花生种皮变化对种子抗破损力的影响

王 通禹山林谢宏峰 陈明娜王 冕陈 娜潘丽娟许 静冯 昊迟晓元

(山东省花生研究所/农业部花生生物学与遗传育种重点实验室,山东 青岛 266100)

花生是我国重要的油料作物和经济作物,其种植面积及年产量均居世界前列,在我国食品加工、食用油脂供应及出口贸易中均占有重要地位[1]。在花生的生产、加工及贸易中,脱壳是其重要环节之一[2]。脱壳破碎率是影响花生籽仁品质和商品特性的重要因素之一。人工剥壳对种子损伤较小,但效率低,成本高。虽然机械剥壳速度快,但破碎率高,且发芽率低,反而降低了其商业品质和价值[2-3]。因此,降低花生籽仁的机械破损率一直是备受关注的技术难题。

花生的脱壳效率和种子破损率是衡量花生脱壳效果最直观的指标,其与种子抗机械损伤能力有直接关系。目前,关于如何降低花生机械脱壳种子破损率的研究主要围绕花生的品种类型、含水量、荚果形状和籽仁形状,以及脱壳机械的工作性能和操作工艺等方面,以分析干燥花生籽仁的机械破损变化为基础,从力学特性上揭示花生种子的抗机械损伤特性[4-9]。然而有关花生种子的组织细胞结构、生理变化等因素与花生种子抗机械损伤的关系的研究尚无报道。

花生种子由种皮、子叶和胚3部分构成,其中种皮主要起到保护作用,可降低各类生物和非生物对种胚的损伤[10],种皮的保护作用与其组织细胞的物理结构(厚度、密度、裂缝和空洞化等)和化学组分(果胶质、多酚、生物碱和花青素等)变化密切相关[11-13]。为探明收获后花生种皮超显微结构及组成的变化,研究干种子破损率变化的细胞和生理机理,本文利用收获的花生种子为材料,进行晒干和存储,对不同时间段的种子进行含水量、抗破损力检测,并对种皮进行果胶质含量差异以及细胞壁超显微结构的变化过程进行研究,以期为花生种子加工技术的发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为花育917,是由山东省花生研究所育成的高油酸大花生。于2019年9月花生收获后,在莱西试验农场进行晾晒、取样和存储。

1.2 含水量检测和取样

花生晾晒过程中,于每日18时称取约200 g洁净双仁荚果,设3个重复。参照朱萍等[14]的方法,利用台式鼓风干燥箱,在130～133℃下对种子进行相对含水量(Relative Moisture Content,RMC)检测。分别在含水量为28%、10%和8%时,随机取种子进行后续破损力、种皮果胶质和超显微结构检测。

1.3 抗破损力测定

花生种子抗破损的力学测定参照易克传[4]和王京[15]等的方法,利用数显硬度计(FT-ZG01)检测使花生种子破裂的正压破损力,每组重复10次。

1.4 果胶质相对含量测定

称取花生种皮2 g,研磨粉碎,参照茅林春[16]和万清余[17]等的方法进行花生种皮原果胶质和水溶性果胶质含量的检测。

1.5 电镜观察

花生种皮切成1mm×2mm 小块,置于密封管中,用FAA溶液(用38%甲醛5 mL,冰乙酸5 mL,70%酒精90 mL 和甘油5 mL 配制)进行组织固定。参考周桂元等[12]的方法根据电镜制样程序,将种皮横断面、内表皮和外表皮镀膜后,在扫描电镜下观察种皮超微结构,对其标定后进行拍照。

2 结果与分析

2.1 种子抗破损力的变化

图1发现,花生荚果收获后,晾晒至干燥过程中,种子含水量不断降低,由最初30%(晾晒2 d)降至约10%(晾晒10 d,至干燥),同时种子抗破损力也呈降低趋势,由74 N 降至68 N。在花生晒干后,置于仓库存储至90 d,使种子抗破损力继续降低,至55 N。种子抗破损能力与种子抗破损力大小呈正相关性,因此,种子含水量和存储时间对种子抗破损能力均有一定的影响。

图1 花生种子干燥、存储过程中抗破损力、果胶质含量变化分析Fig.1 Changes of anti-breakage force,moisture and protopectin content of peanut seed during drying and storage

2.2 花生种皮果胶质含量变化分析

对种皮果胶质含量变化的研究表明(图1),刚收获的鲜花生种皮果胶质大部分为原果胶质,相对含量约0.97mg/g FM,而水溶性果胶质含量很低,约0.27 mg/g FM。随种子干燥和贮藏时间的延长,种皮中原果胶质表现出下降趋势,而水溶性果胶质持续增加,并在种子贮藏90 d后,种皮水溶性果胶质含量(0.55 mg/g FM)超过原果胶质(0.41 mg/g FM)。原果胶质含量与花生种子的干燥、存储时间具有显著负相关性,推测其含量的减少和可溶性果胶质的增加对花生种皮的物理结构强度有影响,进而降低了对种子的保护作用。

2.3 不同干燥程度花生种皮的超显微结构变化

花生种皮的横断面结构显示,收获、晾晒2 d后(图2 A),种皮的表皮层、栅栏层和柱状细胞层等结构细胞间填充物较多,细胞密度大,细胞排列紧密、空洞小。随着花生含水量的降低和存储时间的延长(图2 B 和C),种皮结构细胞间隙增大(填充物显著减少),细胞密度降低,空洞化加重,各结构层变薄,整个种皮厚度严重缩减。在晒干、储藏90 d后(图2 C),种皮各细胞层间结构强度显著降低,并出现细胞层破碎。

对花生内(图2 D,E,F)、外(图2 G,H,I)种皮表面进行超显微观察,结果显示,种皮内表皮平滑,表面纹理呈不规则状,其凸起较宽、浅;表皮细胞排列紧密,细胞间隙很小,细胞界限不清晰(图2 D)。随着种子含水量的降低,种皮内表皮细胞出现萎缩,细胞纹理先趋于平坦化(图2 E);然而在储存90 d以后,内表皮细胞纹理变得更浅、更密(图2 F),但其他结构特性无显著变化。种皮外表面呈不规则的凹入和凸起,表皮纹理为网纹状;细胞界限清晰,排列紧密,交联处凹陷成沟,而细胞表面隆起为较粗的脊,隆脊表面有不规则的细鳞状凸起(图2 G)。随着含水量降低(图2 H),外表皮细胞表面隆脊变低,鳞状凸起消失,但细胞结构和网纹分布基本保持完整。经长期干燥储存90 d后,细胞表面隆脊显著凹陷,并在表面形成新的凹凸网纹,细胞间的交联沟基本消失,细胞界限不清;同时,因细胞壁的脱水、塌陷,外种皮的凹凸网纹及其结构出现断裂、破损(图2 I)。以上说明,随着含水量的降低和存储时间的延长,花生种皮纹理隆起,细胞牢固性变差、容易破裂,空洞细胞内陷严重,这可能与种皮原果胶质的减少有关。因此,机械脱壳使花生种皮极易破碎。

图2 鲜花生干燥过程中种皮的电镜超显微扫描图Fig.2 Ultrastructural observation of peanut testa during drying

3 结论

果胶质(pectin)是一类广泛存在于高等植物细胞壁的初生壁和胞间片层的杂多糖,其主要与种皮中的纤维素、半纤维素、木质素等细胞相结合形成原果胶质[18-19],在维持细胞间粘合、稳定组织细胞结构上起到重要调节作用[20-21]。而种皮细胞的结构稳定性对种皮的机械强度和保护作用有直接影响[12-13]。在花生成熟干燥和存储过程中,种皮的果胶质组成和细胞结构均发生显著变化,其中较明显的是原果胶质不断向水溶性果胶质转变(图1),这种转变可能与种皮细胞的交联作用被破坏有关,并导致细胞层断裂、破碎,使得种皮细胞层的稳定性和机械强度降低,对种胚保护作用变差(图2)。说明花生种子的成熟、干燥和存储过程就是种皮细胞衰老失活和各类化学物质降解转化的过程。

含水量是影响花生种子机械破损率的重要因素之一[4,16],尤其在鲜花生晾晒至干燥过程中,种子含水量、种子抗破损力和种皮原果胶质含量均呈现连续下降的趋势(图1),虽然种皮厚度有所降低,种皮细胞表面扁平化,但细胞结构较稳定,机械强度较高,对种子还有一定保护作用(图2),使种子保持较高的抗破损能力。对于长期存储(3个月以上)的花生干种子,其含水量几乎无变化,但是种子抗破损力和种皮原果胶质含量仍有显著降低,且种皮细胞的物理结构严重破损,机械强度以及对种子的保护作用也明显变差,种子抗破损力显著变低,破碎率增加。对长期存放的干花生喷洒适量的水,放置24 h,然后进行机械脱壳,在一定程度上可提高种子抗破损能力,降低破碎率[3],这可能与种皮吸水后细胞结构和机械强度变化有关。以上说明,含水量和果胶质含量变化通过影响花生种皮的结构和机械强度,进而影响种子对破损的抗性,并呈现一定的正相关性。

总之,在机械脱壳过程中,为了降低花生籽仁的损伤率,应选择晒干后储藏不久的荚果进行脱壳,脱壳前不需喷水,脱壳后的种子易于后续的加工、存储。虽然喷水脱壳的方法也可降低破碎率,但存在一些问题,不易应用推广:首先花生种子吸水后,胚已有萌动,需尽早播种,若存放时间过长,很容易发霉变质;其次花生籽仁的破碎率仍然较高,农民难以接受。另外,在花生育种方面,应注重选育种皮中原果胶质含量和机械强度较高的品种,以提高花生种子的抗破损力和脱壳效率。