基于水活度測(cè)定草類(lèi)植物種子含水量

陳利軍，王靖靖，陳香來(lái)，胡小文

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

種子含水量是指種子所含水分的重量與種子總重量的百分比，也稱(chēng)種子含水率[1-2]。種子含水量是影響種子活力、萌發(fā)和安全貯藏的重要因素[3-8]，同時(shí)也是衡量種子質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此，快速準(zhǔn)確地測(cè)定種子含水量無(wú)論對(duì)于種子質(zhì)量的檢測(cè)還是安全貯藏都具有重要意義。目前種子含水量的測(cè)定方法有多種[9-13]，包括卡爾費(fèi)休法、烘干減重法、微波加熱法、水分快速儀法、核磁共振法等。根據(jù)《國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程》，低恒溫烘干法作為種子含水量測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性好，但低恒溫烘干法測(cè)定種子含水量需要時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，且對(duì)種子樣品具有破壞性；水分快速儀法測(cè)定種子含水量首先需要建立標(biāo)準(zhǔn)樣品，且其含水量的測(cè)定僅限于標(biāo)準(zhǔn)樣品含水量的范圍之內(nèi)，對(duì)于少數(shù)樣品種子含水量的測(cè)定較為麻煩；微波加熱法用于種子水分的測(cè)定具有快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，但其恒重時(shí)間因物種與種子含水量而異，不利于標(biāo)準(zhǔn)化操作，且對(duì)種子造成一定的損害。

水分活度是指同溫下物質(zhì)中水的蒸氣壓與純水的蒸氣壓之比[14]，與物質(zhì)的含水量以及所處的環(huán)境條件如溫度等密切相關(guān)。如在食品與制藥材料等方面的研究表明，水活度與其含水量密切相關(guān)，因而可用于指示食品與制藥材料的水分狀況是否適于安全貯藏。在少數(shù)有關(guān)種子水分測(cè)定的研究中也發(fā)現(xiàn)，水活度與種子含水量呈現(xiàn)一定的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，因而可用于種子含水量的無(wú)損測(cè)定[14]。但另一方面，物質(zhì)的水活度可能受到多方面因素的影響，如測(cè)定的溫度、測(cè)定的樣品量[15-17]以及測(cè)定的平衡時(shí)間等；此外，在測(cè)定種子水活度時(shí)，不同物種甚至不同種批種子在化學(xué)組分上的差異[18-23]，也會(huì)導(dǎo)致水活度與其含水量的關(guān)系發(fā)生變化。因而，在應(yīng)用該技術(shù)測(cè)定種子含水量時(shí)，評(píng)價(jià)上述因素的影響非常必要?；诖耍狙芯繑M針對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討：1)平衡溫度、平衡時(shí)間以及樣品量對(duì)種子水活度測(cè)定的影響；2)不同牧草種子水活度與含水量的關(guān)系；3)常見(jiàn)牧草種子含水量預(yù)測(cè)模型建立與驗(yàn)證。從而，為牧草種子含水量的無(wú)損快速測(cè)定提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的種子材料由農(nóng)業(yè)部牧草與草坪草種子質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(蘭州)提供。分別為中華羊茅(Festucasinensis)、披堿草(Elymusdahuricus)、紅豆草(Onobrychisviciifolia)、箭筈豌豆(Viciasativa)、早熟禾(Poaannua)、燕麥(Avenasativa)、小黑麥(×TriticaleWittmack)、玉米(Zeamays)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1牧草種子含水量的調(diào)節(jié) 根據(jù)8個(gè)種批初始含水量，將種子含水量調(diào)整至4%～20%，若目標(biāo)含水量低于種子初始含水量，將種子置于干燥器干燥至目標(biāo)含水量；反之，通過(guò)添加不同量蒸餾水以調(diào)整種子至目標(biāo)含水量，加水后，充分搖勻置于20 °C黑暗環(huán)境，每天搖勻一次，使各種子含水量趨于均勻，7 d后用于含水量與水活度的測(cè)定。

1.2.2溫度對(duì)種子水活度的影響 種批置于測(cè)量艙后，在20、25及30 ℃條件下分別平衡30 min后，讀取水活度值及其平衡溫度，每種批3次重復(fù)。

1.2.3平衡時(shí)間與樣品量對(duì)種子水活度的影響 對(duì)每一個(gè)測(cè)定種批，分別加入測(cè)量艙體積1/3、1/2及2/3的種子，置于20 ℃條件下平衡2、6、10、14、18、22、26、30、34、38、42、46、50 min后，讀取其水活度值。

1.2.4種子水活度的測(cè)定 種子水活度采用水活度儀(HYGROPALM23-AW，羅卓尼克)進(jìn)行測(cè)定。將種子樣品直接加入測(cè)量艙，置于一定環(huán)境條件下，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取其水活度值，每種批重復(fù)3次。

1.2.5種子含水量的測(cè)定 種子含水量的測(cè)定采用低恒溫烘干法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進(jìn)行繪圖與數(shù)據(jù)處理，用SPSS Statistics19軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和多重比較。種子水分預(yù)測(cè)模型采用SPSS的曲線擬合功能，最優(yōu)擬合函數(shù)基于校正后的赤池信息量準(zhǔn)則(Corrected Akaike Information Criterion)進(jìn)行判定。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)水活度測(cè)定的影響

平衡溫度影響種子水活度值，在一定種子含水量條件下，隨溫度的上升，小黑麥種子水活度顯著(P<0.05)下降(表1)。這一結(jié)果表明,水活度的測(cè)定應(yīng)充分考慮平衡溫度的影響。對(duì)于不同種批種子水活度的比較或者基于水活度的種子含水量測(cè)定，應(yīng)控制測(cè)量環(huán)境的溫度或者通過(guò)一定方式對(duì)溫度引起的偏差進(jìn)行校正。

2.2 平衡時(shí)間與樣品量對(duì)水活度測(cè)定的影響

水活度的測(cè)定通常需要將樣品放置測(cè)量艙，待其空間相對(duì)濕度達(dá)到充分平衡后進(jìn)行測(cè)量。如平衡時(shí)間不夠，則測(cè)量值偏低，因此確定平衡時(shí)間對(duì)準(zhǔn)確估算種子含水量非常重要。通過(guò)比較不同加樣量與平衡時(shí)間對(duì)測(cè)定值的影響可以發(fā)現(xiàn)，隨平衡時(shí)間延長(zhǎng)，測(cè)定值逐步趨向穩(wěn)定；而隨加樣量增加，達(dá)到穩(wěn)定平衡的時(shí)間縮短(圖1)。對(duì)于參試的3個(gè)物種(小黑麥、燕麥、兩個(gè)不同種批的箭筈豌豆)而言，當(dāng)加樣量大于測(cè)量艙體積的1/2時(shí)，平衡時(shí)間明顯縮短，一般為10～15 min，當(dāng)加樣量為測(cè)量艙2/3時(shí)，平衡時(shí)間只需2～6 min。此外，種子水活度的大小也明顯影響平衡時(shí)間，如水活度較高時(shí)，箭筈豌豆種批的平衡時(shí)間明顯低于水活度值低的箭筈豌豆種批。因而，在測(cè)定種子水活度時(shí)，應(yīng)盡可能使種子填滿測(cè)量艙的1/2以上，平衡時(shí)間以15 min為宜，對(duì)于特別干燥的種子可適當(dāng)延長(zhǎng)平衡時(shí)間，如20 min，反之亦然。

表1 溫度對(duì)小黑麥種子水活度測(cè)定的影響Table 1 Effect of temperature on water activity of ×Triticale Wittmack seeds

同列不同小寫(xiě)字母表示同一種子含水量下不同環(huán)境溫度間差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters for the same seed moisture within the same column indicate significant difference bteween different enviroment temperatures at the 0.05 level.

2.3 種子含水量與水活度

不同種批種子含水量與種子的水活度均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，二者關(guān)系可用線性、對(duì)數(shù)、二次函數(shù)、S曲線等多種函數(shù)進(jìn)行模擬。除指數(shù)函數(shù)用于描述箭筈豌豆、紅豆草、早熟禾3種植物種子時(shí)決定系數(shù)低于0.9外，其他函數(shù)用于所有物種其決定系數(shù)均高于0.9(表2)。綜合考慮擬合優(yōu)度與函數(shù)參數(shù)量，S-函數(shù)是描述種子含水量與水活度的最優(yōu)模型(表2，AICc值最低，圖2)。但值得注意的是，盡管不同物種水活度與含水量的關(guān)系均可用S-函數(shù)來(lái)描述，但二者的關(guān)系則因物種不同而異，這可能是由于不同物種種子大小、化學(xué)組成不同而致。因而，在應(yīng)用水活度測(cè)定種子含水量時(shí)，物種或種批間化學(xué)與物理性質(zhì)的差異可能是影響其應(yīng)用的一個(gè)重要因素。

圖1 加樣量與平衡時(shí)間對(duì)水活度測(cè)定值的影響Fig. 1 Impact of sample volume and equrium time on seed water activity

圖2 8種草類(lèi)植物種子含水量與水活度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between seed moisture content and water activity in eight forage species

2.4 水活度預(yù)測(cè)種子含水量模型的驗(yàn)證

通過(guò)比較不同種批基于低恒溫烘干法與水活度法測(cè)定的種子含水量，可以發(fā)現(xiàn)，二者在種子含水量上的相對(duì)誤差均小于2%(表3)，除箭筈豌豆2個(gè)種批外，其他22個(gè)種批兩種方法測(cè)定的含水量值絕對(duì)偏差均小于或等于0.3%。根據(jù)國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程，不同測(cè)定方法獲得的種子含水量其測(cè)定值絕對(duì)偏差不應(yīng)超過(guò)0.3%。這一結(jié)果表明，基于水活度值測(cè)定同一物種不同種批種子含水量是可行的。本研究發(fā)現(xiàn)，箭筈豌豆種子含水量的測(cè)定結(jié)果，在兩種方法間存在較大偏差，可能的原因是箭筈豌豆種子相對(duì)較大，且不同種批種子硬實(shí)率存在一定差異，這可能影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表3 基于低恒溫烘干法與水活度測(cè)定的種子含水量比較Table 3 Seed moisture content based on low constant temperature oven method and water activity for 8 seed lots

3 結(jié)論

基于對(duì)種子水活度測(cè)定影響因素以及水活度與種子含水量函數(shù)關(guān)系的研究表明，種子水活度可用于牧草種子含水量的無(wú)損快速測(cè)定，但在測(cè)定過(guò)程中應(yīng)充分考慮到平衡時(shí)間與測(cè)量溫度的影響。