白苏种子的冻干萌发特性研究

张 青，魏 燕，姜若文，庞永琳

(上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093)

白苏，唇形科紫苏属，一年生草本植物，其叶片呈卵形或卵圆形，梗和叶均为中药。白苏有调节血脂、预防血栓的作用，其分布地区十分广泛，在中国、日本、朝鲜、韩国、印度、不丹、缅甸和俄罗斯等国家都有种植。白苏药食两用类种子的生命力并不顽强，容易受到外界环境的影响，用普通方法长期贮存后的白苏种子发芽率大幅降低，因此迫切需要一种能使白苏种子长期贮存且保证其生命活力的方法。白苏种子方面的研究与报道[1-5]较少，且主要集中在离体组织培养、转基因体系建立、多种基因的遗传转化和分离、克隆和表达分析等生物技术方面，较少涉及白苏种子的贮存。

冷冻干燥[6-9]是将富含水分的物质先低温冷却到其玻璃化转变温度或共晶点以下，此时物料中的大部分水分就会冻结成冰，剩余的少部分水分会和物料共同形成玻璃态，之后在真空环境下对物料进行低温加热，让冰升华，继续在真空环境下给物料升温，从而去除与物料结合在一起的吸附水。

传统的长期低温贮存方法成本高，耗能大，不够环保。而冷冻干燥方法已经在诸多种子的贮存中得到了应用，因此可以研究冷冻干燥方法是否适用于白苏种子。李圣福等[10]对玉米种子进行了冷冻干燥和烘箱干燥，测定了处理后种子的发芽率，从而筛选出对玉米种子适宜的超干燥方法。孟淑春[11]对韭菜种子分别进行冷冻干燥、硅胶干燥、50℃加温干燥等处理，比较不同干燥方法对韭菜种子贮存的影响。对于常见的谷物、蔬菜种子的冷冻干燥工艺[12-15]已经是屡见不鲜，而对中医药种子进行冷冻干燥尚未普及。以白苏种子为研究对象，研究了冷冻干燥方法对中药种子萌发特性的影响。

1 材料与方法

1.1 实验设备

真空冷冻干燥机(上海田枫实业有限公司生产，TF-SFD-2)，电热恒温鼓风干燥箱(上海博迅实业有限公司医疗设备厂生产，GZX-9030MBE)，箱式电阻炉(上海实研电炉有限公司生产，SX2-12-10)，差示扫描量热仪(耐驰科学仪器商贸(上海)有限公司生产，DSC200F3)，外径千分尺(上海量具刃具厂生产，S104-101-101)，电子分析天平(上海双旭电子有限公司生产，S114)及玻璃培养皿、滤纸、一次性手套、镊子、称量纸等一次性实验耗材。

1.2 白苏种子选取

选取白苏种子500 g(山东潍坊2020年秋白苏种子，山东潍坊寿光山研种业苗木场提供)。

1.3 种子相关参数测定

1.3.1 外部形态数据测定

选取 30 粒形态饱满的白苏种子，可以近似认为该种子为球体性状，用螺旋测微仪测量其直径，并标注其颜色。

1.3.2 净度的测定

随机称取100 g种子，将废种子、杂质和净种子分离，称量净种子的质量。

1.3.3 种子的百粒重测定

百粒重是100粒该种子的总质量。将纯净的白苏种子用四分法分成4份，从每份中取25粒，100粒为一组，用电子天平称量，重复3次，取平均值。

1.3.4 种子含水量的测定

选取100粒风干的白苏种子进行称量，放入预先升温到145℃的箱式电阻炉内，在5 min之内将电阻炉内温度降至130℃，以130℃±2℃烘干90 min，加盖取出后迅速置于干燥器内，待其冷却至室温进行称量，重复3次。

1.3.5 种子吸水率的测定

种子的吸水程度用吸水率表示。在温度、阳光、氧气等环境因素都适宜的情况下，对于具有生命活性的种子能否发芽的关键是水分。一般认为，种子处于吸水萌发阶段时，如果吸水率能达到种子自重的35%～37%，那么种子就能正常萌发。

称取1 g白苏种子，放入加有25℃蒸馏水的玻璃皿中进行膨胀24 h，用滤纸吸干种子表面水分再称量，重复3次。

1.4 种子吸胀及DSC测共晶共熔点

取少量种子，随机无序地撒入1%琼脂培养基中，保证种子平铺在培养基溶液的表面上，进行吸胀24 h后取出种子，并用滤纸吸干种子表面附着的水分，此时种子处于吸足水分但还未发芽的状态，各个种子间的含水量大致相同。

共晶点是指物料中的水完全冻结成冰时物料的温度。共熔点是指已经全部冻结的物料在升温过程中开始出现液相时物料的温度[16]。将吸胀后的种子放入专用的热分析坩埚里，铺满坩埚底部，测量其净重，尽量使被测种子的总质量在20 mg左右，将坩埚盖与坩埚压实。对DSC仪器进行温度标定和热流标定，将装有种子的压实坩埚轻轻放入差示扫描量热仪中，设置程序，降温速度和升温速度均为1 K/min。先从常温降温降至-40℃，保持恒温5 min，再升温至40℃，整个过程大概需要3 h，对DSC曲线图进行软件分析，得到种子的共晶点和共熔点[12]。

1.5 种子干燥处理

1.5.1 种子的冷冻干燥

取300粒种子预先进行种子吸胀，之后进行冷冻干燥处理[13]。预冻温度要低于共晶点 5℃～10℃。根据DSC测定结果确定预冻温度为-25℃，升华干燥温度为0℃，真空度为40 Pa。缓慢冷冻会产生较大冰晶，快速冷冻会产生较小冰晶，因此快速冷冻可以减少对细胞的损伤。预冻时间一般在2～4 h，因此在该实验中，从常温降至-25℃大概需要1 h，达到-25℃后再保温1.5 h。升华干燥时间为4 h，解析干燥温度为20℃。当种子的中心温度与预设的20℃的搁板温度大致相同时，保持该状态干燥2 h。取出种子后保证密封包装。本实验的真空度控制在40 Pa左右。

1.5.2 种子的热风干燥

取300粒种子放进小坩埚，置于电热恒温鼓风干燥箱，温度40℃，进行热风干燥处理1.5 h。取出种子后保证密封包装。

1.5.3 测定干燥处理后的种子含水量和复水率

1.6 种子的萌发

取种子100粒不作任何处理，只作为对照组。先对种子进行缓湿，将种子放入培养皿，在缓湿箱内(80%相对湿度)处理。将缓湿后的种子与对照组的种子放在10%琼脂培养基的培养皿内，若琼脂沉淀，可以微微加热并持续搅拌使其融化。将培养皿置于恒温箱内，开始进行种子萌发，每天定时统计种子发芽数并比较发芽率。

2 实验结果分析

2.1 种子外部形态数据、百粒重、净重

经过白苏种子三组的称量，由表1可得，白苏种子的平均百粒重为 2.31 g，净度为 98.54%，可见该白苏种子的净度较高。

表1 种子的百粒重和净度Tab.1 Weight of 100 seeds and purity

2.2 干燥处理前种子含水量和吸水率

干燥处理前种子的含水量与吸水率实验数据测量结果见表2和表3。

表2 种子的含水量测定结果Tab.2 Determination of moisture content of seeds

表3 种子的吸水率测定结果Tab.3 Determination of water absorption of seeds

超干燥处理前，白苏种子的含水量为 6.79%，吸水率为 48.100%，由此可得出白苏本身属于比较干燥的种子。

2.3 DSC测试种子的共晶共熔点

从图1热流曲线可以看出，当差式扫描量热仪从25℃扫描到-40℃时，白苏种子的温度降到-16℃左右时出现一个向下的放热峰，峰值为-16.5℃，完全冻结时的温度为-17.4℃；相同地，差式扫描量热仪从-40℃扫描 40℃时，白苏种子的温度渐渐升高，当温度升高到-0.2℃时，白苏种子内的水分开始融化，吸收热量，出现一个向上的放热峰，峰值为 0.8℃。根据图1及共晶点、共熔点的定义可得，白苏种子的共晶点温度为-17.4℃，共熔点温度为 -0.2℃。

图1 白苏种子的热流曲线Fig.1 Heat flow curve of perilla seeds

2.4 冷冻干燥、热风干燥处理后的种子含水量及复水率

将冷冻干燥与热风干燥后的各项数据作比较可以得出，冷冻干燥降低种子含水量的效果更好，该处理后的种子复水率也明显低于热风干燥方法。

表4 100 g白苏种子冷冻干燥和热风干燥后的含水量和复水率Tab.4 Moisture content and the rehydration rate of 100 g perilla seeds after freeze-dried and hot air drying

表5 种子的萌发状况Tab.5 Germination status of seeds

计算可得，冷冻干燥处理后的白苏萌发率为3%，热风干燥处理后的白苏萌发率为90%，对照组的白苏萌发率为93%。

根据以上实验数据可以看出，热风干燥和对照组的白苏种子发芽状况较为相近，因此可以认为热风干燥方法适合作为白苏种子长期贮藏前的处理，而冷冻干燥后的白苏种子发芽状况并不好。

图2 种子的萌发状况折线图Fig.2 Line chart of germination status of seeds

3 结论

本实验采用热风干燥和冷冻干燥两种方法对白苏种子进行干燥。热风干燥后的白苏种子的颜色有略微加深，种子的含水量降低了4%左右，复水率相比干燥前的吸水率都有所下降，说明热风干燥方法对种子的吸水率有影响，萌发阶段的发芽状况与对照组较为相近，发芽率也较高；冷冻干燥后的白苏种子的颜色略微发白，符合冷冻干燥后的产品外观美观的特征，含水量降低了4%～5%，且复水性很好，但是在萌发阶段却无法正常发芽，原因在于冻干过程中缓湿时种子吸水过多，培养皿内的琼脂溶液浓度过高，冻干温度过低、时间过长、升降温速率过快等因素均有可能对白苏种子造成损伤。

然而，冻干保存白苏种子对中医药种质资源保存、能源节约等方面具有重要意义，今后可以从冻干前种子预处理、改进冻干工艺、改良种子萌发环境等方面做进一步探索。