糧食儲藏生理性變質研究進展

胡元森 田萍萍 李棒棒 張帥兵 魏 閃 呂揚勇

(河南工業大學生物工程學院，鄭州 450001)

糧食是具有生命活性的有機體，在長期儲藏過程中，籽粒內部會發生諸如組織結構松弛、呼吸速率下降、酶活性降低、生活力減弱等系列的物理、化學及生物學性狀的變化，從而造成其食用品質和種用品質持續劣變[1,2]。當外界溫、濕、氣等環境因子適宜時，糧食以其自身蛋白質、脂肪和淀粉等營養物質的消耗和轉化為基礎，使能夠引起糧食生理性變質的有毒物質積累[3]。例如：代謝產生的部分游離自由基及一些脂類氧化產物與其他脂類發生次級反應使細胞膜破裂、蛋白質降解、酶活性喪失等，最終導致細胞畸形和解體、呼吸減弱、生活力下降等生理性變質[4,5]。糧食倉儲實踐表明，采用低溫、干燥、缺氧等多種人工調控措施可有效降低糧食生理活動，延緩生命活動進程，達到保質保鮮的效果。糧食生理性變質與糧食籽粒的生理活動狀態密切相關，糧食生理活動強弱與其品質性狀劣變快慢呈正相關。本文介紹糧食儲藏生理研究現狀，為糧食綠色、安全儲藏及耐儲藏糧食品種的改良和開發提供參考。

1 糧食儲藏劣變過程中胚部微觀結構

1.1 種胚結構

種胚中的可溶性糖、蛋白質、脂類等營養物質含量豐富，是種子生命活動集中發生的區域。儲藏劣變過程中，糧食種胚形態結構發生漸進性改變[6]。

電鏡觀察發現，小麥籽粒劣變從胚根開始發生，沿胚軸逐漸蔓延到胚芽[7]。小麥種胚中顆粒狀物質不斷降解，種胚切面平整光滑，胚部細胞的細胞膜結構松散，細胞內容物溢出至胚細胞間隙，表明籽粒衰老過程中細胞膜會發生崩解，細胞完整性受到破壞[8, 9]。水稻在儲藏中其種胚結構也呈現相似的變化，韓瑞等[10]研究表明，正常的水稻種胚細胞的膜系統(質膜、核膜、線粒體膜)清晰完整，細胞內分布有清晰可見的線粒體、高爾基體、內質網等細胞器，但在老化種胚細胞內，其細胞器結構模糊，數量減少，線粒體腫脹變形，膜破損及解體，脂質體和脂質發生團聚集等現象。隨著劣變加深，溶酶體破裂，最終導致細胞全面解體。

1.2 胚乳結構

小麥、玉米等糧食籽粒屬于淀粉質種子，胚乳中含有豐富的淀粉等貯藏物質。對不同硬度小麥籽粒橫切面的掃描電鏡觀察發現，軟質和硬質小麥種子的糊粉層細胞差異不明顯，但胚乳結構差異較大。軟質小麥胚乳淀粉粒間較分散，基質蛋白與淀粉粒呈分離狀態，整體性差；硬質胚乳的基質蛋白與淀粉粒間結合緊密，淀粉粒被蛋白質包裹，結構緊湊[11]。小麥籽粒硬度大小可能與基質蛋白和淀粉粒間的結合程度有關。王若蘭等[12]研究發現，電子束輻照后小麥胚乳淀粉和基質蛋白結合松散，而稻谷胚乳出現裂紋。Tian等[9]用掃描電鏡觀察了25 ℃自然老化(發芽率大于90%)與45 ℃高溫人工老化10個月的種子(發芽率低于20%)的胚乳結構發現，與自然老化狀態相比，高溫人工老化的小麥種子胚乳淀粉顆粒變得疏松，蛋白基質減少甚至消失。

2 糧食儲藏劣變過程中貯藏物質變化

糧食中含有豐富的蛋白質、脂肪、糖類等多種營養物質，為籽粒正常呼吸及種子萌發提供能量。糧食儲藏劣變是一個包含營養物質生物轉化在內的由量變到質變的復雜生物化學過程。種子在儲藏過程中需要消耗呼吸作用提供的能量以維持正常的生命代謝。Ochandio等[13]發現，大豆種子在高溫高濕條件下儲藏時，氧氣消耗速度遠高于正常條件，增強水解酶的作用能夠增加呼吸速率。呼吸活動的增強導致活性氧(ROS)產生增多，進而導致脂質過氧化破壞質膜，降低同一底物線粒體能量產生的效率[14,15]。另外，ROS含量增多會誘發蛋白質氧化，蛋白質羰基化，使其結構和性質發生變化[16]。研究表明，老化種子中羰基化的蛋白質明顯高于正常蛋白質[17]，由于蛋白質的降解，種子中的蛋白質含量降低，隨之釋放出用于新陳代謝和呼吸的氨基酸，導致生存能力降低[18]。

2.1 可溶性糖

糧食中可溶性糖主要有棉子糖、蔗糖、葡萄糖和果糖等，是糧食進行呼吸供能的主要底物?？扇苄蕴怯兄诰S持糧食籽粒細胞膜的穩定性和完整性[19]。Bruni等[20]發現二糖與膜結構和儲藏蛋白有關，影響種子細胞質玻璃化。

在老化過程中，不同種子中可溶性糖含量變化差異較大。油菜種子和山羊草種子的可溶性糖含量與種子老化程度呈正相關[21,22]。經高溫高濕陳化處理的糯小麥可溶性糖含量增加[23]，而大麥中可溶性糖變化不明顯[24]。玉米和大豆中可溶性糖含量在儲藏過程中降低[25,20]。李瑞芳[26]研究發現老化會抑制玉米種子中淀粉的轉化，阻礙了種子萌發過程中蔗糖、麥芽糖、果糖和葡萄糖的供應。閆慧娟[27]研究發現，大豆種胚不同部位的糖含量變化也有差異。自然老化的大豆胚軸單糖(半乳糖、肌醇)含量基本不變，蔗糖含量下降，而子葉中單糖含量略增加，蔗糖含量先升后降，蜜二糖含量略有下降。

2.2 蛋白質

蛋白質是構成細胞骨架和維持生命活動的一類重要的生物大分子，參與執行生物體基因表達、形態建成、生長調節等多種重要的生理功能。在儲藏過程中，ROS既可以直接介導蛋白質氧化，也可以先誘導脂類物質氧化和加速非酶糖基化，再利用中間活性產物介導蛋白質氧化[28]。蛋白質發生氧化的部位通常在主鏈、脂肪族氨基酸側鏈殘基和芳香族氨基酸側鏈殘基[29]。蛋白質的氧化會造成其二級結構、表面疏水性、活性巰基及二硫鍵等發生變化，從而使其功能性質發生變化，最終導致細胞和組織功能紊亂[30]。

研究表明，糧食貯藏過程中蛋白質總含量基本保持穩定，但蛋白種類會發生變化。Rao等[31]研究發現，新收獲小麥中含有大量的低分子量醇溶蛋白，隨貯藏時間延長，谷蛋白含量增多，醇溶蛋白含量減少，這種變化與小麥品質逐步改善密切關聯。在40 ℃和4 ℃貯藏1年的稻谷中，水溶性蛋白和鹽溶性蛋白明顯下降，醇溶性蛋白也有下降趨勢。在品質上表現為米粒間松散，適口性和黏彈性變差[32]。Zhang等[33]運用蛋白組學方法對不同生理活力種子進行比較，發現在鑒定的65種差異蛋白中，超過95%的蛋白參與新陳代謝(23%)、蛋白質合成加工(22%)、能量代謝(18%)、細胞防御和救援(17%)、作為儲存蛋白(15%)以及維持細胞生長和結構穩定(3%)。在水稻、大麥、小麥、油菜籽等研究中，學者通過人工老化試驗確定了影響種子活力的基因位點[34-37]。此外，對玉米種子的蛋白質分析揭示了種子在人工衰老過程中具有共同特征[38]。

2.3 脂類

糧食籽粒中脂類變化主要有兩個方面作用。一是氧化作用，脂類在細胞內外被氧化產生過氧化物及羰基化合物，如醛、酮類物質。二是水解，在脂肪酶作用下水解成甘油和脂肪酸[32]。

胚和胚乳中的中性脂以糖脂和磷脂的形式構成細胞膜基本骨架，其中多不飽和脂肪酸的氧化改變了細胞膜的通透性和流動性，導致胞內物質持續外滲[39]。脂類過氧化的次級代謝產物如丙二醛通過Maillard反應和Amadori反應進一步破壞胞內蛋白質和核酸，使糧食籽粒細胞酶活性喪失和遺傳物質變性[40]。娜荷雅[41]研究了油菜、大豆和燕麥對高溫脅迫的耐受性，發現種子內生成的Maillard反應產物能加速種子的老化進程。過氧化作用還會引起其它生理過程遭受破壞，如脂肪酸過氧化產生的自由基引起蛋白結構與功能發生改變[42]，攻擊染色體DNA，使DNA鏈中的堿基和脫氧核糖氧化發生雙鏈斷裂，阻滯細胞有絲分裂起始[43]。許多研究結果也表明，脂肪氧化往往伴隨著小麥籽粒發芽率及酶活性下降。

糧食籽粒細胞膜含有油酸和亞油酸等多不飽和脂肪酸，自由基與不飽和脂肪酸作用降低其在細胞膜中的含量，使細胞膜完整性喪失[44]。然而，在不同作物中的研究結果有較大差異，花生高溫陳化后發現其籽粒中油酸與亞油酸的相對含量并沒有發生變化[45]，而在大豆中這兩種脂肪酸增加了2倍[46]。也有學者研究提出，糧食變質可能由于糧食細胞壁游離酚酸物質的釋放改變了細胞壁的完整性，同時通過抗氧化活性影響了與淀粉糖結合的酚酸物質的形成而對糧食加工品質帶來不利[47,48]，部分研究也表明，種子中抗氧化活性物質消失對糧食種子生活力影響較大，對其種用品質產生負面影響[4]。

3 呼吸作用與能量代謝

線粒體是糧食籽粒進行呼吸作用的主要場所，為種子新陳代謝提供基本能量來源。在老化過程中，線粒體發生一系列結構和化學變化，這些變化主要是由這些細胞器內產生的ROS引起的[49]。線粒體中ROS引起的結構改變從內膜開始，然后線粒體嵴縮短并塌陷，呼吸鏈的復合物轉移到內膜，導致內膜上分離的蛋白質開始混合。隨著老化的進行，嵴完全消失，內部膜蛋白失去內聚力，導致膜破裂，細胞色素c和囊泡膜滲漏至胞漿[50]。Miquel等[51]首次提出種子衰老的線粒體學說，該學說認為，種子衰老過程中活性氧不斷積累導致線粒體脂類、蛋白質和核酸等發生氧化損傷，引起細胞生理異常。糧食籽粒衰老時，線粒體膜結構受損傷，導致ATP合成酶活性降低，線粒體呼吸和ATP合成功能受到影響。韓瑞等[10]研究發現，水稻種子老化時其線粒體膜膨脹、破損及解體。Gidrol等[52]也發現老化的大豆和豌豆種子中線粒體膜受損，ATP含量下降，ATP合成受阻。Amable等[53]研究表明，老化的大豆種子耗氧量下降，進而提出線粒體是種子最先老化的部位。在人工加速老化的甜菜種子中發現三羧酸循環的主要酶如蘋果酸脫氫酶活性隨老化程度加深而大幅降低[54]。上述研究揭示，種子衰老影響線粒體呼吸酶活性下降，活性氧增多，使得氧化損傷加劇，ATP合成不足，最終影響種子活力。

4 遺傳物質的變異

在儲藏過程中，種子的DNA損傷主要來自氧化應激[49]，過量的ROS在細胞和分子水平上引起氧化損傷[55]。當DNA長期暴露于氧化應激環境時，ROS誘導的DNA損傷就會發生，損傷可能會引起細胞停止生長，導致突變甚至細胞死亡[56]。此外，RNA由于其單鏈結構和缺乏修復系統，更容易被ROS氧化[57]。被氧化的mRNA會抑制蛋白質的合成和降解，這與種子壽命的縮短有關。隨著貯藏時間的延長，種子RNA受損傷加劇，影響RNA的產量和質量[58,59]。Robert等[60]研究不同發芽率黑麥草種子中胚部DNA含量發現，發芽率95%以上的黑麥草種子胚中DNA含量比活力較低的種子高出3倍。Kazimierz等[61]研究蠶豆種子老化時發現，RNA及多核糖體的合成能力在不斷下降，隨儲藏年限延長，遺傳多樣性指數、遺傳位點的等位基因數量都有明顯下降。Parzies[62]研究了不同儲藏年限的大麥種子，發現大麥種子的遺傳多樣性、等位基因數量也有類似的變化。水稻、玉米種子老化過程中，RNA完整性被破壞，RNA降解為小分子量的RNA。隨著玉米種子老化，DNA合成酶和DNA聚合酶的活性均呈降低趨勢[63,64]。Joice等[65]對不同儲藏時間的大豆種子中的RNA進行降解，發現儲藏時間長的種子中出現更嚴重的組織損傷，損傷主要是由較長鏈的RNA斷裂引起的。種子衰老過程中的基因損傷必然導致轉錄和翻譯錯誤，老化種子在萌發過程中常發生染色體畸變、斷裂等情況，在實際生產中也會出現植株幼苗瘦弱、矮小、早衰等現象。

5 細胞抗氧化系統作用

種子生理劣變與其體內活性氧不斷積累并對細胞器造成損傷有關。在長期進化過程中，植物細胞形成了一系列有效的抗氧化機制以清除活性氧等有害物質?？寡趸烙w系包括抗氧化酶體系和非酶體系?？寡趸瘎┓烙到y的主要酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、過氧化物酶(POD)、過氧化物還原酶(Prx)、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)和谷胱甘肽還原酶(GR)[66-70]。非酶體系主要是抗壞血酸—谷胱甘肽循環。

過氧化氫酶是生物體抗衰老、穩定細胞膜結構的一種保護酶，普遍存在于生物細胞中，是最早發現與種子活力有關的氧化酶之一[71]。過氧化氫酶活性間接反應種子活力，是評判糧食籽粒新鮮程度的一個重要指標。過氧化物酶可消除植物細胞內的自由基，延緩細胞衰老。稻谷儲藏期間，過氧化物酶及過氧化氫酶活性快速消失，而蛋白酶、脂肪酶及脂氧合酶活性不斷升高[72]，這表明稻谷儲藏后期營養物水解轉化速度加快，而有害代謝物清除能力減弱。細胞色素氧化酶是細胞氧化磷酸化過程中的重要酶，存在于線粒體內膜上，其活性高低往往作為細胞氧化代謝的重要指標。在對甜菜的衰老研究中發現，伴隨種子活力的降低，細胞色素氧化酶的活性也不斷下降[73]。

抗壞血酸在老化過程中始終發揮清除活性氧的作用，ROS產生速率和H2O2含量的增加是種子老化劣變的重要原因[24]。Xin等[74]研究表明，老化的大豆種子線粒體功能紊亂主要是由于線粒體和抗壞血酸-谷胱甘肽循環活性降低，ROS積累的結果，抗氧化系統能阻止種子老化過程中ROS的累積。這與前人研究大豆[75]、向日葵[76]的抗氧化系統活性降低引起種子老化的結果相似。

6 結語

糧食生理活動改變了籽粒營養物化學組成與組織結構，進而影響食用品質，如大米貯藏中游離脂肪酸增多而致米飯變硬；糧食籽粒生命活動的有害代謝產物在種胚中積累，如蛋白質分解產生的胺類、呼吸作用形成超氧自由基等對種子活力損傷作用明顯，部分有害代謝物與細胞內特定位點生物大分子如酶蛋白等發生作用，使之活性鈍化或喪失，能量分子ATP不能正常生成；籽粒老化不可避免的導致遺傳物質合成減少，基因表達和蛋白翻譯出錯，從而使糧食籽粒的生活力減弱。從前人研究可看出，儲糧生理活動是引發其生理性劣變的關鍵要素。然而，糧食籽粒是具有生物活性的有機體，種子活力是衡量糧食價值的重要指標。健全的細胞防御酶系統是延緩糧食老化和保持活力的有效因素，如細胞過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等保護酶能有效清除籽粒代謝產生的自由基等有害物在胚部的積累。此外，部分糧食品種有提高籽粒脫水耐受性的特定保護性分子，例如熱激蛋白、非還原糖等。

小麥生理劣變與食用品質變劣間的關系還不十分明確，如何從糧食儲藏生理劣變視角提出育種要求也鮮見報道。從微觀角度分析種子衰老與細胞衰老關系的研究尚未形成體系。從糧食儲藏生理特性出發，深入開展糧食生理活動與其品質劣變間的機制研究，將有助于揭示糧食儲藏生理性變質的生物學機理，也為延緩品質劣變，完善糧食儲藏方法與技術奠定新型理論基礎。