倉儲小麥品質(zhì)變化監(jiān)控檢測研究現(xiàn)狀及進展

梁筱妍，史海萍，劉翠翠，楊 薇，樊秀花，張愛琳

（1. 天津農(nóng)學(xué)院 食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，天津 300384；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 玉米研究所,山西 忻州 034000；3. 天津農(nóng)學(xué)院 基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，天津 300384）

在倉儲過程中小麥的物理性狀、化學(xué)成分組成、生理性狀都會有一定的變化，目前中國小麥品質(zhì)變化監(jiān)控檢測主要針對單一因素進行研究，為了揭示糧堆的變化機理，對溫度場、濕度場、微氣流場等多場耦合變化進行深入研究，有助于確定有效的監(jiān)控檢測指標(biāo)、實現(xiàn)儲糧安全。

小麥?zhǔn)侵袊诙蠹Z食作物，也是主要的商品糧和儲備糧。2013—2017 年5 年平均種植面積達2 454.8 萬hm2，占全國農(nóng)作物總播種面積的14.8%，平均年總產(chǎn)量達13 045.5 萬t，占全國糧食總產(chǎn)量的20.7%[1]。隨著中國城鄉(xiāng)居民收入持續(xù)增長和城鎮(zhèn)化水平不斷提高，中國糧食消費總量呈現(xiàn)剛性增長趨勢，預(yù)計2020 年全國小麥產(chǎn)量會持續(xù)增加，小麥生產(chǎn)對中國糧食穩(wěn)定具有重要意義[2]。小麥為農(nóng)作物的種子，為有機體，在倉儲過程中會發(fā)生新陳代謝，引起組織結(jié)構(gòu)松弛、營養(yǎng)物質(zhì)減少、酶活性變?nèi)?、生命力消退等一系列物理、化學(xué)及生物學(xué)性狀的改變，從而導(dǎo)致小麥?zhǔn)秤闷焚|(zhì)和生理特性發(fā)生劣變，并且倉儲期間，小麥易受到多種真菌和蟲害的侵染，導(dǎo)致品質(zhì)劣變、發(fā)芽率降低等現(xiàn)象[3]。因此，通過對小麥關(guān)鍵因子的監(jiān)控檢測，對存在的風(fēng)險做出預(yù)警判斷迫在眉睫。

小麥的倉儲品質(zhì)主要受到環(huán)境因素和生物因素的影響，環(huán)境因素包括儲存環(huán)境的溫濕度，生物因素主要與微生物和蟲害的侵染有關(guān)，環(huán)境和生物因素直接或間接影響到小麥自身生理生化指標(biāo)。近年來關(guān)于小麥倉儲的監(jiān)控檢測研究較為廣泛，主要以改變倉儲條件、預(yù)防生物侵染以及理化指標(biāo)監(jiān)控為主，小麥生理生化指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取是其品質(zhì)準(zhǔn)確評價的前提和基礎(chǔ)。文章對倉儲小麥品質(zhì)變化監(jiān)控檢測研究進展進行綜述，以期為后續(xù)的糧食安全倉儲研究方向和建立倉儲預(yù)警模型條件的選擇提供參考。

1 小麥倉儲品質(zhì)的研究現(xiàn)狀

1.1 倉儲條件

出于食品安全和對環(huán)境的保護，小麥倉儲條件的改變分為兩種，一種是對糧倉樣式的改變，另一種是對于糧倉內(nèi)的溫濕度及氣體進行控制。糧倉樣式設(shè)計有限，故大多數(shù)的研究重心放在了改變糧倉內(nèi)部條件上。

1.1.1 氣調(diào)儲糧

氣調(diào)儲糧是世界上公認(rèn)的綠色環(huán)保、安全有效的儲糧害蟲防治技術(shù)[4]。經(jīng)濟發(fā)達國家已逐步使用氣調(diào)殺蟲代替與減少化學(xué)藥劑在儲糧上的使用，并向低溫、氣調(diào)、物理與生物綜合防治的綠色儲糧方向發(fā)展。2000 年以來中國開始進入氣調(diào)儲糧商業(yè)性應(yīng)用階段。李丹丹等[5]從氮氣氣調(diào)應(yīng)用的歷史回顧、規(guī)模發(fā)展、工藝改進、應(yīng)用效果等方面分析了這種綠色儲糧技術(shù)，并對其有效防治儲糧害蟲，良好的抑制好氧微生物作用，延緩了糧食品質(zhì)劣變速度的應(yīng)用前景進行展望。黃熠林等[6]指出氮氣氣調(diào)儲糧成功的關(guān)鍵是倉房的氣密性，氣密性越好，氮氣濃度保持時間會越長，殺蟲保鮮效果越好，運行成本越低。這為中國企業(yè)實際應(yīng)用氣調(diào)儲糧節(jié)約了寶貴的探索時間。Moncini 等[7]采用兩個意大利小麥品種驗證傳統(tǒng)倉儲方法和氮氣氣調(diào)間的差異，在長期倉儲過程中使用氮氣氣調(diào)方法可有效減少維生素E(α-生育酚)和多酚的損失，驗證了氮氣儲存方法的有效性。

氣調(diào)儲糧改變了儲糧害蟲防治依靠化學(xué)藥劑的傳統(tǒng)方式，是循環(huán)經(jīng)濟在糧食倉儲行業(yè)的具體體現(xiàn)，在儲糧中實現(xiàn)綠色環(huán)保的理念，避免了微生物真菌毒素的生長，有利于保護生態(tài)環(huán)境和保障人民的身體健康。

1.1.2 溫濕調(diào)控

溫度和水分含量是兩個對儲糧品質(zhì)變化有較大影響的物理變量。除氣調(diào)儲糧以外，糧倉內(nèi)溫濕度的監(jiān)測，可以為有效控制小麥溫度、合理防治害蟲、降低糧食損失等提供理論支持，從而提高企業(yè)的倉儲管理水平。劉進吉等[8]指出小麥儲存期間糧溫會隨室內(nèi)氣溫變化，變化幅度較大的位置主要位于糧堆表層及外圈附近。而其水分和面筋吸水量會隨著保管時間的增加而逐漸降低。因此高糧堆淺圓倉內(nèi)害蟲發(fā)生位置大多位于糧堆表面，其中以進人孔下方、通風(fēng)口下方和中心減壓管附近較易發(fā)生。因此，在儲糧過程中，應(yīng)及時通風(fēng)排濕，定期檢查表面糧堆，還可利用小功率風(fēng)機維持倉儲環(huán)境。

付強等[9]證明隔熱保溫材料及吊頂對小麥倉儲期淀粉品質(zhì)有積極作用，可在糧溫、庫溫較高的夏季通過立體內(nèi)循環(huán)將下層冷源充分利用，實現(xiàn)全年準(zhǔn)低溫儲糧，提升倉儲品質(zhì)。汪紫薇等[10]指出通風(fēng)用于冷卻糧堆并保持溫度恒定，以防止水分遷移，有效降低小麥水分，保證小麥的長期安全倉儲。王藝等[11]認(rèn)為進風(fēng)相對濕度較低時冷卻干燥效率更高，小麥糧堆降溫更快速，同時可以將昆蟲和霉菌的活動保持在較低水平。綜上所述，良好的通風(fēng)條件對糧倉內(nèi)存儲安全有顯著影響。

1.1.3 智能監(jiān)控

中國的小麥倉儲主要依靠人工進行環(huán)境監(jiān)控，利用溫度計、濕度計監(jiān)測倉內(nèi)的溫濕度，存在采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、監(jiān)控效率低下等問題，不能及時對危險環(huán)境做出相應(yīng)的處理，從而造成損失。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者結(jié)合先進的科學(xué)技術(shù)，對小麥倉儲的管理進行了深入研究，并取得了豐碩的成果。李永剛[12]結(jié)合了機械通風(fēng)和制冷兩種低溫儲糧技術(shù)，使糧食倉儲在臨界溫度以下保持儲糧生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，延緩了 糧食品質(zhì)陳化，實現(xiàn)了糧食的安全倉儲。李新宇[13]建造了基于熱管原理的低溫儲糧倉，其蓄冷效果明顯，同時具有降低糧食水分減量、抑制脂肪酸值升高、保持籽?；钚?，防止糧食劣變陳化的效果。除采取低溫儲量手段外，張懷珠等[14]利用傳感器技術(shù)和有線通信方式監(jiān)控倉儲環(huán)境，但存在布線復(fù)雜、擴展性差、管理和維護成本高等不足。隨著信息技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，借鑒新技術(shù)在其他倉儲環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用逐漸普遍化。申悅等[15]建立了小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，分析了模糊信息融合技術(shù)在小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，實現(xiàn)了倉儲環(huán)境的實時監(jiān)測和信息充分共享。智能監(jiān)控方式呈現(xiàn)出多樣性、高效性和及時性，提高倉儲質(zhì)量，保證小麥倉儲環(huán)境安全，為小麥的高品質(zhì)提供技術(shù)保障。

1.2 微生物和害蟲的防治

在小麥倉儲過程中，由于貯藏條件不當(dāng)或人為因素，易造成微生物的滋生以及害蟲的生長，使小麥的貯藏價值受到嚴(yán)重?fù)p害。

1.2.1 害蟲檢測

儲糧害蟲檢測方法較多，傳統(tǒng)的檢測方法包括信息素誘捕法、取樣過篩檢查法、全谷物的浮選方法等，這些方法操作方便，但很難滿足現(xiàn)代儲糧檢測技術(shù)要求?，F(xiàn)代物理技術(shù)包括聲波法、X 射線成像[16]、電導(dǎo)率法、近紅外光譜法等，這些方法針對一些特定害蟲效果明顯，但也存在易受外界影響和價格昂貴等問題困擾。李慧[17]通過基準(zhǔn)法、染色剖粒法、軟X射線法、低場核磁共振法來檢測小麥內(nèi)部害蟲情況，各有利弊。酸性品紅染色剖粒和基準(zhǔn)法可以檢測小麥中可能含有的害蟲，但是耗時長，不適宜快速檢測。兩種方法的結(jié)合可以有效鑒別害蟲蟲態(tài)和數(shù)量，但是需要人工單粒解剖，只適合少量樣品快速檢測。通過軟X射線檢測小麥內(nèi)部米象生長情況，可以鑒別出儲糧內(nèi)部是否有蟲害發(fā)生，其設(shè)備造價成本低，檢測速度快且成像圖像清晰，但是對于谷物中豐卵的檢測存在困境。低場核磁共振法目前仍然處于試驗階段，還未形成一套完整的判斷模型，雖然是首次引入儲糧隱蔽性害蟲檢測領(lǐng)域，但是其快速、便捷的優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)出來。目前雖有許多檢測技術(shù)可以檢測儲糧害蟲，但是實際過程中單一的技術(shù)都難以滿足實際需求，多種技術(shù)的聯(lián)合使用將是未來檢測的發(fā)展趨勢，如通過聲檢測判斷是否存在害蟲，然后結(jié)合圖像識別法以準(zhǔn)確定位害蟲位置、種類及數(shù)量。而低場核磁共振儀器可以同時依據(jù)弛豫時間和成像來判斷谷物中是否存在隱蔽性害蟲，先通過弛豫時間判斷谷物是否被害蟲感染，然后通過核磁成像功能確定害蟲位置、種類及密度，這樣檢測的準(zhǔn)確率會得到極大的提高。

1.2.2 菌群檢測

微生物即指包含細(xì)菌、病毒、真菌、微型原生動物、顯微藻類等多個種類的生物群體，因其擁有廣闊的生長及適應(yīng)范圍，從而與人們的生活息息相關(guān)。微生物雖然體積細(xì)微，但是繁殖速度非?？?，同時還會產(chǎn)生一定量的初級及次級代謝產(chǎn)物。故此正是引起眾多食物及糧食產(chǎn)品發(fā)生霉變及腐爛的重要原因。而對于本國的糧食儲備行業(yè)，研究其準(zhǔn)確的微生物檢測技術(shù)及提高檢測方法的敏感性問題則一直都是倍受眾多學(xué)者關(guān)注的課題[18]。研究微生物群落的方法主要有三類，培養(yǎng)法、傳統(tǒng)分子生物學(xué)方法和高通量測序方法。除了采用理化方法檢測小麥倉儲期間的害蟲和微生物外，高通量測序技術(shù)的逐漸完善為研究群落變化提供了新方法，高通量測序方法研究微生物多樣性具有靈敏度高，準(zhǔn)確率高的優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于各類樣品的真菌群落研究中。岳曉禹等[19]采用高通量測序技術(shù)對小麥菌群檢測，發(fā)現(xiàn)其對低豐度真菌的研究能力是培養(yǎng)法和傳統(tǒng)分子生物學(xué)方法所不能勝任的。但也存在不足，如培養(yǎng)法分離得到菌株后，可以方便地研究菌株的產(chǎn)毒素能力，而高通量測序方法只能研究真菌物種組成，在真菌毒素方面只能依據(jù)物種組成進行推測。因此，菌群檢測依舊具有一定的研究價值和廣闊的研究范圍。

1.2.3 防治措施

根據(jù)小麥中微生物和害蟲的種類不同，抗性不同，學(xué)者采用不同手段來抑制其對小麥造成的不良影響。Yao 等[20]證明了水—固相互作用在確定惰性粉的效率方面起著關(guān)鍵作用。李應(yīng)祥[21]利用食品級惰性粉延緩米象、銹赤扁谷盜等鞘翅目昆蟲的發(fā)生和發(fā)展速度，但必須嚴(yán)格控制水分，防止水分不均或偏高發(fā)生水分轉(zhuǎn)移，加大表層施粉吸濕，降低糧食的散落性，影響糧情。探管誘捕檢測儲糧害蟲的技術(shù)應(yīng)用日漸廣泛，鄭禎等[22]采用探管誘捕器與取樣篩檢法對儲糧害蟲進行捕捉，比較兩種方式的便捷性和有效性，證明夏季探管誘捕器存在更多的使用優(yōu)勢。郭東權(quán)等[16]采用電子加速器對長角扁谷盜、銹赤扁谷盜和土耳其扁谷盜成蟲及小麥進行輻照處理，實驗證明輻照劑量越高，3種試蟲的死亡速度越快，但經(jīng)2 000 Gy 以上劑量輻照的小麥粉的面團形成時間和穩(wěn)定時間顯著下降。因此，100～2 000 Gy 輻照劑量可以作為輻照防治扁甲科儲糧害蟲的適宜劑量。然而，該實驗中試蟲量較小，在實際應(yīng)用中還需開展大量驗證實驗來印證此輻照劑量的可靠性，另外電子束輻照對糧食品質(zhì)的影響也需要深入研究。防治措施不僅要結(jié)合化學(xué)物理的方法，還更要根據(jù)實際情況應(yīng)用生物方法，做到低消耗，高收益，綠色環(huán)保且無副作用，保障糧食的安全。

1.3 理化監(jiān)控和模型建立

糧食隨貯藏時間的延長，呼吸強度降低，酶活性變?nèi)?，生命力逐漸減弱，導(dǎo)致其物理化學(xué)特性改變，營養(yǎng)和加工品質(zhì)變劣。因此，對小麥的理化指標(biāo)監(jiān)控，確定最佳的貯藏條件，并針對倉儲要求建立預(yù)測模型，探索小麥品質(zhì)與環(huán)境因子間的內(nèi)在關(guān)系及互作機制，在實際生產(chǎn)中減少倉儲損失。

1.3.1 品質(zhì)檢測技術(shù)

近年來，高光譜成像技術(shù)（HSI）以其先進的非破壞技術(shù)成為品質(zhì)檢測領(lǐng)域關(guān)注的焦點。HSI 技術(shù)是一種非侵入性、非接觸式、非傳統(tǒng)技術(shù)，它能提供研究對象的空間信息和光譜信息。該技術(shù)具有光譜分辨率高、光譜響應(yīng)范圍廣、波段多而窄、“譜像合一”以及數(shù)據(jù)量大、信息豐富、數(shù)據(jù)描述模型多、分析靈活等基本特點。Szwedziak 等[23]采用多元線性回歸分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對貯藏過程中的蛋白、水分和面筋含量進行測定，得出小麥樣品中水分、蛋白質(zhì)和面筋含量均符合標(biāo)準(zhǔn)。Zhang 等[24]首次利用可見光/近紅外和SWIR 高光譜成像系統(tǒng)，結(jié)合偏最小二乘回歸算法，采用高光譜技術(shù)綜合、快速地對小麥陳化種子的發(fā)芽率（GP）、單活力指數(shù)（SVI）、可溶性蛋白和糖含量進行了預(yù)測，建立定量模型，為開發(fā)一種更簡單、更全面、非破壞性的小麥種子活力分析系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

這些特點決定了HSI 技術(shù)不僅能檢測食品外部的質(zhì)量，還可以檢測到食品內(nèi)部的品質(zhì)，圖像數(shù)據(jù)能反映產(chǎn)品的外部特征，而光譜數(shù)據(jù)又可以對物體內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分進行分析，所以說HSI 技術(shù)是圖像技術(shù)與光譜技術(shù)的完美結(jié)合。HSI 技術(shù)形成的數(shù)據(jù)可以用“三維數(shù)據(jù)塊”來形象地描述，比傳統(tǒng)機器視覺或光譜技術(shù)更可靠，這是HSI 技術(shù)在食品品質(zhì)無損檢測方面的獨特優(yōu)勢。

1.3.2 倉儲模擬模型

中國對倉儲糧堆溫度和水分的研究興起不久，采用現(xiàn)場觀測，以記錄水分和溫度的變化，這種研究方法需要耗費大量的人力，并且需要花費大量的時間。也有一部分學(xué)者利用數(shù)值模擬的方法對溫度和水分進行分析，然后與實驗結(jié)果對比分析，該方法應(yīng)用較多。

白忠權(quán)等[25]以小麥為研究對象，考察小麥的吸濕和解吸濕特性，利用多物理場數(shù)值模擬技術(shù)，運用COMSOL 軟件，重點研究了環(huán)境溫度固定的情況下糧堆中溫度與水分隨時間的變化情況，揭示了糧堆的霉變、結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及可能出現(xiàn)的位置，其研究結(jié)果為預(yù)防結(jié)露和降低發(fā)熱霉變提供了理論依據(jù)。王遠成等[26]根據(jù)多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)理論，建立了通風(fēng)狀態(tài)下糧倉內(nèi)的熱量和水分耦合模型，并利用數(shù)值模擬的方法，得到了通風(fēng)狀態(tài)下糧堆內(nèi)的溫度和水分變化規(guī)律。根據(jù)計算流體動力學(xué)原理模擬糧倉中空氣、溫度、水分等變化信息，并根據(jù)模擬結(jié)果，研究了機械通風(fēng)降溫時糧倉內(nèi)通風(fēng)量、溫度、水分與外界環(huán)境溫度、水分的關(guān)系。尹君[27]采用多場耦合理論，得到了糧堆溫度場、濕度場、微氣流場等多場分布及變化規(guī)律，預(yù)測糧堆結(jié)露發(fā)生的位置及時間。確保儲糧安全至關(guān)重要，構(gòu)建小麥糧堆多場耦合數(shù)學(xué)模型，預(yù)測糧堆結(jié)露發(fā)生的位置和時間，可為深入研究生物場對儲糧生態(tài)系統(tǒng)的影響而奠定基礎(chǔ)。

2 小麥品質(zhì)劣變風(fēng)險預(yù)警防控的措施

針對小麥倉儲品質(zhì)劣變的影響因素，其防治措施應(yīng)做到精準(zhǔn)管控。在倉儲條件上，除采取通風(fēng)優(yōu)良，保濕保溫較好的糧庫外，利用氮氣氣調(diào)進行倉儲，以全天智能監(jiān)控代替人工監(jiān)控及時對危險環(huán)境做出相應(yīng)的處理。雖然目前智能監(jiān)控系統(tǒng)尚未開發(fā)完善，屬于新興技術(shù)，但其發(fā)展空間以及多樣性、高效性和及時性有目共睹。探管誘捕器與取樣篩檢法可應(yīng)用于大型糧庫，有效檢測出害蟲的存在，利用惰性粉對于小麥堆里已有的昆蟲及時殺滅，結(jié)合輻照措施對于糧堆進行定期處理，分別采用不同手段來消除微生物和害蟲對小麥造成的不良影響。另外，通過物理、化學(xué)和生物技術(shù)的相結(jié)合，盡可能地做到綠色高效的防治。

由于小麥倉儲品質(zhì)的劣變多為環(huán)境因子所引發(fā)的，故對糧庫采取精準(zhǔn)的理化指標(biāo)測定尤為重要，HSI 技術(shù)的興起，極大程度地減輕人工檢測的難度，圖像技術(shù)與光譜技術(shù)的完美結(jié)合，比傳統(tǒng)機器視覺或光譜技術(shù)更可靠。利用已測定的數(shù)值和借用糧庫糧食變化的規(guī)律，建立相關(guān)預(yù)測模型，具有重大影響意義。該方法一方面減輕了人力物力的成本，其預(yù)見性可以及時改變倉儲條件，做出相應(yīng)處理；另一方面真正做到了綠色監(jiān)控，對糧食不產(chǎn)生有害物質(zhì)，對糧庫環(huán)境也無較大損害。以上措施具有較高的執(zhí)行可能性，可應(yīng)用于生產(chǎn)實踐當(dāng)中。

3 展 望

由于中國具有儲糧生態(tài)區(qū)域多樣化、儲糧品種繁多等特性，倉儲設(shè)施具有因地制宜的性質(zhì)，所以需運用更多的倉儲生態(tài)區(qū)域和其他糧種作為研究對象，全面廣泛地研究；在糧堆倉儲過程中因糧食自身吸附解吸作用和呼吸作用，使糧食處于不停地吸附解吸動態(tài)變化而引起糧堆水分、熱量的變化，進而促使糧堆內(nèi)生物場（如微生物的滋生、儲糧害蟲的活動等）狀態(tài)的改變對儲糧狀態(tài)的影響，故需進一步將糧堆生物場加入到預(yù)警防控當(dāng)中。此外，小麥倉儲的品質(zhì)保障可實行多元化防控措施，對于已經(jīng)達到控溫控濕的糧庫，進行特定的輻照措施，既可以防止微生物和害蟲的產(chǎn)生，又不影響小麥的倉儲，這一設(shè)想具有實施的可能性。

糧食產(chǎn)業(yè)的一項重要要求是快速獲取收購和儲存糧食的質(zhì)量信息。因此，需要不斷地尋找解決方案，以便快速評估所選擇的存儲谷物的質(zhì)量參數(shù)，當(dāng)安全威脅發(fā)生時作出快速反應(yīng)。為了更好地保障小麥的倉儲品質(zhì)，延長小麥的倉儲期，快捷，節(jié)能、綠色、低成本的小麥控溫倉儲方式，將是小麥倉儲未來需要研究的重要課題。