粮食储藏环境中的多场耦合效应对粮食品质影响的研究进展

张俊东，鲁玉杰,2，王文敬，王争艳，卢少华

(河南工业大学粮油食品学院1，郑州 450001) (江苏科技大学粮食学院2，镇江 212100)

保证粮食安全一直是我国的战略需求，粮食在收获后由于虫霉感染、以及储藏技术的不合理导致粮食产后损失非常惊人，减少粮食产后损失相当于节约了无形的良田，因此最大限度减少粮食在储藏过程中的损失，并保证粮食品质具有重要的战略意义。

在粮食储藏过程中，影响害虫发生的因素有很多，如温度、湿度、粮食内部压力、微生物、粮食种类等[1]，这些因素相互作用、相互影响的复杂关系与粮仓中的粮堆生态系统形成一个多场耦合系统。场是一种特殊物质，看不见，摸不着，但是真实存在，它以时空为变量。粮食储藏环境中的场包括两大类：物理场和生物场。其中粮堆温度、湿度、粮食内部压力等的变化属于物理场，储粮害虫和储粮微生物的时空分布以及它们与粮堆生态系统通过物质、能量、信息交换而相互影响的能力属于生物场[2]。储粮害虫的取食会造成粮食质量损失，同时温湿度过高导致的粮堆结露、发热霉变，以及真菌繁殖也是造成粮食品质下降的重要原因[3]。

我国对小麦品质变化的监控检测主要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、压力场、生物场等进行深入研究[4]，通过多场耦合效应分析预测粮食储藏环境的变化趋势，对粮情进行准确的预测预警，是未来提升粮食储藏智能化程度的关键。围绕物理场、生物场以及多场耦合效应对粮食品质的影响展开综述，以期为开发优质粮食工程保质减损储粮技术的智能化监测和预警系统提供参考。

1 物理场对粮食品质的影响

物理场的定义为：空间中存在的物理作用[5]。在粮堆生态系统中，物理场包括温度场、湿度场和压力场等，粮食在储藏过程中，粮堆会发生复杂的物理变化，通过研究粮堆的温度、湿度和粮食内部压力随时间的变化规律，建立相关模型对粮食储藏状态进行预测，可以对粮堆中出现的害虫滋生、发热霉变等问题进行预防，减少粮食损失，保证粮食品质。

1.1 温度场

在粮食保管的过程中，温度过高会造成粮食结露、发热霉变、发芽率丧失等不良现象，严重影响粮食品质[6]，因此，在粮食储藏过程中对粮堆温度场变化的监测是非常重要的。

目前主要采用数值模拟和实仓实验的方法对粮堆温度场进行研究。闫艳霞等[7]采用数值模拟的方法研究粮仓温度场数学模型，根据有限个离散的相对空间坐标温度值，通过最小二乘法拟合出粮仓温度在其空间坐标上的分布函数，可以较精确的得到粮仓内任一位置的温度值。但是，该方法没有建立温度随空间坐标和时间同时变化的数学模型，无法对粮堆的温度变化情况进行预测。梁醒培等[8]采用有限元法对平房仓内的粮堆进行了瞬态温度模拟，该方法不但可以得到粮堆任意点的温度值，而且能够观测到粮堆温度分布及其随时间变化的情况。Hammami等[9]基于热质平衡原理，对立筒仓内小麦粮堆的温度进行了模拟研究，建立的模型可以预测粮堆的温度变化。赫振方等[10]采用2 h等间隔不间断采样的方法，对平房仓中的粮堆进行2年温度数据监测，通过对最大温差变化点跟踪分析，找到了粮温的异常点，同时还发现在有限的时间内粮温在时空上的变化是有限的，粮食温度与周围空气的温度几天内就达到平衡状态，并在较长的时间内保持这种平衡状态[9，10]。赵欣然等[11]通过对小麦粮堆温度进行监测，将温度场变化规律从图像、空间和数学定义立体化展现出来，然后利用智能算法进行分析，结果显示该方法可以精确定位粮堆发热位置，准确预测粮情的演变。

在研究温度场的过程中，将实仓实验数据与数值模拟结果进行对比，可以有效的验证模型的准确性。Gastón等[12]建立二维有限元模型预测立筒仓中小麦的温度分布，同时进行实仓温度数据采集，将预测数据与实测温度数据进行比较，结果显示该模型预测结果与实测温度吻合较好。Rusinek等[13]采用离散元方法预测立筒仓中油菜种子的温度分布，将模拟结果与实测温度数据进行比较，对模型进行验证，发现预测温度与实测温度吻合良好。王振清等[14]先采用数据记录仪和温湿度传感器对模型仓内小麦粮堆的温湿度进行96 h监测，然后对相同尺寸的地下仓进行同样时长数值模拟研究，通过模拟和模型仓实测数据进行对比，可以得出地下仓小麦粮堆热湿传递规律。

此外，对温度场云图的特征分析也可以找到粮温异常点。崔宏伟等[15]利用温度场云图的RGB颜色特征分布计算云图的相似度，据此设定异常判定阈值，计算相邻时间粮堆各平面云图的相似度，依据阈值进行异常检测，能够检测出粮堆局部发热。

1.2 湿度场

粮堆中的粮粒间存在孔隙度，所以粮堆中具有大量的空气，其含水量可以用相对湿度表示，相对湿度与粮食水分含量有密切关系，在一定温度条件下，忽略粮堆中气体流动，经过一段时间，粮食水分与空气相对湿度达到一种平衡，此时的相对湿度称为平衡相对湿度[16]。在粮食储藏过程中，粮堆中的温度场和湿度场常常一起相互作用，王水寒等[17]以稻谷为研究对象，利用温湿度一体传感器，模拟实际粮仓中容易发生结露区域，测得从冬季到夏季粮堆不同位点的温度和相对湿度，将温湿度数据绘制成温度场、湿度场云图，通过云图分析并基于粮食平衡绝对湿度与露点温度等模型(CAE模型)可以推算出稻谷粮堆危险点所处的状态。

在粮食储藏过程中，湿度是影响粮食储藏状态的重要因素之一[18]，徐碧[19]通过研究湿度在高大平房仓中的分布，发现不仅粮食本身的水分会影响粮食的生命活动，由于粮食的吸湿性，仓房内的湿度也会直接对粮食造成影响，尤其是在高温条件下，温度梯度会导致粮食水分迁移，粮堆与周围空气的温度差导致粮堆中气流流动，从而使得水分从高温区域向低温区域转移[20]，仓房内的高湿度环境会加快粮食的呼吸速率，粮食呼吸作用产生的水分又使粮堆的湿度增大，形成一种粮食“出汗”的恶性循环。这种恶性循环如果不加以控制就会引起粮食的霉变发热和生虫，严重影响粮食品质。

1.3 压力场

粮食在储藏过程中进行机械通风，可以将外界低温、低湿的空气送入粮堆内部，促使粮堆内外气体进行交换，降低粮堆内的温度与水分，从而保证粮食品质，降低储粮损耗。但是在进行机械通风时，因为粮堆内部流场复杂的分布条件限制，难以对其进行有效测量。

计算流体力学(CFD)可以通过计算模拟的方法突破粮堆内部流场复杂的分布情况，李琼等[21]的研究证明CFD方法可以对粮堆内部流场进行很好的模拟研究。任广跃等[22]以浅圆仓为研究对象，建立仓储粮堆机械通风过程中内部压力场分布的CFD模型，通过将实仓实验数据与模拟结果进行验证，发现仓储粮堆机械通风过程CFD模型能够真实反映机械通风过程中粮堆内部压力场的分布情况。张达等[23]利用数值模拟的方法基于小麦三轴实验，将该得到的邓肯-张(E-B)本构模型引入FLAC3D软件进行二次开发，能较好地模拟出高大平房仓仓底压力不均匀现象，通过与实验结果对比，该模拟结果可以为建立多场耦合模型提供压力场数据。

2 生物场对粮食品质的影响

粮堆中的生物体会发生演替且与环境相互作用，粮堆生物场是指储粮昆虫、天敌、微生物等在粮堆中的时空分布以及它们与粮堆环境之间通过能量、物质、信息相互作用的能力[2]。

2.1 昆虫场

储粮害虫的取食和繁殖不仅直接导致粮食质量的损失，而且严重影响粮食品质。研究发现，在米象Sitophilusoryzae(Linnaeus)、玉米象SitophiluszeamaisMotschulsky和谷蠹Rhyzoperthadominica(Fabricius)等蛀食性害虫侵害稻谷的过程中，随着虫口密度的增加和感染时间的延长，不同蛀蚀部位糙米虫蚀粒的降落数值、过氧化氢酶和过氧化物酶活性均下降，脂肪酸值、丙二醛等含量均上升[24-27]。感染赤拟谷盗Triboliumcastaneum(Herbst)的小麦粉，随着储藏温度升高，储藏时间延长，品质指标均发生变化，且虫口密度越大，品质指标的变化程度越明显[28]。

张玉荣等[29-31]的研究发现，小麦被蛀食性害虫侵染后，其容重、粗蛋白、粗淀粉、干湿面筋含量和面筋吸水量均降低，水分和沉降值呈升高趋势。小麦被不同生长发育阶段的谷蠹侵害的过程中，小麦籽粒中的水分含量和粗蛋白含量在谷蠹卵期、幼虫期和蛹期呈上升趋势，到达成虫期后开始下降，而小麦干、湿面筋含量和面筋吸水量在谷蠹整个发育历期呈总体先降低后升高的趋势[32]。Fourar-Belaifa等[33]研究被米象侵染后的小麦，发现其水分含量升高，发芽率下降，脂肪酸值呈上升趋势。储粮害虫对粮食的损害不仅是数量的损失，还导致粮食综合品质的不可逆劣变，同时害虫产生的代谢物也会污染粮食，使粮食霉变，降低储存品质。

2.2 微生物场

在储藏过程中，粮食上的微生物主要包括霉菌、细菌、放线菌等，而对粮食构成危害的微生物，主要是由曲霉和青霉构成[34]。当储粮环境适合微生物生长发育时，附着在粮粒上的微生物就会快速生长繁殖，影响粮食的安全储藏，导致粮食品质劣变[35]。

在储藏过程中，粮食自身代谢和微生物的生长繁殖均会导致粮食质量下降，且微生物的呼吸作用所造成的影响远远高于粮食自身的呼吸作用[36]。一旦受到微生物的感染，粮食就会出现霉变、结块、变色等现象。发生霉变的实质是储粮微生物对粮食中的有机物质进行分解和利用的过程，当微生物在粮食上进行一系列的营养代谢活动，就会引起粮粒变色、变味、生霉、营养和种用品质下降等问题[35]。何荣等[37]的研究发现黑曲霉、黄曲霉以及产黄青霉最易导致稻谷结块，稻谷结块后出糙率、整精米粒率降低，不完善粒率明显增加，此外，结块还会导致稻谷中淀粉抗剪切能力下降，使得淀粉粒更易破裂，整体品质变差。当粮食出现可见霉菌的时候，理论上其品质已经被损坏，霉菌产生的黄曲霉毒素等霉菌毒素会严重影响人类的健康。

3 多场耦合效应对粮食品质的影响

随着对粮食储藏过程中物理场和生物场的深入研究，研究者发现研究单一场的变化规律不能准确预测粮情的变化，在储粮生态系统中各种场是相互影响的，粮食储藏环境中的多场耦合效应包括温度场、湿度场、压力场等物理场和生物场的综合作用，吴子丹等[38]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，通过研究粮食储藏环境中的多场耦合更准确的预测粮食储藏状态。

3.1 物理场之间的耦合作用对粮食品质的影响

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积聚时，很容易诱发粮食霉变和发热。粮食霉变会引起粮食发芽率下降、色变、发热、生物化学成分改变、产生毒素等，这些因素都严重影响粮食品质。影响储粮霉变的因素有很多，如温度、水分、气体等，其中，温度和湿度是最主要的影响因素[39]。

粮堆结露会造成局部水分含量升高，粮食呼吸旺盛，粮堆发热、霉变等。为了找到粮堆表层发生结露霉变的原因，尹君等[40，41]利用温度传感器阵列监测粮堆不同季节、不同位点的温度，运用粮温拟合算法和Matlab模拟软件构建出粮堆温度场模型，该模型重现了小麦粮堆温度场和水气分压场的变化规律，基于温湿度场耦合原理对云图特征进行分析，发现粮堆中的“热-冷”多层次区域变化是导致粮堆表层发生结露霉变的原因。粮堆中的粮粒是典型的多细胞多孔性凝胶体，具有很强的吸附性，与储粮环境进行着热量与水蒸气的交换，这种交换在一定温湿度条件下会达到吸湿动态平衡，但是仓房内的温度和湿度一旦变化，就会建立新的动态吸湿平衡。Jian等[42]以小麦粮堆为研究对象，对装有小麦的立筒仓进行长期温湿度监测，每3 h对监测点温度和相对湿度进行记录，每个月月底对小麦水分含量进行测量，对数据分析后发现温度梯度驱动筒仓内空气对流，从而导致仓内水分和热量的迁移。

研究者虽然验证了温湿度以及储藏水分对粮食储藏的影响规律，但是他们的研究并不能对粮情变化进行预测。章铖等[43]通过分析空气中饱和水汽量与温湿度的关系曲线，获得粮食露点温度与空气温湿度关系的数学模型，并绘制出露点温度预测图，通过与实仓数据对比，发现预测图能够很好的进行粮堆结露的准确预警。

粮堆中的热量迁移与粮堆内部压力场有着密切的关系，不同位置的粮堆压力有着明显的差异，这种压力的差异导致粮堆孔隙率的不均匀分布，而粮堆间的孔隙率通过影响微气流流动进而影响粮堆热量迁移的快慢。刘文磊等[44]利用模型实验和数值模拟相结合的方法研究3种不同储粮压力下玉米粮堆温度场变化规律，根据监测点数据拟合出不同时刻温度场云图，以及不同储粮压力下温度场变化趋势，结果表明随着储粮压力增大，粮堆内热量传递变得缓慢。

3.2 生物场之间的耦合作用对粮食品质的影响

昆虫和霉菌的取食和发育直接影响粮食质量，同时产生的热量和水分间接损害粮食品质。在储粮生态系统中害虫发生后通常会伴随着真菌生长[45]，而且昆虫的存在有利于真菌在粮食储藏过程中的发育[46]，昆虫身体表面带有大量的微生物孢子，昆虫的活动会带动微生物孢子的传播，同时微生物孢子还是某些昆虫的食物。

被昆虫损坏的粮食更有利于微生物生长[47]。昆虫通过取食和产卵破坏粮粒的外壳，从而使真菌进入，米象和玉米象等蛀蚀性害虫通过产卵期间的接种以及幼虫的代谢和取食活动，促进储藏真菌在粮食中的生长和传播，这个过程中产生的热量和水分使得粮食温度和水分增高，进一步促进真菌的萌发[48]。郭立辉等[49]研究发现，真菌在小麦中生长、繁殖不仅破坏小麦的营养和加工品质，而且使小麦污染真菌毒素，对食品安全造成严重威胁。

3.3 物理场与生物场的耦合作用对粮食品质的影响

在粮食储藏过程中，物理场和生物场是相互依存、相互耦合的关系，这种关系可以用3个状态描述：蛰伏状态(退耦合作用)、潜伏状态(微耦合作用)和自激状态(强耦合作用)，如图1所示，可以看出生物场与物理场无相互作用时，它处于蛰伏状态，当环境条件对生物体有利时，生物场开始随时间和空间发展，生物场强逐渐增大，触发生物场变化的物理场的状态为临界状态，临界状态内的区域为耦合区[2]。

图1 生物场和物理场之间不同相互作用状态示意图[2]

在储粮生态系统中，微生物的萌发和生长涉及许多物理、生物和化学变化，其中，温度和湿度两个物理因素对真菌的萌发和生长有着重要的作用。为了研究粮堆霉变和温湿度场的时空耦合关系，王小萌等[50]通过构建温湿度场云图，检测CO2气体浓度和储藏霉菌的变化，发现在温度和湿度耦合的过程中，粮堆霉变不仅是时间的函数，也是空间的函数。

储粮昆虫是变温动物，调节体温的能力弱，体温同环境保持相近[51]，在一定的温度范围内，随着外界温度的升高，昆虫的体温也是上升的，当外界温度下降，昆虫的体温也随着下降。Abe等[18]研究发现，昆虫、螨虫、真菌等的呼吸和繁殖速度以及粮食本身的呼吸在很大程度上取决于粮食的温度。因此，在粮食储藏的过程中，可以通过控制粮食温度间接控制储粮害虫的发展，但是对于物理场如何影响害虫的发生还没有详细的研究。

4 总结与展望

粮食储藏是一个通过各种技术手段保持粮食品质并减缓其劣变的过程，在这个过程中，温度场、湿度场和压力场的耦合作用导致粮堆中水分的迁移，进而引起粮堆结露和发热霉变，使粮食品质下降，同时储粮害虫和储粮微生物的滋生也严重危害粮食品质，因此研究粮食储藏环境中的多场耦合效应可以解决单一场研究的不足。

目前粮食储藏环境中多场耦合效应的相关研究处于初步智能化阶段，未来可以研究粮堆中害虫生长演替规律，建立种群增长预测模型，在此基础上研发储粮害虫监测、预警技术以及相关设备，实现粮库精细化管理，建立相应的专家决策系统，形成检测、预警、防治的产业链，加快推进行业智能化研究与建设进程，建立粮食储藏生态系统基础参数数据库，完善粮堆多场(温度场、湿度场、压力场、生物场等)耦合模型和理论，为智能化粮库的发展贡献力量。

此外，在地球上，所有生物每时每刻都受到地球磁场的影响，表现为磁场影响生物的生理和发育，因此，未来可以将地磁场对生物场的影响加入粮食储藏环境中多场耦合效应的研究中。