基于溫濕度場(chǎng)云圖的小麥糧堆霉變與溫濕度耦合分析

王小萌，吳文福，尹 君，張忠杰，吳子丹※，張洪清

（1. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2. 國(guó)家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037）

0 引 言

溫度和水分是影響糧食儲(chǔ)藏的主要因素。在長(zhǎng)期的儲(chǔ)藏過程中，當(dāng)糧食溫度和水分超過安全儲(chǔ)藏的臨界值或者糧堆中出現(xiàn)局部熱量和水分的積聚時(shí)，很容易誘發(fā)糧食霉變、發(fā)熱和蟲害[1]。

為了實(shí)現(xiàn)糧食安全儲(chǔ)藏，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)部溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、糧堆霉變等進(jìn)行了大量的研究。張忠杰等[2]、張燕君等[3]、李軍軍等[4]模擬了平房倉(cāng)內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)下糧堆溫度場(chǎng)變化。Jia等[5]和Roberta等[6]分別對(duì)圓筒倉(cāng)和布袋倉(cāng)內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究。Gasto′n等[7]和Hammamia等[8]分別對(duì)布袋倉(cāng)和筒倉(cāng)內(nèi)的溫度場(chǎng)和水分含量變化進(jìn)行了模擬研究。唐芳等[9-12]、陳暢等[13]研究了不同水分含量的小麥、玉米和水稻在不同溫度下儲(chǔ)藏的霉變情況。Jian研究發(fā)現(xiàn)微生物的呼吸作用產(chǎn)生的熱量是發(fā)熱點(diǎn)發(fā)展初期的主要熱源[14]，且影響糧堆自發(fā)熱的主要因素是溫度、糧食含水量、氣體成分和微生物的呼吸[15-16]。但是中國(guó)的儲(chǔ)糧周期長(zhǎng)、糧堆體積大，糧堆中的溫度、濕度與微生物的變化更為復(fù)雜，因此研究糧堆內(nèi)的多場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)儲(chǔ)糧實(shí)踐意義重大。

2014年，吳子丹等[17]首次將多場(chǎng)耦合理論應(yīng)用到糧食儲(chǔ)藏中，提出要建立多場(chǎng)耦合模型，對(duì)糧堆生物場(chǎng)和非生物場(chǎng)耦合作用進(jìn)行定量分析和仿真，此后，尹君等[18-19]采用了多場(chǎng)耦合理論研究?jī)?chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的變化，并運(yùn)用多場(chǎng)耦合理論構(gòu)建了非人工干預(yù)狀態(tài)下小麥糧堆溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、微氣流場(chǎng)等多場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型。元偉[20-21]、王遠(yuǎn)成等[22]、潘玉等[23]利用有限元法建立了靜態(tài)和通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)的熱濕耦合傳遞模型。但是，目前還缺乏對(duì)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)與糧堆霉變耦合過程的定量關(guān)系和時(shí)間、空間關(guān)系的規(guī)律研究。

本文在自建模擬倉(cāng)裝置基礎(chǔ)上，利用加熱元件加熱糧堆，模擬糧倉(cāng)熱芯，通過構(gòu)建溫度和相對(duì)濕度場(chǎng)云圖來揭示溫、濕度場(chǎng)與霉變的時(shí)空耦合關(guān)系，以期為今后進(jìn)一步建立耦合規(guī)律和儲(chǔ)糧過程中霉變發(fā)熱的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣品

本試驗(yàn)采用周麥樣品，初始水分含量為11%（w.b.），容重為781 g/L，雜質(zhì)含量為0.5%，無霉變粒，。

1.2 試劑及儀器

NIKON E100顯微鏡：日本尼康公司；DHG一9140型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；儲(chǔ)糧真菌危害早期檢測(cè)儀[24]：中國(guó)國(guó)家糧食局科學(xué)研究院；多參數(shù)糧情檢測(cè)系統(tǒng)：中國(guó)深圳市東大恒豐科技有限公司。

本試驗(yàn)所用水均為去離子水。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品復(fù)水

將水分含量為11%（w.b.）的小麥進(jìn)行除雜、清理，采用噴霧著水法，邊加水邊攪拌，先將水分含量調(diào)制到16%（w.b.），再逐步調(diào)制到水分含量 20%（w.b.），然后將樣品裝入塑料袋中，密封于5 ℃冰箱中平衡10 d。調(diào)質(zhì)后，測(cè)定小麥樣品的最終水分含量為20.1%（w.b.）。

1.3.2 模擬倉(cāng)裝置

小麥模擬倉(cāng)發(fā)熱點(diǎn)試驗(yàn)裝置(圖1)是一個(gè)底面內(nèi)直徑0.54 m、高0.70 m的鐵筒倉(cāng)，倉(cāng)壁厚度為0.01 m。模擬倉(cāng)上方中心位置開有內(nèi)直徑為0.08 m的通氣管。模擬倉(cāng)內(nèi)底面和四周鋪設(shè)0.02 m厚的橡塑保溫材料。

圖1 模擬試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic of simulation test silo

1.3.3 儲(chǔ)藏模擬設(shè)置

模擬倉(cāng)內(nèi)放置 2種不同水分含量的小麥，小麥糧堆高度為0.60 m，水分含量為20.1%（w.b.）的小麥處于模擬倉(cāng)中心部位，形成底面直徑為0.30 m、高0.30 m的圓柱，其余部位小麥的水分含量為 11%（w.b.）。水分含量20.1%（w.b.）的糧堆中心插入加熱元件，加熱元件的溫度設(shè)為30 ℃，目的是利用加熱元件引發(fā)糧堆內(nèi)部濕熱遷移，試驗(yàn)232 h后，加熱元件停止加熱。模擬倉(cāng)儲(chǔ)藏在溫度為18 ℃的恒溫室內(nèi)。水分含量為20.1%（w.b.）的小麥作為圖1中的高水分小麥，水分含量為11%（w.b.）的小麥作為圖1中的低水分小麥。2種水分含量的小麥的初始糧溫均為15 ℃。水分含量11%（w.b.）小麥糧堆初始平均相對(duì)濕度為54%，水分含量為20.1%（w.b.）小麥糧堆初始平均相對(duì)濕度為90%。

1.4 測(cè)量指標(biāo)及方法

1.4.1 危害真菌孢子

參考文獻(xiàn)[25]的方法，取10.0 g小麥籽粒樣品，于50 mL具塞試管中，加30 mL水，加塞，振蕩1 min，過300目濾布，取過濾液于顯微鏡下進(jìn)行真菌孢子計(jì)數(shù)。

1.4.2 CO2含量

分別在糧堆高度為0.3、0.15、0和-0.2 m的糧層中心位置向倉(cāng)蓋上的通氣管引出軟管，軟管插入糧堆內(nèi)部的一端纏有紗布。使用儲(chǔ)糧真菌危害早期檢測(cè)儀（型號(hào)為ASAG，量程為0～50 000 ppm，檢測(cè)精度≤±3%）檢測(cè)小麥糧堆內(nèi)部的CO2含量。

1.4.3 溫濕度

采用溫濕度集成的糧情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)糧堆內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的變化，此系統(tǒng)包括溫濕度傳感器探頭、主機(jī)和分機(jī)。溫濕度傳感器探頭精度為：溫度精度±0.3 ℃，濕度精度±3%RH。

1.4.4 水分含量

本試驗(yàn)中涉及的水分含量測(cè)定方法均為烘箱干燥法[26]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

選取糧堆中垂面溫濕度傳感器檢測(cè)到的溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，使用Matlab處理試驗(yàn)中的溫、濕度數(shù)據(jù)，利用四點(diǎn)樣條插值法繪制糧堆內(nèi)的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)云圖。使用 Origin 處理試驗(yàn)中的溫度和相對(duì)濕度、CO2濃度數(shù)據(jù)，繪制變化曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度變化

圖2的溫度場(chǎng)云圖顯示，小麥糧堆在30 ℃加熱元件的加熱下，糧溫緩慢升高，停止加熱后，熱量從糧堆的上方散失，糧溫逐漸降低，最終糧溫和模擬倉(cāng)外溫度保持一致，為18 ℃。

圖 3為儲(chǔ)藏期間小麥糧堆中垂面 A、B、C、D、E取樣點(diǎn)的溫度變化曲線。圖中A、C、D、E點(diǎn)均勻分布在B點(diǎn)的上方、下方、左方和右方，距離為0.15 m，溫度升高時(shí)呈現(xiàn)線性變化。在熱浮升力作用下，A點(diǎn)升溫速率最高，為0.029 ℃/h。 C、D、E點(diǎn)升溫速率基本相同，為 0.022 ℃/h。A、C、D、E 點(diǎn)升高的最高溫度分別為22.7、23.3、21.3和21 ℃。在加熱期間，C點(diǎn)的溫度最早升高，且一直高于其他點(diǎn)，這是因?yàn)榘l(fā)熱元件所在位置恰好和其中 1個(gè)溫濕度傳感器探頭位置重合，為了避免發(fā)熱元件干擾傳感器的讀數(shù)，發(fā)熱元件的位置稍微向B點(diǎn)位置的下方偏移。

圖2 儲(chǔ)藏不同時(shí)間后小麥糧堆中垂面溫度場(chǎng)云圖Fig.2 Measured temperature cloud charts of min-vertical plane in wheat bulk after different storage time

圖3 小麥糧堆中垂面不同取樣點(diǎn)的溫度變化Fig.3 Temperature variation of different sampling points on min-vertical plane of wheat bulk

2.2 相對(duì)濕度變化

圖 4為儲(chǔ)藏不同時(shí)間后小麥糧堆中垂面的濕度場(chǎng)云圖。由圖 4可知，小麥糧堆在加熱元件的加熱下，高水分小麥中心的相對(duì)濕度迅速降低，形成低濕度區(qū)。加熱點(diǎn)停止加熱后，高水分小麥中心的相對(duì)濕度又逐漸升高，并且在加熱點(diǎn)上方形成了窩狀高濕區(qū)域。

圖5是儲(chǔ)藏過程中小麥糧堆中垂面的A、B、C、D、E取樣點(diǎn)的溫度變化曲線。圖5中D、E相對(duì)濕度分別從85.4%、88.7%逐漸降低到79.7%、82.5%，變化趨勢(shì)基本相同；0～183 h，A點(diǎn)相對(duì)濕度從94.6%降低到87%，隨后，又逐漸升高到 99.6%；0～232 h，B點(diǎn)相對(duì)濕度從89.1%降低到59.5%，隨后，又逐漸升高到83.2%；C點(diǎn)相對(duì)濕度降低得最快，0～141 h，相對(duì)濕度從86.5%降低到69.8%，隨后，又逐漸升高到78.65%。距離B點(diǎn)均相距0.15 m的A、B、C、D、E點(diǎn)相對(duì)濕度降低速率：C ＞ B ＞ A ＞ D ≈ E。

圖4和圖5現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是由糧堆內(nèi)的微氣流和擴(kuò)散作用引起的。在加熱元件作用下，加熱點(diǎn)附近糧堆被干燥，糧堆處于解析狀態(tài)，相對(duì)濕度逐漸降低。在以微氣流作用為主，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為輔的情況下，糧堆內(nèi)的濕空氣主要向上移動(dòng)，同時(shí)也向模擬倉(cāng)內(nèi)壁方向擴(kuò)散。加熱點(diǎn)停止加熱后的短時(shí)間內(nèi)，微氣流作用減弱，但仍起主導(dǎo)作用，當(dāng)糧溫和模擬倉(cāng)外溫度相同后，擴(kuò)散作用為主，因此糧堆內(nèi)的部分濕空氣又逐漸填充到原加熱點(diǎn)位置。通過上述分析可知，試驗(yàn)過程中，糧堆內(nèi)的加熱中心處于解析狀態(tài)，加熱中心上層處于吸附狀態(tài)，因此高溫中心與高濕度中心不重合。

2.3 真菌孢子數(shù)測(cè)定

表1為小麥糧堆儲(chǔ)藏800 h前后不同取樣點(diǎn)的真菌變化。表1表明，霉變區(qū)域主要存在于加熱點(diǎn)中心周圍的A、C、D和E區(qū)域，且A區(qū)域發(fā)霉最嚴(yán)重，D和E區(qū)域次之。儲(chǔ)糧真菌危害檢測(cè)判定標(biāo)準(zhǔn)中[27]，安全等級(jí)為不出現(xiàn)危害真菌生長(zhǎng)；臨界等級(jí)時(shí)，先出現(xiàn)灰綠曲霉，后期將出現(xiàn)少量亮白曲霉；危險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，灰綠曲霉生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)被亮白曲霉取代；重度危險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，糧堆中生物的微生物以亮白曲霉為主。

圖5 小麥糧堆中垂面不同取樣點(diǎn)的相對(duì)濕度變化圖Fig.5 Relative humidity variation of different sampling points on min-vertical plane of wheat bulk

表1 儲(chǔ)藏800 h后不同取樣點(diǎn)的真菌變化Table 1 Fungal variation of different sampling points after 800 h

表2為儲(chǔ)糧真菌危害檢測(cè)判定標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)表2可知，A區(qū)域的小麥安全性處于重度危險(xiǎn)等級(jí)，D和E區(qū)域的小麥處于危險(xiǎn)等級(jí)，C區(qū)域的小麥安全性處于臨界狀態(tài)。這是由于糧堆微生物生長(zhǎng)需要適宜的溫度和濕度[28]。比較圖3和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在加熱元件加熱下，A區(qū)域小麥一直處于較高溫度和較高濕度環(huán)境中，很容易生長(zhǎng)霉菌；B區(qū)域小麥雖處于高溫下，但是相對(duì)濕度較低，不利于微生物生長(zhǎng)；C區(qū)域小麥溫度與A區(qū)域相近，但是濕度比A區(qū)域低（圖4），因此霉變速度較A區(qū)域慢；D區(qū)域和E區(qū)域小麥溫度和A、C區(qū)域相近，但是相對(duì)濕度較C區(qū)域高，較A區(qū)域低，因此霉變情況較C區(qū)域嚴(yán)重，比A區(qū)域輕。這也說明，糧堆內(nèi)溫濕度變化過程中，霉變不僅與時(shí)間相關(guān)，也與空間位置相關(guān)。

表2 儲(chǔ)糧真菌危害檢測(cè)判定標(biāo)準(zhǔn)[27]Table 2 Criteria for determination of damage of stored grain fungus [27]

在試驗(yàn)過程中，在糧堆內(nèi)并沒有出現(xiàn)自發(fā)熱點(diǎn)。這可能是因?yàn)橥Ｖ辜訜岷?，糧溫偏低，糧堆內(nèi)微生物呼吸作用產(chǎn)熱量少，熱量又很容易散失到模擬倉(cāng)外，以至于不能檢測(cè)到溫升現(xiàn)象。

2.4 CO2含量的變化

通過檢測(cè)糧堆內(nèi) CO2濃度變化，可以判斷糧堆是否發(fā)生霉變及霉變的強(qiáng)弱[29-31]。圖6是不同糧堆高度的CO2濃度變化曲線圖，由圖6可知，糧面以下0.3、0.15、0、-0.2 m 的4個(gè)糧層的CO2含量均是從開始迅速升高后，達(dá)到最高值25 600、26 600、31 150、31 550 ppm，試驗(yàn)232 h，加熱元件停止加熱后，迅速降低。這表明糧溫高時(shí)，微生物活動(dòng)劇烈，糧溫降低后，微生物活動(dòng)微弱，也就是說糧溫高時(shí)，糧堆內(nèi)溫度和濕度耦合促進(jìn)微生物的呼吸作用，糧溫低時(shí)，溫度和濕度耦合抑制了微生物的呼吸作用。

比較表1和圖6可發(fā)現(xiàn)，糧堆中CO2含量的變化和真菌孢子數(shù)并不一致，這是由于模擬倉(cāng)底部封閉，上部開有與外界通氣的孔，試驗(yàn)過程中，糧堆霉變生成的CO2在微氣流和擴(kuò)散作用下向倉(cāng)頂部和倉(cāng)底部移動(dòng)，向頂部移動(dòng)的CO2將從通氣孔散到倉(cāng)外，向倉(cāng)底部移動(dòng)的 CO2將沉積在倉(cāng)底部，導(dǎo)致糧堆底部的 CO2濃度高于糧堆頂部。

圖6 小麥糧堆不同糧層的CO2含量變化Fig.6 Changes of CO2 content in different layers of wheat bulk

3 結(jié) 論

在模擬倉(cāng)中，加熱元件短時(shí)加熱，引發(fā)糧堆內(nèi)濕熱遷移。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1）糧堆在加熱下，中心溫度升高到30℃，同時(shí)熱量向四周傳遞；在微氣流和擴(kuò)散作用下，糧堆內(nèi)部濕空氣主要向上移動(dòng)，并在糧堆上層形成相對(duì)濕度為99.6%的高濕度區(qū)。

2）試驗(yàn)過程中，糧堆中心高溫區(qū)域，濕度偏低，幾乎沒有出現(xiàn)霉變現(xiàn)象，真菌孢子數(shù)＜104個(gè)/g；霉變主要出現(xiàn)在高溫中心外圍濕度偏高的位置；且高溫中心上部，相對(duì)濕度一直保持在 85%以上，霉變最嚴(yán)重，真菌孢子數(shù)最高達(dá)到 1.35×107個(gè)/g。說明在溫度和濕度的變化和耦合過程中，糧堆霉變不僅是時(shí)間的函數(shù)，同時(shí)也是空間的函數(shù)。

3）本試驗(yàn)還可以看出，如果溫度較低，即使局部水分較高，其微生物的增長(zhǎng)也會(huì)較緩，表現(xiàn)為溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)耦合對(duì)微生物的生長(zhǎng)促進(jìn)作用強(qiáng)度不足，引起微生物爆發(fā)性增長(zhǎng)所需要的時(shí)間延長(zhǎng)，甚至并不出現(xiàn)明顯的發(fā)熱，但是仍然會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)糧緩慢霉變。

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