粮食储藏生理性变质研究进展

胡元森 田萍萍 李棒棒 张帅兵 魏 闪 吕扬勇

(河南工业大学生物工程学院，郑州 450001)

粮食是具有生命活性的有机体，在长期储藏过程中，籽粒内部会发生诸如组织结构松弛、呼吸速率下降、酶活性降低、生活力减弱等系列的物理、化学及生物学性状的变化，从而造成其食用品质和种用品质持续劣变[1,2]。当外界温、湿、气等环境因子适宜时，粮食以其自身蛋白质、脂肪和淀粉等营养物质的消耗和转化为基础，使能够引起粮食生理性变质的有毒物质积累[3]。例如：代谢产生的部分游离自由基及一些脂类氧化产物与其他脂类发生次级反应使细胞膜破裂、蛋白质降解、酶活性丧失等，最终导致细胞畸形和解体、呼吸减弱、生活力下降等生理性变质[4,5]。粮食仓储实践表明，采用低温、干燥、缺氧等多种人工调控措施可有效降低粮食生理活动，延缓生命活动进程，达到保质保鲜的效果。粮食生理性变质与粮食籽粒的生理活动状态密切相关，粮食生理活动强弱与其品质性状劣变快慢呈正相关。本文介绍粮食储藏生理研究现状，为粮食绿色、安全储藏及耐储藏粮食品种的改良和开发提供参考。

1 粮食储藏劣变过程中胚部微观结构

1.1 种胚结构

种胚中的可溶性糖、蛋白质、脂类等营养物质含量丰富，是种子生命活动集中发生的区域。储藏劣变过程中，粮食种胚形态结构发生渐进性改变[6]。

电镜观察发现，小麦籽粒劣变从胚根开始发生，沿胚轴逐渐蔓延到胚芽[7]。小麦种胚中颗粒状物质不断降解，种胚切面平整光滑，胚部细胞的细胞膜结构松散，细胞内容物溢出至胚细胞间隙，表明籽粒衰老过程中细胞膜会发生崩解，细胞完整性受到破坏[8, 9]。水稻在储藏中其种胚结构也呈现相似的变化，韩瑞等[10]研究表明，正常的水稻种胚细胞的膜系统(质膜、核膜、线粒体膜)清晰完整，细胞内分布有清晰可见的线粒体、高尔基体、内质网等细胞器，但在老化种胚细胞内，其细胞器结构模糊，数量减少，线粒体肿胀变形，膜破损及解体，脂质体和脂质发生团聚集等现象。随着劣变加深，溶酶体破裂，最终导致细胞全面解体。

1.2 胚乳结构

小麦、玉米等粮食籽粒属于淀粉质种子，胚乳中含有丰富的淀粉等贮藏物质。对不同硬度小麦籽粒横切面的扫描电镜观察发现，软质和硬质小麦种子的糊粉层细胞差异不明显，但胚乳结构差异较大。软质小麦胚乳淀粉粒间较分散，基质蛋白与淀粉粒呈分离状态，整体性差；硬质胚乳的基质蛋白与淀粉粒间结合紧密，淀粉粒被蛋白质包裹，结构紧凑[11]。小麦籽粒硬度大小可能与基质蛋白和淀粉粒间的结合程度有关。王若兰等[12]研究发现，电子束辐照后小麦胚乳淀粉和基质蛋白结合松散，而稻谷胚乳出现裂纹。Tian等[9]用扫描电镜观察了25 ℃自然老化(发芽率大于90%)与45 ℃高温人工老化10个月的种子(发芽率低于20%)的胚乳结构发现，与自然老化状态相比，高温人工老化的小麦种子胚乳淀粉颗粒变得疏松，蛋白基质减少甚至消失。

2 粮食储藏劣变过程中贮藏物质变化

粮食中含有丰富的蛋白质、脂肪、糖类等多种营养物质，为籽粒正常呼吸及种子萌发提供能量。粮食储藏劣变是一个包含营养物质生物转化在内的由量变到质变的复杂生物化学过程。种子在储藏过程中需要消耗呼吸作用提供的能量以维持正常的生命代谢。Ochandio等[13]发现，大豆种子在高温高湿条件下储藏时，氧气消耗速度远高于正常条件，增强水解酶的作用能够增加呼吸速率。呼吸活动的增强导致活性氧(ROS)产生增多，进而导致脂质过氧化破坏质膜，降低同一底物线粒体能量产生的效率[14,15]。另外，ROS含量增多会诱发蛋白质氧化，蛋白质羰基化，使其结构和性质发生变化[16]。研究表明，老化种子中羰基化的蛋白质明显高于正常蛋白质[17]，由于蛋白质的降解，种子中的蛋白质含量降低，随之释放出用于新陈代谢和呼吸的氨基酸，导致生存能力降低[18]。

2.1 可溶性糖

粮食中可溶性糖主要有棉子糖、蔗糖、葡萄糖和果糖等，是粮食进行呼吸供能的主要底物。可溶性糖有助于维持粮食籽粒细胞膜的稳定性和完整性[19]。Bruni等[20]发现二糖与膜结构和储藏蛋白有关，影响种子细胞质玻璃化。

在老化过程中，不同种子中可溶性糖含量变化差异较大。油菜种子和山羊草种子的可溶性糖含量与种子老化程度呈正相关[21,22]。经高温高湿陈化处理的糯小麦可溶性糖含量增加[23]，而大麦中可溶性糖变化不明显[24]。玉米和大豆中可溶性糖含量在储藏过程中降低[25,20]。李瑞芳[26]研究发现老化会抑制玉米种子中淀粉的转化，阻碍了种子萌发过程中蔗糖、麦芽糖、果糖和葡萄糖的供应。闫慧娟[27]研究发现，大豆种胚不同部位的糖含量变化也有差异。自然老化的大豆胚轴单糖(半乳糖、肌醇)含量基本不变，蔗糖含量下降，而子叶中单糖含量略增加，蔗糖含量先升后降，蜜二糖含量略有下降。

2.2 蛋白质

蛋白质是构成细胞骨架和维持生命活动的一类重要的生物大分子，参与执行生物体基因表达、形态建成、生长调节等多种重要的生理功能。在储藏过程中，ROS既可以直接介导蛋白质氧化，也可以先诱导脂类物质氧化和加速非酶糖基化，再利用中间活性产物介导蛋白质氧化[28]。蛋白质发生氧化的部位通常在主链、脂肪族氨基酸侧链残基和芳香族氨基酸侧链残基[29]。蛋白质的氧化会造成其二级结构、表面疏水性、活性巯基及二硫键等发生变化，从而使其功能性质发生变化，最终导致细胞和组织功能紊乱[30]。

研究表明，粮食贮藏过程中蛋白质总含量基本保持稳定，但蛋白种类会发生变化。Rao等[31]研究发现，新收获小麦中含有大量的低分子量醇溶蛋白，随贮藏时间延长，谷蛋白含量增多，醇溶蛋白含量减少，这种变化与小麦品质逐步改善密切关联。在40 ℃和4 ℃贮藏1年的稻谷中，水溶性蛋白和盐溶性蛋白明显下降，醇溶性蛋白也有下降趋势。在品质上表现为米粒间松散，适口性和黏弹性变差[32]。Zhang等[33]运用蛋白组学方法对不同生理活力种子进行比较，发现在鉴定的65种差异蛋白中，超过95%的蛋白参与新陈代谢(23%)、蛋白质合成加工(22%)、能量代谢(18%)、细胞防御和救援(17%)、作为储存蛋白(15%)以及维持细胞生长和结构稳定(3%)。在水稻、大麦、小麦、油菜籽等研究中，学者通过人工老化试验确定了影响种子活力的基因位点[34-37]。此外，对玉米种子的蛋白质分析揭示了种子在人工衰老过程中具有共同特征[38]。

2.3 脂类

粮食籽粒中脂类变化主要有两个方面作用。一是氧化作用，脂类在细胞内外被氧化产生过氧化物及羰基化合物，如醛、酮类物质。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构成细胞膜基本骨架，其中多不饱和脂肪酸的氧化改变了细胞膜的通透性和流动性，导致胞内物质持续外渗[39]。脂类过氧化的次级代谢产物如丙二醛通过Maillard反应和Amadori反应进一步破坏胞内蛋白质和核酸，使粮食籽粒细胞酶活性丧失和遗传物质变性[40]。娜荷雅[41]研究了油菜、大豆和燕麦对高温胁迫的耐受性，发现种子内生成的Maillard反应产物能加速种子的老化进程。过氧化作用还会引起其它生理过程遭受破坏，如脂肪酸过氧化产生的自由基引起蛋白结构与功能发生改变[42]，攻击染色体DNA，使DNA链中的碱基和脱氧核糖氧化发生双链断裂，阻滞细胞有丝分裂起始[43]。许多研究结果也表明，脂肪氧化往往伴随着小麦籽粒发芽率及酶活性下降。

粮食籽粒细胞膜含有油酸和亚油酸等多不饱和脂肪酸，自由基与不饱和脂肪酸作用降低其在细胞膜中的含量，使细胞膜完整性丧失[44]。然而，在不同作物中的研究结果有较大差异，花生高温陈化后发现其籽粒中油酸与亚油酸的相对含量并没有发生变化[45]，而在大豆中这两种脂肪酸增加了2倍[46]。也有学者研究提出，粮食变质可能由于粮食细胞壁游离酚酸物质的释放改变了细胞壁的完整性，同时通过抗氧化活性影响了与淀粉糖结合的酚酸物质的形成而对粮食加工品质带来不利[47,48]，部分研究也表明，种子中抗氧化活性物质消失对粮食种子生活力影响较大，对其种用品质产生负面影响[4]。

3 呼吸作用与能量代谢

线粒体是粮食籽粒进行呼吸作用的主要场所，为种子新陈代谢提供基本能量来源。在老化过程中，线粒体发生一系列结构和化学变化，这些变化主要是由这些细胞器内产生的ROS引起的[49]。线粒体中ROS引起的结构改变从内膜开始，然后线粒体嵴缩短并塌陷，呼吸链的复合物转移到内膜，导致内膜上分离的蛋白质开始混合。随着老化的进行，嵴完全消失，内部膜蛋白失去内聚力，导致膜破裂，细胞色素c和囊泡膜渗漏至胞浆[50]。Miquel等[51]首次提出种子衰老的线粒体学说，该学说认为，种子衰老过程中活性氧不断积累导致线粒体脂类、蛋白质和核酸等发生氧化损伤，引起细胞生理异常。粮食籽粒衰老时，线粒体膜结构受损伤，导致ATP合成酶活性降低，线粒体呼吸和ATP合成功能受到影响。韩瑞等[10]研究发现，水稻种子老化时其线粒体膜膨胀、破损及解体。Gidrol等[52]也发现老化的大豆和豌豆种子中线粒体膜受损，ATP含量下降，ATP合成受阻。Amable等[53]研究表明，老化的大豆种子耗氧量下降，进而提出线粒体是种子最先老化的部位。在人工加速老化的甜菜种子中发现三羧酸循环的主要酶如苹果酸脱氢酶活性随老化程度加深而大幅降低[54]。上述研究揭示，种子衰老影响线粒体呼吸酶活性下降，活性氧增多，使得氧化损伤加剧，ATP合成不足，最终影响种子活力。

4 遗传物质的变异

在储藏过程中，种子的DNA损伤主要来自氧化应激[49]，过量的ROS在细胞和分子水平上引起氧化损伤[55]。当DNA长期暴露于氧化应激环境时，ROS诱导的DNA损伤就会发生，损伤可能会引起细胞停止生长，导致突变甚至细胞死亡[56]。此外，RNA由于其单链结构和缺乏修复系统，更容易被ROS氧化[57]。被氧化的mRNA会抑制蛋白质的合成和降解，这与种子寿命的缩短有关。随着贮藏时间的延长，种子RNA受损伤加剧，影响RNA的产量和质量[58,59]。Robert等[60]研究不同发芽率黑麦草种子中胚部DNA含量发现，发芽率95%以上的黑麦草种子胚中DNA含量比活力较低的种子高出3倍。Kazimierz等[61]研究蚕豆种子老化时发现，RNA及多核糖体的合成能力在不断下降，随储藏年限延长，遗传多样性指数、遗传位点的等位基因数量都有明显下降。Parzies[62]研究了不同储藏年限的大麦种子，发现大麦种子的遗传多样性、等位基因数量也有类似的变化。水稻、玉米种子老化过程中，RNA完整性被破坏，RNA降解为小分子量的RNA。随着玉米种子老化，DNA合成酶和DNA聚合酶的活性均呈降低趋势[63,64]。Joice等[65]对不同储藏时间的大豆种子中的RNA进行降解，发现储藏时间长的种子中出现更严重的组织损伤，损伤主要是由较长链的RNA断裂引起的。种子衰老过程中的基因损伤必然导致转录和翻译错误，老化种子在萌发过程中常发生染色体畸变、断裂等情况，在实际生产中也会出现植株幼苗瘦弱、矮小、早衰等现象。

5 细胞抗氧化系统作用

种子生理劣变与其体内活性氧不断积累并对细胞器造成损伤有关。在长期进化过程中，植物细胞形成了一系列有效的抗氧化机制以清除活性氧等有害物质。抗氧化防御体系包括抗氧化酶体系和非酶体系。抗氧化剂防御系统的主要酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、过氧化物酶(POD)、过氧化物还原酶(Prx)、单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)和谷胱甘肽还原酶(GR)[66-70]。非酶体系主要是抗坏血酸—谷胱甘肽循环。

过氧化氢酶是生物体抗衰老、稳定细胞膜结构的一种保护酶，普遍存在于生物细胞中，是最早发现与种子活力有关的氧化酶之一[71]。过氧化氢酶活性间接反应种子活力，是评判粮食籽粒新鲜程度的一个重要指标。过氧化物酶可消除植物细胞内的自由基，延缓细胞衰老。稻谷储藏期间，过氧化物酶及过氧化氢酶活性快速消失，而蛋白酶、脂肪酶及脂氧合酶活性不断升高[72]，这表明稻谷储藏后期营养物水解转化速度加快，而有害代谢物清除能力减弱。细胞色素氧化酶是细胞氧化磷酸化过程中的重要酶，存在于线粒体内膜上，其活性高低往往作为细胞氧化代谢的重要指标。在对甜菜的衰老研究中发现，伴随种子活力的降低，细胞色素氧化酶的活性也不断下降[73]。

抗坏血酸在老化过程中始终发挥清除活性氧的作用，ROS产生速率和H2O2含量的增加是种子老化劣变的重要原因[24]。Xin等[74]研究表明，老化的大豆种子线粒体功能紊乱主要是由于线粒体和抗坏血酸-谷胱甘肽循环活性降低，ROS积累的结果，抗氧化系统能阻止种子老化过程中ROS的累积。这与前人研究大豆[75]、向日葵[76]的抗氧化系统活性降低引起种子老化的结果相似。

6 结语

粮食生理活动改变了籽粒营养物化学组成与组织结构，进而影响食用品质，如大米贮藏中游离脂肪酸增多而致米饭变硬；粮食籽粒生命活动的有害代谢产物在种胚中积累，如蛋白质分解产生的胺类、呼吸作用形成超氧自由基等对种子活力损伤作用明显，部分有害代谢物与细胞内特定位点生物大分子如酶蛋白等发生作用，使之活性钝化或丧失，能量分子ATP不能正常生成；籽粒老化不可避免的导致遗传物质合成减少，基因表达和蛋白翻译出错，从而使粮食籽粒的生活力减弱。从前人研究可看出，储粮生理活动是引发其生理性劣变的关键要素。然而，粮食籽粒是具有生物活性的有机体，种子活力是衡量粮食价值的重要指标。健全的细胞防御酶系统是延缓粮食老化和保持活力的有效因素，如细胞过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等保护酶能有效清除籽粒代谢产生的自由基等有害物在胚部的积累。此外，部分粮食品种有提高籽粒脱水耐受性的特定保护性分子，例如热激蛋白、非还原糖等。

小麦生理劣变与食用品质变劣间的关系还不十分明确，如何从粮食储藏生理劣变视角提出育种要求也鲜见报道。从微观角度分析种子衰老与细胞衰老关系的研究尚未形成体系。从粮食储藏生理特性出发，深入开展粮食生理活动与其品质劣变间的机制研究，将有助于揭示粮食储藏生理性变质的生物学机理，也为延缓品质劣变，完善粮食储藏方法与技术奠定新型理论基础。