石灰性土壤小麦籽粒锌硒生物强化理论技术与推广面临的挑战

锌与硒是人类生命活动必需的两种微量元素,摄入不足会引发多种疾病。我国小麦主产区恰好处于锌硒缺乏或潜在缺乏的石灰性土壤地带,籽粒中锌硒含量难以达到人体需求标准,导致缺锌缺硒人口数量庞大,已成为我国严重的公共营养与健康问题。本文综述了小麦籽粒锌硒农艺生物强化措施,强化籽粒中锌硒的分布、安全形态、生物可给性及叶面喷施的应用现状。国内外研究大多认为,在极缺锌土壤上采用土施或土施与叶面喷施锌肥结合的方式是最有效的小麦锌强化策略;而最新研究表明,在我国潜在缺锌的石灰性土壤上,叶面喷施硫酸锌的强化效果远优于土施,在小麦灌浆前期喷施2~3次0.3%~0.4%的Zn SO_(4)·7H_(2)O (喷锌总量约2.5 kg/hm^(2))并添加表面活性剂,可以实现籽粒锌含量达40~60 mg/kg的富锌目标。小麦籽粒中锌含量由外到内逐渐降低,人体摄入最多的中心胚乳部分锌含量最低,故需更为关注胚乳中锌含量及生物有效性,制定胚乳富锌标准。此外,食物中无机态元素毒性较大,生物有效性低,吸收利用效果不理想,而有机态对人体更为安全有效,因此还需明晰强化小麦籽粒中是否将外源无机Zn转化为有机态储存。小麦硒生物强化通过土施或叶面喷施亚硒酸盐或硒酸盐均能实现,由于土施硒肥易受土壤pH、有机质等因素影响,硒肥利用率低,因此,通行的硒强化措施是在小麦灌浆前期,喷施2 0~3 0 g/h m 2的亚硒酸钠或硒酸钠,能够实现籽粒硒含量达0.2 5~0.30 mg/kg的富硒目标。与锌不同,硒在籽粒中分布相对均匀,胚乳中硒占全粒总硒的96.2%~97.4%。同时硒强化小麦籽粒中对人体安全的有机硒占总硒的80%以上,且不同有机硒在人体中的作用不同。虽然叶面单独喷锌或硒的理论技术体系完善且实际强化效果良好,但其经济效益没有充分体现,影响了该技术的应用推广。近年来,将叶面喷施锌硒与“一喷三防”农艺措施相结合的研究不断增多,与小麦实际生产形成有效对接,为小麦锌硒强化提供了可行途径。然而,锌硒与不同农药及多种微量元素共同喷施时多种物质之间的互作效应,叶面喷施进行锌硒生物强化及籽粒锌硒储存的生理及分子机制还未明晰,值得进一步探讨。

基于电子鼻技术的小麦籽粒DON含量检测

为探究利用电子鼻技术对小麦籽粒中DON含量定量检测的可行性,本研究在25℃和40℃平衡温度下对DON含量不同的80个小麦籽粒样品的顶空气体进行电子鼻检测,并结合由UPLC-MS/MS测得的各样品DON含量进行统计分析,结果发现,除4号和5号传感器外,其余8个传感器的响应值均与样品DON含量具有显著或极显著的相关性,其中1号传感器的响应值及其参数与样品DON含量的相关性最强,表明1号传感器可以作为检测小麦籽粒样品DON含量的关键气体传感器。以1号传感器的参数为主,分别建立了在两平衡温度下样品DON含量的回归模型。对各模型的拟合效果分析发现,在40℃平衡温度下基于X_(17)(1号传感器21~60 s响应值的和)所建一元回归模型最好;在25℃平衡温度下,基于X_(1)(1号传感器20~40 s响应值的平均值)和X_(12)(8号传感器1~5 s响应值的和)所建二元回归模型拟合效果最好,其次为基于X_(1)所建的一元回归模型。该研究可为电子鼻技术在小麦籽粒中DON含量检测中的应用提供理论依据和技术支撑。

小麦籽粒储藏特征挥发物质分析与品质评价

粮食储藏及其品质鉴别对于保障粮食安全和减少粮食损失至关重要。为筛选小麦籽粒储藏过程中的关键挥发性物质,本研究将小麦籽粒于40℃、相对湿度65%的环境下进行为期28 d的储藏,选取储藏0、7、14、21、28 d的小麦籽粒样品,分析其中挥发性物质、萌发率、脂肪酸值、丙二醛(MDA)含量、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性的变化规律。结果表明,随着储藏时间的延长,总挥发性物质含量显著降低,MDA含量显著增加(21~28 d除外),萌发率和抗氧化保护酶(CAT、POD、SOD)活性总体呈下降趋势。通过小麦挥发性物质与储藏品质指标之间的相关性分析,确定叔丁醇、2-己烯醛、乙二醇二甲醚、2-戊基呋喃、庚醛、辛醛、3-甲基-2-丁烯醛、1-辛烯-3-酮、异亚丙基丙酮为小麦籽粒储藏关键挥发性物质;逐步线性判别分析显示,上述特征挥发性物质对不同储藏时间下样品的正确分类效果达98%,可作为小麦籽粒储藏品质的鉴别指标。本研究可为粮食储藏过程中的品质鉴别提供技术支撑。

小麦籽粒Ab-T10破碎模型参数标定

离散元法在粮食颗粒中的研究应用较为广泛,但是小麦颗粒在破碎仿真过程中数学模型参数的研究较为匮乏。为了寻找在破碎仿真过程中更适合小麦籽粒的破碎参数设定,以小麦籽粒为研究对象,搭建了冲击落锤破碎试验平台,通过试验得到了参数标定目标值,采用最陡爬坡试验和Box-Behnken响应面试验,根据回归方程与响应面分析得到适用于模拟仿真小麦籽粒快速破碎模型Ab-T10中关键参数的最优组合,并对标定参数进行多组交叉验证。研究结果表明:颗粒特性选择函数参数S为0.00146 kg/J;颗粒参考最小破碎比能E_(ref)为85.74 J/kg、筛下物占初始粒度中径10%的最大累计质量分数M_(t10)为4.97%;仿真试验与实际试验最大相对误差为2.4%,说明标定的参数可有效表征小麦籽粒冲击破碎过程。研究结果对后续小麦加工中的研磨破碎分析具有一定的参考价值。

基于EDEM的小麦籽粒建模及振动筛仿真分析

针对小麦振动筛分设备工作参数的确定对试验依赖性大、筛分效果差等问题,根据小麦籽粒的形态特征,借助EDEM软件采用球形颗粒填充的方法,设计单层振动筛结构,建立小麦振动筛离散元仿真模型,并对振动筛在振动频率分别为7、8、9 Hz时的筛分过程进行模拟。模拟结果表明:在振动筛面倾角、振动幅度和振动方向角相同的条件下,随着振动频率的增大,小麦籽粒堆积减少,8 Hz时小麦收集箱内短茎杆数量最少;9 Hz时小麦收集箱内短茎杆数量多;综合考虑,振动频率为8 Hz时,振动筛作业效果较好。

几种冬小麦籽粒灌浆进程研究

本文通过对肥麦、Lars、24132和22454四个品种(品系)以肥麦为对照,研究籽粒灌浆进程情况。根据实验结果得出冬小麦品种(品系)的灌浆速度呈现出“慢—快—慢”趋势;籽粒干重的变化差异大,其中差异最大的为22454(4.823g)、较大的为24132(3.259g)、 Lars和肥麦的干重差异较小分别为2.7202g和2.7907g;籽粒鲜重的变化差异也较大,其中以22454为最大(7g)、其次为24132(5.5g)、第三为Lars(5.3g)、第四为肥麦(5.1g);四个品种(品系)中干物质积累最快的是22454品种(品系)、灌浆速度最慢的是肥麦。说明在林芝地区如果只从粒重考虑,其它三个品种(品系)完全可以替代目前推广的肥麦,但是从每亩穗数和穗粒数进行进一步的研究。

小麦籽粒灌浆过程中有关淀粉合成酶的活性及其效应

在不同土壤肥力条件下 ,对不同品质类型小麦品种的籽粒淀粉积累及淀粉合成过程中的关键酶 - ADPG焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶与淀粉粒结合态淀粉合成酶活性变化进行了研究。结果表明 ,ADPG焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶与总淀粉和支链淀粉积累速率呈极显著正相关 ;淀粉粒结合态淀粉合成酶与直链淀粉积累速率呈极显著正相关 ,在灌浆中前期与总淀粉积累速率相关不显著 ,后期呈极显著正相关。说明 ADPG焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶对总淀粉和支链淀粉积累起着重要的调节作用 ,淀粉粒结合态淀粉合成酶对直链淀粉积累起重要作用。可溶性淀粉合成酶活性高、淀粉粒结合态淀粉合成酶活性低的品种 ,支链淀粉含量高 ,直链淀粉含量低 ,支 /直比例大。增加施氮量能够提高灌浆中后期淀粉合成有关酶的活性 ,提高淀粉的积累速率。文中还研究了不同品种的 RVA谱特征值和土壤肥力、施氮量对 RVA参数的影响。

不同麦区小麦籽粒蛋白质与氨基酸含量及评价

为了解我国小麦品种氨基酸营养状况,收集了2009—2011年22个省655份小麦籽粒样品,分析其蛋白质以及18种氨基酸含量。样品中春小麦和冬小麦籽粒蛋白质平均含量分别为13.7%和12.7%。春小麦符合强、中、弱筋蛋白质标准的样品分别占45%、22%和33%,而冬小麦样品的比例分别为18%、24%和58%。除酪氨酸外,春小麦各测定氨基酸组分的含量均高于冬小麦,但必需氨基酸占总氨基酸的比例二者均为28.8%。小麦籽粒蛋白质含量呈现出北高南低、东高西低的趋势,必需氨基酸含量和总量则呈现出东高西低的趋势。有98%的样品以赖氨酸、2%的样品以色氨酸为限制性氨基酸。春、冬小麦氨基酸评分平均值分别为53和56,年度间有差异。在本研究取样区域内,小麦籽粒蛋白质水平整体较低,尤其是必需氨基酸赖氨酸含量和必需氨基酸占比低,限制了小麦蛋白质的营养价值。

施硒对小麦籽粒硒富集、转化及蛋白质与矿质元素含量的影响

为研究小麦对外源硒的吸收、转化规律及施硒效应,于2012—2013和2013—2014年冬小麦生长季,通过叶面喷施亚硒酸钠溶液,分析了田间施用硒肥后小麦产量变化、籽粒中硒的富集和转化特征,不同施硒量与施硒时期对硒利用率、籽粒粗蛋白和矿质元素含量的影响。结果表明,施硒对小麦籽粒产量和千粒重无显著影响;籽粒中总硒和有机硒含量随施硒量增加而增大,且有机硒占总硒的比例稳定在78.5%~82.1%之间,相同施硒量条件下,灌浆前期的施用效果好于孕穗期;灌浆前期喷施150 g hm–2纯硒,籽粒中总硒含量可达3101μg kg？1。小麦对硒的利用率在3.3%~19.0%之间,随施硒量的增加而降低,相同施硒量下,硒利用率以灌浆前期喷施最大,孕穗期喷施最小。施硒提高了籽粒中粗蛋白含量,促进了磷、铁、锰、锌4种元素及降低了钠在籽粒中的累积,对钾、镁、铜的含量影响不显著。

土壤水分对小麦籽粒淀粉合成和积累特性的影响

以防雨池栽的方式研究了限量灌溉对冬小麦籽粒淀粉合成和积累的影响。结果表明 ,冬小麦籽粒中可溶性淀粉合成酶 (SSS)、淀粉粒结合态合成酶 (GBSS)和Q酶 (一种分支酶 )均是在灌浆中期 (花后 14d)活性最高。中度、严重干旱显著地降低了它们的活性。适宜的灌水处理 (处理C和处理D)使三种酶保持较高的活性 ,这是形成较高产量的生理基础。三种酶的活性均是鲁麦 2 1的较高。土壤水分亏缺严重 (处理A)显著降低籽粒中淀粉、支链淀粉和直链淀粉的积累 ,灌麦黄水最终减少了它们的含量。适宜的灌水处理 (处理C和处理D)使它们的含量增加。鲁麦 2 1的淀粉含量、支链淀粉含量高于济南 17,而直链淀粉含量以后者的较高。土壤水分亏缺提高了籽粒中淀粉的支 /直比例 ,鲁麦 2 1的支 /直比例较大。其比值高有利于改善面条的品质。

小麦籽粒铅污染来源的同位素解析研究

以中国西北地区某工业区为研究区域,采集大气降尘、耕层土壤样品(0～20 cm),及对应农田位置的小麦籽粒样品,用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)测定铅元素质量比及铅同位素比率值。运用普通块克里金法(Ordinary Kriging)预测大气铅沉降通量分布、耕层土壤和小麦籽粒铅质量比空间分布;结合二元混合模型计算各污染源对小麦籽粒铅质量比的贡献率。结果表明:1)耕层土壤铅质量比范围为21.8～40.0 mg/kg,平均值为27.1 mg/kg,高于当地土壤背景值(21.4 mg/kg),说明耕层土壤受到一定程度的污染。2)研究区域小麦籽粒铅质量比范围为0.269～0.768 mg/kg,平均值为0.430 mg/kg,超标率达100%。3)大气降尘和耕层土壤对小麦籽粒铅质量比的贡献率分别为90%～99%和1%～10%。通过研究耕层土壤和小麦铅污染的范围及程度,探讨小麦籽粒铅污染的来源,解析各污染源的相对贡献率,可为制定控制食品中重金属污染,保障食品安全措施提供依据。

土壤肥力对小麦籽粒蛋白质组分含量及加工品质的影响

研究了基础土壤肥力对小麦籽粒蛋白质组分含量变化及加工品质的影响。结果表明 ,高肥力土壤栽培的小麦比低肥力土壤栽培的小麦 ,其籽粒蛋白质及各组分含量都显著提高 ,但清蛋白和球蛋白占总蛋白含量的比例为低肥力土壤高于高肥力土壤 ,而醇溶蛋白和麦谷蛋白为高肥力土壤高于低肥力土壤 ;低肥力土壤栽培的小麦籽粒醇溶蛋白开始形成的时间比高肥力的早 ,高肥力土壤栽培小麦的籽粒醇溶蛋白和麦谷蛋白含量的提高主要源于灌浆后期合成的快 ;高肥力土壤种植的小麦湿面筋含量、沉降值、吸水率、面团形成时间、稳定时间、断裂时间和评价值均显著或极显著高于或长于低肥力的。

小麦籽粒Zn、Fe、Mn、Cu含量的基因型和环境差异及与产量关系的研究

小麦籽粒中微量营养元素含量的高低直接关系到植株的生长发育和人们的饮食健康。本研究以来自河南省5个地区的17个小麦品种(系)为材料,采用酸消解-原子吸收分光光度法测定了籽粒中Zn、Fe、Mn、Cu含量,分析了籽粒微量元素含量的基因型和环境差异及其与产量性状的相关关系。结果表明,小麦籽粒Zn、Fe、Mn、Cu含量分别为38.39±12.57μg·g-1、79.13±49.45μg·g-1、35.24±11.72μg·g-1和4.84±0.78μg·g-1,籽粒Fe含量的变异系数最大,Cu含量的变异系数最小。方差分析表明,基因型、环境以及基因型与环境的互作对籽粒微量元素含量的影响均达极显著水平。对于籽粒Zn、Mn、Cu含量,环境因素的影响起主要作用;对于籽粒Fe含量,基因型与环境互作的影响是主要的。依照Eberhart-Russell模型分析了籽粒微量元素含量的品种稳定性,结果表明籽粒微量元素含量相对稳定的品种,其含量通常较低;在参试17个品种中,"濮99084"籽粒微量元素含量的环境稳定性较高。相关分析表明,籽粒微量元素含量与蛋白质含量呈遗传正相关,与千粒重呈遗传负相关,与产量呈表型正相关,表明同步提高籽粒微量元素含量、蛋白质含量及籽粒产量是可行的。

水肥耦合对冬小麦籽粒蛋白质及氨基酸含量的影响

为了解不同水、肥条件下小麦籽粒氨基酸及蛋白质含量的变化,2009～2010年度在河南省洛阳市农业科学院以"洛旱2号"小麦为材料,采用防雨棚池栽种植方式,研究了不同灌水量、施氮和施磷量及其互作对小麦籽粒蛋白质及氨基酸含量的影响。结果表明:不同灌水量和施氮量对小麦籽粒蛋白质和氨基酸均有极显著影响(P≤0.01),且灌水×施氮互作效应显著(P≤0.05或P≤0.01);而施磷对其影响不显著。小麦籽粒蛋白质和氨基酸含量均随施氮量增加而增加,随灌水量增加而降低,但当灌水量超过282.0 mm、施氮量超过179.2 kg.hm-2时,各指标的变化不再明显,蛋白质含量在高施氮量下略有下降。而必需氨基酸占总氨基酸含量的比例呈随灌水量增加而增加,随施氮量增加而降低的趋势。从不同水肥处理组合看,蛋白质和氨基酸含量以处理组合N105P42W127[施氮量105 kg(N).hm-2、施磷量42 kg(P2O5).hm-2和全生育期灌水量127 mm,下同]最高,必需氨基酸/总氨基酸以处理组合N30.8P126W282最高。籽粒产量随灌水量的增加而增加,且产量高的处理其水分利用效率也较高。综合从蛋白质及氨基酸产量看,以处理组合N179.2P126W282表现最好,即施氮量为179.2 kg.hm-2、施磷量为126 kg.hm-2、灌水量为282 mm。

小麦籽粒戊聚糖含量及相关遗传特性分析

2001～2002年选用18个小麦品种为试验材料,测定了其籽粒总戊聚糖含量和水溶性戊聚糖含量,探讨了戊聚糖含量的遗传特性及与穗部性状的相关性,以期为专用小麦的选育提供理论依据。研究结果表明,同一生态环境条件下,不同小麦品种间的籽粒总戊聚糖含量、水溶性戊聚糖含量均存在极显著差异;总戊聚糖含量和水溶性戊聚糖含量具有较高的遗传力,水溶性戊聚糖含量遗传进度较大;结实小穗数与总戊聚糖含量呈显著正相关,单位面积穗数与水溶性戊聚糖含量呈极显著正相关,穗粒数、穗粒重与水溶性戊聚糖含量呈极显著负相关。

基于CNN的小麦籽粒完整性图像检测系统

为了快速、准确识别小麦籽粒的完整粒和破损粒,设计了基于卷积神经网络(CNN)的小麦籽粒完整性图像检测系统,并成功应用于实际检测中。采集完整粒和破损粒两类小麦籽粒图像,对图像进行分割、滤波等处理后,建立单粒小麦的图像数据库和形态特征数据库。采用LeNet5、AlexNet、VGG16和ResNet34等4种典型卷积神经网络建立小麦籽粒完整性识别模型,并与SVM和BP神经网络所建模型进行对比。结果表明,SVM和BP神经网络所建模型的验证集识别准确率最高为92.25%;4种卷积神经网络模型明显优于两种传统模型,其中,识别性能最佳的AlexNet的测试集识别准确率为98.02%,识别速率为0.827 ms/粒。基于AlexNet模型设计了小麦籽粒完整性图像检测系统,检测结果显示,100粒小麦的检测时间为26.3 s,其中,图像采集过程平均用时21.2 s,图像处理与识别过程平均用时为5.1 s,平均识别准确率为96.67%。

花后灌溉对小麦籽粒贮藏蛋白聚合程度和面团流变学特性的影响

为了明确灌溉麦黄水引起的小麦(Triticum aestivum)面团流变学特性劣变与籽粒贮藏蛋白聚合程度变化之间的关系,在防雨池栽条件下,以‘济麦20’为供试品种,设置花后不灌水(W0),花后灌1水(花后14d,W1)和花后灌2水(花后14d和花后28d,W2)3个处理,分析了花后灌水对籽粒产量、贮藏蛋白聚合程度相关参数及其面团流变学特性的影响。研究结果表明,籽粒产量、面团形成时间和稳定时间均以花后灌1水时达到最优,再增加一次灌水(麦黄水),导致面团形成时间和稳定时间显著缩短,筋力变弱。同时观察到谷蛋白聚合指数和谷蛋白大聚合体平均粒径也因灌麦黄水而显著降低。回归分析表明,灌麦黄水条件下谷蛋白大聚合体粒径变小是导致面团流变学特性变差和筋力变弱的主要原因。

近红外和高光谱技术用于小麦籽粒蛋白含量预测探索

以57份小麦籽粒为样本,分别采用Vertex 70傅立叶近红外光谱仪(单籽粒测样附件)和近红外增强型高光谱成像系统采集光谱,建立预测小麦籽粒蛋白含量的模型。基于近红外的小麦单籽粒模型相关系数为0.52,交叉校验均方根误差为0.807;而基于高光谱建立的模型相关系数为0.81,交叉校验均方根误差为0.7035。结果表明:在样本量少且为籽粒形态时,可优先考虑高光谱技术替代传统的近红外单籽粒采样模式来检测样本内部品质,但其实用性还有待进一步验证。若深入结合图像信息,高光谱技术在农产品内外品质检测方面有更广阔的应用。

我国北方冬小麦籽粒中的戊聚糖含量及其相关分析

戊聚糖是小麦面粉加工和食品品质重要的影响因子。本研究测定了我国北方冬麦区77个品种（系）籽粒中的戊聚糖含量和蛋白质、湿面筋、沉降值、千粒重等性状。结果表明，不同品种的戊聚糖含量变幅为4.82%～7.28%，戊聚糖含量与籽粒饱满度、湿面筋含量和沉淀值之间存在着极显著的正相关关系，与千粒重具有极显著的负相关关系。同时对“间苯三酚-冰醋酸法”测定小麦戊聚糖的含量进行了讨论。