谷物作为全球最重要的食物来源，其营养品质与加工效率一直备受关注。萌发作为谷物生命周期中的关键生理阶段，不仅是种子从休眠状态转向活跃生长的标志，更是一个动态复杂的生物转化过程。在此过程中，淀粉、蛋白质等大分子贮藏物质在内源酶的作用下降解转化，同时，游离氨基酸、维生素、矿物质以及酚类、γ-氨基丁酸（GABA）等多种生物活性成分得到显著积累与富集，从而全面提升谷物的营养与功能价值。
传统化学处理方法易造成环境污染且存在残留风险，而磁场（MF）、电场（EF）、微波（MW）及辐照（IRR）等物理调控技术，凭借以非热效应为主、环境友好、无化学残留等独特优势，已逐渐成为绿色农业与食品加工领域的研究热点。为确保文中引用实验结果的可靠性，本综述所采纳的数据均来源于明确报告统计学检验的文献。在植物萌发与农业研究中，科学的统计方法是准确评估处理效应、量化不确定性的关键。
安徽工程大学生物与食品工程学院的程燕、朱志向、王顺民*等系统综述EF、MF、MW及IRR 4 类物理技术在谷物萌发中的应用效果与增效机制，重点聚焦技术对种子萌发特性、关键酶活性、抗氧化防御体系及次生代谢产物积累的影响，同时通过横向对比分析技术协同潜力，结合产业化可行性与结果可靠性进行探讨，为开发高效、绿色的谷物精深加工技术提供坚实理论依据与实践参考。
1 全谷物萌发的分子机制
1.1 谷物萌发的生理过程
在谷物加工领域，发芽、萌发和麦芽化常具有相似的含义。本文聚焦的谷物萌发过程，是指种子在适宜环境下吸水膨胀（吸胀），激活内源酶，引发一系列有序生理反应和形态变化，最终导致胚根突破种皮（萌发）及胚芽生长（出苗）的生物学过程。如图1所示，第1阶段为快速吸胀，种子急剧吸水，细胞内容物水合，内源酶活化，呼吸作用增强，同时伴随mRNA合成、DNA与线粒体修复等基础代谢重启；第2阶段为活化准备，吸水速率减缓，新转录的mRNA翻译合成蛋白质，DNA与线粒体修复持续进行并合成新的线粒体，胚体开始生长，种皮变薄，贮藏物质逐步分解；第3阶段为可见萌发，种子再次加速吸水，细胞进行有丝分裂，胚根突破种皮，胚芽显著伸长，至此完成萌发。
1.2 发芽谷物的功能性成分及生理功效
在萌发富集的众多生物活性物质中，酚酸与GABA因其显著的生理功效和富集效应备受关注。酚酸是一类具有酚羟基结构的植物次生代谢物，对人体具有抗氧化、抑菌、抗炎、降血糖和降胆固醇等功效，在萌发过程中，谷物为应对发芽引起的轻度逆境，其生理生化过程被重新调控，物质代谢流向发生改变，从而驱动酚酸等防御性活性成分的生物合成与积累。已有研究证实，萌发能显著提高全谷物中酚类化合物的含量和抗氧化活性，这主要归因于内源酶合成增加、酚类物质释放与转化加快以及基因表达调控的增强。而GABA是一种重要的四碳非蛋白质氨基酸，主要由谷氨酸在谷氨酸脱羧酶（GAD）催化下转化而来。萌发技术能有效提高谷物中GABA含量，这得益于GAD等生物合成相关酶活性的增加。发芽对不同谷物的总酚含量（TPC）、GABA含量的影响如表1所示，这些功能性成分的动态变化，为物理技术干预以进一步富集目标物质提供了基础与可能。
2 EF技术在谷物萌发与加工中的应用
2.1 EF对种子萌发和生长的调控
EF作为一种新兴的种子萌发促进技术，通过解除休眠、增强代谢及改善幼苗生长状态，展现出巨大的应用潜力。研究表明，EF处理不仅能提高种子萌发率和活力，还能调节植物体内酶活性，加速贮藏物质消耗，从而促进胚根萌发与叶片扩展。在具体应用方面，不同EF类型与参数对多种作物均表现出积极效应。例如，高压直流EF在500 kV/m处理高粱种子36 min后，活力指数提升至15.50；此外，用低频脉冲EF处理玉米种子4 h，可使其发芽率提高26.7%，同时胚芽鞘长度增加21.2%，表明EF不仅影响萌发率，也对幼苗早期形态形成具有促进作用。同样，交变EF处理小麦种子后，萌发率提升达15.00%；在700 V/cm的EF强度下处理的小麦种子，其最终发芽率可达86.66%。另有研究表明，在交流EF处理下，小麦种子的发芽率提高了10%～80%，出苗率提高了28%。这进一步印证了适宜条件的EF处理在谷物种子萌发方面具有一定普适性与有效性。在促进种子萌发与幼苗形态建成的基础上，EF处理还能进一步调控植株的关键生理过程，其中对光合作用的增强尤为显著。EF处理对种子萌发的促进，始于其对细胞膜电位的扰动。这一物理变化可激活电压门控的钙离子（Ca2+）通道，引发胞内Ca2+浓度瞬时升高，而Ca2+作为广泛的 第2信使，其信号通过钙调蛋白及钙依赖性蛋白激酶等向下游传递。
2.2 EF对光合作用的增强效应
光合作用作为一种重要的生命活动，在光能转化、有机质积累等方面发挥着关键作用，对谷物幼苗的生长具有重要的调控作用。在光合系统的物质基础方面，EF处理被证明能够显著增加叶片中光合色素的含量，并优化其比例，这为光能的捕获与转化奠定了更充分的物质基础；在气体交换与生理参数上，EF处理通常表现出积极效应，能显著提高净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，同时降低细胞间CO2浓度，这一系列变化指示着光合碳同化能力的增强与气孔限制的降低。然而，这种影响具有明确的电压依赖性。有研究表明，在1.5 V的EF处理下，玉米的光合速率随时间持续下降；而在3.0 V和4.5 V处理下，光合速率、蒸腾速率和气孔导度均呈现出“先短暂降低，后稳步回升并超越对照”的变化模式。中等电压的EF也能增强光合作用，并周期性地使谷物细胞膜去极化和再极化，从而提高其生理活性。研究表明，在外加EF作用下，光合速率的改变主要依赖于光合作用电子传递链。在微观分子层面，外源EF对光合速率的调控核心在于影响光合作用的电子传递链。施加特定强度的EF（如-1.5～-0.5、0.5～1.5 mV/cm）能够调控光合反应中心（如光系统II（PSII））蛋白的构象与动力学，进而影响其初级电荷分离效率、电子转移速率以及整体量子产率，最终决定光能转化为化学能的效率。
2.3 EF对次级代谢产物积累的促进
光合作用的增强为植物合成次生代谢产物提供了更充足的碳骨架和能量。与此同时，EF处理本身也能直接而深入地调控谷物的次生代谢，而次生代谢产物是植物为适应复杂环境而形成的一类重要化合物，在调节自身生长发育及应对外界生物与非生物胁迫中发挥着关键作用。研究表明，EF处理作为一种有效的外部物理刺激，能够深入调控这一代谢网络，通过多重机制协同激活并增强谷物体内的次生代谢途径，从而显著促进黄酮类、花青素与植物甾醇等多种功能性成分的合成。其核心作用机制之一，在于EF能够直接激活苯丙烷代谢这一酚类化合物合成的关键途径。具体而言，EF处理可有效增强苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性，该酶是苯丙烷代谢的限速酶，其活性提升标志着整个酚类物质合成通路的开启与加速。此外，中等强度EF（＜5 kV/cm）能改变细胞内电荷分布，调控活性氧（ROS）等信号分子的产生与传递。这些细胞层面的信号变化会进一步诱导谷物合成多酚、花青素等具有防御功能的生物活性物质，进而精准调控自身光合作用、物质代谢等生理活动。例如，Guderjan等采用0.3～1.6 kV/cm的EF处理玉米和大豆种子，结果玉米种子中具有重要生理调节功能的甾醇含量提高了32.4%，而大豆中的二氢黄酮和染料木素（一种异黄酮）含量分别显著增加了20%和21%；Minh采用1 200 kV/cm的EF处理绿豆种子，其芽苗中的TPC达到了221.30 mg/100 g（以没食子酸当量表示），比对照组显著提高。
2.4 EF对抗氧化防御系统的激活
无论是萌发过程本身，还是EF处理所诱导的代谢激活，都可能伴随ROS的积累，过量ROS自由基的积累会破坏植物体内的氧化-抗氧化平衡，引发氧化应激并导致细胞损伤。ROS是植物有氧代谢过程中的天然副产物，主要包括超氧阴离子自由基、过氧化氢、单线态氧和羟自由基等。为维持ROS平衡，谷物依赖一套完整的抗氧化防御系统，包括酶类与非酶类两类物质。酶系统主要有超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）；非酶系统则包括多酚、抗坏血酸（ASA）、谷胱甘肽（GSH）和类胡萝卜素等。研究表明，适宜强度的EF处理能有效激活此防御系统。中低强度EF可增强SOD活性，促进超氧阴离子自由基向过氧化氢的转化，同时提升CAT和POD对过氧化氢的清除能力。具体而言，采用 200 kV/m的极低频脉冲EF处理，可显著提高玉米幼苗的SOD活性，进一步研究发现，使用4.0 kV/cm的EF处理小麦种子10 min，不仅能同步增强POD与SOD的活性，还可明显减轻膜脂过氧化程度，降低细胞膜的氧化损伤。 此外，EF处理对非酶促抗氧化系统同样具有激活作用。由ASA和GSH形成的ASA-GSH循环在抵抗外部应力、去除自由基、缓解氧化损伤和防止细胞损伤方面发挥重要作用。例如，2 kV/cm的EF处理使小麦种子中GSH还原酶的活性提升50%，从而显著增强了ASA-GSH循环的运行效率。该循环是细胞内维持ASA-GSH还原状态、实现自由基清除与氧化损伤修复的核心途径，其效率的提升极大地增强了细胞的还原再生能力与氧化应激耐受性。图2展示了EF下谷物抗氧化防御系统的效应机制。
3 MF对谷物的影响
3.1 MF对种子萌发和生长的调控
MF处理可提高种子极性及细胞膜流动性，促进水分与营养物质吸收，并通过影响生物大分子构象与功能从而加速萌发。研究表明，不同作物对MF处理均表现出积极响应，且效果具有参数依赖性。玉米对MF尤为敏感，9 000 μT处理60 min可使其发芽率提高83%；采用50 Hz交变MF处理1 d，其胚根长度显著增加42%，进一步分析表明该效应与细胞膜上Ca2+-ATP酶活性上调导致的钙信号增强密切相关；此外，MF预处理还能减轻干旱胁迫，使玉米种子活力指数提高39.14%。在豆科作物中，300 mT处理大豆30 min使发芽率提高了6.0%；采用7 mT处理能同样提升大豆和小麦的发芽率与生长速率；关于黑豆的研究发现，60 mT的MF处理可使其胚根长度显著增加36.2%。在小麦方面的研究显示，125～250 mT的MF处理可促进黑小麦种子萌发和早期的生长；采用11 mT旋转MF处理30 min，可使小麦根长增加11.13%；脉冲MF处理不仅能提高小麦的萌发率，还能促进幼苗健壮生长；研究还观察到明显的强度阈值效应：分别用100 mT和200 mT的MF处理60 min，小麦幼苗长度的增幅分别为16%和12%。此外，在水稻类作物中，MF处理也能优化萌发形态。例如，采用343 mT的MF处理糯米种子发芽，可使其芽与根的长度比例优化至1.53∶1。
3.2 MF对光合作用的增强效应
MF处理在促进萌发与早期生长的同时，也对植物建成后的核心同化过程，即光合作用，产生深远影响。Thomas和Sarraf等的研究表明，MF对谷物的光合作用有积极影响，其作用涉及从光能捕获到化学能转化的多个关键环节。谷物植株吸收太阳光后，分解水并获取电子，在PSII中产生电子。随后，电子通过叶绿体中的电子传递链到达PSI。在链的末端，电子被传递给NADP+，生成NADPH。一些被释放出来的能量被用来输送氢气，并推动ATP化学能的产生。具体而言，MF处理能从多个层面提升光合性能。一方面，它能增强光系统的效率。例如，用20 mT的MF处理大麦种子4 d，可使PSII的最大量子效率提升约6%，表明PSII的光能转化能力得到改善；而当处理强度增至250 mT时，大麦叶片的光合电子传递速率显著提高了约38%。另一方面，MF处理能有效促进光合色素的合成，这是捕获光能的基础。MF通过促进叶绿素合成前体积累及保护光系统，从而增加光合色素含量。大量研究证实，适宜条件的MF处理能显著提升多种谷物及豆类作物的叶绿素含量，如在大麦、玉米、大豆和小麦中均有报道。Dziergowska等研究证实大豆种子经250 mT的MF处理3 min后，幼苗叶绿素和类胡萝卜素含量达到峰值，分别比对照组高出近80%和400%。Kataria等采用200 mT的MF处理大豆幼苗1 h，总叶绿素含量显著增加26%～40%，类胡萝卜素（如叶黄素、β-胡萝卜素）含量同步提升；Jovanic等发现以160 mT处理大豆种子，最终幼苗的叶绿素浓度也提升了16.15%。类似地，Shine等提出用200 mT处理玉米幼苗1 h，其总叶绿素和总类胡萝卜素含量均增加了16%。然而，过度MF处理（如时间过长或强度过高）反而会产生抑制效果。有研究指出，当MF强度超过300 mT或暴露时间超过60 min时，谷物叶绿素含量分别减少了10%和14%，类胡萝卜素含量更是显著减少了 32%和57%。
3.3 MF对ROS代谢与酶活性的调控
许多生物化学过程，如光合作用和新陈代谢，都会产生自由基或阴离子自由基，这些自由基因含有未配对电子从而对MF敏感，逆境下过量的ROS会对细胞组分造成损伤。MF处理会加速ROS和一氧化氮的形成积累，同时，通过调节机体的抗氧化体系，维护机体的氧化还原平衡。Shine等进一步证实了200 mT的MF处理能促进大豆幼苗的生长。Hajnorouzi等的研究也表明，结合MF和弱电MF处理可以显著提高玉米幼苗的生长速率，并降低SOD的活性，同时提高总抗氧化能力。对小麦幼苗的研究显示，Payez等发现用30 mT的MF处理使CAT活性增加，APX和POD活性降低，脂质过氧化减少43%。Faraz Ali等采用180 mT的MF处理3 min可使CAT活性最高提升至105.67%。此外，61.1 mT MF处理能同步增强绿豆幼苗的SOD活性，并通过与脯氨酸等渗透调节物质协同作用提升其抗旱性。值得注意的是，MF强度与酶激活存在阈值效应：玉米幼苗在约500 mT的MF处理中SOD活性达到峰值，而3～5 T强MF能使小麦SOD与CAT活性达到高效清除ROS且避免代谢耗竭的最佳平衡。在非酶促防御方面，MF处理通常有助于减轻氧化损伤。例如，多项研究显示，在87～226 mT及600 mT的MF处理下，脂质过氧化终产物丙二醛（MDA）在绿豆幼苗中的含量均显著降低，说明细胞膜所受的氧化损伤得到有效缓 解。综上所述，MF处理通过调控酶促与非酶促抗氧化途径，有效维持了谷物萌发过程中的氧化还原稳态。 表2、图3总结了MF处理对几种谷物ROS代谢及相关酶活性的具体影响。
3.4 MF对基因表达的调控
MF会影响DNA和RNA的合成，进而调控细胞代谢及各类细胞功能。在这一过程中，MF激活了细胞应激反应的保护机制，诱导应激反应中的基因表达。例如，用30 mT的MF增加了CAT和铁转运蛋白基因的相对表达，导致植物总铁含量与对照组相比有所提高，铁蛋白含量增加并且在抵抗氧化应激中发挥了作用。一些研究表明，经MF处理的种子中α-淀粉酶基因的表达量和总淀粉酶活性更高，这导致了种子萌发率和幼苗活力的提高。这主要是由于MF引发的代谢变化，包括基因转录激活、蛋白质合成增加以及酶活性增强。用3 mT的MF对玉米种子处理4 h，减数分裂参数中总交叉点、中间交叉点和环状二价体的发生率从对照组的23%提升至47%，同时染色体紊乱、后期滞后现象及I期桥接、微核、凝集以及不育花粉等异常指标，在3 mT处理下较对照组分别增加了2.6 倍至超过10 倍。Shokrollahi等通过用20 mT和30 mT的MF处理大豆种子5 d，在30 mT条件下，CAT基因表达增加约38%，铁蛋白基因在2 d时表达增加约28%，铁转运蛋白基因表达增加约60%，而在20 mT时则相反。Raipuria等用200 mT处理大豆种子1 h，结果显示α-淀粉酶基因表达增加80%～110%，一氧化氮合酶基因表达增加1 150%，亚硝酸还原酶基因表达增加300%。最新研究为MF调控基因表达提供了直接证据。例如，将硬粒小麦种子暴露于25 mT的MF后，其延伸因子基因EF1（编码延伸因子EF1蛋白）、苯丙氨酸解氨酶基因PhAL（苯丙烷代谢关键酶）及Rubisco（光合作用关键酶）等基因的表达均发生显著变化。这从分子水平证实，MF处理可通过调控萌发、次生代谢及光合作用相关功能基因的转录，实现对生理过程的系统性影响。
3.5 MF对生物活性成分富集的促进
基于对基因表达和酶活性的上游调控，MF处理能有效驱动下游功能性成分的生物合成与积累。谷物（特别是发芽谷物）富含多种生物活性化合物，如肽类、多糖、脂肪酸、类胡萝卜素、氨基酸、维生素、酚类物质（如黄酮、异黄酮）以及GABA等。这些成分对谷物的营养品质和健康功效至关重要。
3.5.1 酚类化合物的富集
适宜参数MF能显著上调苯丙烷代谢途径关键基因表达或增强酶活性，促进酚酸、黄酮类化合物等合成与积累。例如Wang Shufang等研究采用10 mT的MF预处理藜麦种子10 min，可显著诱导PAL活性，使总酚类物质含量提升14.21%。Hou Huaming等指出MF处理使藜麦中TPC达到2.90 mg/g，黄酮类化合物含量最高可达3.12 mg/g，其富集与黄酮醇合成酶FLS基因表达增强密切相关。类似效应在其他作物中也被观察到，韩杰等利用150 mT的MF处理大豆种子1 h，可显著提升异黄酮含量至1.227 mg/g（如染料木素、大豆苷元），这与异黄酮合成途径中相关酶的MF响应性有关。周小理等发现用10 mT的MF处理显著提升苦荞种子中PAL活性40%，并同步提高黄酮含量35%。方晓敏等采用3.5 mT条件下处理玉米种子60 h时，与对照组相比，结合酚、游离酚含量分别提高72.72%、47.16%，同时多酚代谢关键酶PAL活力也得到提高。
3.5.2 矿物质元素和其他成分的富集
除了有机活性成分，MF还能促进无机矿物质元素的吸收。MF通过影响跨膜离子转运蛋白活性（如铁转运蛋白），促进矿物质吸收与转运。研究表明，MF能显著促进小麦根部和茎部大量元素（氮、磷、钾、钙和镁）及微量元素（铁、锰和铜）的吸收和积累。这种促进作用在多类作物中均得到验证，例如，采用42 mT的MF处理大麦种子两周后，其叶片与根部中多种微量元素（铁、硼、铜、锰、锌、钼）的含量比对照组高出9 倍；同样，MF处理对小麦根部和嫩芽中大量元素（N、P、K、Ca和Mg）以及微量元素（Fe、Mn和Cu）的吸收和积累也有影响。而使用5 mT的MF处理绿豆种子1 h亦能使其铁、锌含量增加18%～25%。这些被高效吸收的矿质元素为后续代谢活动提供了原料与催化基础。例如，经0.9 T恒定MF处理玉米种子30 min，氨基酸含量达到最佳水平，以及在小麦种子发芽过程中用30 mT的MF处理4 d，脯氨酸含量增加了29%，这为蛋白质等大分子合成准备了充足的前体。进一步研究发现，用200 mT的MF处理大豆1 h后，其DNA、RNA和蛋白质合成量分别提升了38%、17%和92%，该过程可能得到了信号层面的支持，因为150～200 mT的MF处理可诱导ROS生成并伴随核糖体含量上升，从而协同强化了细胞的生物合成能力。
4 MW技术在谷物萌发与加工中的应用
4.1 MW对种子萌发和生长的调控
MW通过非热效应作用于谷物种子的生物组织，改变细胞膜表面电荷密度及膜两侧电位差，调节离子通道活动，进而引发一系列生理响应。研究表明，适宜条件的MW处理可显著促进多种谷物种子的萌发与幼苗生长。在高粱种子萌发的研究中发现，在700 W功率下处理15 s，可使其发芽率最高提升至95%。苦荞种子经300 W的MW处理50 s后，其发芽5 d后的芽长和鲜质量较未处理对照组分别显著增加了23.38%和34.48%。经600 W的MW处理鞑靼荞麦种子10 s，7 d后株高的生长速率较对照组提高了1 倍。类似地，玉米种子经200 W的MW处理20 s后，发芽率提高了30%，发芽时间缩短24%，且胚根伸长速度显著增加。对小麦种子的研究发现，采用1 kHz的低功率MW处理对小麦种子的幼苗活力、株高、根长和材料干质量均表现有益影响。与对照组相比，大多数样品的种子萌发率、幼苗活力、株高、根长和生物量百分比均随MW功率增加和处理时间延长而降低。此外，随着MW功率密度的降低，幼苗生长状态优于功率密度较高的处理组。
4.2 MW对抗氧化活性的增强效应
适宜功率的MW处理可有效激发谷物的应激响应，进而显著增强发芽谷物的抗氧化能力。研究表明，适宜的MW预处理可在发芽过程基础上，进一步提升谷物的抗氧化活性。例如300 W的MW处理苦荞种子50 s可使其DPPH自由基清除活性进一步提升。大麦经900 W处理2 min和600 W处理8.5 min后，DPPH自由基清除活性也有类似改善；甚至有研究显示，特定高功率处理可使大麦的SOD活性倍增，且经10 kW等优化参数处理后，大麦和燕麦的抗自由基活性提升50% 以上。其次，MW处理能通过调控抗氧化代谢系统增强植物的抗逆性。在镉胁迫下，MW预处理能降低小麦种子中MDA含量，同时提升ASA、GSH及光合色素等抗氧化物质浓度。此外，MW处理还可能选择性促进多酚、类黄酮（如芦丁）等具有强抗氧化活性化合物的积累，这与在红玉米等作物中观察到的抗氧化潜力提升现象相符。
4.3 MW对生物活性成分与酶活性的影响
在调控谷物酶活性与富集功能成分方面，MW处理展现出多重效应。研究表明，适宜条件的MW处理能有效调节关键酶系统。例如，曹汝鸽等研究显示，经850 W处理大米50 s，其脂肪酶、脂肪氧化酶等水解酶与氧化酶的活性均被显著抑制。同时，该处理也可激活部分代谢酶，如Lu Xinyue等以200 W的MW处理玉米20 s能显著提升玉米淀粉酶活性。在功能成分方面，MW处理表现出显著的富集作用。大量研究证实，MW处理能有效提升谷物中的酚类与黄酮类抗氧化物质含量，例如Liu Jing等研究发现，无论采用何种功率，对麦麸进行90 s或120 s的MW处理后，均观察到TPC显著增加，经处理的TPC增幅介于9%～37%之间。类似地，武娇等将燕麦种子经500 W的MW处理2 min后，该燕麦总黄酮含量达到1.2 mg/g（以芦丁当量表示），显著高于对照组。此外，MW处理还能促进特定功能成分的合成，如经300 W预处理的黑米，其萌发后的GABA含量较对照组提高了42%，并且在促进萌发的同时有效保留了多酚物质。另有研究显示，MW处理可使大豆中的胰蛋白酶抑制剂活性降低高达80%，并使植酸含量降低43%～45%。植酸是影响谷物矿物质生物利用度的主要抗营养因子之一，其含量的降低意味着谷物中铁、锌等矿物质的生物有效性将得到改善。
5 IRR处理在谷物萌发中的调控作用
5.1 紫外线（UV）处理对谷物萌发的影响
UV根据波长可分为UV-A（320～400 nm）、UV-B（280～320 nm）和UV-C（200～280 nm），其对萌发的影响呈现典型的剂量效应：低剂量常表现为促进，而高剂量则产生抑制。
适宜剂量的UV-B处理能有效激活谷物的防御性次级代谢通路，从而显著富集功能成分。例如，处理燕麦种子可使其TPC增加35.6%，DPPH自由基清除能力提升28.9%，这与PAL、查耳酮合成酶CHS等关键酶基因的上调直接相关。该效应在多种谷物中均有体现，蓝玉米发芽时结合UV-B诱导，TPC增加587.2%，总花青素增加29.9%，GABA增加199.9%；在荞麦中，优化的UV-B处理使总黄酮含量提高了97%；特定UV-B照射亦能使发芽高地大麦种子的多酚水平最高提升49.40%。其核心机制在于，UV作为一种胁迫信号，触发种子与幼苗的应激响应，系统性激活苯丙烷代谢等防御通路，驱动酚类、黄酮类等保护性物质的合成。分子层面的研究已清晰揭示其信号通路。以水稻为例，UV-B胁迫会特异性诱导转录因子OsbZIP18的高表达，后者能直接结合到苯丙烷及类黄酮合成途径中多个关键酶基因（如OsPAL5、OsC4H、OsCHS）的启动子区域，从而协同上调整个防御代谢网络的转录水平。
5.2 红外线（IR）与近红外线（NIR）处理对谷物萌发的影响
IR（760 nm～1 mm）与NIR（760～2 500 nm）主要通过温和的热效应与非热效应协同调控萌发过程，其中NIR因更强的穿透力和更均匀的热分布而更具应用潜力。
IR/NIR处理的首要优势在于其对萌发环境的物理优化。适宜剂量的红外照射能有效杀灭小麦、大豆种子表面的敏感微生物，显著降低储藏与萌发过程中的霉变风险，且不影响种子本身的水分含量，从而保障萌发环境的生物稳定性。其次，该处理能直接激活萌发相关的代谢酶。例如，10 μm波长的IR处理可激活小麦种子内的淀粉酶与蛋白酶活性，从而将萌发周期缩短12%～15%。研究还表明，在低温胁迫下，青稞、小麦等种子的内部物质（如多糖、蛋白质）会发生适应性的结构与含量变化。例如，青稞在4 ℃条件下仍能维持较高发芽率，与其蛋白质二级结构有序化比例的提升有关，这为利用IR/NIR预处理增强谷物耐低温萌发能力提供了理论依据。
6 EF、MF、MW及IRR技术的协同效应
6.1 核心机制与作用途径的横向比较
EF、MF、MW及IRR 4 类物理技术均以非热效应为核心调控谷物萌发，但在作用靶点、信号传导路径及代谢调控侧重上存在显著差异，其核心机制对比如表3所示。
6.2 技术协同应用的潜力与展望
多种物理诱导剂的战略性组合，通过机制互补与效应叠加，展现出超越单一处理的增强效果，在优化谷物生物活性化合物方面具有真正协同潜力。例如Waluyo等的研究提供了直接依据：同一实验体系中，直流或交流EF、MF处理均能在初期促进水稻种子生长，且直流场作用更为持久，提示通过参数匹配（如直流EF与特定频率MF组合）可实现更优协同启动效果。在MW与MF的组合方面，协同效应尤为显著。胡燕月等通过正交试验研究MF、MW对水稻种子胚呼吸和萌发的影响，结果表明MW与MF结合处理能大幅提升水稻种子活力指数，其促进效果显著优于单一处理组。Lazim等的最新研究进一步证实，对小麦种子进行“MW预处理-MF后处理”的序贯操作，可协同提高发芽率、α-淀粉酶活性及幼苗生物量。其协同机制在于，MW预处理不仅物理性改善了种皮透性，其热效应还可能增强细胞膜的流动性，从而提升了种子对后续MF信号的敏感性，使MF对代谢网络的调控更为高效。
总体而言，这些研究表明，基于不同物理因子作用机制的差异（如MW的瞬时物理破壁、EF的快速信号启动、MF的持续生化调控、UV的特异性代谢诱导），设计时序得当、参数匹配的组合策略，是实现谷物萌发提质增效与功能性成分定向富集的重要方向。
7 结 语
尽管物理调控技术展现出良好的应用前景，但其从实验室研究走向产业化应用仍面临诸多挑战。参数标准化与工艺重现性是首要问题，不同研究中采用的物理参数（如强度、频率、处理时间）差异较大，缺乏统一标准，导致实验结果难以横向比较和规模化复现。技术经济性方面，高强度EF和MW处理设备投资成本高、能耗大，而低强度MF处理虽成本较低但效果相对温和，需要在处理效果与经济效益之间寻找平衡点。规模化应用的工程实现也存在挑战，包括处理均匀性控制、与现有生产线的匹配度、连续化处理能力等实际问题。此外，安全性评价标准体系尚未完善，缺乏针对物理处理谷物产品的专门质量标准和检测方法。
物理调控技术在谷物萌发中展现出绿色、高效的应用前景。以EF、MF、MW及IRR为代表的物理技术通过协同作用机制，在提高发芽率、促进代谢转化、富集功能成分等方面取得显著成效。
当前研究已从单一技术应用转向多场协同创新。“EF预处理+MF萌发”“MW破壁+UV诱导”等组合模式，通过时序优化实现效应叠加。特别是IRR技术（UV/IR/NIR）的加入，与EF、MF形成技术互补——UV可特异性激活苯丙烷代谢通路，IR/NIR处理则通过温和热效应优化萌发环境，这种多物理场的协同作用为精准调控谷物萌发过程提供了新的技术维度。
面向产业化应用，需在3 个层面协同推进：在基础研究层面，运用多组学技术解析多物理场协同作用的分子机制；在工艺开发层面，建立包含各技术参数在内的“时序-强度-效应”优化模型；在工程应用层面，研发可集成多种物理场的智能化处理装备。只有实现从单一技术到多场协同、从参数优化到智能调控的系统创新目标，才能推动物理调控技术真正走向产业化，为谷物绿色加工提供全面解决方案。
这一技术体系的发展将不仅提升谷物加工效率和产品附加值，更有望推动农业生产向更环保、更可持续的方向转型，在保障粮食安全的同时实现资源的高效利用。
作者简介
通信作者：
王顺民，男，博士，安徽工程大学生物与食品工程学院教授，硕士生导师，食品系主任，食品教工党支部书记。主要从事农产品加工与贮藏及功能性食品研究，研究方向为生物活性物质富集及果蔬干燥加工。在生物活性物质的富集及果蔬的脱水加工方面进行了较为深入的研究，对微波、超声等高新技术在食品加工中的应用有丰富的经验。先后主持和参与国家、省部级科研项目13 项。在生物活性物质的富集及果蔬脱水加工方面进行了深入研究，对微波高新技术在食品加工中的应用积累了丰富的经验。先后在《Drying Technology》《Polish Journal of Food and Nutrition Sciences》《Cereal Chemistry》《Food Chemistry X》《食品科学》《南京农业大学学报》等国内外核心期刊发表论文60余篇，其中SCI/EI收录25 篇；参编著作5 部；授权国家发明专利8 项。
第一作者：
程燕，安徽工程大学食品科学与工程专业硕士研究生，在校期间积极参与项目和比赛，获得安徽省食品创新大赛二等奖，以及校级一等奖学金。
引文格式：
程燕, 朱志向, 王顺民, 等. 物理技术促进谷物萌发中的增效机制与研究进展[J]. 食品科学, 2026, 47(11): 366-378. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251210-094.
CHENG Yan, ZHU Zhixiang, WANG Shunmin, et al. Physical technologies for promoting grain germination: mechanisms of synergistic action and research progress[J]. Food Science, 2026, 47(11): 366-378. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251210-094.
实习编辑：南伊；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
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