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，生物超弱發(fā)光研究得到越來越多研究者的關(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］。通過植物超弱發(fā)光變化來研究植物對(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←湗悠贰Ｔ囼?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)過線性擬合，它們的相關(guān)系數(shù)R=－0.96，說明小麥自身超弱發(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)上來說是因?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。

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