吴才章 徐振方 王继伟

(河南工业大学电气工程学院，郑州 450001)

近年来，生物超弱发光研究得到越来越多研究者的关注，植物和种子的超弱发光往往作为研究的对象［1－3］。通过植物超弱发光变化来研究植物对外界刺激的反映，进而研究影响植物生长的各种有利和不利因素［4－6］。有关种子超弱发光的研究也一直在进行中，种子的超弱发光与植物相比较弱，这给种子超弱发光的研究增添一定的难度。种子在吸胀期或萌发期间处于活跃的生长期，超弱发光强度较强，一般在250～700光子/(cm2·s)左右［7］，相对容易探测，所以当前对种子自身超弱发光的研究主要集中在种子萌发期。Chen等［8］通过对萌发期水稻超弱发光的研究，发现水稻超弱发光与其活力相关。Triglia等［9］在考虑吸胀对超弱发光影响的情况下，研究了黄豆种子超弱发光与活力的关系，以及不同环境温度下黄豆种子超弱发光强度在萌发初期(0～12 h)的变化情况。李韶山等［10］对萌发期的花生自发光进行了研究，发现萌发过程中的自发光双峰现象对应吸涨和呼吸激增，得出种子的活力指数与自发光正相关的结论。这些研究主要关注种子萌发初期自身超弱自发光的动态特性，以便了解种子萌发期的生长生理状况，主要用于作物生长发育的研究。郑亚飞［11］对不同新陈度的蔬菜种子超弱发光及发芽率进行了测试，发现蔬菜种子超弱发光与其发芽率等正相关。吴文福等［12］研究了干燥后玉米种子的超弱发光，得出干燥后的生物超弱发光强度和发芽率之间等正相关性的结论。鲍杰等［13］对不同储藏年份小麦超弱发光进行了研究，发现储藏年份越长，小麦超弱发光强度越弱，小麦超弱发光与粮食新陈度直接相关，获得了一些有益的结论。本试验通过人工老化的方法快速获得不同新陈度的小麦样品，进一步研究在储藏条件下小麦自身超弱发光的静态特性，研究储藏期小麦自身超弱发光特性及变化规律，为粮食储藏技术的改进提供新的技术手段。

1 材料与方法

1.1 材料

选取河南省种植规模较大的3种小麦品种作为试验样品，分别为郑麦9023、矮抗58、周麦16。这些小麦样品全部购买自当年(2012)各自的育种单位，样品购买之后，经过晾晒，使它们的含水分率达到10%，将这些粮食分别装在透气的袋子中，并混放在密闭的恒温箱中，温度设定为20℃，经过1个月的存放，这些粮食基本达到均衡一致的状态，供试验使用。

小麦在储藏过程中，随着储藏时间的增加，由新到陈，新陈度是储藏粮食的一个重要品质指标，粮食新陈度可以由脂肪酸值表征。一般储藏情况下，小麦储藏1年，脂肪酸值有一定程度的增加［14－15］，当脂肪酸值达到一定值后就可认为是陈化粮。采用人工加速老化的方法，可以快速获得与自然储藏年份相当的不同新陈度小麦样品。试验中将郑麦9023放置在老化箱中，分别在15、25、35℃等温度条件下进行快速老化4个月，获得不同新陈度的小麦样品。将老化好的样品，进行晾晒处理，均匀化储藏，最终水分率也保持在10%。试验中每次取100 g样品作为测试对象。

1.2 超弱发光测试装置

用于测试的光子计数模块购自德国PerkinElmer公司，型号为MP－1993，测试窗口的直径为15 mm，测量的光谱范围是185－750 nm。该模块采用一种新型的侧窗型光电倍增管C1993P，具有极低的背景噪声(暗计数达到每秒几个光子)和极高的光子探测水平，可以实现单光子探测。由于测试系统用于超弱发光检测，测试结果的正确与否取决于对外界各种干扰的屏蔽。外界的干扰源主要有环境光干扰源和各种电磁干扰源，如果这些干扰源不能很好的屏蔽，将导致测试的完全失败。为了很好地屏蔽这些干扰源，测试系统采用暗室+黑箱的方法屏蔽各种干扰源。将测试样品和MP－1993光子计数器放置在一个人工黑箱中，人工黑箱是一个铝盒，盒子外面有4层黑布和4层红布包裹，铝盒屏蔽部分电磁干扰，黑布和红布屏蔽光干扰源。人工黑箱放置在恒温恒湿箱内，可以根据需要调节测试需要的各种温湿度，恒温恒湿箱温度控制精度为±1℃，相对湿度控制精度为±2.5%。为进一步避免操作测试样品时自然光引起光子计数器的过度曝光，在恒温恒湿箱的外面搭建一个暗室，暗室采用两层黑布和两层红布构成。这样就搭建起了一个用于超弱光测试的试验平台，如图1所示，利用该试验平台可以对小麦超弱发光强度进行定量的测试。通过多次测试，在环境温度20℃、光子计数器高压2 200 V的条件下，光子计数器暗计数为7光子/(cm2·S)。光子计数器的传感面积为1.766 cm2，试验中样品超弱发光强度是单位面积每秒钟辐射的光子数，为简便表达，超弱发光强度单位省略传感面积。

图1 超弱发光测试系统框图

1.3 测试方法

测试中将恒温恒湿箱的相对湿度设定为50%，为完成某个温度下的测量，先设定相应的温度值，待恒温恒湿箱的温湿度恒定后，首先将测试样品均匀平摊在测试容器内，在恒温箱内静置12 h以上，以保证每粒小麦样品的温度与设定温度完全一致，并使样品的延迟发光完全熄灭，然后进行样品自身超弱发光强度的测试。试验中要保证测试样品表面的平坦，保证样品的测试面比光子计数器的测量孔足够大，还要始终保持样品和测试孔之间的距离恒定。通过对小麦样品的反复测试，发现在测试条件(温度和湿度)不变的情况下，小麦样品辐射的光子数并不稳定，而且有很大的波动。但是在足够长的时间内，譬如大于十几分钟后，辐射光子数的平均值保持恒定。试验中样品超弱发光强度取30 min内样品辐射光子数强度的平均值，结果取整数。

2 结果与分析

2.1 不同品种小麦样品超弱发光的测试

郑麦9023超弱发光强度测试结果如图2所示，横轴是测试时间，纵轴是每秒钟光子计数器的输出值。测试时恒温恒湿箱的温度设定为25℃。系统存在由传感器暗计数和环境引起的本底噪声，图2中同时给出了系统本底噪声的测试情况，小麦样品超弱发光的实际强度还要减去相应的本底噪声。表1是在相同条件下对3种小麦样品超弱发光辐射强度的测试结果。每种样品重复测量3次，其平均值和标准差如表1所示。

图2 郑麦9023超弱发光强度曲线

表1 不同品种小麦样品超弱发光

测试结果表明，不同品种的小麦样品在相同测试条件下超弱发光强度稍有不同，周麦16辐射强度最强，郑麦9023最弱。

2.2 不同新陈度小麦样品超弱发光的测试

依据GB/T 5510—2011中的苯提取法对小麦样品进行脂肪酸值测定。同样对这些样品超弱发光强度进行测试，测试时的恒温恒湿箱的温度也设定为25℃。样品脂肪酸值和超弱发光强度及其标准差如表2所示。

表2 不同新陈度小麦样品超弱发光

结果表明，同一品种不同新陈度小麦样品超弱发光存在一个明显规律，随着老化程度的增加，脂肪酸值逐渐增加，超弱发光强度逐渐减弱。经过线性拟合，它们的相关系数R=－0.96，说明小麦自身超弱发光与其脂肪酸值负相关。

2.3 温度对小麦超弱发光的影响

小麦自身超弱发光容易受环境温度的影响，环境温度变化之所以能影响小麦自身的超弱发光，是由于环境温度变化最终会引起小麦自身温度的变化，进而引起粮食自身超弱发光强度的变化。测试的温度范围为5～40℃，每隔5℃进行1次测量，这个温度范围涵盖了我国小麦储藏的温度变动范围。3种小麦品种超弱发光强度随温度的变化曲线如图3所示。

图3 小麦超弱发光随温度变化曲线

3 讨论

不同品种小麦在相同条件下超弱发光强度稍有不同，但这种大小关系并不是必然的，研究认为除了品种的差异外，产地、营养等生长环境不同也是导致样品超弱发光强度存在差异的原因。

储藏状态下，温度越高，其超弱发光越剧烈，这意味着粮食老化的加剧，这从一个侧面解释了低温储藏可以延长储粮时间，高温则加速老化。温度之所以对小麦超弱发光强度造成一定的影响，研究认为从本质上来说是因为随着粮食自身温度的增大，粮食活跃度相应增强，进而导致粮食超弱发光强度的增强。

4 结论

储藏期粮食的超弱发光是一个稳定辐射过程，常温下小麦自身超弱发光强度在几十个光子/(cm2·s)左右。对于同一小麦品种，不同新陈度样品超弱发光强度会发生变化，随着脂肪酸值的增加，活性降低，小麦超弱发光强度减弱，即小麦超弱发光与其新陈度相关。

小麦自身超弱发光容易受自身温度变化的影响，随着粮食的温度升高其超弱发光强度相应增强。由粮食超弱发光与温度的变化关系曲线可以看出，在储藏的高温区，即大于25℃，小麦超弱发光强度曲线变化较剧烈;在储藏的低温区，即小于15℃，发光强度曲线较平坦。综合耗能，小麦低温储藏的最佳值在15℃左右，这与我国低温储粮选择的储藏温度是一致的。

粮食超弱发光检测方法为粮食储藏品质检测提供一个新的途径，通过对小麦自身超弱发光的检测，进而推断小麦的新陈度，为粮食储藏品质检测提供了一种实时、在线、非侵方法。总之，粮食超弱发光特性的深入研究可以为粮食储藏技术的改进提供重要的科学依据，对深入理解粮食的生理特性有着重要的意义。

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