超导强磁场下小麦霉菌呼吸强度变化分析研究

蒋华伟

(河南工业大学信息科学与工程学院，郑州 450001)

粮食安全储藏的关键是预防其发生陈化质变，对外观表现为散粒体聚积的储藏粮食，实际上它是一个庞大的生态体系，在这个群体中既有粮食颗粒、夹杂物和虫鼠害，又有细菌、酵母菌和霉菌等微生物，除此之外还有温度、水分、空气以及电磁辐射等非生物因素作用，由此形成一个相互联系、相互依赖和相互制约的复杂系统；在一定条件下，又演变为鼠虫危害、粮食和微生物过度呼吸代谢以及菌类霉变等所导致的陈化变质过程。

在预防和抑制微生物的生理活动上，特别是粮食储藏中霉变的特性和效应机理方面，目前国内外已开展了有关的研究[1－4]，但该项工作还在不断的深入进展中。另外表现为呼吸的储粮霉菌代谢也是一个不可忽视的因素，为延缓储粮品质的陈化，需要研究粮食安全储藏时霉菌呼吸生理效应。

针对粮食陈化过程的呼吸作用，特别是微生物呼吸过程中所产生的CO2浓度这个参数变化，对此已进行了前期研究，它主要集中在CO2浓度的检测和推演霉化程度等方面。如 Thomas等[5]和梁微等[6]用检测仪器对粮堆CO2浓度与储粮霉菌数量变化的相关性进行了研究。还有在不同生理状态下，Antonio等[7]根据霉菌对粮食危害和储藏安全的差异性关系，由监测储粮中CO2浓度变化来推演储粮霉菌的活动状态。耿旭等[8]在获得储粮CO2浓度变化呈S形曲线基础上，来推断霉菌的生长状态。罗建伟等[9]针对不同粮食水分、环境温度以及不同CO2气体浓度下储粮真菌区的变化情况，研究了CO2浓度对粮食真菌的抑制效果。

上述工作没有涉及实际环境中离子束、电磁场等外界因素对储粮生物效应研究，尽管陈仁菊等[10]和高梦祥等[11]研究了脉冲强磁场对牛奶中酶活性的影响和杀菌效果，尹焕才等[12]和张萍萍等[13]探讨了静态强磁场和超导强磁场对枯草芽胞杆菌以及小麦抗氧化酶的诱导表达的影响。不过这些工作没有提及强磁场等非生物因素与储粮霉变之间的作用，尤其是超导强磁场等非生物因素对储藏粮食陈化变质中霉菌呼吸代谢效应却鲜有研究。粮仓的实际情况显示霉菌的呼吸作用是不可忽视的，因为储粮霉菌呼吸不仅和粮食的霉变之间是紧密关联的，而且为其他微生物的生存(如发酵产生酒精的酵母菌)提供了合适的水分和温度等条件，加速了粮食的陈化变质过程。因此，储粮霉菌的呼吸作用与非生物因素，特别是与超导稳态磁场的强度有着密切的关系，本研究开展了超导强磁场下粮食(小麦)霉菌呼吸效应探索，为粮食安全储藏提供技术保证。

1 超导强磁场与储粮霉菌呼吸

1.1 超导强磁场

超导强磁场是由超导导体的大电流和多匝磁体的倍增作用产生，关键是低温系统和磁体系统中超导导体的设计[14]。强磁场同极高温、极高压一样，作为极端条件下的电磁场形式可以直接得到原子尺度，在发现新现象和认识新现象等科学认知方面具有重要作用[15]。目前的物理学、化学、生物学、材料科学、磁共振技术和磁悬浮微重力技术已成为强磁场作用下新的学科研究方向。

由于磁场对物质体系能量的影响随着磁场强度的平方呈正比增加，所以强磁场对物质的化学反应具有显著的作用，它影响到化学反应的反应热、pH、反应进行方向、反应速率、活化能、熵等诸多方面，进而对生物的组织、生化反应、生长过程、基因、细菌的新陈代谢产生不可预知的影响。在日本大型超导磁体螺旋装置出现后，国内中科院电工所成功研制了中心磁场为4 T(Tesla，特斯拉)的二极超导磁体系统，随后中科院等离子所建成了20 T混合磁体装置，目前中科院强磁场科学中心正在建造40 T混合强磁场装置，这为开展强磁场作用下物性探索奠定了基础，并使之成为可能。因此利用超导强磁场条件，进行其作用下粮食和细菌(特别是霉菌)的特性研究，对提升粮食储藏水平具有极其重要的作用和意义。

1.2 储粮霉菌呼吸

储粮过程中霉菌的呼吸是将有机物彻底(好氧型)或不彻底(厌氧型)氧化、产生水和气体，并释放能量的过程，一般会消耗粮食的营养物质。影响粮食中霉菌呼吸作用的因素有湿度(含水量)、温度以及其他情况。其中含水量是影响霉菌呼吸作用的关键因素[1]，低含水量，呼吸作用微弱，随着水分的增高，呼吸强度随之增强，当含水量达15%时，呼吸强度显著。温度也是其影响因素，在低温下，霉菌的呼吸作用会受到抑制或很微弱，同样呼吸强度随粮温的升高而增强，但温度过高呼吸强度反而减小，甚至强度迅速衰减。

储粮霉菌的呼吸为细菌、酵母菌等其他微生物提供了适宜的水分和温度等条件，助长了粮食的霉变过程，加快了粮食的陈化变质，尤其是在发酵过程产生的酒精会对粮食的生命力产生很大破坏作用。因此需要开展粮食霉菌呼吸作用的探索工作，特别是研究不同水分条件下，超导强磁场中粮食霉菌呼吸中CO2浓度变化关系，可以为粮情检测，预防粮食霉变和过度陈化提供理论依据。

2 小麦霉菌呼吸产生CO2试验设计

2.1 测试小麦品种

选取一般小麦作为研究对象，本试验为河南本地产小麦。

2.2 小麦水分调节

取5 kg小麦，根据试验水分要求，用蒸馏水喷洒拌和均匀，然后密封装入15℃下1 000 mL玻瓶中平衡10 d。在整个试验期间，调节和保持装粮玻瓶内相对平衡的湿度，试验中湿度分别为12.5%、15%、16.5%。

2.3 小麦储藏温度

在试验过程中采用空调、加热器和保温材料等方法，把室温控制在试验需要的30℃范围。

2.4 试验方法

采用次氯酸钠溶液(体积分数为5%)消毒小麦，时间为5 min左右，不宜过长，否则会影响小麦的生命力(尤其是胚部)，并用无菌水清洗小麦；然后把灰绿曲霉单孢悬液均匀地喷洒到试验用小麦上；根据要求把水分调至为12.5%、15%和16.5%，分别装于温度为30℃的储藏容器中；用传感器来检测CO2浓度，并通过显微镜来观察霉菌的生理状态和CO2浓度变化情况。

2.5 超导强磁场装置

使用中科院等离子体物理研究所的超导强磁场装置。超导磁体参数为内径54 mm，外径170 mm，高度162 mm，中心场0～8.8 T，运行电流0～51 A，磁场均匀度2×10－3/cm3。温度可控在 －269～40℃，精度为±0.5℃，除了无电磁辐射外，对照组与试验组所处环境相同。

2.6 CO2浓度检测

装置预热后，将CO2测试仪的进出气管与小麦储藏容器中的管道连接，打开气管的进出阀门，启动输气泵，保持2 min后，屏幕上显示的数字即为检测浓度。

2.7 数据处理

在小麦40 d的储藏时间内，分别在 2、6、10、14、18、25和40 d的时间处用CO2测试仪测量CO2浓度数据，在测试时间处间隔为2 h下测量3次，然后求平均值。

3 结果与分析

3.1 常规小麦霉菌呼吸CO2试验

采用5%的次氯酸钠溶液对小麦消毒5 min左右，用无菌水清洗；然后把灰绿曲霉单孢悬液均匀地喷洒到试验用小麦上，并调节水分为12.5%、15%和16.5%；接着装于温度为30℃的储藏容器中，进行数据测试处理，通过显微镜观察霉菌生理状态。获得图1所示霉菌呼吸CO2浓度等结果。

图1 30℃储藏小麦霉菌呼吸CO2浓度变化

通过观察图1湿度为12.5%、15%和16.5%的情况，可以发现霉菌呼吸产生的CO2浓度尽管在数量上有一定的差别，如低湿度的呼吸强度明显小于中高湿度的，但3种湿度下的CO2浓度大致呈先稳增、后巨变、再缓增的趋势；同时还发现小麦中霉菌的生长具有3个生理阶段，即孢子生长期、菌丝生长期和子代繁殖期(在图1中标出3种湿度的生理阶段，各阶段大致上发生了阶梯平移，即等量增加；同时15%中等湿度的菌丝生长期提前2 d，16.5%高湿度的菌丝生长期和子代繁殖期分别提前2 d)。处于不同生理状态下的霉菌使小麦中CO2浓度的变化速率表现出明显的不同情况。对低湿度下当处于孢子生长期时(0～4 d)，CO2浓度缓慢增加，仅升高0.57%，说明霉菌呼吸强度很弱；当进入菌丝生长期时(4～12 d)，CO2浓度升高速率大于0.3%/d，CO2浓度增加非常快，这表明此时霉菌呼吸极为旺盛，是小麦储藏中霉菌由若变强的关键转折点，需要对此时小麦储藏中霉菌活动和可能霉变严加监测；当到了子代繁殖期(12～40 d)，CO2浓度仍呈增加趋势，但斜率有所减小，远没有菌丝生长期增长快，显示霉菌呼吸强度趋于下降，但整体上CO2浓度有增无减，若小麦储藏时前期已有霉变的可能，此时仍会促使储藏小麦结块和霉烂的变化。

另外观察图1湿度为12.5%的小麦另一组数据的变化，即发现脂肪酸值也呈类似于CO2浓度变化的曲线趋势，这表明小麦储藏过程中脂肪酸值的产生和变化与霉菌的生理状态和活动相关。在霉菌不同生理阶段，由于呼吸提供了合适的水分和能量，尤其是酶催化作用的温度条件，使小麦中的脂肪在酶的作用下水解、氧化产生脂肪酸值，随着储藏时间的延长，霉菌生理活动的增强，同时还会使水解出来的脂肪酸进一步被氧化，这反过来又促进了小麦储藏的进一步变质。

3.2 超导强磁场下霉菌呼吸CO2试验

数据测量和处理方法见2.7和3.1部分。磁场强度选用1、3、5和7 T的4种剂量，并将密封储藏的小麦暴露于超导强磁场中3 h，然后在非磁场密封状态存储下检测CO2浓度。

由于采用磁场强度有1、3、5和7 T共4种处理方法，同时还分别对应于12.5%低水分、15%中等水分和16.5%高水分情况(30℃储藏温度)，显然数据量比较大，处理和对比分析工作较为复杂，因此，在这些数据中选取磁场为强度5 T、7 T和储藏温度为30℃具有代表性的情况来比较分析(图2和图3)。选取5 T和7 T高强度试验条件进行对比，而低磁场强度下的数据类似于图1的情况，没有明显的区分度。

图2 磁场为强度为5 T和30℃储藏小麦霉菌呼吸CO2浓度变化

由图2可以发现，在强度为5 T的磁场中暴露3 h后，不同水分(湿度)情况下，储藏小麦中霉菌呼吸产生的CO2浓度随着时间的增加而逐渐提高，同时霉菌的生长仍包括孢子生长期、菌丝生长期和子代繁殖期3个生理活动阶段(图2，中等湿度和高湿度类似于图1的平移变化)。

在图3中采用了更高的7 T磁场强度，暴露时间仍为3 h，对于低、中、高3种水分(湿度)，储藏小麦中霉菌呼吸产生的CO2浓度随时间变化情况具有图2的趋势，而且霉菌的生长也包括孢子生长期、菌丝生长期和子代繁殖期3个生理活动阶段(图3，中、高湿度的也类似于图1的变化)。由图2和图3的数据可观察发现:强磁场作用下，储藏小麦中霉菌呼吸作用得到的CO2浓度变化类似于图1中对照条件下曲线趋势。

通过对图1、图2和图3的比较可以发现，在5 T和7 T磁场中暴露3 h后，不同水分(湿度)条件下，储藏小麦中霉菌呼吸产生的CO2浓度都出现不同程度的减小，在5 T情况下，对于水分为12.5%、15%和16.5%3种情况，相对于对照条件，分别下降了0.42%、0.58%和0.75%；而对7T更高磁场强度，3种湿度下分别下降了0.7%、0.94%和1.1%。同时在图2和图3上，还观察到15%和16.5%湿度下，在16 d(7 T的为14 d)后，从CO2浓度变化曲线的斜率看，其变化呈平坦之势，似乎不再明显增加；而对12.5%的水分，在40 d后，CO2浓度变化曲线的斜率反而显示了负增长的趋势，使CO2浓度有下降的可能，该湿度下的脂肪酸值也出现类似的情形。这表明:经过5 T和7 T高超导强磁场的处理，可以抑制储藏小麦中霉菌的呼吸作用，延缓小麦的陈化变质，在某种程度上可预防菌霉带来的霉变、毒素的产生，对小麦的安全储藏是有利的。

图3 磁场为强度为7T和30℃储藏小麦霉菌呼吸CO2浓度变化

4 结论

本试验对小麦储藏中霉菌呼吸变化进行了分析研究，特别在是常规条件下和超导强磁场作用下，开展了储藏小麦霉菌呼吸所产生CO2浓度变化的量化探索，为小麦的安全储藏提供理论依据。

在30℃的常规条件下，水分为12.5%、15%和16.5%，对小麦霉菌处于不同生理阶段呼吸产生CO2浓度变化的分析，发现当进入菌丝生长期时，强化了霉菌呼吸，CO2浓度增加快于其他阶段，针对此时储藏小麦中霉菌呼吸旺盛的关键点，应严格加强监控霉菌的活动和可能的霉变。

对5 T和7 T超导强磁场作用，在不同水分情况下，霉菌呼吸产生的CO2浓度出现不同程度的减小，对15%和16.5%的湿度，最后的变化呈平坦之势；对12.5%的水分，由变化曲线的斜率可知CO2浓度有下降的可能，同时脂肪酸值也出现类似的情形。这显示了超导强磁场的处理，可以通过抑制霉菌的呼吸作用来延缓储藏小麦的陈化变质过程。

参考文献

[1]蔡静平.粮油食品微生物学[M].北京:中国轻工业出版社，2002

[2]李瑞芳，韩北忠，陈晶瑜，等.黄曲霉生长预测模型的建立及其在玉米储藏中的应用[J].中国粮油学报，2008，23(3):145－147

[3]Audilakshmi J W，Stenhouse，Reddy T P.Genetic analysis of grain mold resistance in white seed sorghum genotypes[J].Euphytica，2005，145(2):95－101

[4]程树峰，唐芳，伍松陵.储粮真菌危害早期检测方法的研究[J].中国粮油学报，2011，26(4):85－88

[5]Thomas B，Ulla S，Johan S.Volatile metabolites produced by six fungal species compared with other indicators of fungal growth on cereal grains[J].Applied and environmental microbiology，1992，58(8):2599－2605

[6]梁微，蔡静平，高翔.CO2检测法监测小麦储藏微生物活动的研究[J].河南工业大学学报:自然科学版，2009，30(2):55－58

[7]Antonio F M，Renata R C，Myrna S.Fungi that produce mycotoxins:conditions and occurrence[J].Mycopathologia，1998，65(7):45－47

[8]耿旭，黄淑霞，蔡静平.储粮中霉菌活动的生理状态与粮堆CO2浓度变化的相关性[J].河南工业大学学报:自然科学版，2010，31(3):12－15

[9]罗建伟，李荣涛，陈兰，等.CO2气调储粮技术对粮食真菌的抑制效果研究[J].粮食储藏，2003，34(6):34－41

[10]陈仁菊，郭丹丹，肖凯军.脉冲强磁场对牛奶中酶活性的影响[J].中国环境科学，2010，36(11):78－83

[11]高梦祥，马海乐，郭康权.强脉冲磁场对牛奶的杀菌效果及其营养成分的影响研究[J].农业工程学报，2005，21(3):181－184

[12]尹焕才，薛小平，谢玉为.静态强磁场对枯草芽胞杆菌的影响研究[J].现代生物医学进展，2008，8(3):471－474

[13]张萍萍，吴丽芳，汤明礼，等.超导强磁场对小麦抗氧化酶的诱导表达[J].中国环境科学，2006，26(1):82－86

[14]蒋华伟，武松涛，成俊生.管内电缆导体结构模拟设计优化模型[J].科学通报，2011，56(6):440－445

[15]张裕恒.强磁场下的科学研究[J].物理，2009，38(5):320－327.