储粮环境中CO2产生与浓度变化关联因素影响研究

◎ 孙奂一，陈 卓

（1.郑州科技学院，河南 郑州，450064；2.郑州大学产业技术研究院有限公司，河南 郑州，450064）

粮食安全是世界和平与发展的重要保障，运用先进的科学技术和管理理念优质高效地储藏好粮食，是世界各国人民消除饥饿、实现粮食安全的共同夙愿。在粮食储藏过程中，CO2作为重要的生态因子，可通过检测其变化来监测粮情变化，进而有目标地进行粮情调控和虫霉害防治[1]。粮堆中，CO2浓度受很多因素影响，粮食品质和品种、微生物和害虫的发生，以及环境空间的差异，都会导致CO2发生和检测呈现不同的状态[2]，只有全面阐明各种因素的影响才能使该技术更具备实际应用性。本文就近年储粮环境中CO2产生及变化关联因素等方面的研究进行综述，以期能为CO2浓度检测在安全储粮中的应用与研究提供参考依据。

1 粮堆内CO2产生因素

1.1 粮粒自呼吸

粮粒自身呼吸速率存在差异，一般情况下，玉米呼吸强度可高于小麦10倍，25 ℃条件下，安全水分的玉米呼吸速率可达1 mL/g·d，而小麦仅为0.1 mL/g·d[3]；同一储存条件下，小麦的呼吸速率约为油菜籽的4倍。在平均温度为25 ℃的粮仓内，水分含量为11.5%的无虫无霉小麦经25周储藏期，仓内CO2浓度上升至540 mL/m3，储藏期内CO2增幅仅为330 mL/m3[4]；12.5%水分的小麦经50 d储藏期，CO2浓度仅升高0.58%[5]。若粮堆内出现粮温或含水量上升状况，谷物呼吸速率会加大，从而导致CO2浓度明显升高；相同条件下，15%水分小麦比12.5%水分小麦呼吸速率大一倍以上，25 ℃下的呼吸速率约为15 ℃时的3倍。值得注意的是，当粮粒受到损伤后，其CO2浓度会显著升高。

1.2 储粮害虫

害虫是粮堆中重要的生物因子，随着其生命活动的进行，不仅粮粒会受到污染损伤，粮仓内气体浓度也会随之变化。虫种和虫态的体型大小、新陈代谢和呼吸强度的差异，决定了其产生CO2的能力参差不齐。常见的储粮害虫中，赤拟谷盗成虫每头每小时CO2的呼吸量可达4.67 μL，同一条件下，谷蠹成虫每头每小时CO2的呼吸量为2.86 μL，同一虫种成虫呼吸速率高于幼虫高于蛹，卵的呼吸速率最低，谷蠹成虫的呼吸强度是幼虫的7倍，更可达卵的800倍以上，由此可见，虫体大小和害虫活动频率是影响其产生CO2量的重要因素。害虫发生与CO2浓度变化密切相关，25 ℃时，以10头/kg谷蠹感染含水量12%的小麦，180 d后CO2浓度可达20.89%，未感染害虫的小麦中CO2浓度仅为1.16%。25 ℃下，以10头/kg玉米象感染12%含水量的小麦4个月后CO2浓度升高至17.42%，是未感染试虫样品的23.17倍[6]。28 ℃时，以5头/kg赤拟谷盗和米象混合感染水分含量为12%的小麦，30 d后， CO2浓度升至6.62%[7]。

1.3 霉变

在高水分粮中，霉变是粮堆内CO2浓度变化的主要贡献者，研究表明，生霉陈米的呼吸强度可达新米的50倍，早在20世纪80年代，加拿大学者Muir利用CO2浓度变化监测谷物霉变程度，试验中39个仓房中的34个有CO2浓度显著上升，经检测均发生了霉变现象[8]。试验中，当小麦水分为18%时，微生物迅速繁殖，仅需5 d，CO2浓度就检测到明显上升,并在接下来的10 d内迅速增加[9]。试验条件下5个月内，在玉米的霉变程度升至25%的同时检测到CO2浓度由500 mL/m3上升至1 500 mL/m3[10]。由此可见，利用检测粮堆CO2浓度变化的方法，对储粮霉变进行监测得出：储粮中霉菌增长量与CO2浓度变化的相关性系数＞0.99，这表明利用CO2浓度检测具有较高的灵敏性，可通过粮堆CO2浓度检测值解析储粮霉菌生命活动和新陈代谢强度，分析粮食被危害程度和存在的安全风险，从而对储粮局部霉变进行早期预警。

2 粮堆内CO2浓度变化因素

2.1 粮堆孔隙度

粮堆孔隙度是指粮堆总体积中粮粒之间的孔隙体积所占比重，其与粮食种类、状态、水分、杂质以及环境压强等因素有关，且孔隙度的差异决定了粮堆内呼吸代谢所产生的气体与外界环境交换时存在区别。Chung等人的研究表明，粮堆中气体传播和扩散的速率与粮粒间孔隙度呈正相关[11]。孔隙度与粮粒完整度、尺寸和表面粗糙度成正比，在我国常见的粮食品种中，小麦和大豆孔隙度较小，约为40%，玉米稍大，约为42%，稻谷的孔隙率最大，高达55%，这与稻谷外壳较粗糙且密度小有关。此外，由于粮堆内不同深度所受压力不同，越靠近粮堆底部和核心，孔隙度越小，相应的气流速率越低，CO2扩散速率越慢。

2.2 环境空间大小及气密性

环境空间的大小和气密性同样是影响CO2浓度检测值的重要因子。10头玉米象成虫处于2.75 L装置中30 d检测到CO2浓度为2.13%，而在1 t的粮仓内检测到的CO2浓度不到0.05%。除粮堆所处的空间大小不同外，粮仓的密闭性也是所测气体浓度不同的另外一个重要原因。粮仓气密性越强，粮堆与外界气体的交换频率越低，CO2检测浓度增加越快。近年，随着我国智能化粮库的建设，仓房的气密性成为建设过程中的一项基本要求，这使得利用CO2浓度变化检测粮情变化有了基础保障。

2.3 吸附作用

不同谷物吸附CO2的速率和量存在差异，同一条件下相同质量的大豆和花生对CO2的吸附量分别可达小麦的5.9和7.5倍[12]，谷物吸附CO2的方式有物理吸附和化学吸附2种。物理吸附是分子间作用力产生的吸附，是粮粒表面吸引气体分子着附并形成范德华力的过程；化学吸附是分子间形成化学键而产生的吸附，是气体分子渗透到谷物内部结构中的过程。在谷物吸附气体的过程中这2种方式同时发生存在，物理吸附和脱附均易于化学吸附和脱附，这也是谷物吸附CO2气体后转移至其他空间内CO2气体被大量释放的原因。在100%的CO2气体中60 h小麦吸附CO2的量与环境温度成反比，在20 ℃下水分含量为14%小麦吸附CO2的量为0.45 g/kg，60 h内可达到平衡状态[13]。在CO2含量为50%和70%的环境中，试验研究得知，谷物吸附CO2的能力随其含水量的增加而降低，环境CO2浓度增加谷物的吸附量也随之增加，试验中小麦吸附CO2的量分别为0.285 g/kg和0.38 g/kg。由此可见，谷物水分含量、谷物自身内部结构和粮堆孔隙度，都是影响吸附率的重要因素。

2.4 CO2扩散速率

CO2在粮堆内产生后会发生扩散进而被检测到，谷物品种、温度、水分、粮堆部位、粮堆孔隙度等因素，都使得粮堆对气体扩散的抵抗力存在差异，其中，谷物含水量与扩散系数成反比，温度和孔隙度与扩散系数成正比。安全储藏条件下，CO2在玉米内的扩散速率约为 3×10-6m2/s[14]。粮堆内CO2向下传播的速率高于向上传播的23%[15]。已有报道显示，在实仓内设置霉变点并监测其周围CO2浓度扩散规律，结果表明，纵向上，霉变发生点所在层面浓度变化的速率最大；横向上，各层面CO2浓度变化速率随着距霉变点距离增加而减小，这与粮堆内孔隙度的变化值有关。若在粮堆内设立害虫发生点，第7 d时在纵向距离害虫发生点1 m处检测到的CO2浓度为0.148%，距其0.6 m处检测到浓度为0.151%，第14 d时浓度分别为0.178%和0.191%，分别比第7 d时所测浓度增加了0.03%和0.04%，两检测点浓度差值可达前者的4.33倍[14]，由此可见，随着虫霉发生时间的累积CO2呈递进式向下扩散的趋势。

3 结语

在安全储粮条件下，国内外学者对筒仓内不同谷物产生CO2浓度进行监测，根据实仓检测谷物霉变损伤程度，制定了不同CO2浓度阈值下储存谷物的安全程度，并建立了筒仓网络监控系统，通过对检测CO2浓度值与系统设定阈值比较，确定储存风险指数。国内学者开发了类似的方法用以检测粮囤和粮仓等非完全密闭储存条件下CO2浓度变化与虫霉发生发展的关系。未来，要想利用CO2浓度检测值实时监测粮情变化，需相关学者继续深入探索更多相关领域，健全CO2浓度与虫霉害发生及相关环境因子的关联性平台建设，为粮情检测提供基础规律和技术支持。