糧倉儲(chǔ)糧霉變CO2法監(jiān)測(cè)值主要影響因素

白靜靜 翟煥趁 張帥兵 呂揚(yáng)勇 蔡靜平

(河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

中國的儲(chǔ)備糧倉數(shù)量和規(guī)模均非常龐大，糧食儲(chǔ)藏的周期相對(duì)較長，在糧食儲(chǔ)藏期間霉菌的生長活動(dòng)是造成儲(chǔ)糧數(shù)量損失及品質(zhì)劣變的主因，許多真菌的代謝活動(dòng)還會(huì)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(duì)儲(chǔ)糧的破壞，科學(xué)的監(jiān)測(cè)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(duì)糧食樣品的檢測(cè)分析，可以準(zhǔn)確判斷糧食中霉菌的活動(dòng)狀況[8-10]，但大型糧倉中霉菌早期活動(dòng)的區(qū)域很小，霉變發(fā)生部位具有不確定性，隨機(jī)或定點(diǎn)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(cè)溫技術(shù)也只能對(duì)發(fā)生在測(cè)溫點(diǎn)的早期霉菌活動(dòng)做出響應(yīng)，一旦偏離測(cè)溫點(diǎn)，由于溫度在糧堆中傳導(dǎo)極慢，往往難以及時(shí)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(cè)技術(shù)，這對(duì)保障糧食儲(chǔ)藏安全具有及其重要的意義。

霉菌生長活動(dòng)產(chǎn)生的CO2氣體是與熱傳導(dǎo)相似、可以在糧堆中擴(kuò)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(kuò)散[13-14]，這是該方法能被用于儲(chǔ)糧霉菌監(jiān)測(cè)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(kuò)散速率比溫度的傳導(dǎo)提高數(shù)十倍，有利于大幅度提升儲(chǔ)糧霉菌活動(dòng)監(jiān)測(cè)的靈敏度[15-16]。但是，儲(chǔ)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(cè)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(chǔ)糧霉菌生長狀態(tài)下也可能因?yàn)闄z測(cè)條件的變化或參數(shù)設(shè)置的差異而得到不同的檢測(cè)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(shí)際應(yīng)用的可能性。

前期國內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)糧CO2監(jiān)測(cè)研究的重點(diǎn)在于了解CO2氣體濃度變化與儲(chǔ)糧霉菌生長的關(guān)系及CO2氣體在糧堆中的擴(kuò)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(chǔ)糧占比大的筒倉儲(chǔ)糧中，根據(jù)糧倉空間或出風(fēng)口的CO2氣體濃度變化，即可判斷儲(chǔ)糧中的霉菌活動(dòng)狀況[16]。中國儲(chǔ)糧以平房倉為主，倉房氣密性較差，倉容儲(chǔ)糧占比小，在儲(chǔ)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(diǎn)進(jìn)行氣體取樣檢測(cè)。由于平房倉區(qū)域面積廣，糧堆溫差大，設(shè)點(diǎn)進(jìn)行氣體取樣檢測(cè)涉及諸多影響CO2氣體濃度檢測(cè)值的因素，因此，前期許多在實(shí)驗(yàn)室模擬儲(chǔ)糧容器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中獲得的CO2檢測(cè)參數(shù)及建立的CO2氣體擴(kuò)散規(guī)律很難在實(shí)倉中直接應(yīng)用。為此，本研究選擇在平房倉的儲(chǔ)糧實(shí)倉中進(jìn)行CO2氣體檢測(cè)效果試驗(yàn)，試圖闡明環(huán)境溫度、糧食品種等儲(chǔ)糧關(guān)鍵因子改變，以及糧堆中霉變部位、氣體取樣點(diǎn)設(shè)置模式或氣體取樣量等檢測(cè)參數(shù)變化對(duì)CO2檢測(cè)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(cè)值變化解析儲(chǔ)糧霉變狀態(tài)、判斷儲(chǔ)糧安全風(fēng)險(xiǎn)的方法，為糧食儲(chǔ)藏霉變?cè)缙诟咝Х揽靥峁┘夹g(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)糧倉及糧食

主要試驗(yàn)在河南工業(yè)大學(xué)試驗(yàn)糧倉中進(jìn)行，廒間尺寸為9 m×6 m，糧堆深度為6 m，單倉儲(chǔ)備容量約260 t，試驗(yàn)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(cè)試驗(yàn)在長沙儲(chǔ)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(cè)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(yàn)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(dòng)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(yàn)需要在一定的部位設(shè)置輸氣管道，然后將糧堆復(fù)原。

1.3.3 糧食水分測(cè)定 按照GB 5009.3—2016檢測(cè)糧食樣品水分含量。

1.3.4 糧食帶菌量檢測(cè) 采用GB 4789.15—2016霉菌計(jì)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(cè) 采用CO2濃度檢測(cè)傳感器，記錄一定檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)顯示器中的檢測(cè)值。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析方法 使用SPSS 16和Excel 2013軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧堆溫度及環(huán)境溫度對(duì)監(jiān)測(cè)的影響

溫度是儲(chǔ)糧發(fā)生霉變的決定性因素[18-20]。為了闡明CO2法對(duì)商業(yè)化糧食儲(chǔ)藏霉變的檢測(cè)效果，在糧堆中埋入高水分糧食，進(jìn)行實(shí)倉儲(chǔ)糧局部霉變的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果(圖1、2)表明，溫度是影響CO2監(jiān)測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵因子，30 ℃試驗(yàn)組霉菌活動(dòng)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(dá)到0.99以上，這在實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)用中有重要的價(jià)值，是CO2法對(duì)霉菌活動(dòng)靈敏響應(yīng)的關(guān)鍵屬性。因?yàn)槊咕z旺盛生長對(duì)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(chǔ)糧安全性變化的重要信息，可作為儲(chǔ)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(duì)于儲(chǔ)糧監(jiān)測(cè)和處理沒有實(shí)質(zhì)性的意義。

當(dāng)局部高水分糧食處于較低的溫度[(20±2) ℃]條件下，試驗(yàn)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(yàn)的第10～25天，糧食帶菌量和CO2氣體檢測(cè)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(dǎo)致儲(chǔ)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(cè)值就會(huì)同步升高，這一特點(diǎn)是儲(chǔ)糧霉變監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。

比較圖1、2，還可發(fā)現(xiàn)一個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象，當(dāng)糧堆中CO2氣體的小幅度升高時(shí)，較低溫度下糧堆中對(duì)應(yīng)的帶菌量變化遠(yuǎn)高于較高溫度糧堆中的。例如，相同水分糧食儲(chǔ)藏在20 ℃ 下第35天的帶菌量變化與30 ℃儲(chǔ)藏第15天的相當(dāng)(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(dá)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(qiáng)度降低，產(chǎn)氣量減少，還與環(huán)境溫度對(duì)遠(yuǎn)距離氣體采樣和CO2氣體檢測(cè)的影響有關(guān)[13,23]。

圖1 不同溫度下霉變點(diǎn)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(duì)CO2檢測(cè)結(jié)果的影響Figure 2 Effect of grain bulk temperature on carbon dioxide detection

為了驗(yàn)證環(huán)境溫度對(duì)CO2氣體檢測(cè)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(jìn)行CO2氣體濃度檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，雖然不同濃度下的檢測(cè)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(cè)值更高(圖3)，5種濃度CO2檢測(cè)的平均值，30，25 ℃的檢測(cè)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(duì)應(yīng)的儲(chǔ)糧霉變程度越高，需要予以更多的關(guān)注。

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

2.2 糧食品種對(duì)CO2監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

中國儲(chǔ)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(chǔ)藏期間，相同的生物量活動(dòng)與產(chǎn)生CO2量是一致的[5]，但實(shí)際檢測(cè)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(kuò)散特性)和糧食對(duì)CO2氣體的吸附特性等參數(shù)有關(guān)。根據(jù)糧食的物理學(xué)特性，稻谷糧堆的孔隙度一般比小麥高約30%，但對(duì)CO2的吸附能力也比小麥高約15%，這2種特性對(duì)CO2氣體擴(kuò)散影響效果是相反的，實(shí)際檢測(cè)值是多種因素綜合影響的結(jié)果。本試驗(yàn)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(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果(圖4)表明，稻谷糧堆比小麥糧堆CO2氣體的最高檢測(cè)值高50%，峰值時(shí)間提前了4 d，說明在儲(chǔ)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(kuò)散的主要因素，吸附作用的影響不明顯。因此，對(duì)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(kuò)散的糧堆，可以考慮降低監(jiān)測(cè)點(diǎn)的間距，以彌補(bǔ)對(duì)監(jiān)測(cè)靈敏度的影響。

圖4 糧食品種對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響Figure 4 Effect of grain variety on carbon dioxide detection

2.3 糧堆中霉變點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)檢測(cè)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(cè)點(diǎn)，結(jié)果見圖5。當(dāng)霉變活動(dòng)部位靠近糧堆表面時(shí)[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(cè)點(diǎn)(糧面向下 1 m)與霉菌活動(dòng)產(chǎn)氣點(diǎn)重合，其CO2氣體檢測(cè)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(dá)1.44%；但在該模式下距糧面3 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2檢測(cè)值相對(duì)較為平緩，相同時(shí)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(cè)點(diǎn)的數(shù)值變化模式可更客觀地反映霉菌的實(shí)際生長狀態(tài)。當(dāng)霉變活動(dòng)部位處于糧堆較深部位時(shí)[距糧面2 m，圖5(b)]，糧堆深部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到的CO2氣體濃度峰值更高，高濃度CO2維持的時(shí)間更長(與模擬糧包距糧面1 m相比)，這種變化特點(diǎn)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(cè)點(diǎn)的CO2氣體檢測(cè)值變化，可以看出，3 m深監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)效果更穩(wěn)定，因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)優(yōu)先在糧堆中部靠下的部位設(shè)置主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在近表層的部位設(shè)輔助監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)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(duì)檢測(cè)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(duì)檢測(cè)的影響

氣體取樣流速是CO2氣體檢測(cè)必須設(shè)定的參數(shù)，提高流速雖然可以減少檢測(cè)耗時(shí)，但可能影響檢測(cè)值。本試驗(yàn)通過檢測(cè)糧倉中不同濃度CO2氣體，研究氣體取樣流速對(duì)檢測(cè)值的影響。結(jié)果(圖6)顯示，當(dāng)氣體取樣流速為50～100 mL/min 時(shí)，不同濃度CO2氣體均可獲得穩(wěn)定的檢測(cè)結(jié)果。在<50 mL/min氣體流速下，檢測(cè)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(cè)氣體流速下，對(duì)濃度超過1%的CO2氣源檢測(cè)結(jié)果影響不明顯；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2氣體濃度<1%時(shí)，高氣流速度對(duì)檢測(cè)值的影響非常顯著。例如，對(duì)于相同糧堆監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)氣流速度為200 mL/min 時(shí)，CO2檢測(cè)值的降幅可達(dá)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(cè)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(jìn)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(cè)值。因此，為了監(jiān)測(cè)儲(chǔ)糧霉菌的早期生長，應(yīng)該將進(jìn)入檢測(cè)傳感器的CO2氣體流速調(diào)節(jié)在50～100 mL/min，確保檢測(cè)的靈敏度和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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

2.5 氣體取樣量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

CO2的檢測(cè)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(gè)傳感器。根據(jù)檢測(cè)的需要，在同一糧倉中會(huì)采用不同材質(zhì)、管徑的輸氣管道，管道長度也會(huì)根據(jù)距離而改變。輸氣管道參數(shù)差異將導(dǎo)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(jìn)行理論計(jì)算。如果以常規(guī)控制時(shí)間的方法進(jìn)行檢測(cè)將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，應(yīng)該通過控制氣體取樣量檢測(cè)才能獲得穩(wěn)定、準(zhǔn)確的檢測(cè)效果。圖7是在3個(gè)CO2氣體濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)中用20 m長，5 mm×3 mm規(guī)格輸氣管道進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果，試驗(yàn)表明，當(dāng)氣體取樣量達(dá)到管道理論體積的1.38倍時(shí)，CO2氣體濃度檢測(cè)值達(dá)到原位檢測(cè)濃度的95%左右，當(dāng)氣體取樣量提高至3.22 倍時(shí)，其檢測(cè)值與1.38倍取樣量相比沒有顯著變化(P<0.05)。進(jìn)一步對(duì)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(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果也(表1)表明，各種規(guī)格管道的實(shí)際檢測(cè)值可達(dá)到原位CO2氣體濃度的90%以上，達(dá)到監(jiān)測(cè)方法判斷儲(chǔ)糧安全性的效果。如果氣體取樣量過大，霉變點(diǎn)產(chǎn)生的CO2氣體可能不足以補(bǔ)充檢測(cè)的消耗[25]，檢測(cè)值就會(huì)降低。因此，在實(shí)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(jìn)行檢測(cè)，即可滿足監(jiān)測(cè)糧堆中霉變活動(dòng)的需要。

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

3 結(jié)論

本試驗(yàn)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(cè)結(jié)果，但在不同溫度條件下糧堆CO2檢測(cè)值均與儲(chǔ)糧霉菌早期生長的數(shù)量變化關(guān)系完全對(duì)應(yīng)，這一規(guī)律構(gòu)建了CO2法實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。不同的糧食品種、監(jiān)測(cè)方法及檢測(cè)參數(shù)設(shè)置也會(huì)不同程度地改變CO2氣體檢測(cè)值，通過正確設(shè)置監(jiān)測(cè)模式和檢測(cè)參數(shù)可以獲得準(zhǔn)確、穩(wěn)定的檢測(cè)值。

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

本試驗(yàn)確定的CO2法檢測(cè)參數(shù)及監(jiān)測(cè)方式適用于對(duì)平房倉實(shí)倉常規(guī)儲(chǔ)糧的霉菌危害活動(dòng)監(jiān)測(cè)；揭示的相關(guān)規(guī)律性，對(duì)分析、解讀監(jiān)測(cè)信息有較好的參考價(jià)值。但中國儲(chǔ)糧規(guī)模大、倉型多、地域廣，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需根據(jù)具體的儲(chǔ)糧狀態(tài)進(jìn)行必要的測(cè)試或驗(yàn)證，闡明各種影響因子的作用特點(diǎn)，制訂出根據(jù)糧堆CO2檢測(cè)值變化解析儲(chǔ)糧霉菌生長活動(dòng)狀態(tài)的規(guī)則，從而對(duì)儲(chǔ)糧局部霉變及安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行靈敏的早期預(yù)警，為儲(chǔ)糧霉菌精準(zhǔn)、高效控制提供依據(jù)。