基于温湿度场云图的小麦粮堆霉变与温湿度耦合分析

王小萌，吴文福，尹 君，张忠杰，吴子丹※，张洪清

（1. 吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022；2. 国家粮食局科学研究院，北京 100037）

0 引 言

温度和水分是影响粮食储藏的主要因素。在长期的储藏过程中，当粮食温度和水分超过安全储藏的临界值或者粮堆中出现局部热量和水分的积聚时，很容易诱发粮食霉变、发热和虫害[1]。

为了实现粮食安全储藏，国内外学者对粮仓内部温度场、湿度场、粮堆霉变等进行了大量的研究。张忠杰等[2]、张燕君等[3]、李军军等[4]模拟了平房仓内准静态状态下粮堆温度场变化。Jia等[5]和Roberta等[6]分别对圆筒仓和布袋仓内的温度场进行了模拟研究。Gasto′n等[7]和Hammamia等[8]分别对布袋仓和筒仓内的温度场和水分含量变化进行了模拟研究。唐芳等[9-12]、陈畅等[13]研究了不同水分含量的小麦、玉米和水稻在不同温度下储藏的霉变情况。Jian研究发现微生物的呼吸作用产生的热量是发热点发展初期的主要热源[14]，且影响粮堆自发热的主要因素是温度、粮食含水量、气体成分和微生物的呼吸[15-16]。但是中国的储粮周期长、粮堆体积大，粮堆中的温度、湿度与微生物的变化更为复杂，因此研究粮堆内的多场耦合效应对储粮实践意义重大。

2014年，吴子丹等[17]首次将多场耦合理论应用到粮食储藏中，提出要建立多场耦合模型，对粮堆生物场和非生物场耦合作用进行定量分析和仿真，此后，尹君等[18-19]采用了多场耦合理论研究储粮生态系统状态的变化，并运用多场耦合理论构建了非人工干预状态下小麦粮堆温度场、湿度场、微气流场等多场耦合数学模型。元伟[20-21]、王远成等[22]、潘玉等[23]利用有限元法建立了静态和通风时粮堆内的热湿耦合传递模型。但是，目前还缺乏对温度场、湿度场与粮堆霉变耦合过程的定量关系和时间、空间关系的规律研究。

本文在自建模拟仓装置基础上，利用加热元件加热粮堆，模拟粮仓热芯，通过构建温度和相对湿度场云图来揭示温、湿度场与霉变的时空耦合关系，以期为今后进一步建立耦合规律和储粮过程中霉变发热的监测预报奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验样品

本试验采用周麦样品，初始水分含量为11%（w.b.），容重为781 g/L，杂质含量为0.5%，无霉变粒，。

1.2 试剂及仪器

NIKON E100显微镜：日本尼康公司；DHG一9140型电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；储粮真菌危害早期检测仪[24]：中国国家粮食局科学研究院；多参数粮情检测系统：中国深圳市东大恒丰科技有限公司。

本试验所用水均为去离子水。

1.3 试验方法

1.3.1 样品复水

将水分含量为11%（w.b.）的小麦进行除杂、清理，采用喷雾着水法，边加水边搅拌，先将水分含量调制到16%（w.b.），再逐步调制到水分含量 20%（w.b.），然后将样品装入塑料袋中，密封于5 ℃冰箱中平衡10 d。调质后，测定小麦样品的最终水分含量为20.1%（w.b.）。

1.3.2 模拟仓装置

小麦模拟仓发热点试验装置(图1)是一个底面内直径0.54 m、高0.70 m的铁筒仓，仓壁厚度为0.01 m。模拟仓上方中心位置开有内直径为0.08 m的通气管。模拟仓内底面和四周铺设0.02 m厚的橡塑保温材料。

图1 模拟试验装置图Fig.1 Schematic of simulation test silo

1.3.3 储藏模拟设置

模拟仓内放置 2种不同水分含量的小麦，小麦粮堆高度为0.60 m，水分含量为20.1%（w.b.）的小麦处于模拟仓中心部位，形成底面直径为0.30 m、高0.30 m的圆柱，其余部位小麦的水分含量为 11%（w.b.）。水分含量20.1%（w.b.）的粮堆中心插入加热元件，加热元件的温度设为30 ℃，目的是利用加热元件引发粮堆内部湿热迁移，试验232 h后，加热元件停止加热。模拟仓储藏在温度为18 ℃的恒温室内。水分含量为20.1%（w.b.）的小麦作为图1中的高水分小麦，水分含量为11%（w.b.）的小麦作为图1中的低水分小麦。2种水分含量的小麦的初始粮温均为15 ℃。水分含量11%（w.b.）小麦粮堆初始平均相对湿度为54%，水分含量为20.1%（w.b.）小麦粮堆初始平均相对湿度为90%。

1.4 测量指标及方法

1.4.1 危害真菌孢子

参考文献[25]的方法，取10.0 g小麦籽粒样品，于50 mL具塞试管中，加30 mL水，加塞，振荡1 min，过300目滤布，取过滤液于显微镜下进行真菌孢子计数。

1.4.2 CO2含量

分别在粮堆高度为0.3、0.15、0和-0.2 m的粮层中心位置向仓盖上的通气管引出软管，软管插入粮堆内部的一端缠有纱布。使用储粮真菌危害早期检测仪（型号为ASAG，量程为0～50 000 ppm，检测精度≤±3%）检测小麦粮堆内部的CO2含量。

1.4.3 温湿度

采用温湿度集成的粮情检测系统检测粮堆内温度和相对湿度的变化，此系统包括温湿度传感器探头、主机和分机。温湿度传感器探头精度为：温度精度±0.3 ℃，湿度精度±3%RH。

1.4.4 水分含量

本试验中涉及的水分含量测定方法均为烘箱干燥法[26]。

1.5 数据处理

选取粮堆中垂面温湿度传感器检测到的温度和相对湿度数据，使用Matlab处理试验中的温、湿度数据，利用四点样条插值法绘制粮堆内的温度场和湿度场云图。使用 Origin 处理试验中的温度和相对湿度、CO2浓度数据，绘制变化曲线。

2 结果与分析

2.1 温度变化

图2的温度场云图显示，小麦粮堆在30 ℃加热元件的加热下，粮温缓慢升高，停止加热后，热量从粮堆的上方散失，粮温逐渐降低，最终粮温和模拟仓外温度保持一致，为18 ℃。

图 3为储藏期间小麦粮堆中垂面 A、B、C、D、E取样点的温度变化曲线。图中A、C、D、E点均匀分布在B点的上方、下方、左方和右方，距离为0.15 m，温度升高时呈现线性变化。在热浮升力作用下，A点升温速率最高，为0.029 ℃/h。 C、D、E点升温速率基本相同，为 0.022 ℃/h。A、C、D、E 点升高的最高温度分别为22.7、23.3、21.3和21 ℃。在加热期间，C点的温度最早升高，且一直高于其他点，这是因为发热元件所在位置恰好和其中 1个温湿度传感器探头位置重合，为了避免发热元件干扰传感器的读数，发热元件的位置稍微向B点位置的下方偏移。

图2 储藏不同时间后小麦粮堆中垂面温度场云图Fig.2 Measured temperature cloud charts of min-vertical plane in wheat bulk after different storage time

图3 小麦粮堆中垂面不同取样点的温度变化Fig.3 Temperature variation of different sampling points on min-vertical plane of wheat bulk

2.2 相对湿度变化

图 4为储藏不同时间后小麦粮堆中垂面的湿度场云图。由图 4可知，小麦粮堆在加热元件的加热下，高水分小麦中心的相对湿度迅速降低，形成低湿度区。加热点停止加热后，高水分小麦中心的相对湿度又逐渐升高，并且在加热点上方形成了窝状高湿区域。

图5是储藏过程中小麦粮堆中垂面的A、B、C、D、E取样点的温度变化曲线。图5中D、E相对湿度分别从85.4%、88.7%逐渐降低到79.7%、82.5%，变化趋势基本相同；0～183 h，A点相对湿度从94.6%降低到87%，随后，又逐渐升高到 99.6%；0～232 h，B点相对湿度从89.1%降低到59.5%，随后，又逐渐升高到83.2%；C点相对湿度降低得最快，0～141 h，相对湿度从86.5%降低到69.8%，随后，又逐渐升高到78.65%。距离B点均相距0.15 m的A、B、C、D、E点相对湿度降低速率：C ＞ B ＞ A ＞ D ≈ E。

图4和图5现象的出现，主要是由粮堆内的微气流和扩散作用引起的。在加热元件作用下，加热点附近粮堆被干燥，粮堆处于解析状态，相对湿度逐渐降低。在以微气流作用为主，扩散运动为辅的情况下，粮堆内的湿空气主要向上移动，同时也向模拟仓内壁方向扩散。加热点停止加热后的短时间内，微气流作用减弱，但仍起主导作用，当粮温和模拟仓外温度相同后，扩散作用为主，因此粮堆内的部分湿空气又逐渐填充到原加热点位置。通过上述分析可知，试验过程中，粮堆内的加热中心处于解析状态，加热中心上层处于吸附状态，因此高温中心与高湿度中心不重合。

2.3 真菌孢子数测定

表1为小麦粮堆储藏800 h前后不同取样点的真菌变化。表1表明，霉变区域主要存在于加热点中心周围的A、C、D和E区域，且A区域发霉最严重，D和E区域次之。储粮真菌危害检测判定标准中[27]，安全等级为不出现危害真菌生长；临界等级时，先出现灰绿曲霉，后期将出现少量亮白曲霉；危险等级时，灰绿曲霉生长优势被亮白曲霉取代；重度危险等级时，粮堆中生物的微生物以亮白曲霉为主。

图5 小麦粮堆中垂面不同取样点的相对湿度变化图Fig.5 Relative humidity variation of different sampling points on min-vertical plane of wheat bulk

表1 储藏800 h后不同取样点的真菌变化Table 1 Fungal variation of different sampling points after 800 h

表2为储粮真菌危害检测判定标准。依据表2可知，A区域的小麦安全性处于重度危险等级，D和E区域的小麦处于危险等级，C区域的小麦安全性处于临界状态。这是由于粮堆微生物生长需要适宜的温度和湿度[28]。比较图3和图5可以发现，在加热元件加热下，A区域小麦一直处于较高温度和较高湿度环境中，很容易生长霉菌；B区域小麦虽处于高温下，但是相对湿度较低，不利于微生物生长；C区域小麦温度与A区域相近，但是湿度比A区域低（图4），因此霉变速度较A区域慢；D区域和E区域小麦温度和A、C区域相近，但是相对湿度较C区域高，较A区域低，因此霉变情况较C区域严重，比A区域轻。这也说明，粮堆内温湿度变化过程中，霉变不仅与时间相关，也与空间位置相关。

表2 储粮真菌危害检测判定标准[27]Table 2 Criteria for determination of damage of stored grain fungus [27]

在试验过程中，在粮堆内并没有出现自发热点。这可能是因为停止加热后，粮温偏低，粮堆内微生物呼吸作用产热量少，热量又很容易散失到模拟仓外，以至于不能检测到温升现象。

2.4 CO2含量的变化

通过检测粮堆内 CO2浓度变化，可以判断粮堆是否发生霉变及霉变的强弱[29-31]。图6是不同粮堆高度的CO2浓度变化曲线图，由图6可知，粮面以下0.3、0.15、0、-0.2 m 的4个粮层的CO2含量均是从开始迅速升高后，达到最高值25 600、26 600、31 150、31 550 ppm，试验232 h，加热元件停止加热后，迅速降低。这表明粮温高时，微生物活动剧烈，粮温降低后，微生物活动微弱，也就是说粮温高时，粮堆内温度和湿度耦合促进微生物的呼吸作用，粮温低时，温度和湿度耦合抑制了微生物的呼吸作用。

比较表1和图6可发现，粮堆中CO2含量的变化和真菌孢子数并不一致，这是由于模拟仓底部封闭，上部开有与外界通气的孔，试验过程中，粮堆霉变生成的CO2在微气流和扩散作用下向仓顶部和仓底部移动，向顶部移动的CO2将从通气孔散到仓外，向仓底部移动的 CO2将沉积在仓底部，导致粮堆底部的 CO2浓度高于粮堆顶部。

图6 小麦粮堆不同粮层的CO2含量变化Fig.6 Changes of CO2 content in different layers of wheat bulk

3 结 论

在模拟仓中，加热元件短时加热，引发粮堆内湿热迁移。根据试验结果，可以得到以下结论：

1）粮堆在加热下，中心温度升高到30℃，同时热量向四周传递；在微气流和扩散作用下，粮堆内部湿空气主要向上移动，并在粮堆上层形成相对湿度为99.6%的高湿度区。

2）试验过程中，粮堆中心高温区域，湿度偏低，几乎没有出现霉变现象，真菌孢子数＜104个/g；霉变主要出现在高温中心外围湿度偏高的位置；且高温中心上部，相对湿度一直保持在 85%以上，霉变最严重，真菌孢子数最高达到 1.35×107个/g。说明在温度和湿度的变化和耦合过程中，粮堆霉变不仅是时间的函数，同时也是空间的函数。

3）本试验还可以看出，如果温度较低，即使局部水分较高，其微生物的增长也会较缓，表现为温度场、湿度场耦合对微生物的生长促进作用强度不足，引起微生物爆发性增长所需要的时间延长，甚至并不出现明显的发热，但是仍然会导致储粮缓慢霉变。

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