助力評估相關操作過程，玉米籽粒耐破碎性及其評價與測試方法介紹

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籽粒完整性是玉米重要的商品指標。機械收穫、乾燥、裝卸與運輸過程均會對籽粒造成可見損傷或者內部損傷（應力裂紋），這些帶有損傷的籽粒機械強度降低，在後續加工過程中破碎的可能性及加工的難度與費用增加，且破損粒更易生黴菌、生蟲，導致變質。國標《GB1353-1999玉米》強制性規定各類玉米分為三個等級，各等級玉米雜質≤1。0%，不完善粒總量≤5。0%、其中生黴粒≤2。0%，不達標的為等外玉米，等外玉米的使用價值和價格與等內玉米相比明顯降低。多年來，我國玉米育種和生產以高產為目標，採用人工收穫和機械收穗，對籽粒的商品性狀及其耐破碎性未引起足夠的重視，相關研究較少。

近年來，機械粒收是成為我國玉米收穫方式和產業發展的必然趨勢，但破碎率偏高是當前我國各產區玉米機械粒收存在的主要質量問題，尚難達到國標GBT- 21961- 2008“玉米收穫機械技術條件”中規定的籽粒破碎率標準，這一方面與收穫時籽粒含水率偏高有關，品種的耐破碎性也是重要的影響因素。歷史上由於籽粒破碎嚴重，美國玉米在出口貿易時也曾經因等級下降，農民遭受巨大損失。有資料表明，從美國至英國的運輸使玉米破碎率增加1。9%-6。9%，這些質量問題嚴重影響了美國玉米的出口，威脅到了美國玉米在國際市場的地位。為此，美國及相關玉米生產技術先進國家圍繞籽粒破碎問題開展了大量研究，並逐步使這一問題得到了解決。

綜上可見，降低籽粒破碎率和黴變率，改善玉米籽粒商品性狀，提高商品等級是提高玉米生產效益和競爭力的重要方面，降低破碎率已經成為玉米產業發展迫切需要解決的關鍵技術與經濟問題，為此，本文以本團隊研究為主，結合國內外研究現狀，圍繞影響玉米籽粒耐破碎性的因素、破碎評價指標與測定方法進行綜述。

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玉米籽粒耐破碎性的評價

對玉米籽粒損傷的評價指標與方法較多，通常用破碎敏感性、籽粒硬度等指標來評價。破碎敏感性（Breakage Susceptibility，BS）是玉米籽粒受力破碎的可能性，與幹後穀物損傷率高度相關，是評價穀物乾燥效能的指標之一，破碎敏感性值越高，破碎強度越低，越容易破碎。

破碎敏感性的評價有助於評估機械收穫、裝卸、運輸等操作過程對玉米籽粒破碎的影響。

中國農業科學院新鄉試驗基地籽粒收穫現場

籽粒硬度（Hardness）也是籽粒的一種特性，定義為耐磨性（Grinding），是指破壞籽粒所受到的阻力，或籽粒對施加形變的抵抗能力。玉米籽粒乾燥、貯藏、管理或加工過程所引起的易破碎性都與籽粒硬度有關。玉米籽粒硬度還顯著影響磨粉率和最後產品質量，是評價玉米加工品質和食用品質的一項重要指標。

影響玉米籽粒耐破碎性的因素

籽粒破碎與含水率的關係

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國內外大量的研究表明，籽粒含水率高是機械收穫時導致玉米籽粒破碎的主要原因，籽粒含水率越高，破碎率就越大。Tran 等研究了含水率對籽粒硬度的影響，發現隨著含水率增加，籽粒胚乳變軟，種皮的可塑性增強；破碎率與籽粒含水率呈極顯著正相關，認為品種間破碎率的差異主要是籽粒含水率和容重不同所致。Tabil 等研究了覆水、復幹對玉米籽粒破碎敏感度的影響，發現低初始水分樣品與高初始水分樣品相比，具有較高的破碎敏感性。PLETT 對加拿大 6 個玉米品種研究表明，籽粒含水率在 15。1%-22。1% 之間破碎率最低；Hall 等研究認為，籽粒含水率在 20%-23% 時收穫破碎率最低； CHOWDHURY 等報道籽粒含水率 23% 時機械損傷破碎率最低。本團隊利用 2011—2015 年在西北、黃淮海、東北和華北玉米產區 15 個省（市） 168 個地塊獲得的 1698 組收穫質量樣本資料分析表明，籽粒破碎率平均為 8。63%，破碎率高是當前中國玉米籽粒機械收穫存在的主要質量問題；收穫玉米籽粒平均含水率為 26。83%，含水率（x）與破碎率（y）之間呈極顯著正相關，符合二次多項式y=0。0372x2-1。483x+20。422（R2=0。452**，n=1 698），籽粒含水率高是導致破碎率高的主要原因。

籽粒耐破碎性與品種的關係

研究證明不同玉米品種籽粒破碎敏感性不同，籽粒抗破碎特性是可遺傳性狀，且具有較高的遺傳力。JOHNSON 等研究認為抗破碎性的遺傳力估計為77%—87%。VYN 等研究結果表明籽粒大小、形態、粒重、籽粒體積密度等可遺傳性狀與籽粒破碎有關。C R Mrtin 透過將 3 個玉米雜交種按籽粒大小和形狀分成6類，並分別測定其破碎敏感性和籽粒硬度，發現籽粒大小、形狀、結構特徵比籽粒硬度對機械收穫破碎影響更大。Y POMERANZ 等研究發現籽粒大小和形狀影響籽粒硬度。TSAI 認為晚熟品種破碎敏感性更低，早、晚熟玉米籽粒灌漿期的差異在於醇溶蛋白含量和氮的同化過程不同，晚熟品種醇溶蛋白高與其籽粒破碎率低有關。

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李少昆（左三）、王璞（左二）與薛吉全等專家在檢視剛收穫的玉米籽粒

不同品種籽粒耐破碎性達到最強時的含水率是不同的。李璐璐等的研究發現，籽粒含水率相近的不同品種之間，破碎率存在顯著差異，可見不同品種的耐破碎性不同。本團隊在大田機械粒收條件下對不同品種機械粒收質量評價結果表明，在相同含水率條件下不同品種耐破碎效能表現出較大差異。以各品種籽粒破碎率與樣本總體破碎率在相同含水率下的差值作為品種耐破碎率效能評價指標，篩選出新引M751、新引M753、KX9384、登海618和先玉335等耐破碎效能較好的品種。

籽粒耐破碎性差異產生的理化機制

前人對籽粒耐破碎性的物理和生化機制做了大量的研究，認為玉米籽粒大小、形狀、重量、密度、抗磨性、磨後粗細材料的磨損和質量等物理特性都與籽粒硬度有關。玉米籽粒破碎率與籽粒容重呈極顯著負相關關係。籽粒硬度很大程度上取決於胚乳的性質和胚乳在籽粒中的佔比。蛋白質和澱粉含量影響玉米籽粒硬度，雖然蛋白質含量在籽粒總成分中遠低於澱粉含量，但它在影響硬度方面起重要作用，其中醇溶蛋白類與硬度密切相關，晚熟品種的破碎率低與其醇溶蛋白含量高有關。Fox和Manley 認為有些測試結果硬度與蛋白含量有很強的相關性，而有些受胚乳結構影響較大，但也有研究認為蛋白含量與籽粒硬度沒有關係。由此可見，由於玉米品種在籽粒形態、結構和化學組分等方面存在較大差異，因此會表現出不同的耐破碎性，同時玉米生長髮育期間的生態環境因素和栽培技術措施、烘乾與運輸存貯條件等對玉米籽粒的容重、形態與結構及化學組分也會造成明顯的影響，從而進一步影響玉米籽粒的耐破碎性。

溫度對籽粒耐破碎性的影響

環境溫度影響玉米籽粒脫水過程，PLETT S 研究認為籽粒破碎率與含水率呈極顯著正相關，與容重呈極顯著負相關，而年際間、不同區域光溫條件不同，會影響玉米成熟期籽粒容重和含水率。VYN 等研究發現田間籽粒脫水階段乾燥溫度的增高會造成籽粒長度、寬度和厚度增加，導致粒重下降，進而影響收穫時籽粒的破碎，籽粒破碎率隨乾燥溫度的增加而增加，破碎敏感度（BS）與籽粒乾燥溫度密切相關。

乾燥作業是造成籽粒破損的重要原因之一，報道認為高溫、快速乾燥方法引起籽粒全粒澱粉結構的應力裂紋、發生內裂。Thompson 和Foster 研究表明，隨著玉米籽粒中應力裂縫的增加，玉米籽粒破碎增加；且人工乾燥玉米比在低溫或未加熱空氣乾燥的玉米更易發生應力裂紋和斷裂。此外，當穀物被加熱的空氣乾燥時，在冷卻過程中不久就會出現應力裂紋。基於溫度與籽粒破碎的關係，Tae 將乾燥溫度作為評價破碎敏感度的輔助因素。

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栽培措施對籽粒耐破碎性的影響

研究認為種植密度、氮素水平、播期影響玉米籽粒破碎敏感度。使用氮肥增加籽粒硬度，降低破碎敏感度；KNIEP 等的研究也表明，增加氮肥用量所有參試品種的 BS 均下降；土壤肥力水平低，氮肥用量少、缺氮時籽粒破碎率增大。隨種植密度增加，籽粒破碎敏感度略有增加。BAUER 等研究了播期、種植密度、灌溉、氮肥施用量、不同熟期品種等 5 個因素對玉米籽粒 BS 的影響，發現 BS 隨播期推遲而增大，播期後延 10 d，增大 1。6%；種植密度每增加 2。0 株/m2，BS 平均增大 1。5%-2。0%；灌溉與非灌溉比較，無灌溉的旱地處理籽粒 BS 卻顯著低於灌溉處理；籽粒 BS 隨氮肥用量增加（0-11g·m-2）而下降。

玉米籽粒耐破碎性的測定方法

籽粒破碎敏感性測定原理及方法

玉米籽粒破碎敏感性測定是模擬籽粒在脫粒、運輸、儲藏等過程中接觸物體和受力情況的不同而設計的，按照籽粒所受外力與接觸物體的不同分為4類：即穀物對不同材質表面的衝擊、穀物與穀物衝擊、穀物衝擊和搓擦及穀物離心衝擊。

對不同材質表面的衝擊測試是根據籽粒破碎時受到來自不同材質表面的衝擊力，據此原理讓穀物籽粒以一定的速度衝擊到不同角度的衝擊面上，然後計算透過圓孔篩的破碎粒質量與樣品質量的比率，代表裝置是 Duane L。 Keller 等設計的衝擊測試臺；穀物與穀物之間的衝擊測試主要是由穀物之間的相互作用力造成的，據此 Miller 等人設計出 USGMRL 穀物加速測試臺，讓籽粒衝擊到固定的谷床上，然後計算破碎率；衝擊和搓擦測試理論認為籽粒破碎是在衝擊和搓擦兩種力共同作用下產生的，包括穀物與穀物之間及穀物與剛性部件表面之間的力，基於此 V K Jindal 和 Mcginty 分別設計了剛性錘片測定儀和Stein 破碎測定儀（Stein breakage tester， SBT），用來測試籽粒破碎敏感性；穀物離心衝擊測試的原理是利用離心力加速穀物，使穀物衝擊到周圍圓筒衝擊壁上，計算其破碎率，這種原理的代表儀器是Wisconsin破碎測定儀（Wisconsin breakage tester， WBT）。

WBT 的穀物加速部件為一個有 4 個通道槽的旋轉圓盤，穀物由上部喂入圓盤中心，沿通道槽加速前進，然後衝擊到表面上，具有結構簡單，效能好，測定速度快的優點。SBT 和 WBT 一度是美國測試籽粒破碎敏感性的主要儀器。Weller等研究表明，WBT 和 SBT 二者之間測試結果的相關係數是0。64；C RMartin 等也分別用 SBT 和 WBT 兩種方法測定了 3 個品種的破碎敏感性，發現 SBT 與籽粒的物理特性、組成、硬度特性相關性更強，而 WBT 測試與籽粒大小、形狀顯著相關。除了以上測定破碎的儀器外，測定籽粒破碎敏感性的儀器還有離心槍、Cargill衝擊儀、Missouri破碎儀、Ohio衝擊儀等。

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籽粒硬度測定原理與方法

玉米籽粒硬度的測定方法多以易破損性為基礎來表示籽粒的硬度值。關於定量測定玉米硬度的方法和儀器，國內外進行了大量探索與研究。籽粒硬度主要以籽粒抗擠壓強度、易破碎率、玉米粉碎後粒度分佈和近紅外反射率、研磨時間等來表徵。玉米籽粒硬度測定的具體操作是稱取一定質量的供試籽粒，選用粉碎和過篩裝置、按標準化程式粉碎、過篩，以過篩物料的重量佔粉碎樣品重量的百分比作為硬度指數（Particle Size Index， PSI）。Bennett 等早在 1950 年設計了一種電機測定籽粒硬度，硬度指數由一個旋轉破碎輪驅動的活塞調節記錄器獲得。C R Martin 等採用近紅外反射率和Stenvert 硬度計測定玉米籽粒硬度。郭禎祥等基於顆粒度指數的原理，建立了一種應用國產JFS型穀物粉碎機測定玉米籽粒硬度的新方法。

籽粒壓縮和穿刺是測定單個籽粒硬度的方法，已經廣泛應用於小麥、大麥等作物。Shandera 和 Jackson 用單個籽粒穿刺紋理分析玉米籽粒胚乳結構的組合和結合力。張鋒偉等研究了金穗4號玉米籽粒的壓縮和剪下力學特性，並採用針尖壓入法對玉米籽粒各組分的硬度作了測試分析，結果表明：含水率、壓縮和剪下位置對玉米種子籽粒靜壓破損特性和硬度有明顯的影響；角質胚乳的硬度明顯高於粉質胚乳和胚，而粉質胚乳的硬度略高於胚。

展望

機械粒收是玉米生產發展的必然趨勢，機械粒收關鍵在品種以及品種熟期、脫水特性與區域熱量資源的合理配置及適期收穫等。品種問題是我國玉米產區推廣機械粒收技術必須首先解決的一個共性問題，因此有目標地篩選和選育早熟、脫水快、收穫期籽粒含水率低及耐破碎性好的品種是實現玉米機械粒收的關鍵措施。為此，需要對品種的脫水、耐破碎性差異開展深入研究。以往我國玉米品種選育多以高產、優質、多抗為目標，今後品種的選育更要重視玉米籽粒的商品性狀，有必要將脫水特性和耐破碎性作為重要選擇指標，透過育種手段選育脫水快、耐破碎性強的品種，為機械粒收技術大面積的推廣和應用提供品種基礎。此外，隨著生物資訊學的發展，對玉米耐破碎基因的功能研究與基因改良會變得更加簡單，分子育種技術將為快速脫水、耐破碎改良帶來新的育種契機。隨著機械粒收技術和烘乾技術的推廣，籽粒脫水、耐破碎性改良將成為玉米育種研究的重點。