玉米种子的超干贮藏水分热力学分析

张海娇 张耀川 白素兰

摘要 [目的]研究超干对玉米种子水分热力学特性的影响。[方法]对4个玉米品种郑单958、京单28、先玉335和农大108采用干燥处理，回湿后测定其发芽率、种子含水量、水分吸附等温线，通过3个指标来衡量种子的水分热力学特性。[结果]不同玉米品种对水分的敏感程度不同，不同时期对水分的吸收也不同。京单28和农大108是对超干燥处理较敏感的种子。测定超干前后种子水分吸附等温线及水分热力学参数可以判断种子的耐干性。[结论]从水分热力学吸附特征的角度对种子的耐干机制进行了初步探讨。

关键词 超干贮藏；发芽率；种子含水量；水分吸附等温线；玉米

中图分类号 Q947.1 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2018）18-0001-04

Thermodynamic Analysis of Maize Seed Moisture Content in Ultradry Storage

ZHANG Haijiao1，ZHANG Yaochuan1，BAI Sulan2 （1.Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102442；2.School of Life Science， Capital Normal University， Beijing 100048）

Abstract [Objective]To study the effect of ultradry storage on the water thermodynamic characteristics of maize seeds. [Method] This had been researched four maize varieties， Zhengdan 958， Jingdan 28， Xianyu 335 and Nongda 108. Through the dry processing， the germination rate， seed water content and moisture adsorption isotherm were detected to evaluate the seed moisture thermodynamic analysis after rehumidification. [Result] Different cultivars were sensitive to different moisture content， the absorption of water was also different at different time. Jingdan 28 and Nongda 108 were sensitive to ultradry storage. The adsorption isotherm and the thermodynamic parameters were determined to detect the dry resistance of seeds round about the ultradry storage. [Conclusion]The mechanism of seed dry resistance was preliminarily discussed from the point of view of water thermodynamics characteristics.

Key words Ultradry storage；Germination rate；Seed water content；Moisture adsorption isotherm；Maize

玉米又名玉蜀黍，俗称苞谷、棒子、珍珠米等，是世界上分布最广泛的粮食作物之一，在我国播种面积居第1位。玉米籽粒在存储过程中，随时间的延长，其内源酶活性减弱，呼吸强度降低，原生质胶体结构松弛，生物化学和物理化学性质改变，生活力减弱，储存品质劣变，由于胚部大，脂肪含量高，相同条件下，玉米较其他谷物的储存稳定性差。前人做了大量的研究，结果表明水分对玉米储存品质影响很大，并证明超干有利于玉米储存[1]。

种子超干贮藏是将种子含水率降至5%以下，密封后置于常温条件下贮藏，又称超低含水率贮藏。超干贮藏不但具有低温贮藏的效应，极大地延长种子寿命，而且可降低保管费用，简便易行、高效低耗且利于环保。在种子尤其是种质资源和高价值种子的长期贮藏中，应用前景广阔[2]。目前，世界上许多大学和科研院所对种子超干贮藏进行了研究，最早是1986年英国里丁大学将芝麻种子水分由5%降至2%，寿命提高了40倍[3]。水分热力学分析是研究种子水分与周围环境关系的方法之一。水分由于亲水和疏水的相互作用，可以影响大分子结构，而反过来大分子结构又通过其对水分子吸附作用的变化来影响水分子的运动状态。已有研究表明不耐干种子对水分的束缚能力低，较易失去吸附等温线上第一吸附区域的强吸附水，继而引起大分子构象的变化从而影响种子活力[4]。种子含水量和贮藏温度是影响种子活力和生活力的2个关键因素，在某种程度上可以互补[5-7]。由此，一种操作简便、运转费用低的种质资源保存技术——超干贮藏技术得以发展起来[8]。笔者以适宜超干贮藏的不同种类玉米种子为材料，研究在超干处理前后种子活力及水分热力学特性的變化，以期了解超干处理对某些种子水分热力学特性的影响及与种子活力变化的关系。

1 材料与方法

1.1 材料 供试种子有郑单958、京单28、先玉335、农大108。供试种子均为2016年产 ，表1为玉米种子的百粒重、发芽率和含水量。

1.2 方法

1.2.1 种子超干处理。采用硅胶室温干燥，将超干种子密封于铝箔袋中，室温下贮藏，玉米种子经过20 d处理后，含水量分别降为8%和5%。将超干后的种子密封于称量瓶中，备用。

1.2.2 种子含水量（WC）测定。根据《国际种子检验规程》（ISTA），用低恒温烘干箱测定，2次重复。玉米种子须磨碎后测定，烘干有效面积为0.2 g/cm2。

1.2.3 种子发芽率测定。根据《国际种子检验规程》（ISTA），每次测定50粒种子，4次重复。

1.2.4 种子水分吸附等温线测定。在10和30 ℃下，将50 g种子置于具有一系列不同相对湿度的密封容器中（即种子质量不再增长），测定WC，绘制种子WC随相对水汽压变化的曲线，即种子在10和30 ℃下的水分吸附等温线。试验结果为3次重复的平均值。

1.2.5 水分热力学分析。水分的热力学吸附特征测定方法之一就是通过测定种子中水分的吸附等温线[7-12]， 用Vant Hoff和DAcry/watt分析方法测得束缚水分的不同吸附类型和各自的吸附情况。

DAcry/watt方程：

W=KK′（P/P0）/[1+K（P/P0）]+C（P/P0）+kk′（P/P0）/[1-k（P/P0）]

方程由3项构成，分别代表3种水分吸附类型并分别对应于吸附等温线上3个区段（region 1、region 2、 region 3）。式中第1项代表以单个水分子为结合对象的强吸附位点所结合的水，这部分水一般是与离子基团结合，在相对湿度小于15%时仍存在于细胞中，是种子在干燥状态下吸附水的主要成分；第2项代表以多个水分子为结合对象的弱吸附位点所结合的水，一般是以氢键与极性非离子基团结合为胶体状的水分，相对湿度为20%～60%时可在细胞中探測到；第3项代表松散结合的多分子水，相对湿度大于60%时存在于细胞内，一般是与大分子的疏水端结合或吸附于已吸附的水分子上，属于自由水。P/P0为相对水汽压；K、K′与k、k′分别代表方程式中第1项与第3项中吸附水的位点对水的吸附力量和吸附位点数目；C代表方程式中第2项的吸附水位点的数目及吸附力量。在水分吸附等温线上找出5个RH作为（P/P0）值以及对应的纵坐标WC作为W值代入DAcry/watt方程，解方程组求得热力学参数K、K′、C、k、k′值（计算K、K′时，取0～20%RH区域的5个点；计算C值时，取20%～60%RH区域的5个点；计算k、k′值时，取大于60%RH区域的5个点）。

Clausius-clapeyron方程：

△H=ln（aw1/aw2）R×T1×T2/（T2-T1）

式中，△H是一定水分含量下的热差焓（differential enthalpy），即所测温度范围内一定表面盖度下的吸附热量，反映吸附位点对水的束缚能力；aw1、aw2分别为温度T1、T2（该试验温度为30和10 ℃）下的相对水汽压（P/P0）；R为理想气体常数[8.314 J/（K·mol）]。

1.2.6 种子吸湿回干（H-DH）处理。种子先以水湿润，随即铺于滤纸上，再在上层覆盖2张湿滤纸，使其缓慢吸湿后回干，如此重复1次，以不经吸湿回干处理为对照。

1.3 数据处理 对比分析法通常是将2个相互联系的指标数据进行比较，从数量上展示和说明研究对象的规模、水平、速度，以及各种关系是否协调。在对比分析中，选择合适的对比标准是十分关键的步骤，选择合适，才能做出客观的评价，选择不合适，可能得出错误的评价。

2 结果与分析

2.1 不同种子的水分吸附等温线 常规种子的水分吸附等温线具有反S型特征，并呈现出3个明显的区段：region 1、region 2、region 3，分别对应于DAcry/watt公式中的3项；而顽拗型种子的水分吸附等温线是简单的双曲线，这2类种子对水分的吸附在吸附等温线上反应出明显的不同。而在常规种子中进行耐干能力的比较则要对各种热力学系数有详细的了解。

表1、2分别是10、30 ℃时4种玉米种子在一定相对湿度下达到水分平衡后的含水量，图1～4是根据表1、2数据制得的4种玉米种子的水分吸附等温线。

从水分的吸附等温线的形状看，郑单958、先玉335、京单28和农大108的吸附等温线均为反S型，都可以分出3个区段：第1区段（region 1）为0～20%相对湿度，水分随相对湿度上升较快，然后达到平缓；第2区段（region 2）为20%～60%相对湿度，此区段的曲线近似于线性平缓上升；第3区段为70%～95%相对湿度，曲线有比较大的陡度。不同种子的吸附等温线不同，从表1可以看出，不同品种对水分敏感的程度不同，不同时期对水分的吸收也不同。

2.2 不同种子中水分存在状况的热力学特征 将表1所绘吸附等温线上取得的数据代入DAcry/watt方程，按照“1.2.5”所述方法得出具有热力学意义的参数K、K′、C、k、k′（表3）。

Vertucci等[13]指出，吸附等温线上region 1的水分（RH为0～20%）具有很大的负△H值是耐干的重要原因之一，如果除去此水分将导致种子活力下降，因此，种子本身对此阶段水的束缚力量决定了种子在干燥过程中的耐受能力，吸附力量（K）大、吸附位点数目（K′）多，则耐干能力强。从表3可以看出，对超干燥处理较敏感的京单28和农大108的K值比其他种子小，而k′值也低于其他种子，说明此类种子在低的相对湿度环境中，不仅种子本身对水分的吸附位点数目少，而且种子对水分的吸附力量比耐干种子小。

2.3 种子吸附水的热力学特征与耐干程度的关系 根据吸附等温线在其上取得不同含水量时对应的10与30 ℃时的相对湿度，用Clausius-clapeyron分析计算得出△H值，绘制出图5～8。从图中看出，对水分敏感的京单28与农大108的△H最大负值峰均比其他耐干种子的低，这从另一个角度说明此类种子对束缚水的束缚能力下降，外界提供较低的能量即可使其部分束缚水丢失；京单28与农大108的△H最大负值对应的含水量均比郑单958和农大108高，而且在△H趋近于0时对应的含水量也高，这表明有较高含水量的种子在进一步脱水过程中若继续提供足够的能量会造成region 1水分丧失，从而引起大分子构象变化，这也可能是京单28和农大108种子耐干性不如郑单958和先玉335。

3 结论与讨论

（1）郑单958、先玉335、京单28和农大108的吸附等温线均为反S型，都可以分出3个区段：第1区段（region 1）为0～20%相对湿度，水分随相对湿度上升较快，然后达到平缓；第2区段（region 2）为20%～60%相对湿度，此区段的曲线近似于线性平缓上升；第3区段（region 3）为70%～95%相对湿度，曲线有比较大的陡度。不同种子的吸附等温线不同，不同品种对水分的敏感程度不同，不同时期对水分的吸收也不同。

（2）京单28和农大108的K值比其他种子小，而k′值也低于其他种子，说明此类种子在低的相对湿度环境中，不仅种子本身对水分的吸附位点数目少，而且种子对水分的吸附力量比耐干种子小，是超干燥处理较敏感的种子。

（3）对水分敏感的京单28与农大108的△H最大负值峰都要比其他耐干种子的低，这从另一个角度说明此类种子对束缚水的束缚能力下降，外界提供较低的能量即可使其部分束缚水丢失。

（4）京单28与农大108的△H最大负值对应的含水量都比郑单958和农大108高，而且在△H趋近于0时对应的含水量也高，这表明有较高含水量的种子在进一步脱水过程中若继续提供足够的能量会造成region 1水分丧失，从而引起大分子构象的变化，这也可能是京单28和农大108种子耐干性不如郑单958和先玉335。

（5）超干处理使那些对水分子吸附相对較弱且较易因超干而改变结构的大分子丧失了对水分子在region 1的吸附作用，留下的均是较难因超干而改变结构的大分子，是其对水分子的平均吸附力量相对超干前更大的原因。超干导致不耐干种子的一些大分子结构因失水而发生不可逆的改变，使它们对水分子的吸附位点减少，吸附能力减弱，量化地反映在水分吸附等温线中相关区段水分含量和水分子热。超干导致的细胞形态结构与生理特性的变化反映在使细胞膜结构受到破坏，导致电解质渗漏增多和酶活性下降。因此，测定超干前后种子水分吸附等温线及水分热力学参数可以判断种子的耐干性。以上方法基于水分热力学分析方法计算所得，与束缚水的实测分析可能会有偏差。

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