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中药材种子贮藏技术研究进展及其对仓储中心建设的启示

2022-08-18 阅读:1156

采药翁 

 9月17日至19日,在北京召开全国第二届药用植物组培、种繁、扦插与嫁接等快繁育苗技术培训班图片  近年来,随着人们保健意识的增强和对中医药疗效认可度的提高,国内外市场对中药材的需求大幅增长,中药材的供给侧压力增大,人工种植药材成为中药材供给的主流。目前,300余种中药材已经实现了人工种植,其中包括200余种大宗中药材[1]。中药材种子的生活力与发芽力是保证中药材人工种植的前提条件。中药材种子具有易油败、虫蛀、霉变等特点,导致贮藏时间缩短、发芽率迅速降低。种子的安全贮藏是保证种子生活力和发芽力的关键环节。为确保中药材生产的顺利进行,做好中药材种子安全贮藏尤为重要[2]。种子的生活力与贮藏期长短因品种、成熟度、完整度、水分、温度等差异而不同。为保持中药材种子的生活力、延长寿命、提高播种品质,掌握不同中药材种子的贮藏特性、贮藏时间、贮藏方法[3]及控制中药材种子在贮藏期间的水分、温度、湿度、通气情况是中药材种子贮藏的主要研究方向。    随着国家的发展和时代的进步,玉米和小麦等农作物种子已经实现了高品质、高效、低耗能、低药剂仓储[4]。目前,许多学者进行了部分中药材种子的贮藏研究,但中药材种子的仓储技术仍相对落后。本文针对目前的相关研究进行综合分析,提出未来中药材种子贮藏的研究发展方向,旨在为中药材种子的安全贮藏提供参考。  

1  中药材种子贮藏的理论基础    

中药材种子贮藏的任务是采用合理的贮藏设备和贮藏技术,人为控制贮藏条件,降低种子劣变,保持种子发芽力和生活力,延长种子寿命,从而确保种子的播种价值[5]。因此,贮藏条件是影响中药材种子寿命的关键。创造种子的优良贮藏环境,可以降低种子的质量损伤,保证种子生活力,延长种子寿命。种子寿命一方面取决于其遗传特性,另一方面受到贮藏环境的影响。在贮藏期间,种子会发生一系列不可逆的生理生化变化,如有毒物质逐渐积累、营养物质不断消耗、酶活性随之变化、细胞通透性发生改变等,适宜的外部环境可延缓这一变化。    呼吸作用是种子贮藏过程中进行的主要生理活动,包括有氧呼吸和无氧呼吸2种方式[6]。有氧呼吸是氧化种子内贮藏的营养物质,产生水、二氧化碳和热能的呼吸方式。有氧呼吸作用越强,消耗的营养物质越多,种子内产生的水和热量越多,越不利于种子的安全贮藏。无氧呼吸是种子在缺氧的环境下产生乙醇、二氧化碳和热能的呼吸方式,乙醇的产生会使种子丧失发芽力[7-8]。因此,在贮藏过程中,应尽量降低种子的有氧呼吸作用强度,抑制种子内部代谢作用;同时,避免种子进行无氧呼吸。    贮藏环境的温、湿度和种子本身的含水量是影响种子呼吸作用的主要因素,可以通过控制贮藏环境的温度、湿度和氧气浓度,尽可能保证种子生活力并延长种子的贮藏时间。  

2  中药材种子贮藏过程中的  

生理生化变化    中药材种子在萌发前期主要靠种子内部贮藏的营养物质提供能量和营养,随着种子贮藏环境的变化和贮藏方式的不同,种子内部的营养物质和各种酶会发生复杂的生理生化变化[9]。种子中酶活力及内含物质的变化可以揭示种子生理物质的变化规律,阐明种子生活力与种子贮藏过程中内含物质及酶活性变化的联系,从而为探寻中药材种子的最佳贮藏方式提供理论依据。    

2.1 中药材种子贮藏过程中的酶变化    多数粮食作物及部分中药材种子在发芽前需要经过后熟,如三七[10]、朝鲜白头翁[11]、宽叶羌活[12]等。种子后熟过程需要大量的过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)来分解种子贮藏的营养物质,而这些酶的含量变化反映了种子在贮藏过程中的发育情况,保证了种子在后熟层积过程中发育的正常进行。三七种胚[13]、人参[14]、西洋参[15]等生理后熟期以脂类代谢为主,随着代谢作用的增强,MDA含量增加,POD、CAT和SOD的活性也随之保持较高水平,使种子内自由基的产生和清除处于动态平衡,维持了活性氧代谢平衡。在贮藏过程中,黄精种子POD、CAT、SOD的含量与贮藏温度、种子含水量及光照有关[16]。总之,抗氧化酶系统活性较高的种子发芽率较高。安娜等[17]研究发现,三七种子的层积温度越低,POD和CAT的活性越低,且随着贮藏时间的延长所有酶的活性整体呈现下降趋势。因此,三七种子不宜长期低温贮藏。赵冬等[18]研究发现,白木香种子在湿沙低温贮藏过程中POD、CAT、SOD活性较高,所以白木香种子宜采用湿沙低温贮藏法。    

2.2 中药材种子贮藏过程中的代谢产物变化    中药材种子萌发时需要大量的营养物质,这些营养物质的积累是种子活力形成的基础,为种胚形成新的组织提供了动力[19]。种子的主要贮藏物质是蛋白质、可溶性糖和脂肪三大类。种子在贮藏过程中各种代谢产物的变化不仅是种子生理变化的重要特征,也是引起种子劣变的主要因素。马琳等[20]研究表明,随着贮藏时间的延长,北细辛种子中脂肪和蛋白质含量逐渐降低,可溶性糖的含量基本没有变化。三者不断消耗和转化,为种胚提供萌发能量,对种子活力的保持和细胞膜的稳定具有很大的作用。有研究发现,三七种子在贮藏过程中蛋白质、可溶性糖和脂肪发生相互转化,随着层积时间的延长,可溶性糖、淀粉、蛋白质、粗脂肪含量均表现出逐渐下降的趋势[13,21]。李玛等[22]发现,滇重楼种子随着贮藏时间的延长,蛋白质和可溶性糖的含量逐渐降低。总之,种子中一次代谢产物的含量随着储存时间的延长均呈现降低趋势,活力也逐渐降低。实际上,当种子达到生理成熟后便开始老化,这是自然规律。但是,可以通过改善种子贮藏条件延长种子寿命,并通过研究种子的生理生化变化寻找最佳贮藏时间,为科学合理贮藏中药材种子提供理论基础。  

3  影响中药材种子贮藏的主要因素    

贮藏条件的改变主要受种子的呼吸作用影响。呼吸作用越强,种子劣变速度越快。种子的种类和含水量是决定贮藏条件的主要生理因素,而贮藏温度、湿度及通气情况均视为影响种子呼吸作用的主要环境因素[23]。此外,种子的贮藏时间也是影响其活力的关键因素。    

3.1 环境及时间因素    

3.1.1 温度    种子的呼吸作用与贮藏温度有关[24],贮藏温度越高,种子的呼吸作用越强,种子劣变越快。低温贮藏可有效减少种子的呼吸作用。低温贮藏的白术种子发芽率高于高温贮藏种子发芽率[25],表明温度越高,呼吸作用越强,种子活力丧失越快。侯茜等[26]通过比较秦艽种子在室温、冷藏和冷冻3种温度条件下贮藏1年后的发芽率发现,在冷藏条件下秦艽种子发芽率最高,达到79%。部分研究表明,大多数伞形科植物种子在冷藏条件下发芽率高于室温条件下贮藏的种子,且贮藏时间较长。例如,柴胡种子在冷藏条件下贮藏后发芽率最高[27];白花前胡种子在冷藏条件下可保存1~2年,而在室温条件下贮藏,隔年种子活力基本丧失[28]。虽然低温可降低种子的呼吸作用、延长种子寿命,但贮藏温度并非越低越好。有研究表明,在–196 ℃下低温贮藏,不会影响黄芪种子的活力[29];但是若贮藏温度过低,也会影响部分种子的萌发。因此,合理控制种子的贮藏温度显得尤为重要。崔月曦等[30]发现,桔梗种子在–20 ℃下贮藏发芽率最高,可达94.44%,而在室温和–80 ℃条件下贮藏,发芽率均低于75%。并非所有种子都适合低温贮藏,如天师栗等顽拗型种子在成熟时仍具有较高的含水量,不耐失水,在保存过程中忌低温[31];萱草种子在萌发过程中不需要低温完成生理后熟,在低温和室温贮藏后,其萌发率反而显著下降[32]。因此,在进行中药材种子贮藏前探索种子的最佳贮藏温度十分重要。    

3.1.2 湿度    当贮藏环境湿度过高时,种子易吸潮发生霉变或引起发热烧坏种子[33];此外,环境中的水分对种子中的酶及代谢产物的含量有影响。研究表明,当贮藏湿度不同时,水杉种子中POD、SOD和三磷酸腺苷(ATP)酶的含量随湿度增加呈先升高后降低的趋势,当环境湿度为50%时达到最大,而贮藏湿度对淀粉酶(AMY)无显著影响[34]。种子的含水量与贮藏介质的含水量呈正相关,当红藤种子在贮藏介质绝对含水量为55%、65%的条件下贮藏6个月后,其发芽率分别是自然状态下(相对湿度为70%~80%)种子的4.1、4.5倍,而当介质绝对含水率<50%时,种子失水速度明显加快,活力丧失加快,不利于贮藏[35]。百蕊草种子的发芽率随着湿度的增加而逐渐增大,在湿度为75%时,达到最高,而后随着贮藏介质湿度的增加,其发芽率逐渐降低[36]。红豆杉种子中可溶性糖、脱氢酶和葡萄糖六磷酸脱氢酶含量随着湿度的增加均呈现先降低后升高趋势,粗脂肪含量逐渐下降 [37]。实际上,天南星[38]、金果榄[39]、肉桂种子[40]、重楼种子[41]等具有深度休眠特性的种子常采用沙藏法,使贮藏介质保持一定的湿度以打破种子休眠,提高种子的发芽率。    

3.1.3 通气情况    一方面,空气中含有的氧气、氮气、水分和热量等因子会增强种子的代谢作用,使种子吸潮吸热、含水量增加[42];另一方面,常通风有助于降温散湿[43]。种子贮藏环境的空气流通情况是影响种子存储的重要因素之一。因此,在进行种子仓储工作时,包装材料的透气性十分重要。党参种子在晒干后,应装入通风性好的牛皮纸袋贮藏[44]。李红莉等[45]研究发现,青蒿种子在室温下贮藏时用纸袋包装较好,不宜用瓶子、布袋、塑料袋等包装。侯茜等[26]研究发现,秦艽种子在冷藏条件下贮藏时,用纸袋包装种子的发芽率远大于用聚乙烯塑料袋包装种子的发芽率,可见秦艽种子在冷藏条件下宜用纸袋包装。实际上,良好的通风条件在农作物种子的贮藏过程中也极受重视。大豆[46]、玉米[47]等农作物种子应选择透气的装载工具,在堆积贮藏时,应合理控制堆放高度并定时翻动,保证种子具有良好的通风散热环境。    

3.1.4 时间    随着贮藏时间延长,种子的活力和发芽率逐渐降低[48],不同的种子对贮藏时间的要求也不同。孙长生等[49]研究发现,山豆根种子无论在室温贮藏还是5 ℃冰箱贮藏,随着时间的延长,发芽率均逐渐降低;杨全等[50]发现,广金钱草种子在贮藏3年后发芽率降低约45%;独活种子在室温下贮藏290 d、4 ℃下贮藏690 d、–15 ℃下贮藏946 d后,发芽率均逐渐降为0[51]。    部分中药材种子在萌发前需要经过生理后熟的过程,其发芽率随着贮藏时间的变化呈现由低到高再由高到低的变化。麻花秦艽种子在第一年贮藏中发芽率逐渐升高,贮藏1年后的种子发芽逐渐降低,直至丧失种子活力[52]。李钱钱等[53]发现,北柴胡种子在贮藏的前5个月中发芽率逐渐升高,5个月之后发芽率逐渐降低,贮藏11个月后种子活力基本丧失。十字花科的部分中药材种子在贮藏半年后发芽率最高,之后种子活力逐渐下降[54]。    实际上,无论贮藏在什么环境条件下,随着贮藏时间的延长,种子中糖类、脂肪、淀粉等营养物质不断消耗,其生活力逐渐下降。种子不断老化,超过一定的贮藏期限时,胚部细胞死亡,这是不可逆的自然规律。但是,可以通过改变贮藏条件延长种子寿命,从而延长种子仓储时间以适应生产需求。探寻合理的种子贮藏环境,寻求贮藏时间与种子生活力之间的最佳平衡点尤为重要。    

3.2 生理因素    

3.2.1 种子类型    不同种植物的种子寿命长短迥异,其贮藏时间和贮藏方式也有差异[55],如禾本科植物的种子较易丧失生活力,贮藏时间短;伞形科等含挥发油较多的中药材种子,呼吸强度大、贮藏时间短,在贮藏时应注意通风及环境温度控制,及时散发因种子呼吸作用产生的热量;葫芦科植物的种子寿命一般较长,可延长贮藏时间。即使是同科植物,由于遗传特性不同,种子间也存在差异,其贮藏条件应适当调整,如膜荚黄芪和蒙古黄芪虽然同为黄芪属植物,但蒙古黄芪种子的硬实率要高于膜荚黄芪种子,而硬实的蒙古黄芪种子活力高于非硬实种子,其活力随着硬实程度的增加而提高[56]。    

种子根据寿命的不同分为短命种子、中命种子和长命种子[23]。短命种子寿命一般在3年以内,如榆、扁柏等中药材的种子[57]。此类种子在贮藏时即使贮藏条件适宜,贮藏时间也不宜过长。中命种子寿命在3~15年,常见的有禾本科种子和豆科种子,如黄芪种子等[58]。另外,荞麦种子也属于中命种子,可贮藏年限较长。长命种子寿命可达15~100年,如绿豆、芝麻、紫云英种子等[59]。由于种子的寿命与贮藏条件密切相关,将种子简单划分为短命或者长命种子比较片面。有学者根据种子的贮藏行为把种子分为传统型种子、顽拗型种子和中间型种子[60]。这些种子最大的差别是含水量的不同,大多数中长命种子属于传统型种子,含水量较低,具有较好的耐储性[5];顽拗型种子含水量较高,不耐失水,可选用种子层积等方法进行储存[61];而室温贮藏或者低温、低湿的贮藏环境,有利于传统型种子的贮藏。因此,根据种子的类型选择合适的贮藏条件对于保证中药材种子的生活力和发芽力极为重要。    

3.2.2 含水量    种子的含水量是限制种子萌发、决定种子寿命长短的主要因素之一[62-63]。据文献报道,中药材种子贮藏期的长短主要由贮藏温度和种子含水量决定[64],适当的干燥处理,可以显著提高种子的抗老化能力和耐藏性。可以通过控制种子含水量,延长种子的寿命。目前,超干贮藏等基于该原理的技术也具有非常广阔的应用前景[65]。成清琴等[66]发现,丹参种子的含水量为7.5%时发芽率最高,可以采用超干贮藏法进行贮藏;王引权等[67]研究发现,当归种子含水量<9.17%时,其发芽率至少增加15%,而当其含水量>12.42%时,种子的发芽率迅速下降,所以当归种子的含水量越低,贮藏时间越长。但是,随着种子贮藏研究工作的不断深入,人们发现并不是所有种子贮藏时间都与含水量成正相关。当种子的含水量低于最佳含水量时,种子的活力可能会降低[68]。刘永华等[69]研究发现,甘草种子的含水量为4.5%时,发芽率最高;当种子含水量为2.1%时,发芽率迅速下降。    

3.2.3 种子状态    不同健康状况的种子,其呼吸作用及代谢活动的强度存在差异。由于种子一般是统一机械采收,所以存在成熟度不统一的种子、破碎种子、虫蚀籽等不饱满种子[70]。由于未成熟的种子和不饱满的种子呼吸强度较大,若与较好的种子混合贮藏,则会缩短优质种子的贮藏时间。所以,为了提高种子的发芽率,应在种子入库前对种子进行筛选[6,43]。    

除种子的健康状况外,种子是否处于休眠状态也是决定种子储藏条件的关键因素。然而,引起种子休眠的条件有很多,在进行中药材种子贮藏时应根据造成种子休眠原因调整仓储条件,打破种子休眠。很多中药材种子,如人参[71]、冬青[72]、银杏[73]、紫堇[74]等植物的种子在脱离母体后,由于种胚未成熟,仍处于休眠状态。此类种子在贮藏时需要保持一定的温度和湿度使其继续发育;而牡丹[75]、芍药[76]、花楸[77]、黄精[78]等中药材种子的胚虽然已经成长,但由于种子未完成生理后熟,仍需要在贮藏时通过层积处理打破种子休眠,提高种子的发芽力和生活力。还有部分中药材种子由于种皮障碍导致种子处于休眠状态难以萌发,如小粒豆科植物的种子,如紫苜蓿[79]、绿豆[80]、黄芪[81]种子等。硬实种子贮藏条件宜高温多湿,以打破种子休眠。部分种子由于抑制物质的存在,导致种子休眠。对于含有挥发性抑制物质的种子,在贮藏时宜高温干燥,以打破种子休眠。  

4  中药材种子的贮藏方法及  其对仓储中心建设的启示    

4.1 贮藏方法    不同的贮藏方法决定了种子的贮藏温度与湿度,进而影响了种子寿命的长短,选择合适的贮藏方法对种子尤为重要。目前,中药材种子贮藏过程中常用到自然风干法、带果阴干法、晒干法、湿沙贮藏法、常温超干贮藏、超低温贮藏、超低氧贮藏、人工种子贮藏等方法[82-83]。    常青等[82]研究发现,白木通种子采用湿沙贮藏法发芽率最高,晒干法发芽率最低。卫士美等[83]针对丹参种子进行了常温超干贮藏、超低温贮藏、超低氧贮藏、人工种子贮藏4种贮藏方法的对比实验,结果显示,丹参种子较适合采用超低温贮藏技术进行贮藏。    

4.2 中药材种子仓储中心建设相关思考    种子的健康状态是决定中药材种子贮藏条件的前提,而通过控制贮藏环境的条件保持种子活力是中药材种子仓储中心建设的重心。    

在进行中药材种子仓储中心的建设前,应该首先对种子进行筛选,选用纯净一致、成熟饱满、健全无病毒、生活能力强的良种进行贮存。其次,应综合考虑仓储中心的水文地质情况、气候条件、供电排水的方便程度及成本,优先选择土壤耐压力强、地势较高、降雨量少、阴凉通风等条件的地方作为仓储中心;同时,还应兼顾交通条件等问题。    

在进行中药材种子仓储中心的建设时,首先,应选用具有牢固、防潮、隔热性能优良、具有良好通风条件的地点作为仓储中心;其次,建设现代化中药材种子仓储中心的硬件和软件设施也相当重要,如购买现代化农业设备、采用遥测温湿仪等先进设备对环境温湿度进行合理控制与监测、选用制冷设备对仓储中心进行温度控制等;考虑到种子进出库的方便性,选用合理的输送装置也很关键;最后,应根据种子的类型选用不同的贮藏方法,合理控制仓储条件。   

 种子贮藏方法虽然多,但主要围绕贮藏环境中温度和湿度、通风条件及种子含水量的控制进行。其中,种子的特性及含水量是决定贮藏方式的首要因素。在进行仓储中心建设时,应重点根据种子的特性进行分类,并选择合适的贮藏方式,还要对贮藏环境的温度、湿度及通风情况进行严格的控制。对于具有休眠特性的种子,在贮藏过程中可以根据种子不同的休眠类型,采取不同的处理方式,如低温层积、沙藏等打破种子休眠。  

5  展望    

种子是农业生产的基础,而优质的中药材种子是中药材可持续发展的基础[84]。为了延长种子的寿命、为种子的安全贮藏提供理论指导,国家相关部门已发布了农作物种子、林木种子、牧草种子等贮藏标准,而中药材种子的贮藏还没有相关标准指导。建立中药材种子的贮藏标准对种子的安全贮藏具有非常重要的意义。    

随着社会的发展,中药材种子在贮藏技术方面不断进步,种子超干贮藏和超低温贮藏等技术越来越广泛地应用于实际生产过程中,计算机等数字化技术也逐步应用于农作物种子贮藏[85]。为促使中药材种子贮藏工作向现代化、自动化、智能化方向发展,用现代化设备合理控制贮藏条件,建立中药材种子自动智能化贮藏仓库势在必行。

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