P＜ 0.05），但與裂紋率、輕度裂紋率及中度裂紋率不相關(guān)（P＞0.05），表明品種與重度裂紋有聯(lián)系。水分含量與 T21、T22、A21及 P21呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與P22呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與A22不相關(guān)（P＞0.05），表明樣品橫向弛豫時(shí)間 T2隨著水分解吸，水分流動(dòng)性逐漸下降。水分含量與 裂紋率、中度裂紋率和重度裂紋率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），表明水分解吸使籽?？偭鸭y率增加和單顆籽粒中的裂紋數(shù)量顯著增加。T21、T22、A21及 P22與籽粒的裂紋率、輕度裂紋率、中度裂紋率及重度裂紋率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），P21與裂紋數(shù)據(jù)呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。這表明籽粒的橫向弛豫時(shí)間T2與內(nèi)部“結(jié)合水”含量對(duì)裂紋變化有極大的影響。裂紋率和裂紋程度呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)（表2）。

表2 粳稻籽粒裂紋數(shù)據(jù)與橫向弛豫參數(shù)相關(guān)性分析Table 2 The correlation between fissure data and transverse relaxation parameters of paddy rice kernels

3 討論

3.1 不同品種粳稻水分分布特征的一致性問題

袁建等[26]和汪楠等[12]利用 LF-NMR技術(shù)可以準(zhǔn)確地預(yù)測單一品種稻谷的水分含量，而本試驗(yàn)基于 3個(gè)品種粳稻也可以準(zhǔn)確地進(jìn)行水分測量（圖5）。SHAO等[27]使用初始信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確地預(yù)測小麥含水率，但是同樣模型就不能準(zhǔn)確預(yù)測混有害蟲小麥的含水率，這是由于蟲體與小麥水分分布特征差異巨大造成的。而本試驗(yàn)中3種粳稻可以使用同一預(yù)測模型，說明3種粳稻的水分分布差異較小，具有一致性。另外，雖然水分的解吸導(dǎo)致籽?！敖Y(jié)合水”和“自由水”的橫向弛豫時(shí)間、峰面積及比例變化，但樣品的水分分布特征并沒有發(fā)生改變。因此，基于樣品單位質(zhì)量的初始 橫向弛豫強(qiáng)度，可以通過同一模型準(zhǔn)確預(yù)測3種粳稻的水分含量。另有研究使用LF-NMR技術(shù)同時(shí)測定谷物、油料種子等樣品中的水和脂肪含量[28]，這是屬于同一體系的兩類氫質(zhì)子問題。

3.2 粳稻水分解吸過程中裂紋與水分分布的相關(guān)性

本研究提出根據(jù)一種 X射線成像的裂紋分類方法，將稻谷按裂紋程度分為4類。根據(jù)該法對(duì)稻谷裂紋程度進(jìn)行分類，有利于深入研究裂紋的發(fā)展變化。COURTIOS等[29]通過統(tǒng)計(jì)分析干燥煮熟大米的可見光圖像。按裂紋數(shù)量分為3類，即有1條和2條裂紋的認(rèn)為軟裂紋粒，3條及以上裂紋的認(rèn)為是硬裂紋粒，非貫穿裂紋或無裂紋的認(rèn)為是無裂紋粒。該分類方法對(duì)于透明的煮熟大米具有可行性，但不適合不透明的帶殼稻谷、糙米和加工大米等樣品。由于X射線能夠進(jìn)行樣品內(nèi)部成像，因此，本分類方法適用于稻谷、糙米和不同加工程度的大米。

隨著粳稻水分降低，裂紋籽粒數(shù)量比例（裂紋率）和籽粒裂紋類型（裂紋程度）與橫向弛豫參數(shù)之間的聯(lián)系被建立。結(jié)果表明，稻谷中水分流動(dòng)性降低，其中弛豫時(shí)間較短的“結(jié)合水”含量降低與裂紋增加同時(shí)發(fā)生，因此，“結(jié)合水”可能與裂紋密切相關(guān)，其含量降低導(dǎo)致裂紋數(shù)量的增多。同時(shí)表明，低場核磁技術(shù)也是檢測大米內(nèi)部裂紋程度及其變化的有效間接手段。

3.3 稻谷裂紋產(chǎn)生與發(fā)展的機(jī)理

由于裂紋被認(rèn)為是稻谷加工產(chǎn)生碎米的主要原因，裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展研究備受關(guān)注。稻谷裂紋產(chǎn)生機(jī)理主要有應(yīng)力理論、“楔壓力”理論、水合作用力和玻璃化轉(zhuǎn)變理論等[6]，分別從力學(xué)和溫度的角度闡釋裂紋產(chǎn)生機(jī)理。美國學(xué)者 KUNZE等[30-31]認(rèn)為裂紋形成于稻谷生長后期、收獲、運(yùn)輸、干燥和儲(chǔ)藏等環(huán)節(jié)的吸濕作用。稻谷在田間生長過程從抽穗后第 1天稻谷籽粒的水分含量從 55.34%降至后期的20%左右，而其他淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪等組分逐步增加，特別是淀粉后來成為主要成分[11]。水可視為一種粘合劑，將各組分無間隙的粘合在一起，即白色乳漿狀物。隨著水分的急劇下降，籽粒收縮，稻殼也隨籽粒一起收縮。由于淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪不具備水那樣的流動(dòng)性和粘合性，籽粒內(nèi)部細(xì)胞間、淀粉與淀粉顆粒間等由于水分的失去而出現(xiàn)斷面。因此，推測早期稻谷裂紋產(chǎn)生源于田間生長后期的籽粒失水，即水分解吸作用，而不是吸濕或水分吸附。

通過水分分布變化可知，淀粉粒“粗糙”斷面可能隨著“結(jié)合水”減少發(fā)展成為“光滑”斷面。當(dāng)“光滑”斷面增多，裂紋數(shù)量增加，裂紋類型也從輕度發(fā)展到中度以及重度。因此，推測“粗糙”淀粉間斷面是內(nèi)部結(jié)構(gòu)從完整到裂紋的過渡狀態(tài)，而“光滑”細(xì)胞間斷面便是裂紋初期形態(tài)。由于過渡和初期裂紋十分微小，很難被除電鏡外的檢測技術(shù)觀察到。水分繼續(xù)解吸會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞間的斷面不斷增加，從而初期裂紋發(fā)展成為可被觀察到的裂紋。裂紋數(shù)量繼續(xù)增加，裂紋類型從輕度發(fā)展到中度以及重度。由于稻谷籽粒尺寸很小，裂紋處的力學(xué)特征和局部溫度變化難以量化，因此基于力學(xué)和溫度的稻谷裂紋產(chǎn)生理論學(xué)說難以實(shí)證。而低場核磁技術(shù)，可量化與稻谷裂紋發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)的水分分布及變化。因此，低場核磁技術(shù)結(jié)合掃描電鏡和 X光成像等微觀、宏觀表征手段，為闡明裂紋產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)理提供一種可能性。

當(dāng)然，本研究考慮的因素不夠全面、樣品也較少，具有一定的局限性。如果以此為基礎(chǔ)，增加水分解吸溫度梯度、解吸速度、濕度差等考察因素，并擴(kuò)大測試樣品范圍，如其他地區(qū)的粳稻和秈稻等，用以驗(yàn)證稻谷水分解吸過程中“結(jié)合水”轉(zhuǎn)化為“自由水”、籽粒內(nèi)淀粉粒因失去“結(jié)合水”逐步結(jié)構(gòu)崩解，直至斷面發(fā)展成為肉眼可見裂紋的過程，以更好地詮釋稻谷裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展機(jī)理。

4 結(jié)論

本研究提出一種基于X射線成像手段的稻谷裂紋程度分類方法，根據(jù)裂紋數(shù)量和種類，將稻谷分為完整粒、輕度、中度和重度裂紋粒等4種類型。粳稻籽粒水分解吸過程中的含水量、水分流動(dòng)性、“結(jié)合水”含量、裂紋程度和裂紋率之間的關(guān)系十分密切。水分解吸導(dǎo)致稻谷籽粒的裂紋率增加，以及裂紋程度加深。籽粒水分的遷移和轉(zhuǎn)化，特別是“結(jié)合水”下降，是籽粒裂紋發(fā)展變化的重要原因。低場核磁技術(shù)，結(jié)合掃描電鏡和X光成像手段，為闡釋生物材料的裂紋產(chǎn)生及發(fā)展變化機(jī)理提供了一種可能性。