白靜靜 翟煥趁 張帥兵 呂揚勇 蔡靜平

(河南工業(yè)大學生物工程學院，河南 鄭州 450001)

中國的儲備糧倉數(shù)量和規(guī)模均非常龐大，糧食儲藏的周期相對較長，在糧食儲藏期間霉菌的生長活動是造成儲糧數(shù)量損失及品質(zhì)劣變的主因，許多真菌的代謝活動還會產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物，從而危及食品安全性[1-4]。要避免霉菌對儲糧的破壞，科學的監(jiān)測手段和早期防控是最有效的措施[5-7]?，F(xiàn)有技術(shù)通過對糧食樣品的檢測分析，可以準確判斷糧食中霉菌的活動狀況[8-10]，但大型糧倉中霉菌早期活動的區(qū)域很小，霉變發(fā)生部位具有不確定性，隨機或定點的糧倉采樣往往難以被發(fā)現(xiàn)[11]。大型糧倉普遍使用的電子測溫技術(shù)也只能對發(fā)生在測溫點的早期霉菌活動做出響應(yīng)，一旦偏離測溫點，由于溫度在糧堆中傳導極慢，往往難以及時發(fā)現(xiàn)霉菌危害的跡象[12]。因此，人們一直致力于研發(fā)更加靈敏、快捷的霉菌監(jiān)測技術(shù)，這對保障糧食儲藏安全具有及其重要的意義。

霉菌生長活動產(chǎn)生的CO2氣體是與熱傳導相似、可以在糧堆中擴散的因子，糧食籽粒間有30%～50%的孔隙度、大型糧倉的糧堆存在溫差等因素也有利于氣體在糧堆中擴散[13-14]，這是該方法能被用于儲糧霉菌監(jiān)測的基礎(chǔ)。近年來國內(nèi)外開展了較多的相關(guān)研究，結(jié)果已經(jīng)顯示，糧堆中霉菌的生長、繁殖與CO2氣體濃度變化具有顯著的相關(guān)性，CO2氣體在糧堆中的擴散速率比溫度的傳導提高數(shù)十倍，有利于大幅度提升儲糧霉菌活動監(jiān)測的靈敏度[15-16]。但是，儲糧中霉菌生長和CO2氣體濃度變化是間接關(guān)系，利用電子傳感器檢測糧堆中的CO2氣體含量可受許多因素的影響，即使同一糧堆，在相同的儲糧霉菌生長狀態(tài)下也可能因為檢測條件的變化或參數(shù)設(shè)置的差異而得到不同的檢測值[11]。因此，只有全面闡明各種因素的影響才能使該技術(shù)具備實際應(yīng)用的可能性。

前期國內(nèi)外對儲糧CO2監(jiān)測研究的重點在于了解CO2氣體濃度變化與儲糧霉菌生長的關(guān)系及CO2氣體在糧堆中的擴散規(guī)律[13-17]，這些研究結(jié)果可直接應(yīng)用到以氣密性高、倉容儲糧占比大的筒倉儲糧中，根據(jù)糧倉空間或出風口的CO2氣體濃度變化，即可判斷儲糧中的霉菌活動狀況[16]。中國儲糧以平房倉為主，倉房氣密性較差，倉容儲糧占比小，在儲糧霉變的初期糧堆上方空間的CO2氣體濃度基本不變[11]，需要在糧堆中設(shè)點進行氣體取樣檢測。由于平房倉區(qū)域面積廣，糧堆溫差大，設(shè)點進行氣體取樣檢測涉及諸多影響CO2氣體濃度檢測值的因素，因此，前期許多在實驗室模擬儲糧容器監(jiān)測試驗中獲得的CO2檢測參數(shù)及建立的CO2氣體擴散規(guī)律很難在實倉中直接應(yīng)用。為此，本研究選擇在平房倉的儲糧實倉中進行CO2氣體檢測效果試驗，試圖闡明環(huán)境溫度、糧食品種等儲糧關(guān)鍵因子改變，以及糧堆中霉變部位、氣體取樣點設(shè)置模式或氣體取樣量等檢測參數(shù)變化對CO2檢測結(jié)果的影響及其規(guī)律性，從而構(gòu)建根據(jù)糧堆CO2氣體檢測值變化解析儲糧霉變狀態(tài)、判斷儲糧安全風險的方法，為糧食儲藏霉變早期高效防控提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗糧倉及糧食

主要試驗在河南工業(yè)大學試驗糧倉中進行，廒間尺寸為9 m×6 m，糧堆深度為6 m，單倉儲備容量約260 t，試驗糧為2016年河南產(chǎn)混合小麥，含水量11.5%，堆糧深度6 m；

稻谷糧堆檢測試驗在長沙儲備糧庫完成，規(guī)格為41.5 m×33.5 m (長×寬)，糧堆高度6.22 m，平均水分含量13.2%，總量3 399 t，稻谷品質(zhì)和糧溫正常。

1.2 主要材料

CO2傳感器：Telaire T6615型，美國通用電器公司；

微型氣泵：FM1001型，成都新為誠科技有限公司；

輸氣管道：硅膠材質(zhì)圓管，內(nèi)徑2 ～4 mm，市售；

微生物培養(yǎng)、檢測所用材料：分析純；

改良查氏培養(yǎng)基：蔗糖3%，硝酸鈉0.2%，氯化鉀0.05%，硫酸鎂0.05%，磷酸二氫鉀0.1%，硫酸亞鐵0.001%，氯化鈉6%，瓊脂2%，121 ℃高壓蒸汽滅菌。

1.3 方法

1.3.1 糧食水分調(diào)節(jié) 根據(jù)試驗所需糧食水分含量，按照1.15～1.20倍理論加水量噴霧糧食，在4 ℃條件下平衡48 h。

1.3.2 糧倉中模擬霉菌活動糧包的埋設(shè) 在糧堆表面挖出一定深度的糧坑，糧包埋設(shè)深度為糧包中心到糧面的距離，固定糧包后按照試驗需要在一定的部位設(shè)置輸氣管道，然后將糧堆復原。

1.3.3 糧食水分測定 按照GB 5009.3—2016檢測糧食樣品水分含量。

1.3.4 糧食帶菌量檢測 采用GB 4789.15—2016霉菌計數(shù)方法，其中所用的培養(yǎng)基改為“改良察氏培養(yǎng)基” 。

1.3.5 CO2氣體檢測 采用CO2濃度檢測傳感器，記錄一定檢測時間點顯示器中的檢測值。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析方法 使用SPSS 16和Excel 2013軟件進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，試驗重復3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧堆溫度及環(huán)境溫度對監(jiān)測的影響

溫度是儲糧發(fā)生霉變的決定性因素[18-20]。為了闡明CO2法對商業(yè)化糧食儲藏霉變的檢測效果，在糧堆中埋入高水分糧食，進行實倉儲糧局部霉變的監(jiān)測試驗。結(jié)果(圖1、2)表明，溫度是影響CO2監(jiān)測結(jié)果的關(guān)鍵因子，30 ℃試驗組霉菌活動初期(前10 d)帶菌量增加與CO2氣體濃度升高具有高度的同步性，兩者的相關(guān)性系數(shù)達到0.99以上，這在實際監(jiān)測應(yīng)用中有重要的價值，是CO2法對霉菌活動靈敏響應(yīng)的關(guān)鍵屬性。因為霉菌菌絲旺盛生長對糧食品質(zhì)的破壞性和食品安全的危害性最大[21-22]，霉菌生長前10 d的CO2濃度顯著變化是儲糧安全性變化的重要信息，可作為儲糧霉變高效防控的技術(shù)依據(jù)。10 d后CO2濃度的回落是霉菌后期呼吸降速的反映，對于儲糧監(jiān)測和處理沒有實質(zhì)性的意義。

當局部高水分糧食處于較低的溫度[(20±2) ℃]條件下，試驗糧帶菌量和糧堆CO2氣體濃度均以較緩慢的形式升高(圖1、2)，在試驗的第10～25天，糧食帶菌量和CO2氣體檢測值開始出現(xiàn)顯著升高，兩者的相關(guān)性系數(shù)>0.99。這說明溫度的差異導致儲糧霉菌生長速率降低，改變CO2氣體濃度的變化模式，但只要霉菌開始生長，CO2氣體檢測值就會同步升高，這一特點是儲糧霉變監(jiān)測的基礎(chǔ)。

比較圖1、2，還可發(fā)現(xiàn)一個值得關(guān)注的現(xiàn)象，當糧堆中CO2氣體的小幅度升高時，較低溫度下糧堆中對應(yīng)的帶菌量變化遠高于較高溫度糧堆中的。例如，相同水分糧食儲藏在20 ℃ 下第35天的帶菌量變化與30 ℃儲藏第15天的相當(圖1)，但其糧堆中CO2氣體濃度則分別為0.27%和1.28%(圖2)，兩者相差達4.7倍。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的本質(zhì)除了低溫使生物代謝強度降低，產(chǎn)氣量減少，還與環(huán)境溫度對遠距離氣體采樣和CO2氣體檢測的影響有關(guān)[13,23]。

圖1 不同溫度下霉變點糧食霉菌含量的變化Figure 1 The mould content changes of mildew grain at different temperature

圖2 糧堆溫度對CO2檢測結(jié)果的影響Figure 2 Effect of grain bulk temperature on carbon dioxide detection

為了驗證環(huán)境溫度對CO2氣體檢測值的影響，將5種濃度CO2氣源通過30 m輸氣管道在3種溫度下進行CO2氣體濃度檢測試驗，結(jié)果表明，雖然不同濃度下的檢測值差異程度不同，但總體而言，較高溫度下同一濃度的CO2氣體檢測值更高(圖3)，5種濃度CO2檢測的平均值，30，25 ℃的檢測值分別比20 ℃的高22%和12%。因此，環(huán)境溫度越低，相同的糧堆CO2氣體濃度變化對應(yīng)的儲糧霉變程度越高，需要予以更多的關(guān)注。

圖3 空間溫度對CO2檢測值的影響Figure 3 Effect of air temperature on carbon dioxide detection

2.2 糧食品種對CO2監(jiān)測結(jié)果的影響

中國儲藏量最大的糧食品種分別為稻谷、小麥和玉米，在大規(guī)模的散糧儲藏期間，相同的生物量活動與產(chǎn)生CO2量是一致的[5]，但實際檢測到的CO2氣體濃度不僅與氣體產(chǎn)生量有關(guān)，還與糧堆的孔隙度(擴散特性)和糧食對CO2氣體的吸附特性等參數(shù)有關(guān)。根據(jù)糧食的物理學特性，稻谷糧堆的孔隙度一般比小麥高約30%，但對CO2的吸附能力也比小麥高約15%，這2種特性對CO2氣體擴散影響效果是相反的，實際檢測值是多種因素綜合影響的結(jié)果。本試驗在小麥和稻谷糧堆中埋設(shè)相同數(shù)量的霉變糧，在相距0.5 m處進行檢測，結(jié)果(圖4)表明，稻谷糧堆比小麥糧堆CO2氣體的最高檢測值高50%，峰值時間提前了4 d，說明在儲糧中CO2氣體快速產(chǎn)生的條件下，糧堆的糧粒間孔隙度是影響CO2氣體擴散的主要因素，吸附作用的影響不明顯。因此，對于孔隙度較低的糧食品種或由于雜質(zhì)含量較高而影響氣體擴散的糧堆，可以考慮降低監(jiān)測點的間距，以彌補對監(jiān)測靈敏度的影響。

圖4 糧食品種對監(jiān)測結(jié)果的影響Figure 4 Effect of grain variety on carbon dioxide detection

2.3 糧堆中霉變點和監(jiān)測點位置對檢測值的影響

將2組各40 kg高水分糧食分別埋設(shè)到距糧堆表面1，2 m 的小麥倉中，并在距糧面1，3 m的部位分別設(shè)置氣體監(jiān)測點，結(jié)果見圖5。當霉變活動部位靠近糧堆表面時[圖5(a)，距糧面1 m]，產(chǎn)生的CO2氣體與外界大氣的交換比例較高，即使監(jiān)測點(糧面向下 1 m)與霉菌活動產(chǎn)氣點重合，其CO2氣體檢測值在初期升高后迅速以較高的速率下降，第10天比第4天的CO2氣體濃度值下降達1.44%；但在該模式下距糧面3 m的監(jiān)測點CO2檢測值相對較為平緩，相同時間段的CO2氣體濃度變化幅度為升高0.38%[圖5(a)]，較深部位監(jiān)測點的數(shù)值變化模式可更客觀地反映霉菌的實際生長狀態(tài)。當霉變活動部位處于糧堆較深部位時[距糧面2 m，圖5(b)]，糧堆深部的監(jiān)測點檢測到的CO2氣體濃度峰值更高，高濃度CO2維持的時間更長(與模擬糧包距糧面1 m相比)，這種變化特點是CO2氣體在糧堆中具有一定沉降特性的表現(xiàn)。比較1 m和3 m監(jiān)測點的CO2氣體檢測值變化，可以看出，3 m深監(jiān)測點監(jiān)測效果更穩(wěn)定，因此，實際應(yīng)用時應(yīng)優(yōu)先在糧堆中部靠下的部位設(shè)置主要監(jiān)測點，在近表層的部位設(shè)輔助監(jiān)測點，根據(jù)各監(jiān)測點檢測到的CO2氣體濃度差異和變化模式，判斷糧堆中霉變發(fā)生的規(guī)模和空間方位。

圖5 氣體取樣部位對檢測結(jié)果的影響Figure 5 Effect of gas sampling location on detection results

2.4 氣體取樣流速對檢測的影響

氣體取樣流速是CO2氣體檢測必須設(shè)定的參數(shù)，提高流速雖然可以減少檢測耗時，但可能影響檢測值。本試驗通過檢測糧倉中不同濃度CO2氣體，研究氣體取樣流速對檢測值的影響。結(jié)果(圖6)顯示，當氣體取樣流速為50～100 mL/min 時，不同濃度CO2氣體均可獲得穩(wěn)定的檢測結(jié)果。在<50 mL/min氣體流速下，檢測值均比較低，可能與管道內(nèi)留存的空氣有關(guān)。在>100 mL/min的較高檢測氣體流速下，對濃度超過1%的CO2氣源檢測結(jié)果影響不明顯；當監(jiān)測點CO2氣體濃度<1%時，高氣流速度對檢測值的影響非常顯著。例如，對于相同糧堆監(jiān)測點，當氣流速度為200 mL/min 時，CO2檢測值的降幅可達50%左右。這種現(xiàn)象可能與傳感器本身的性質(zhì)有關(guān)。目前以輸氣通道方式檢測CO2氣體濃度的傳感器一般采用紅外吸收模塊，其主要工作原理是CO2特異吸收紅外輻射能量產(chǎn)生電位變化[24]。進入氣體傳感器的氣流速度可影響紅外吸收的能量，從而可改變傳感器檢測值。因此，為了監(jiān)測儲糧霉菌的早期生長，應(yīng)該將進入檢測傳感器的CO2氣體流速調(diào)節(jié)在50～100 mL/min，確保檢測的靈敏度和結(jié)果的準確性。

圖6 氣體流速對CO2檢測的影響Figure 6 Effect of sampling gas flow velocity on carbon dioxide detection

2.5 氣體取樣量對檢測結(jié)果的影響

CO2的檢測方式不適合將傳感器埋設(shè)在糧堆中使用，而是通過氣體取樣整倉共用一個傳感器。根據(jù)檢測的需要，在同一糧倉中會采用不同材質(zhì)、管徑的輸氣管道，管道長度也會根據(jù)距離而改變。輸氣管道參數(shù)差異將導致輸氣阻力及換氣效果發(fā)生相應(yīng)變化，其綜合影響很難進行理論計算。如果以常規(guī)控制時間的方法進行檢測將會產(chǎn)生較大的誤差，應(yīng)該通過控制氣體取樣量檢測才能獲得穩(wěn)定、準確的檢測效果。圖7是在3個CO2氣體濃度監(jiān)測點中用20 m長，5 mm×3 mm規(guī)格輸氣管道進行檢測的結(jié)果，試驗表明，當氣體取樣量達到管道理論體積的1.38倍時，CO2氣體濃度檢測值達到原位檢測濃度的95%左右，當氣體取樣量提高至3.22 倍時，其檢測值與1.38倍取樣量相比沒有顯著變化(P<0.05)。進一步對不同長度和內(nèi)徑的輸氣管道以1.5倍管道內(nèi)部空間理論體積氣體取樣量進行檢測試驗，結(jié)果也(表1)表明，各種規(guī)格管道的實際檢測值可達到原位CO2氣體濃度的90%以上，達到監(jiān)測方法判斷儲糧安全性的效果。如果氣體取樣量過大，霉變點產(chǎn)生的CO2氣體可能不足以補充檢測的消耗[25]，檢測值就會降低。因此，在實際應(yīng)用中不管倉內(nèi)輸氣管道規(guī)格、尺寸如何變化，只要將氣體取樣量確定為1.5倍管道內(nèi)部體積進行檢測，即可滿足監(jiān)測糧堆中霉變活動的需要。

圖7 氣體取樣量對CO2檢測的影響Figure 7 Effect of gas sampling volume on carbon dioxide detection

3 結(jié)論

本試驗的研究表明，盡管糧堆溫度和環(huán)境溫度均可影響CO2氣體檢測結(jié)果，但在不同溫度條件下糧堆CO2檢測值均與儲糧霉菌早期生長的數(shù)量變化關(guān)系完全對應(yīng)，這一規(guī)律構(gòu)建了CO2法實際應(yīng)用的基礎(chǔ)。不同的糧食品種、監(jiān)測方法及檢測參數(shù)設(shè)置也會不同程度地改變CO2氣體檢測值，通過正確設(shè)置監(jiān)測模式和檢測參數(shù)可以獲得準確、穩(wěn)定的檢測值。

表1 不同規(guī)格輸氣管道按1.5倍換氣率的檢測效果Table 1 Testing effect of 1.5 times air exchange rate for different gas transmission pipeline

本試驗確定的CO2法檢測參數(shù)及監(jiān)測方式適用于對平房倉實倉常規(guī)儲糧的霉菌危害活動監(jiān)測；揭示的相關(guān)規(guī)律性，對分析、解讀監(jiān)測信息有較好的參考價值。但中國儲糧規(guī)模大、倉型多、地域廣，實際應(yīng)用時還需根據(jù)具體的儲糧狀態(tài)進行必要的測試或驗證，闡明各種影響因子的作用特點，制訂出根據(jù)糧堆CO2檢測值變化解析儲糧霉菌生長活動狀態(tài)的規(guī)則，從而對儲糧局部霉變及安全風險進行靈敏的早期預警，為儲糧霉菌精準、高效控制提供依據(jù)。