◎ 李欣蔚，高樹成，趙 旭，譚艷妮，張 健，李 佳

（1.遼寧省糧食科學(xué)研究所，遼寧 沈陽 110032；2.沈陽市食品藥品檢驗(yàn)所，遼寧 沈陽 110032）

糧食安全是國家安全的重要基礎(chǔ)，而糧食的安全儲(chǔ)藏便成為了保證糧食安全的重要環(huán)節(jié)。在儲(chǔ)糧過程中，環(huán)境條件適宜，糧食本身便成為了微生物良好的培養(yǎng)基。微生物的大量繁殖會(huì)引起糧食霉變，從而使糧食品質(zhì)下降，甚至產(chǎn)生毒素，危害人們的生命安全。

糧食安全問題作為全球性話題一直備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1]。糧食安全包括糧食生產(chǎn)安全、糧食流通安全、糧食進(jìn)出口安全和糧食消費(fèi)安全。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）提出了糧食儲(chǔ)藏量的安全指標(biāo)，即糧食儲(chǔ)藏量應(yīng)當(dāng)占當(dāng)年糧食消費(fèi)總量的17%～18%[2]。根據(jù)FAO 和經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織（OECD）聯(lián)合發(fā)布的《農(nóng)業(yè)展望報(bào)告》顯示，糧食價(jià)格總體水平遠(yuǎn)高于近年平均水平，饑餓人口有增無減，根據(jù)聯(lián)合國公布的最新數(shù)據(jù)，全球每天忍受饑餓的人數(shù)達(dá)到10.2 億人[3]。而在我國，由于糧食儲(chǔ)量大、分布廣，糧食生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，安全儲(chǔ)糧作為保障糧食生產(chǎn)和糧食流通之間的重要環(huán)節(jié)，直接影響全國的糧食安全形勢。

1 安全儲(chǔ)糧的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外有關(guān)糧食儲(chǔ)藏過程中微生物活動(dòng)與糧食品質(zhì)的研究已取得一定進(jìn)展。在儲(chǔ)藏期間，在糧堆溫度、濕度的影響下，微生物活動(dòng)加劇，最終將影響儲(chǔ)藏稻谷的品質(zhì)。其中，霉菌區(qū)系的演替與脂肪酸值升高和整精米率下降有關(guān)，即霉菌量與脂肪酸值呈正相關(guān)，與整精米率呈負(fù)相關(guān)。有研究表明，儲(chǔ)藏稻谷中水分和溫度越高，稻谷霉菌量增長越快，曲霉是其中的優(yōu)勢菌；當(dāng)霉菌數(shù)量低于104CFU·g-1時(shí)，稻谷可以安全貯藏；而當(dāng)其中霉菌數(shù)量達(dá)到105CFU·g-1時(shí)，稻谷開始霉變，霉菌數(shù)量值的變化與霉菌演替有顯著相關(guān)性[4]。

保證糧食安全儲(chǔ)藏需要對(duì)整個(gè)糧堆的糧情系統(tǒng)進(jìn)行有效檢測，掌握糧情的變化規(guī)律可以更加科學(xué)的指導(dǎo)倉儲(chǔ)，完善糧食儲(chǔ)藏監(jiān)管手段。有研究表明，糧倉中的糧堆在儲(chǔ)藏時(shí)是一個(gè)多場耦合系統(tǒng)，包括生物場和非生物場，其中微生物和儲(chǔ)糧害蟲隨時(shí)間的活動(dòng)屬于生物場，而糧倉溫度、濕度、氣流速度等屬于非生物場[5]。糧情監(jiān)測系統(tǒng)最早在2000 年由Jain 提出[6]，主要監(jiān)測設(shè)備是個(gè)人電腦和糧倉中的溫濕度傳感器。

2 儲(chǔ)糧的生物場理論

2.1 生物場概念

生物學(xué)的基礎(chǔ)是生物系統(tǒng)內(nèi)的能量循環(huán)和與外界環(huán)境之間的能量交換。生物系統(tǒng)是復(fù)雜的生物實(shí)體之間相互作用的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，生物系統(tǒng)中的每個(gè)生物實(shí)體又同時(shí)與周圍環(huán)境中的生物實(shí)體和非生物實(shí)體進(jìn)行著物質(zhì)和能量交換。生物系統(tǒng)內(nèi)的細(xì)胞利用能量進(jìn)行分裂、分化、代謝和繁殖。在稻谷儲(chǔ)藏期間，休眠的稻谷作為能量來源，為生物系統(tǒng)內(nèi)的真菌、細(xì)菌、昆蟲和螨蟲等提供生存必備的條件。有研究表明，糧食在儲(chǔ)藏時(shí)期活躍著的真菌等微生物，會(huì)以類似物理場的方式與環(huán)境作用，即真菌生物場與溫度、水分物理場的相互作用[7]。

場，在物理學(xué)中用于描述和預(yù)測各種物理現(xiàn)象。在微生物學(xué)領(lǐng)域，場可以用來描述生物系統(tǒng)在時(shí)域和在時(shí)域中的行為，或者各個(gè)系統(tǒng)之間相互作用的范圍。具體而言，可以通過場強(qiáng)來量化生物場中生物實(shí)體的時(shí)空分布，場強(qiáng)被定義為生物實(shí)體通過能量交換來影響其他物理和生物實(shí)體的能力。糧食儲(chǔ)藏是糧堆自身生態(tài)系統(tǒng)和外界環(huán)境系統(tǒng)共同作用下的動(dòng)態(tài)過程。糧堆中的微生物包括田間菌和儲(chǔ)藏菌與稻谷和外界環(huán)境持續(xù)進(jìn)行著物理、生化方式的相互作用。因此，可以應(yīng)用場的概念來研究儲(chǔ)糧過程中真菌的生物行為，以及應(yīng)用場強(qiáng)的概念來量化生物場與溫度、濕度物理場之間的相互作用。真菌生物領(lǐng)域的強(qiáng)度被量化為真菌從谷物淀粉到熱能的能量轉(zhuǎn)化率。

2.2 糧堆微生物場效應(yīng)

在儲(chǔ)糧過程中，糧堆中的微生物在適宜的條件下將糧食中的有機(jī)物質(zhì)分解為水和二氧化碳，糧堆的溫度因此進(jìn)一步升高，進(jìn)而使得微生物加速生長，而微生物的大量繁殖又會(huì)釋放更多的水、二氧化碳，直至糧堆溫度升高至不適宜微生物生長的程度，即停止。因此，糧堆生物場場強(qiáng)的物理意義可以理解為將非生物場中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移、消耗的能力。

Dunke 將儲(chǔ)藏時(shí)期的糧堆描述為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，是相互作用的生物群落的組合，而生物群落又與其非生物環(huán)境相互作用[8]。生物群落包括稻谷真菌、昆蟲、螨蟲、鳥類、嚙齒動(dòng)物甚至人類，而非生物環(huán)境包括存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)（筒倉、垃圾箱、袋子等）、溫度、濕度和氣體。每個(gè)生物實(shí)體可以在特定狀態(tài)（時(shí)間）從一組給定的輸入中產(chǎn)生一組輸出（能量、物質(zhì)和信息）。有研究采用定量模型，根據(jù)生物系統(tǒng)的時(shí)空變化和演化來表征生物系統(tǒng)。如Eden 模型[9]已用于預(yù)測細(xì)菌菌落的空間格局。擴(kuò)散型微分方程用于描述生物系統(tǒng)在空間波動(dòng)中隨著時(shí)間的演變過程[10-11]。

在儲(chǔ)糧系統(tǒng)中，溫度和水分等非生物因素決定了真菌的發(fā)芽和發(fā)育，而真菌的生長則產(chǎn)生熱量和水分，從而改變了儲(chǔ)糧系統(tǒng)的溫度和水分，進(jìn)而加速了真菌的生長，并可能導(dǎo)致其他有利于不同溫度或濕度的生物實(shí)體（如不同的真菌物種或細(xì)菌）的出現(xiàn)。由此可見，真菌的生物場具有將糧食中碳水化合物轉(zhuǎn)化為熱量，同時(shí)影響糧堆中溫度場的能力[12]。例如，根瘤菌和豆科菌的共生過程中，根瘤菌的生物場（時(shí)間和空間分布）中包含了細(xì)菌和植物寄主之間的分子信號(hào)轉(zhuǎn)換[13]。

真核生物的溫度上限約為60 ℃[14]，因此，真菌產(chǎn)生的熱量還可能導(dǎo)致溫度升高到足夠高的水平，從而導(dǎo)致真菌熱死。描述這個(gè)復(fù)雜的生物相關(guān)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)，以及它們之間以及與物理環(huán)境之間的相互作用極具挑戰(zhàn)性。因此，“場”作為物理學(xué)中公認(rèn)的用于研究相互交織的復(fù)雜生物系統(tǒng)的概念[15]，已成功地用于解釋和預(yù)測許多物理現(xiàn)象，也成功的用于描述和預(yù)測各領(lǐng)域內(nèi)的生物系統(tǒng)。

2.3 糧堆微生物場的變化規(guī)律

場是時(shí)間和空間的函數(shù)。有研究通過引入糧堆微生物場概念，對(duì)實(shí)倉糧情數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，揭示了糧堆微生物場的變化規(guī)律[16]。因此，糧堆微生物場被確定為糧堆中微生物個(gè)體和群落的時(shí)空分布及其影響周圍非生物場的能力。這種能力即被定義為糧堆微生物場場強(qiáng)，場強(qiáng)的量化表達(dá)為單位體積、時(shí)間內(nèi)微生物產(chǎn)生的熱量（單位為kJ）。糧堆微生物場與其他生物場和非生物場相互影響、相互依存、相互耦合，這種關(guān)系可分為“微耦合”“強(qiáng)耦合”“退耦合”。隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長，根據(jù)場效應(yīng)的強(qiáng)弱，糧堆微生物場的演替歷程可分為蟄伏過程、潛伏過程、自激過程和衰退過程。

3 多場耦合理論的技術(shù)應(yīng)用

3.1 多場耦合理論

有學(xué)者運(yùn)用多場耦合理論對(duì)糧倉的糧情云圖進(jìn)行分析和預(yù)測，得到了糧堆溫度場和水分氣壓場對(duì)糧食儲(chǔ)藏品質(zhì)的破壞機(jī)理[17]。糧堆微生物場強(qiáng)增強(qiáng)時(shí)會(huì)對(duì)儲(chǔ)糧品質(zhì)造成破壞，因此需要使微生物場進(jìn)入退耦合狀態(tài)，即對(duì)微生物等生物行為進(jìn)行抑制和消除。當(dāng)糧食的食用品質(zhì)受到破壞時(shí)，糧堆生態(tài)系統(tǒng)中的微生物場發(fā)生自激鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而保證糧食的安全儲(chǔ)藏，就是要阻斷微生物場的自激鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。目前研究表明，阻斷反應(yīng)的手段主要有2 種：①通過外界干預(yù)，如使用藥物熏蒸、加強(qiáng)通風(fēng)或谷冷機(jī)冷卻等方式破壞微生物的生存條件來實(shí)現(xiàn)阻斷效果。②通過微生物場的自激鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生到一定階段，如發(fā)熱使得糧堆溫度過高，或者養(yǎng)分被消耗殆盡，或者產(chǎn)生不利于微生物生存的代謝產(chǎn)物積累到一定程度等，終止了微生物的繁殖，使得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)終止。由此可見，在糧食儲(chǔ)藏過程中對(duì)糧情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測具有十分重要的作用和意義。在糧食整個(gè)儲(chǔ)藏過程中，需要對(duì)糧堆的溫度、濕度、水分、害蟲密度以及糧倉內(nèi)外溫度、濕度、各種氣體濃度等物理量的變化趨勢進(jìn)行精準(zhǔn)把控，以確保糧食品質(zhì)的安全。而對(duì)糧情數(shù)據(jù)的采集需要借助傳感技術(shù)，糧情數(shù)據(jù)主要包括采集時(shí)間、取樣點(diǎn)位置、糧堆溫度、糧倉溫度及濕度和大氣溫度及濕度等。針對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析則需要建立分析模型，采用編程手段來分析處理糧情數(shù)據(jù)，其分析的準(zhǔn)確性將直接影響到整個(gè)儲(chǔ)藏控制的效果。

3.2 多場耦合理論的技術(shù)應(yīng)用——AI 技術(shù)

Torday 指出“生物有機(jī)體的行為模式就像一個(gè)場，由于之間的相互作用，因此場便成為了物理學(xué)上描述生物系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的基礎(chǔ)，場強(qiáng)即為生物細(xì)胞的生物作用能力?！盵18]有學(xué)者應(yīng)用糧堆多場耦合理論建立糧食儲(chǔ)藏中發(fā)熱、霉變、空倉、半倉及異動(dòng)等管理異常模態(tài)的溫度場云圖特征指紋，開發(fā)了儲(chǔ)糧監(jiān)管AI 分析軟件[19-20]。AI 技術(shù)（Artificial Intelligence，AI），又稱為人工智能技術(shù)，是目前發(fā)展最快的學(xué)科之一。AI 技術(shù)通過掌握某個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，建立起一套數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，進(jìn)一步來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)把控和優(yōu)化管理[21]。

2019 年10 月在吉林省長春市召開的以智慧糧食為主題的國際研討會(huì)議明確界定了糧食產(chǎn)后領(lǐng)域的AI 技術(shù)概念，并首次將糧食領(lǐng)域內(nèi)的AI 技術(shù)劃分為3 個(gè)層次。①數(shù)字糧食系統(tǒng)（Digtal Cereal System，DCS）包括糧食產(chǎn)后各個(gè)環(huán)節(jié)中的傳感采集、檢測采集、管理采集和網(wǎng)絡(luò)采集等數(shù)據(jù)的收集、傳輸過程，以及數(shù)據(jù)的分類、分析、統(tǒng)計(jì)與對(duì)比等數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)報(bào)表生成等過程的單一系統(tǒng)或系統(tǒng)組合。②智能糧食系統(tǒng)（Intelligence Cereal System，ICS）在數(shù)字糧食系統(tǒng)（DCS）基礎(chǔ)上，具有AI 推理功能（機(jī)理驅(qū)動(dòng)AI、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)AI 或混合雙驅(qū)動(dòng)AI），還可包括專家輔助決策功能（智識(shí)庫），形成的控制優(yōu)化或管理優(yōu)化的單一系統(tǒng)或系統(tǒng)組合。③智慧糧食系統(tǒng)（Smart Cereal System，SCS）包括多個(gè)不同糧食流通環(huán)節(jié)的智能糧食系統(tǒng)（ICS）和糧食流通大數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，共同構(gòu)成具有區(qū)域特性或產(chǎn)業(yè)鏈特性的糧食監(jiān)測、追溯、監(jiān)管、控制、管理及服務(wù)等整體功能優(yōu)化的組合AI 系統(tǒng)。

4 結(jié)語

在儲(chǔ)糧領(lǐng)域內(nèi)利用多場耦合理論可以對(duì)儲(chǔ)糧過程中的糧堆溫度場和濕度場云圖進(jìn)行分析，對(duì)不同季節(jié)糧堆可能發(fā)生結(jié)露或出現(xiàn)微生物場耦合區(qū)域進(jìn)行推算；同時(shí)，可以建立監(jiān)管儲(chǔ)備糧庫溫度場云圖的指紋掃描系統(tǒng)，對(duì)糧食儲(chǔ)藏過程中發(fā)熱、霉變、空倉和半倉等管理異常模態(tài)的溫度場云圖特征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，依托多場耦合理論所建立起來的新型AI 儲(chǔ)糧技術(shù)可廣泛的應(yīng)用于糧食儲(chǔ)藏的各個(gè)環(huán)節(jié)。