2种裸燕麦籽粒硬度测定方法比较

安江红 张文静 杨晓虹 南金生 杨 燕 闫明霞 韩 冰

（1内蒙古农业大学生命科学学院，010018，内蒙古呼和浩特；2张家口市农业科学院，075000，河北张家口；3呼和浩特市种子管理站，010020，内蒙古呼和浩特）

19世纪末，小麦籽粒硬度开始被人们认识。籽粒硬度是指破坏籽粒所需要的力[1]，是国际较通用的商品小麦分类重要指标，也是进行市场分级和定价的重要性状之一，其影响润麦加水量、出粉率、破损淀粉数量和面粉颗粒度大小，最终决定磨粉品质和食品加工品质[2]。

燕麦作为重要的粮饲兼用作物，是世界性栽培作物，其磨粉品质及加工品质同样受籽粒硬度的影响。目前，燕麦在国内已形成三大支柱性产业，即燕麦面、燕麦片和燕麦米。结合生产经验发现，籽粒硬度不适宜的原粮会增加企业生产加工成本，比如目前生产燕麦胚芽米的企业指定收购‘坝莜 1号’，因为只有该品种的原粮在加工时籽粒不易破碎、碎米率低、损耗低，能保留燕麦胚芽，磨成胚芽米。燕麦面粉加工企业指定收购‘花早 2号’，因其出粉率高、适口性好。针对生产加工中出现的问题，发现燕麦加工品质同小麦类似，主要与籽粒硬度有关。也就是说籽粒硬度影响燕麦米的成米率、燕麦面粉的出粉率和颗粒度大小以及燕麦片的爽滑度[3]等性状，更与企业效益和农民收入息息相关。因此，在生产前明确原粮的籽粒硬度是很有必要的。

籽粒硬度受籽粒组分、环境和遗传因素的影响。小麦籽粒的组成成分与籽粒硬度直接相关，硬质小麦破损淀粉颗粒和蛋白质较多，胚乳结构相对致密[3-4]，但是一定范围内胚乳总蛋白、总淀粉及直链淀粉含量均不影响籽粒硬度[5]。燕麦籽粒比小麦籽粒软，使用相近的力碾压籽粒后成片状，而小麦成粉状[6]。与小麦类似，软质燕麦的淀粉粒空隙较大，与蛋白呈分离状态，而硬质燕麦淀粉粒紧凑，与蛋白紧密相连，细胞壁空隙小[7]。我国小麦籽粒硬度变化范围大，北部冬麦区品种硬度较高，南方冬麦区品种硬度较低[8]，东北春麦区以硬质小麦为主，北部和西北春麦区则以混合类型为主[9]，而关于我国燕麦籽粒硬度的分布研究尚属空白。籽粒硬度遗传力高，在小麦中受主效基因puroindoline控制[10]。puroindoline是小麦水洗淀粉颗粒表面Frabilin蛋白的主要成分，包括puroindoline a和puroindoline b 2种类型，分别由Pina和Pinb编码，二者氨基酸序列同源性达到60%。PINA蛋白的基因缺失或编码PINB蛋白的基因突变均会造成小麦胚乳质地变硬[2]。燕麦籽粒硬度的分子机理探究开展较晚。1998年，Tanchak等[11]发现了具有与小麦puroindoline基因相似特点的2对燕麦cDNA克隆。直到2015年，Gazza等[12]在水洗淀粉颗粒表面发现了Vromindoline（VIN）蛋白，包括VIN-1、VIN-2和VIN-3 3种类型，都存在于A、C和D基因组上；向硬粒小麦（无Pina和Pinb的同源基因）Svevo中转化Vin-D2a和Vin-A3a基因，其均在转基因后代中表达并在淀粉粒表面积累了其编码的蛋白 VIN-2.1和VIN-3.1，使得转基因硬粒小麦Svevo的籽粒硬度降低约50%，表明vromindolines基因确实可以引起籽粒硬度的改变。

目前，燕麦籽粒硬度检测还没有明确的标准方法。小麦的籽粒硬度检测研究最为全面，包括传统方法，例如角质率法[13]、研磨功耗法[13]、研磨时间法[14]和碾皮法[15]；国家标准方法，例如硬度指数法[16]；以及近年发展的快速检测方法，例如近红外光谱法（near infrared reflect，NIR）[17]和单粒谷物特性测定仪法（single kernel characterization system，SKCS）[18]，其中以力学方法最为经典[19]。目前，也有研究用其他方法检测谷物籽粒硬度，例如针尖压入法[20]、基于可见―近红外光谱的径向基函数（RBF）神经网络模型[21]、压痕曲线法[22-23]和声学法[24-25]等。

传统方法有人为误差大、环境因素影响大和费时费力等缺点[6]，NIR法缺乏检测裸燕麦籽粒硬度的定标模型，而国家标准方法是基于研磨的方法，燕麦籽粒较小麦软，且含有丰富的脂肪，质量分数高达 6%～8%[26]，这一特点使得燕麦经研磨后容易粘结成块，不易通过筛网而影响准确性[27]。SKCS法检测籽粒硬度无需磨粉处理，不受蛋白质含量和湿度水平等因素的影响，能较好地反映出样品的均匀性和混杂程度，可以获得籽粒的硬度值、粒径和含水量，是一种重复性和稳定性好，且快速有效的籽粒硬度测定方法，该方法与硬度指数法（GB/T 21304-2007）及NIR法具有良好的相关性[8,28-29]。另外，质构仪（texture analyzer，TA）又叫物性仪，是食品加工及评价领域应用十分广泛的仪器，可以对食品的物理特性（硬度和弹性等）进行客观、精确的描述，是记录力、时间和形变率的系统，已经应用于大米、番茄、葡萄籽和石榴籽等硬度测定[30-34]。质构仪可以通过对裸燕麦籽粒的单次下压，获得燕麦单籽粒的硬度值。

本研究以SKCS法和TA法检测了7份裸燕麦核心种质和3个中国裸燕麦品种的籽粒硬度，并分析籽粒物理性状对硬度的影响，为裸燕麦商品流通和原粮收购提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料及种植方法

试验材料共10份，包括7份裸燕麦核心种质资源（由国家种质资源库提供）和3个裸燕麦品种（由张家口市农业科学院提供）。7份种质资源的国家种质资源库统一编号分别是 ZY000224、ZY000716、ZY000717、ZY002099、ZY002216、ZY002328和ZY002399；3个品种分别是坝莜1号、花早2号和坝莜8号。

试验地地势平坦、肥力均匀，前茬为马铃薯。10份材料于2019年5月15日种植在内蒙古乌兰察布市集宁区（113°07″ E、41°08″ N），通过错播（生育期长的材料早播，生育期短的材料晚播）形式，尽量使10份材料抽穗时间相近。播种密度为稀播定植，每个材料种3行，行长1.5m，锄开沟，人工撒籽，播深2cm。及时中耕除草、浇水，保证燕麦正常生长发育。2019年10月收获后，将籽粒统一保存于干燥通风的储藏室内，环境温度25℃±2℃，相对湿度16%±2%。检测前所有材料放在相同环境下均衡3d，使籽粒水分处于安全水分范围（12%～13%）。

1.2 试验方法

1.2.1 SKCS法测定籽粒硬度 SKCS法是利用测定样品中300颗谷物的性质，通过真空分离盘将每粒样品自动分开，落入称重斗称重后，样品从斗中落入绝缘弯月型压碎装置，籽粒在进入弯月形间隙被压碎压平的过程中，压碎力与时间的对应关系及压碎转轮和弯月形装置之间的电导率被记录下来。微处理器将每粒样品一系列数据传输到主控计算机，包括样品重量、称重器稳定性、压碎力峰值、平均电导率、压碎面积和压碎长度等。计算机计算每批有效样品平均硬度指数、粒重、粒径和籽粒水分。主控计算机会根据一定标准检查每粒样品的系列数据，并拒绝有问题的数据，即无效数据。

每份供试材料去除杂质、断粒以及过于粗大或细小的籽粒，随机选择300个籽粒上机检测。将籽粒一次性放入样品斗，关闭样品斗门，使样品进入谷物料斗中，然后按照SKCS4100操作手册进行检测。观察籽粒在颗粒分离盘中的状态，调节真空吸力，尽量保证样品被逐粒分离，成功落入称重斗，然后进入绝缘弯月型压碎装置。

1.2.2 TA法测定籽粒硬度 TA法是在压缩模式下利用探头单次下压样品，传感器将压缩力与时间的关系以峰图的形式在计算机中体现出来。每份供试材料去除杂质、断粒以及过于粗大或细小的籽粒，随机选择300个籽粒，逐粒上机检测。仪器参数设置如下，加载探头直径 36mm，设置形变百分量35%，测试前速度2.0mm/s，测试中速度0.5mm/s，测试后回程速度10.0mm/s。测试前对探头高度进行校准，返回高度设置为5mm。每次取出1个籽粒，腹沟向下（保证样品的稳定性）放在载物台上，探头的正下方，进行压缩检测。测试中，观察每粒种子的形态变化及计算机模拟的峰图。待探头回到初始位置，开始检测下一个裸燕麦籽粒。

1.2.3 裸燕麦籽粒物理性状 使用游标卡尺测量籽粒长和宽。切取籽粒最宽处1mm切片，在显微镜（OLYMPUS CX21FS1）4倍镜下观察，利用目镜中的测微尺测量籽粒的厚度、腹沟深和籽粒两颊间距。

1.3 数据分析

利用Microsoft Excel 2003和SPSS 20进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 SKCS法测定裸燕麦籽粒硬度

有效数据占比（每份材料获得的有效数据量与上样量比值）及硬度值见表 1。SKCS法检测裸燕麦籽粒硬度值均为负值（无量纲），硬度值变幅为-47.69～-15.81，有效数据占比范围为62%～85%，均低于90%。

表1 SKCS法检测10份裸燕麦材料的籽粒硬度Table 1 Kernel hardness of 10 naked oats tested by SKCS

2.2 TA法测定裸燕麦籽粒硬度

2.2.1 籽粒硬度 质构仪在压缩籽粒时，计算机软件会模拟产生压缩过程中力与时间的关系图。峰图中，第1个峰值为籽粒抵抗压力至崩解时的承受载荷，对应数值即为硬度值，第2个峰值是籽粒和载物台共同抵抗压力而产生。

试验发现，当籽粒形变百分量为 35%时，ZY002399和ZY002099由于籽粒过软不发生崩解（图1a），只产生1个峰值，这样的样品称为“不可崩解籽粒”；ZY000716和ZY000717在压缩过程中有明显的形变，籽粒沿腹沟破裂（图1b），且能够听到籽粒脆裂的声音，可产生2个峰值，这样的样品称为“可崩解籽粒”；也有材料介于二者之间，形变不明显。

图 1 ZY002399 (a)和 ZY000716 (b)的 300个籽粒经质构仪压缩35%后的籽粒形态Fig.1 The seed morphology of ZY002399 (a) and ZY000716(b) compressed 35% of 300 seeds by texture analyzer

当增大形变量时，“不可崩解籽粒”的硬度值只是随着压力的增大而逐渐增大（图2a）；“可崩解籽粒”随着形变量的增大，籽粒硬度值和出峰值的时间相近，即峰图当中的第 1个峰值所在位置（图2b）；形变量增大后，例如压缩 50%，开始出现籽粒崩解后的第2个峰值。因此，压缩35%就可以获得有效的硬度值。经检测，ZY002099和ZY002399无法获得第 1个峰值（该材料的硬度值），而其他裸燕麦籽粒硬度值均为正值（表2）。

表2 TA法检测10份裸燕麦材料的籽粒硬度Table 2 Kernel hardness of 10 naked oats tested by TA

图2 ZY002399(a)和ZY000716(b)经压缩不同形变百分量时力与时间的关系图Fig.2 Diagram of ZY002399 (a) and ZY000716 (b) with the relationship between force and time when compressing different deformation variables

2.2.2 压缩位移的选择 为了兼顾不同特性的籽粒，在硬度值（第1个峰值）对应的崩解位移之前设置了 7种压缩位移（压缩至籽粒的不同高度），目的是选择出所有材料均未发生明显崩解且能有效代表该样品籽粒硬度的位移，并将该位移处的硬度值进行比较。由表3可知，ZY000716、ZY000224和花早2号的300个籽粒中，硬度值对应的崩解位移有2.00%、0.30%和0.30%发生在0.20mm之前；ZY002399的硬度值对应崩解位移的 99.40%从0.40mm开始，ZY002099的硬度值对应的崩解位移均从 0.50mm开始。参考检测面包片硬度的国际标准AACC 74-09（Measurement of Bread Firmness byUniversal Testing Machine）和明胶凝冻硬度检测国家标准（GB 6783-2013），结合10份材料硬度值对应的崩解位移数据比例（表3）、籽粒特性和峰图，在既能统一标准又能体现材料间差异性的前提下，选择0.30mm的压缩位移处硬度值进行不同硬度材料间的比较。由表4可知，10份材料在0.30mm压缩位移处的硬度值范围是13.87～33.59N。

表3 10份裸燕麦材料硬度值在不同崩解位移占比Table 3 Datas ratio of different disintegration displacements at the maximum hardness value of 10 naked oat materials %

表4 10份裸燕麦材料在压缩0.30mm处籽粒硬度Table 4 The hardness values of 0.30mm of compressed kernel thickness of 10 naked oat materials

2.2.3 TA法检测样本量的选择 随机选择了300颗籽粒进行硬度检测，而TA法是对单籽粒进行下压检测，耗费时间较长。通过对不同样本量的分析（表5）发现，ZY002328检测50与300个籽粒的硬度值差异不显著，ZY002099检测100与300个籽粒的硬度值差异不显著，其他8份材料30与300粒测得硬度值均差异不显著。因此，为兼顾不同特性的材料，建议样本量为100个籽粒。

表5 不同样本量测得籽粒硬度值的差异分析Table 5 Difference analysis of kernel hardness measured by different sample sizes N

2.3 SKCS法与TA法检测裸燕麦硬度值的相关性及回归分析

由图3可知，SKCS法和TA法测定的10份裸燕麦籽粒硬度值呈正相关，相关系数0.70，求得的线性回归方程式为y=0.3891x+36.157，R2=0.486。

图3 SKCS-H与TA-H的线性回归Fig.3 Linear regression between SKCS-H and TA-H

2.4 裸燕麦籽粒硬度与籽粒物理性状的关系

以图4所示方法，测量10份材料的籽粒长、籽粒宽、籽粒厚度、腹沟深和籽粒两颊间距，并计算宽长比和腹沟切面面积。通过分析（表6）发现，TA法测得籽粒硬度最小的 ZY002399和最大的ZY000716的籽粒长和两颊间距差异不显著，二者籽粒宽、籽粒厚度、腹沟深和腹沟切面面积差异显著（P＜0.05）。但随着籽粒硬度的逐渐增加，籽粒物理结构变化并未呈现明显的规律。通过对籽粒硬度与物理结构进行相关性分析（表7）发现，SKCS法测得籽粒硬度主要与籽粒长相关，TA法测得籽粒硬度与籽粒宽呈正相关，而与腹沟深度和腹沟切面面积相关性不大。

表6 籽粒硬度与籽粒物理结构关系Table 6 Relationship between grain hardness and grain physical properties

表7 籽粒硬度与籽粒物理性状的相关性Table 7 Correlation between grain hardness and grain physical properties

图4 利用体式显微镜观察花早2号籽粒横切面物理性状的样图Fig.4 Sample of physical characters in cross section of grain of Huazao 2 by stereomicroscope

3 讨论

3.1 SKCS法和TA法检测裸燕麦籽粒硬度的准确性

SKCS主控计算机检查每粒谷物的数据并拒绝有问题数据的标准有以下几点，质量超过 80mg（可能是2粒谷物）；质量超过3mg，但小于12mg（破碎籽粒）；质量读数不稳定（颗粒延迟落入称重器或其他称重噪音）；不能检测到压碎循环的终点（2粒谷物、异常长的籽粒或非小麦）；压碎力峰值不到压碎力阈值（颗粒粒径太小或不是小麦）；压碎持续时间低于高限（颗粒长度太小）；压碎持续时间超过高限（2粒谷物或压碎时滑动）；预期质量超过限度（不是所测谷物）。

本试验发现，SKCS法检测裸燕麦籽粒硬度值受样品长度的影响较大，可能与籽粒压碎力与时间的对应关系有关，因此SKCS法不适于检测细长的裸燕麦。燕麦较小麦单粒重轻，检测过程中，发现有2粒、3粒甚至4粒种子同时被真空分离盘吸在同一个孔上，使得掉入称量斗的籽粒不是单一的，落入压碎弯月型装置的籽粒为2粒或2粒以上，最终导致硬度数值不准确而被拒绝。即使调节真空的吸力，也无法保证每个材料的籽粒都被有效逐一分开，因此SKCS法不适于检测小粒裸燕麦。另外，燕麦籽粒较小麦软很多，SKCS法检测硬度值为负值，可能是压碎力峰值达不到阈值。总之，在缺乏SKCS法检测裸燕麦籽粒硬度的标准曲线时，该方法检测数据准确性和实用性差，不适用于裸燕麦籽粒硬度检测。

利用质构仪检测裸燕麦籽粒硬度时，在水分含量相近情况下，有些材料籽粒由于过软而无法发生崩解，并定义为“不可崩解籽粒”，其原因可能与籽粒中脂质含量有关。燕麦中脂质含量丰富，通常与直链淀粉形成淀粉―脂质复合物[35-36]，而影响淀粉的生理特性，未脱脂燕麦淀粉的破损颗粒较多，脱脂后破损颗粒减少，颗粒也变得均匀[37]。燕麦脂质可能参与淀粉和蛋白的结合来共同影响籽粒硬度。本试验中，TA法选择籽粒的压缩方向是籽粒腹沟向下，探头从正上方向下压缩，籽粒破裂位置出现在腹沟线及背面边缘处，这与张泽璞等[38]的研究结果相同，该研究还从籽粒其他方位进行压缩，结果表明不同方位籽粒承受的屈服载荷不同，但不同方位压缩得到的屈服载荷的稳定性尚待研究。TA法检测裸燕麦硬度值与籽粒两颊间距和籽粒宽呈正相关，两颊间距较宽时使得籽粒被压缩时更容易沿腹沟破裂，获得硬度值。基于燕麦籽粒形成特点，同一品种间籽粒大小存在差异，使得种内变异增大，因此在利用质构仪检测裸燕麦籽粒硬度时，建议挑选大小均匀的籽粒或者至少随机选择100个籽粒进行检测。总之，在检测裸燕麦籽粒硬度上，TA法与SKCS法相比，准确性高，实用性强。

3.2 裸燕麦籽粒硬度与加工

燕麦加工在西方国家已经有100多年的发展历史，加工产品的种类很多[39]，主要包括燕麦面粉、燕麦米和燕麦片。燕麦米专用品种研发主要注重燕麦籽粒的外观与色泽、腹沟的深浅、加工碾磨特性、碾磨后的吸收性、糊化特性和质构特性等[40]。燕麦米加工需要利用碾米机对原粮进行碾磨去皮，若原粮籽粒硬度较大，会大大提高燕麦米的破损率；去皮率较小时，不利于燕麦米在蒸煮的过程中糊化[41]，若去皮时间过长也会严重损伤糊粉层[42]，导致β-葡聚糖的大量流失。硬度合适的原粮结合适当的去皮时间可以增加成米率，因此籽粒硬度是筛选燕麦米专用品种的必要因素。本试验中，硬度与坝莜1号相近的ZY002216和ZY000717可以考虑作为加工燕麦米专用的候选材料。另外，籽粒硬度是影响出粉率的重要因素，当籽粒饱满度、千粒重和容重等特性相近时，提高出粉率的有效途径是使用硬度较大的品种进行磨粉，而本试验中与花早2号硬度相近甚至更大的坝莜8号、ZY000224和ZY000716可以考虑作为加工燕麦面粉专用的候选材料。因此，充分利用裸燕麦种质资源，了解其籽粒硬度特性，开发燕麦面粉、燕麦米和燕麦片专用裸燕麦品种，提高燕麦加工品质是燕麦育种重要的工作，也是燕麦产业良性发展的需要。

4 结论

SKCS法检测裸燕麦籽粒硬度值的准确性不高，实用性较差，不适用于裸燕麦籽粒硬度检测，而TA法检测数据准确性更高，实用性更强，适合于裸燕麦籽粒硬度检测。TA法操作为在仓储含水量条件下，去除异常大小和形状的籽粒后，随机挑选100粒籽粒上机检测；设籽粒形变百分量为35%，形变过程中，选择压缩至固定位移，即0.30mm处的值为受检样品的籽粒硬度值。