《Food Chemistry》：Effects of mechanized harvesting on sesame seed storage: quality, volatile compounds, and metabolites
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芝麻机械化收获后储存期间脂质氧化及品质变化机制研究。机械损伤导致芝麻种子发芽率下降23.98%，加速酸值升高及脂酶、过氧化酶活性增强，引发不饱和脂肪酸代谢通路（KEGG）显著富集（p<0.01），并产生2-戊基呋喃等挥发性物质。
常云龙|牛宇龙|李家瑞|张子帆|刘华敏|王学德|文新宇|张红宇|刘宏伟|张绍泽
河南工业大学食品科学与工程学院及特种油料加工技术研究所，郑州450001，中国
摘要
本研究评估了机械化收割对芝麻籽在储存过程中品质的影响。结果表明，机械损伤（损伤率为23.98%）降低了芝麻籽的发芽率。储存过程中，机械损伤增加了芝麻籽的酸值以及脂肪酶、脂氧合酶和过氧化物酶的活性。机械化收割的芝麻籽在储存期间产生了更多的脂质衍生物挥发性物质，包括2-戊基呋喃和己醛。通过代谢组学分析，KEGG通路富集分析显示，在机械化收割的芝麻籽储存过程中，亚油酸和α-亚麻酸的代谢途径显著上调（p<0.01）。亚油酸的代谢与储存期间挥发性脂质氧化产物的增加有关。α-亚麻酸可能通过生成17-羟基亚麻酸（倍数变化34.54）和茉莉酸（倍数变化30.13）来保护芝麻籽免受机械损伤。这些结果为机械化收割的芝麻籽的合理保存提供了数据支持和科学指导。
引言
芝麻（Sesamum indicum L.）是一种属于胡麻科的油料作物，在亚洲和非洲广泛种植（Dossa等人，2018年）。芝麻籽中油脂含量超过50%，使其成为油料作物中油脂含量最高的品种之一（Chang等人，2024年）。芝麻油中不饱和脂肪酸的含量超过80%。此外，芝麻籽还富含植物甾醇、生育酚和木脂素等有益的植物化学物质（Qin等人，2024年）。2023年，全球芝麻籽产量为7,244,000吨，主要生产国包括苏丹（1,367,552吨）、印度（802,138吨）、缅甸（741,823吨）、中国（453,400吨）和尼日利亚（420,000吨）（FAO，2023年）。尽管芝麻籽具有很高的经济和营养价值，但其生产仍主要依赖人工收割，这严重限制了芝麻产业的发展。为了提高芝麻籽产量并降低生产成本，使用农业机械进行种植和收割是一种有效策略（Pari、Latterini和Stefanoni，2020年）。然而，对于传统的芝麻品种来说，机械化收割几乎是不可能的。
在传统芝麻品种中，种子成熟后会引发蒴果开裂，从而实现自然散布。但种子掉落到地面后很难收集。因此，通常在所有种子完全成熟之前就进行整株收割，随后通过后熟处理和脱粒来获取种子。虽然这种做法可以减少产量损失，但劳动强度大，不利于大规模生产（Pari、Latterini和Stefanoni，2020年）。要实现芝麻的大规模机械化收割，首先需要培育适合机械化收割的芝麻品种（即蒴果在种子成熟时不会开裂或开裂程度有限的品种）（Qureshi、Langham、Lucas、Uzun和Yol，2022年；Teklu、Shimelis和Abady，2022年）。目前已经培育出一些适合机械化收割的芝麻品种（例如美国的Sesaco 38和Sesaco 39，以及中国的Yuzhi ND837和Yuzhi NS610）。这些品种可以使用联合收割机进行收割。然而初步观察表明，在机械化收割过程中种子完整性常常会受到影响。
谷物、油料作物和水果的机械化收割不可避免地会导致作物损伤（Chen、Wassgren和Ambrose，2020年；Li和Thomas，2014年；Yuan、Wan、Liao、Gao、Xiao和Yang，2022年）。芝麻籽的机械化收割可以分为四个阶段：切割、脱粒、分离和清洗。在这些过程中，机械力将芝麻籽与其他作物部分分离，但这种力量可能会损伤种子。此外，不合适的收割条件（例如收割时芝麻籽的水分含量过高或收割机参数设置不当）也会对芝麻籽造成严重损伤。芝麻籽受损后，其储存品质首先受到影响。机械损伤会导致芝麻籽外壳破裂和保护结构的破坏，从而使空气容易进入种子内部，加速氧化老化并降低储存耐受性。同时，种子结构的破坏还会使种子内部的酶暴露出来，增加酶与底物接触的可能性。此外，芝麻籽中较高的油脂和不饱和脂肪酸含量增加了储存过程中的品质不确定性（Matthdus和?zcan，2018年）。总体而言，尽管机械化收割是现代芝麻生产的发展方向，但机械化收割后的后果——尤其是受损种子在储存过程中的表现——仍不明确。明确这些机制对于改进机械化芝麻生产系统的收割方式、产后处理和储存策略至关重要。
关于芝麻籽储存的研究主要集中在储存期间害虫和霉菌毒素的积累上；然而，储存过程中芝麻籽品质的变化仍不清楚。Alemayehu等人（2024年）和Berhe等人（2023年）研究了埃塞俄比亚地区芝麻籽储存期间的害虫侵害和霉菌毒素积累情况。Berhe等人发现Corcyra cephalonica、Tribolium属物种和Rhyzopertha dominica是芝麻籽储存期间最常见的害虫。Singh、Dash和Khan（2016年）报告称，88%的芝麻籽在室温下储存16年后仍具有活力。大多数芝麻生产区位于热带地区，这些地区的日间温度全年经常超过30°C。高温会加速分子热运动，增强自由基链反应，并提高氧化酶的活性，从而加速种子内的油脂氧化。由于这种气候条件，将这些地区机械化收割的芝麻籽储存起来特别具有挑战性。加工者通常担心机械化收割的芝麻籽在储存后品质会下降，从而影响芝麻籽产品的质量。然而，关于机械化收割的芝麻籽的储存特性的综合数据缺乏，因为这些品种相对较新，且大规模种植仍然有限。因此，有必要阐明机械损伤如何影响芝麻籽在储存过程中的物理化学稳定性，特别是在生产区典型的高温条件下。
本文假设脂质氧化可能是导致机械化收割的芝麻籽在储存过程中品质下降的主要因素。我们进行了为期180天的储存研究来验证这一假设。具体目标如下：（1）研究机械化收割的芝麻籽在储存过程中的品质变化；（2）分析脂质氧化的进展及相关挥发性化合物和代谢物的变化；（3）为机械化收割的芝麻籽的优化产后储存策略提供基础数据支持。在农业机械化的大趋势下，了解机械收割对芝麻籽储存特性的影响对于推广机械化收割和种子利用至关重要。
部分内容摘录
植物材料和化学品
机械化收割的芝麻籽（ND837，通过杂交育种获得）来自中国驻马店农业科学院。部分种子是从同一田地手工收割的，作为对照样本。芝麻在受控条件下在实验田中种植，并采取了必要的农艺措施。2023年9月23日，使用World Ruilong 4LZ-8.0EZ(Q)(G4)收割机（World集团，江苏，中国）进行了机械化收割。
芝麻籽微观结构、损伤率和发芽率的分析
图1展示了受损芝麻籽的图像。可以清楚地看到受损的芝麻籽外壳和颜色加深的情况。图1c显示了未受损芝麻籽的扫描电子显微镜（SEM）图像，整个种子呈泪滴形状，表面结构完整，没有明显的损伤。图1d、e和f显示了损伤逐渐加重的芝麻籽。图1d显示了芝麻籽外壳的表面损伤，图1e显示了种子的裂纹。
结论
本研究调查了机械化收割的芝麻籽的储存特性，重点关注脂质氧化。结果与我们的初步假设一致。机械损伤增加了芝麻籽中LPS、LOX和POD的活性，从而加速了储存过程中的脂质氧化。在挥发性化合物和代谢物方面，亚油酸和α-亚麻酸在储存过程中氧化更为剧烈。
作者贡献声明
常云龙：撰写——初稿撰写、方法学设计、数据整理。牛宇龙：软件应用、实验设计、数据整理。李家瑞：软件应用、资源准备。张子帆：软件应用、资源准备。刘华敏：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金申请。王学德：资源准备。文新宇：资源准备。张红宇：资源准备。刘宏伟：资源准备。张绍泽：资源准备。
资助
本研究得到了中国农业农村部农业研究系统（MOF）和中央平原青年拔尖人才****（2023Liuhuamin）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
