仓储小麦品质变化监控检测研究现状及进展

梁筱妍，史海萍，刘翠翠，杨 薇，樊秀花，张爱琳

（1. 天津农学院 食品科学与生物工程学院，天津 300384；2. 山西农业大学 玉米研究所,山西 忻州 034000；3. 天津农学院 基础科学学院，天津 300384）

在仓储过程中小麦的物理性状、化学成分组成、生理性状都会有一定的变化，目前中国小麦品质变化监控检测主要针对单一因素进行研究，为了揭示粮堆的变化机理，对温度场、湿度场、微气流场等多场耦合变化进行深入研究，有助于确定有效的监控检测指标、实现储粮安全。

小麦是中国第二大粮食作物，也是主要的商品粮和储备粮。2013—2017 年5 年平均种植面积达2 454.8 万hm2，占全国农作物总播种面积的14.8%，平均年总产量达13 045.5 万t，占全国粮食总产量的20.7%[1]。随着中国城乡居民收入持续增长和城镇化水平不断提高，中国粮食消费总量呈现刚性增长趋势，预计2020 年全国小麦产量会持续增加，小麦生产对中国粮食稳定具有重要意义[2]。小麦为农作物的种子，为有机体，在仓储过程中会发生新陈代谢，引起组织结构松弛、营养物质减少、酶活性变弱、生命力消退等一系列物理、化学及生物学性状的改变，从而导致小麦食用品质和生理特性发生劣变，并且仓储期间，小麦易受到多种真菌和虫害的侵染，导致品质劣变、发芽率降低等现象[3]。因此，通过对小麦关键因子的监控检测，对存在的风险做出预警判断迫在眉睫。

小麦的仓储品质主要受到环境因素和生物因素的影响，环境因素包括储存环境的温湿度，生物因素主要与微生物和虫害的侵染有关，环境和生物因素直接或间接影响到小麦自身生理生化指标。近年来关于小麦仓储的监控检测研究较为广泛，主要以改变仓储条件、预防生物侵染以及理化指标监控为主，小麦生理生化指标数据的获取是其品质准确评价的前提和基础。文章对仓储小麦品质变化监控检测研究进展进行综述，以期为后续的粮食安全仓储研究方向和建立仓储预警模型条件的选择提供参考。

1 小麦仓储品质的研究现状

1.1 仓储条件

出于食品安全和对环境的保护，小麦仓储条件的改变分为两种，一种是对粮仓样式的改变，另一种是对于粮仓内的温湿度及气体进行控制。粮仓样式设计有限，故大多数的研究重心放在了改变粮仓内部条件上。

1.1.1 气调储粮

气调储粮是世界上公认的绿色环保、安全有效的储粮害虫防治技术[4]。经济发达国家已逐步使用气调杀虫代替与减少化学药剂在储粮上的使用，并向低温、气调、物理与生物综合防治的绿色储粮方向发展。2000 年以来中国开始进入气调储粮商业性应用阶段。李丹丹等[5]从氮气气调应用的历史回顾、规模发展、工艺改进、应用效果等方面分析了这种绿色储粮技术，并对其有效防治储粮害虫，良好的抑制好氧微生物作用，延缓了粮食品质劣变速度的应用前景进行展望。黄熠林等[6]指出氮气气调储粮成功的关键是仓房的气密性，气密性越好，氮气浓度保持时间会越长，杀虫保鲜效果越好，运行成本越低。这为中国企业实际应用气调储粮节约了宝贵的探索时间。Moncini 等[7]采用两个意大利小麦品种验证传统仓储方法和氮气气调间的差异，在长期仓储过程中使用氮气气调方法可有效减少维生素E(α-生育酚)和多酚的损失，验证了氮气储存方法的有效性。

气调储粮改变了储粮害虫防治依靠化学药剂的传统方式，是循环经济在粮食仓储行业的具体体现，在储粮中实现绿色环保的理念，避免了微生物真菌毒素的生长，有利于保护生态环境和保障人民的身体健康。

1.1.2 温湿调控

温度和水分含量是两个对储粮品质变化有较大影响的物理变量。除气调储粮以外，粮仓内温湿度的监测，可以为有效控制小麦温度、合理防治害虫、降低粮食损失等提供理论支持，从而提高企业的仓储管理水平。刘进吉等[8]指出小麦储存期间粮温会随室内气温变化，变化幅度较大的位置主要位于粮堆表层及外圈附近。而其水分和面筋吸水量会随着保管时间的增加而逐渐降低。因此高粮堆浅圆仓内害虫发生位置大多位于粮堆表面，其中以进人孔下方、通风口下方和中心减压管附近较易发生。因此，在储粮过程中，应及时通风排湿，定期检查表面粮堆，还可利用小功率风机维持仓储环境。

付强等[9]证明隔热保温材料及吊顶对小麦仓储期淀粉品质有积极作用，可在粮温、库温较高的夏季通过立体内循环将下层冷源充分利用，实现全年准低温储粮，提升仓储品质。汪紫薇等[10]指出通风用于冷却粮堆并保持温度恒定，以防止水分迁移，有效降低小麦水分，保证小麦的长期安全仓储。王艺等[11]认为进风相对湿度较低时冷却干燥效率更高，小麦粮堆降温更快速，同时可以将昆虫和霉菌的活动保持在较低水平。综上所述，良好的通风条件对粮仓内存储安全有显著影响。

1.1.3 智能监控

中国的小麦仓储主要依靠人工进行环境监控，利用温度计、湿度计监测仓内的温湿度，存在采集数据不准确、监控效率低下等问题，不能及时对危险环境做出相应的处理，从而造成损失。近年来，国内外专家学者结合先进的科学技术，对小麦仓储的管理进行了深入研究，并取得了丰硕的成果。李永刚[12]结合了机械通风和制冷两种低温储粮技术，使粮食仓储在临界温度以下保持储粮生态系统稳定，延缓了 粮食品质陈化，实现了粮食的安全仓储。李新宇[13]建造了基于热管原理的低温储粮仓，其蓄冷效果明显，同时具有降低粮食水分减量、抑制脂肪酸值升高、保持籽粒活性，防止粮食劣变陈化的效果。除采取低温储量手段外，张怀珠等[14]利用传感器技术和有线通信方式监控仓储环境，但存在布线复杂、扩展性差、管理和维护成本高等不足。随着信息技术和无线传感器网络的快速发展，借鉴新技术在其他仓储环境监控中的应用逐渐普遍化。申悦等[15]建立了小麦仓储环境监控系统，分析了模糊信息融合技术在小麦仓储环境监控系统中的应用，实现了仓储环境的实时监测和信息充分共享。智能监控方式呈现出多样性、高效性和及时性，提高仓储质量，保证小麦仓储环境安全，为小麦的高品质提供技术保障。

1.2 微生物和害虫的防治

在小麦仓储过程中，由于贮藏条件不当或人为因素，易造成微生物的滋生以及害虫的生长，使小麦的贮藏价值受到严重损害。

1.2.1 害虫检测

储粮害虫检测方法较多，传统的检测方法包括信息素诱捕法、取样过筛检查法、全谷物的浮选方法等，这些方法操作方便，但很难满足现代储粮检测技术要求。现代物理技术包括声波法、X 射线成像[16]、电导率法、近红外光谱法等，这些方法针对一些特定害虫效果明显，但也存在易受外界影响和价格昂贵等问题困扰。李慧[17]通过基准法、染色剖粒法、软X射线法、低场核磁共振法来检测小麦内部害虫情况，各有利弊。酸性品红染色剖粒和基准法可以检测小麦中可能含有的害虫，但是耗时长，不适宜快速检测。两种方法的结合可以有效鉴别害虫虫态和数量，但是需要人工单粒解剖，只适合少量样品快速检测。通过软X射线检测小麦内部米象生长情况，可以鉴别出储粮内部是否有虫害发生，其设备造价成本低，检测速度快且成像图像清晰，但是对于谷物中丰卵的检测存在困境。低场核磁共振法目前仍然处于试验阶段，还未形成一套完整的判断模型，虽然是首次引入储粮隐蔽性害虫检测领域，但是其快速、便捷的优势已经显现出来。目前虽有许多检测技术可以检测储粮害虫，但是实际过程中单一的技术都难以满足实际需求，多种技术的联合使用将是未来检测的发展趋势，如通过声检测判断是否存在害虫，然后结合图像识别法以准确定位害虫位置、种类及数量。而低场核磁共振仪器可以同时依据弛豫时间和成像来判断谷物中是否存在隐蔽性害虫，先通过弛豫时间判断谷物是否被害虫感染，然后通过核磁成像功能确定害虫位置、种类及密度，这样检测的准确率会得到极大的提高。

1.2.2 菌群检测

微生物即指包含细菌、病毒、真菌、微型原生动物、显微藻类等多个种类的生物群体，因其拥有广阔的生长及适应范围，从而与人们的生活息息相关。微生物虽然体积细微，但是繁殖速度非常快，同时还会产生一定量的初级及次级代谢产物。故此正是引起众多食物及粮食产品发生霉变及腐烂的重要原因。而对于本国的粮食储备行业，研究其准确的微生物检测技术及提高检测方法的敏感性问题则一直都是倍受众多学者关注的课题[18]。研究微生物群落的方法主要有三类，培养法、传统分子生物学方法和高通量测序方法。除了采用理化方法检测小麦仓储期间的害虫和微生物外，高通量测序技术的逐渐完善为研究群落变化提供了新方法，高通量测序方法研究微生物多样性具有灵敏度高，准确率高的优势，已被广泛应用于各类样品的真菌群落研究中。岳晓禹等[19]采用高通量测序技术对小麦菌群检测，发现其对低丰度真菌的研究能力是培养法和传统分子生物学方法所不能胜任的。但也存在不足，如培养法分离得到菌株后，可以方便地研究菌株的产毒素能力，而高通量测序方法只能研究真菌物种组成，在真菌毒素方面只能依据物种组成进行推测。因此，菌群检测依旧具有一定的研究价值和广阔的研究范围。

1.2.3 防治措施

根据小麦中微生物和害虫的种类不同，抗性不同，学者采用不同手段来抑制其对小麦造成的不良影响。Yao 等[20]证明了水—固相互作用在确定惰性粉的效率方面起着关键作用。李应祥[21]利用食品级惰性粉延缓米象、锈赤扁谷盗等鞘翅目昆虫的发生和发展速度，但必须严格控制水分，防止水分不均或偏高发生水分转移，加大表层施粉吸湿，降低粮食的散落性，影响粮情。探管诱捕检测储粮害虫的技术应用日渐广泛，郑祯等[22]采用探管诱捕器与取样筛检法对储粮害虫进行捕捉，比较两种方式的便捷性和有效性，证明夏季探管诱捕器存在更多的使用优势。郭东权等[16]采用电子加速器对长角扁谷盗、锈赤扁谷盗和土耳其扁谷盗成虫及小麦进行辐照处理，实验证明辐照剂量越高，3种试虫的死亡速度越快，但经2 000 Gy 以上剂量辐照的小麦粉的面团形成时间和稳定时间显著下降。因此，100～2 000 Gy 辐照剂量可以作为辐照防治扁甲科储粮害虫的适宜剂量。然而，该实验中试虫量较小，在实际应用中还需开展大量验证实验来印证此辐照剂量的可靠性，另外电子束辐照对粮食品质的影响也需要深入研究。防治措施不仅要结合化学物理的方法，还更要根据实际情况应用生物方法，做到低消耗，高收益，绿色环保且无副作用，保障粮食的安全。

1.3 理化监控和模型建立

粮食随贮藏时间的延长，呼吸强度降低，酶活性变弱，生命力逐渐减弱，导致其物理化学特性改变，营养和加工品质变劣。因此，对小麦的理化指标监控，确定最佳的贮藏条件，并针对仓储要求建立预测模型，探索小麦品质与环境因子间的内在关系及互作机制，在实际生产中减少仓储损失。

1.3.1 品质检测技术

近年来，高光谱成像技术（HSI）以其先进的非破坏技术成为品质检测领域关注的焦点。HSI 技术是一种非侵入性、非接触式、非传统技术，它能提供研究对象的空间信息和光谱信息。该技术具有光谱分辨率高、光谱响应范围广、波段多而窄、“谱像合一”以及数据量大、信息丰富、数据描述模型多、分析灵活等基本特点。Szwedziak 等[23]采用多元线性回归分析和神经网络模型对贮藏过程中的蛋白、水分和面筋含量进行测定，得出小麦样品中水分、蛋白质和面筋含量均符合标准。Zhang 等[24]首次利用可见光/近红外和SWIR 高光谱成像系统，结合偏最小二乘回归算法，采用高光谱技术综合、快速地对小麦陈化种子的发芽率（GP）、单活力指数（SVI）、可溶性蛋白和糖含量进行了预测，建立定量模型，为开发一种更简单、更全面、非破坏性的小麦种子活力分析系统奠定了基础。

这些特点决定了HSI 技术不仅能检测食品外部的质量，还可以检测到食品内部的品质，图像数据能反映产品的外部特征，而光谱数据又可以对物体内部物理结构及化学成分进行分析，所以说HSI 技术是图像技术与光谱技术的完美结合。HSI 技术形成的数据可以用“三维数据块”来形象地描述，比传统机器视觉或光谱技术更可靠，这是HSI 技术在食品品质无损检测方面的独特优势。

1.3.2 仓储模拟模型

中国对仓储粮堆温度和水分的研究兴起不久，采用现场观测，以记录水分和温度的变化，这种研究方法需要耗费大量的人力，并且需要花费大量的时间。也有一部分学者利用数值模拟的方法对温度和水分进行分析，然后与实验结果对比分析，该方法应用较多。

白忠权等[25]以小麦为研究对象，考察小麦的吸湿和解吸湿特性，利用多物理场数值模拟技术，运用COMSOL 软件，重点研究了环境温度固定的情况下粮堆中温度与水分随时间的变化情况，揭示了粮堆的霉变、结露现象产生的原因及可能出现的位置，其研究结果为预防结露和降低发热霉变提供了理论依据。王远成等[26]根据多孔介质的传热传质理论，建立了通风状态下粮仓内的热量和水分耦合模型，并利用数值模拟的方法，得到了通风状态下粮堆内的温度和水分变化规律。根据计算流体动力学原理模拟粮仓中空气、温度、水分等变化信息，并根据模拟结果，研究了机械通风降温时粮仓内通风量、温度、水分与外界环境温度、水分的关系。尹君[27]采用多场耦合理论，得到了粮堆温度场、湿度场、微气流场等多场分布及变化规律，预测粮堆结露发生的位置及时间。确保储粮安全至关重要，构建小麦粮堆多场耦合数学模型，预测粮堆结露发生的位置和时间，可为深入研究生物场对储粮生态系统的影响而奠定基础。

2 小麦品质劣变风险预警防控的措施

针对小麦仓储品质劣变的影响因素，其防治措施应做到精准管控。在仓储条件上，除采取通风优良，保湿保温较好的粮库外，利用氮气气调进行仓储，以全天智能监控代替人工监控及时对危险环境做出相应的处理。虽然目前智能监控系统尚未开发完善，属于新兴技术，但其发展空间以及多样性、高效性和及时性有目共睹。探管诱捕器与取样筛检法可应用于大型粮库，有效检测出害虫的存在，利用惰性粉对于小麦堆里已有的昆虫及时杀灭，结合辐照措施对于粮堆进行定期处理，分别采用不同手段来消除微生物和害虫对小麦造成的不良影响。另外，通过物理、化学和生物技术的相结合，尽可能地做到绿色高效的防治。

由于小麦仓储品质的劣变多为环境因子所引发的，故对粮库采取精准的理化指标测定尤为重要，HSI 技术的兴起，极大程度地减轻人工检测的难度，图像技术与光谱技术的完美结合，比传统机器视觉或光谱技术更可靠。利用已测定的数值和借用粮库粮食变化的规律，建立相关预测模型，具有重大影响意义。该方法一方面减轻了人力物力的成本，其预见性可以及时改变仓储条件，做出相应处理；另一方面真正做到了绿色监控，对粮食不产生有害物质，对粮库环境也无较大损害。以上措施具有较高的执行可能性，可应用于生产实践当中。

3 展 望

由于中国具有储粮生态区域多样化、储粮品种繁多等特性，仓储设施具有因地制宜的性质，所以需运用更多的仓储生态区域和其他粮种作为研究对象，全面广泛地研究；在粮堆仓储过程中因粮食自身吸附解吸作用和呼吸作用，使粮食处于不停地吸附解吸动态变化而引起粮堆水分、热量的变化，进而促使粮堆内生物场（如微生物的滋生、储粮害虫的活动等）状态的改变对储粮状态的影响，故需进一步将粮堆生物场加入到预警防控当中。此外，小麦仓储的品质保障可实行多元化防控措施，对于已经达到控温控湿的粮库，进行特定的辐照措施，既可以防止微生物和害虫的产生，又不影响小麦的仓储，这一设想具有实施的可能性。

粮食产业的一项重要要求是快速获取收购和储存粮食的质量信息。因此，需要不断地寻找解决方案，以便快速评估所选择的存储谷物的质量参数，当安全威胁发生时作出快速反应。为了更好地保障小麦的仓储品质，延长小麦的仓储期，快捷，节能、绿色、低成本的小麦控温仓储方式，将是小麦仓储未来需要研究的重要课题。