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量損失及品質劣變的主因，許多真菌的代謝活動還會產生有毒代謝產物，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有技術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[11]。大型糧倉普遍使用的電子測溫技術也只能對發(fā)生在測溫點的早期霉菌活動做出響應，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，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。近年來國內外開展了較多的相關研究，結果已經顯示，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性，CO2氣體在糧堆中的擴散速率比溫度的傳導提高數十倍，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設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具備實際應用的可能性。

前期國內外對儲糧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系及CO2氣體在糧堆中的擴散規(guī)律[13-17]，這些研究結果可直接應用到以氣密性高、倉容儲糧占比大的筒倉儲糧中，根據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檢測參數及建立的CO2氣體擴散規(guī)律很難在實倉中直接應用。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、糧食品種等儲糧關鍵因子改變，以及糧堆中霉變部位、氣體取樣點設置模式或氣體取樣量等檢測參數變化對CO2檢測結果的影響及其規(guī)律性，從而構建根據糧堆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參數。

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：硅膠材質圓管，內徑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 糧食水分調節(jié) 根據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 在糧堆表面挖出一定深度的糧坑，糧包埋設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 數據分析方法 使用SPSS 16和Excel 2013軟件進行試驗數據的統(tǒng)計分析，試驗重復3次。

2 結果與分析

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。結果(圖1、2)表明，溫度是影響CO2監(jiān)測結果的關鍵因子，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，兩者的相關性系數達到0.99以上，這在實際監(jiān)測應用中有重要的價值，是CO2法對霉菌活動靈敏響應的關鍵屬性。因為霉菌菌絲旺盛生長對糧食品質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依據。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顯著升高，兩者的相關性系數>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。

比較圖1、2，還可發(fā)現一個值得關注的現象，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。產生這一現象的本質除了低溫使生物代謝強度降低，產氣量減少，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[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氣體濃度變化對應的儲糧霉變程度越高，需要予以更多的關注。

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生量有關，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有關。根據糧食的物理學特性，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果。本試驗在小麥和稻谷糧堆中埋設相同數量的霉變糧，在相距0.5 m處進行檢測，結果(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的部位分別設置氣體監(jiān)測點，結果見圖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。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，實際應用時應優(yōu)先在糧堆中部靠下的部位設置主要監(jiān)測點，在近表層的部位設輔助監(jiān)測點，根據各監(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氣體檢測必須設定的參數，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)定的檢測結果。在<50 mL/min氣體流速下，檢測值均比較低，可能與管道內留存的空氣有關。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。這種現象可能與傳感器本身的性質有關。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，應該將進入檢測傳感器的CO2氣體流速調節(jié)在50～100 mL/min，確保檢測的靈敏度和結果的準確性。

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果的影響

CO2的檢測方式不適合將傳感器埋設在糧堆中使用，而是通過氣體取樣整倉共用一個傳感器。根據檢測的需要，在同一糧倉中會采用不同材質、管徑的輸氣管道，管道長度也會根據距離而改變。輸氣管道參數差異將導致輸氣阻力及換氣效果發(fā)生相應變化，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生較大的誤差，應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徑的輸氣管道以1.5倍管道內部空間理論體積氣體取樣量進行檢測試驗，結果也(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，在實際應用中不管倉內輸氣管道規(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量變化關系完全對應，這一規(guī)律構建了CO2法實際應用的基礎。不同的糧食品種、監(jiān)測方法及檢測參數設置也會不同程度地改變CO2氣體檢測值，通過正確設置監(jiān)測模式和檢測參數可以獲得準確、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，實際應用時還需根據具體的儲糧狀態(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。