非热加工技术对种子萌发生物效应的研究进展

杨慧，周霖，边媛媛，武俊瑞*

1. 沈阳农业大学食品学院（沈阳 110000）；2. 沈阳医学院公共卫生学院（沈阳 110000）

可食用的农作物（粮食作物、油料作物、蔬菜作物）是人类基本食物的来源之一。根据世界粮农组织（FAO）报告，2018年世界粮食产量约25.87亿 t，消费量约26.83亿 t。因此，粮食安全成为一个重要且令人担忧的全球问题。从耕地面积难以增加的社会现状来看，确保粮食安全的主要途径为提高可食用农作物的产量和种子发芽率，同时优化农作物品质。

种子发芽是植物生命中一个重要阶段，它既受内在因素（胚的完整性等）的影响，又受外在因素（水、温度、氧气和光照等）的影响。在适宜条件下，种子萌发迅速；在不利条件下，种子呈现休眠状态，暂缓发芽或发芽缓慢。促进种子发芽常用的方法有灌溉、低温层积、施肥等。其中，灌溉由于水是一种稀缺资源，其所使用的农田水资源的可用性以及所用的水质仍具有争议；低温层积法由于催芽时间较长，尚需进一步探索；使用磷、二胺、尿素等常用肥料也可提高种子发芽率和作物产量，但肥料对环境和植物的不利影响不可忽视。近几年，在食品行业中，一些非热加工技术在干燥、萃取、表面改性、乳化、保鲜、灭菌等加工操作中得到广泛应用。它们也可用作打破种子休眠和改善种子发芽特性的有效技术。这些技术与传统方法相比，其优势在于减少农药用量，减少对环境和生物的负面影响，种子的遗传变异小，适用于种子储存期和播种前的消毒处理[1]。

针对脉冲电场、超声、微波辐射、低温等离子体、超高压处理等非热加工技术对不同农作物种子萌发和生长特性的影响及它们提高种子发芽率的内在机制展开探究与分析。

1 高压脉冲电场技术

高压脉冲电场（PEF）是一种非热液态食品加工和保藏技术。它是在适宜的温度条件下，对食品进行高电压（0～50 kV）和短脉冲（0～2 000 μs）处理，达到杀菌钝酶目的，从而能最大限度保存食品原有风味、口感和营养价值。除此之外，PEF还具有粒子束和电子辐射作用，可以改变种子的生理变化，从而影响种子萌发。

迟燕平等[2]发现，PEF可以提高番茄种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数，尤其以发芽势的提高最为显著，其最佳作用条件为6～8 kV/cm的场强下作用180 s。刘建民等[3]证实PFE能够显著提高蔷薇种子的发芽率、发芽势及发芽指数。Dymek等[4]研究不同电压下（110，160，240，320，400和480 V）PEF对大麦种子生理代谢的影响，结果发现PEF处理促进大麦种子胚根的萌发，但对大麦种子总的代谢活性影响不显著。Mahajan等[5]将鹰嘴豆置于1.3 kV电场中作用15 min，结果显示电场使种子内部产生大量的偶极子，这些极子会与水分子相互作用，促使种子吸收更多的水分，从而提高了鹰嘴豆的发芽率。Kiatgamjorn等[6]研究发现在20 kV/m电场强度下处理的大豆种子，由于偶极子排列的差异性，电场水平方向的种子发芽率高于垂直方向。类似的报道指出，亚麻种子经PEF处理后，其发芽率从2%提高到13%[7]；番茄种子在30 kV/m电场中处理30 s后的发芽率为100%，而对照组只有76%[8]。

因此，PEF处理对提高种子的发芽率具有积极影响，其作用机制在于电场的综合场效应，可引起种子内偶极-偶极相互作用，如发生种子细胞内蛋白质、糖、脂质等极性分子和离子的定向排列，使含金属的酶构象发生变化，从而提高酶的活性，引起种子某些生理变化，例如呼吸作用加快，种子吸水率提高，光合作用增强等，最终促进种子萌发。

2 超声

超声是一种频率大于20 kHz且不引起听觉的弹性机械波，具有处理效率高、作用温和、成本低等优点，近年来被广泛应用于提取、干燥、均质化、乳化、脱水、消泡及萃取等食品加工环节。此外，超声波作为一种能量也可作用于种子，从而对种子萌发和幼芽生长产生一定影响。

许多研究表明，超声处理对于种子的发芽率和生长发育具有积极影响。任兴安等[9]研究表明水稻种子经超声（250 W，13～18 kHz）处理后，相对于对照组，其发芽率提高10%以上，且芽长明显增加29.11%～43.67%，根的增长幅度约44%。程威威等[10]证实超声处理8 h后糙米的发芽率提高29.25%。Yaldagard等[11]研究也发现，与对照种子相比较，在460 W的超声处理下作用大麦种子5～10 min，其发芽期缩短30%～45%。同样，芝麻种子经20 kHz超声处理10～20 min后，其发芽率也显著增高，进一步试验表明，这是由于超声处理后，芝麻种皮和种子周围的保护层上产生缝隙，提高种子的吸水量[12]。然而在Goussous等[13]的研究中，经40 kHz超声处理不同时间后的鹰嘴豆、小麦和西瓜的发芽率分别提高133%（45 min），95%（30 min）和45%（5 min），但辣椒种子的发芽率下降19%。同样对茴香种子进行超声处理，也出现类似结果，其发芽率下降30.5%[14]。此外，赵艳军等[15]发现小麦种子经超声处理10 min后，其发芽势、发芽率、活力指数和淀粉酶活力与对照组相比分别提高4%，3%，1.46和7.06 U，而当超声处理时间超过20 min后，其发芽势、发芽率等生物学指标受到显著的抑制。

因此，适宜的超声处理对种子萌发有积极的影响，其原理在于超声作为一种声能，能冲击种子表面引起种皮软化，从而改变细胞壁的结构和细胞膜的通透性，有利于种子的吸水膨胀，并提高种子内酶的活性，使细胞活力增强。

3 微波辐射

微波是一种波长范围为1 nm～1 m、频率范围为300 MHz～300 GHz的电磁波（常用的波长12.2 cm、频率2.45 GHz），主要应用于加热干燥、杀菌、烘烤、烹调及解冻和灭酶等多种不同工艺的食品领域，具有加热均匀、热效应高、无污染和易于控制等优势。除此之外，微波的生物学效应受到越来越多学者关注，尤其是微波对种子萌发和生长速率的影响。

研究表明，微波处理对于一些农作物（粮食和蔬菜种子）的发芽率有促进作用，尤其对带有硬壳的小颗粒种子，效果更为显著。胡燕月等[16]发现微波处理（功率高于450 W）对水稻种子萌发和芽长生长具有明显的促进作用，且与微波产生的热效应无关。同样，在2.45 GHz的微波条件下处理MR219水稻种子10 h后，其发芽率提高100%，这可能是因为微波促进水稻种子中胚对水分子的吸收[17]。杨俊红等[18]证实微波不仅提高白菜种子的发芽率，而且也提高其耐盐碱性。刘金文等[19]发现微波处理使大豆种子通过调节自身糖含量的差异，促进其发芽率、发芽势和发芽指数。Jakubowski[20]研究微波对食用马铃薯块茎发芽的影响，结果发现，与对照组相比，微波促进马铃薯块茎的出芽率。与上述试验发现相反，Sahin[21]发现在2.8 kW功率下对杂草种子进行微波处理126 s，由于其热效应，其发芽抑制率为100%。同样，经过9.3 GHz的微波处理5 min后的萝卜和胡萝卜种子的发芽率与空白对照组相比也明显降低[22]；使用10.5和12.5 GHz这2个微波频率处理萝卜种子时，其发芽率和下胚轴生长均受到抑制[23]。郝曜山等[24]以冬小麦为材料，发现低功率微波处理对种子萌发起促进作用，高功率则起抑制作用，且抑制作用随微波功率及处理时间的增加而增强直至种子失去萌发能力。

微波对种子萌发的影响取决于种子的类型、微波频率、功率和作用时间。其作用机理为：低功率微波产生的电磁波，使种子体内某些代谢活动增强，如呼吸强度、根系活力等，同时也改变了种子内某些生物大分子的结构，导致种子吸水量增加，促进种子萌发；但如果对种子使用较高功率和作用长时间的微波处理，热效应则会破坏种子的结构和功能，降低种子活力，抑制种子萌发。

4 低温等离子体

低温等离子体是气体在高电压或者高温状态下产生的异于固、液、气三态的原子、离子、电子等粒子集合体，按照离子温度不同又分为热等离子体和低温等离子体，其中，低温等离子体技术具有经济、安全、无污染的优点，主要应用在食品保鲜、微生物灭菌、降解农药等方面。此外，低温等离子体在提高种子发芽率方面也发挥着积极重要的作用。

研究发现，与未经处理的种子相比，低温等离子体处理后的油菜籽种子发芽率提高7.7%，绿豆种子发芽率提高15.3%，大豆种子的发芽率从14.66%提高到63.33%，这是由于等离子处理后种子的亲水性增强，从而促进种子吸水膨胀和萌发[25-26]。于晶等[27]也发现低温等离子体处理胡萝卜种子，可使出苗期和肉质根膨大期提前，提高胡萝卜产量。李玲等[28]研究发现低温等离子体处理后，大豆、油菜、花生和芝麻种子发芽指数分别比对照提高8.04%，7.94%，12.68%和12.50%，活力指数分别较对照提高26.17%，20.10%，18.19%和31.03%；张娜等[29]发现小麦种子经低温等离子体机处理后，显著提高小麦的株高、分蘖数和穗粒数等，且增产效果明显。也有试验表明，等离子技术对小麦的发芽率影响不明显，但促进了芽和根的生长[30]。

等离子体技术促进种子萌发的原因：一方面可能是等离子体使种子细胞活力增强，导致一系列生理代谢反应加快进行；另一方面，等离子体可能改变了种子的种皮结构，使其亲水性和通透性增强，促使外部的水和氧气迅速进入种子，从而提高种子发芽率。

5 超高压技术

超高压技术（HHP）是指以水作为介质，在常温或较低温度下对试验样品施以3～5 min的100～800 MPa压力。HHP在食品行业应用较广，是一种改善食品安全和品质的新技术，可改变食品中酶、蛋白质及淀粉等生物大分子的活性，同时杀死细菌等微生物以达到灭菌的效果。有趣的是，HHP对种子萌发也有一定的影响。

Ariefdjohan等[31]在研究HHP处理对紫花苜蓿种子的影响时发现，475 MPa压力处理2 min后，其发芽率仅28%，而对照组的发芽率为95%。İşlek等[32]研究发现高于或低于300 MPa的压力处理会破坏种子胚的完整性，从而降低其发芽率。在HHP作用绿豆种子时，Peñas等[33]发现随着压力的增大其发芽率降低，其原因可能是高压处理改变或破坏种子种皮的通透性，导致细胞内盐类、有机物等渗出，使其细胞内环境中酶的活性改变，即高压处理对种子内部的膜防御体系造成了较大的破坏。Wuytack等[34]证实高压会导致种子中部分化合物的水合作用不完全，致使种子发生发芽滞后的现象。徐世平等[35]通过高压处理水稻种子，发现随着压力的升高其发芽率降低，且幼苗生长受到抑制，但在中后期压力处理的稻株生长迅速、长势及产量超过对照组。申斯乐等[36]利用高压对小麦种子进行处理，发现高压对小麦种子萌发及幼苗生长有一定的抑制作用，并且压力及保压时间对种子萌发均有影响，但这种影响并非随着压力升高而增加，在某一条件下，种子萌发及幼苗长势会出现好转。这种现象说明，压力会对种子造成一定的损伤，但种子对压力的损伤会产生抗御作用，即当压力到达临界值时，种子将启动自我修复功能，然而当压力继续增大时，其损伤会再次加剧。值得注意的是，压力处理对种子发芽率的负面作用可用于控制马铃薯块茎上芽的生长，试验表明100 MPa处理后马铃薯块茎上芽的形成率比对照组低65%[37]。

因此，种子发芽率的降低与压力水平和暴露时间显著相关，而压力水平的升高和暴露时间的延长抑制种子发芽过程中的生理代谢。

6 结语

非热加工技术在适宜条件下可以提高农作物种子的活力，促进种子萌发，进而提高农作物产量，在农业生产上具有广阔的应用前景。此外，在处理种子过程中可以减少农药、激素和化学肥料的使用量，降低大气、土壤和水体中污染物含量，达到优化人类的生存环境目的。同时，农作物中的农药残留随之减少，保护生态平衡，间接提高食品安全性，有益于人类健康。因此，在能源危机深重的21世纪，出于粮食安全、保护耕地、土壤和生命安全的需要，种子的非热加工技术值得大力推广。