儲糧害蟲檢測方法研究進展

呂建華 黃宗文 王殿軒 白春啟

(河南工業(yè)大學糧油食品學院糧食儲藏與安全教育部工程研究中心，鄭州 450001)

民以食為天，食以糧為先。糧食是食品加工的重要原料，儲糧安全是食品安全的重要保障。特別是隨著世界人口迅速增加，預計到2050年將達到91億以上，食品安全問題尤為突出[1]。糧食在儲藏過程中時常會因害蟲為害造成嚴重損失[2]。由儲糧害蟲為害引起的全球糧食損失每年約為10%～40%[3]。儲糧中的害蟲一般來源于原糧收獲時從田間攜帶的害蟲及原來糧倉中殘留的害蟲，或者糧食儲運過程中外部侵入的害蟲。儲藏害蟲會引起糧食發(fā)熱、霉變、品質(zhì)下降，降低糧食的食用品質(zhì)和營養(yǎng)價值[4]。

我國是一個人口大國，黨和政府一直高度重視糧食安全問題。我國現(xiàn)行的保糧方針是“以防為主，綜合防治”。及時對儲糧害蟲檢測是進行害蟲防治的前提，是科學高效實施害蟲綜合治理的重要組成部分。研究開發(fā)高效、靈敏、準確、便捷的儲糧蟲害檢測技術(shù)和方法是目前儲糧害蟲綜合治理的研究熱點。本文對目前國內(nèi)外儲糧害蟲檢測方法進行綜述，以期為今后對儲糧害蟲發(fā)生的預測預報研究與應用、確保糧食安全儲藏有所裨益。

1 儲糧害蟲檢測方法

目前國內(nèi)外儲糧害蟲檢測方法有直觀檢查法、取樣檢查法、誘集檢查法、電子檢查法等。

1.1 直觀檢查法

直觀檢查法是通過肉眼來檢查害蟲發(fā)生情況，這是一種直觀簡便、應用較廣，但主觀性較強的方法，常用于現(xiàn)場初步查看害蟲發(fā)生情況[5]。在自然條件下，可在現(xiàn)場通過肉眼觀察糧堆表面是否有害蟲活動痕跡，有無蟲蝕糧粒，有無蛾類成蟲飛翔，有無害蟲天敵存在等檢查害蟲。直觀檢查因不易精確判定害蟲種類和密度，同時無法檢測蟲卵及糧粒內(nèi)部隱藏的害蟲，因此常作為輔助檢查。

1.2 取樣檢查法

取樣檢查法是通過扦取一定量的糧食樣品，檢查其中害蟲種類及密度，來判斷整個糧堆內(nèi)害蟲發(fā)生情況，這是目前我國糧食倉儲行業(yè)常規(guī)的害蟲檢測方法。在取樣過程中，害蟲完全處于被動狀態(tài)，連同糧粒被取出。常采用篩選法檢查糧粒外部的害蟲；對于包裝糧、空倉或加工廠害蟲，通常還會借助感官檢查、室內(nèi)培養(yǎng)等方法進一步檢測害蟲發(fā)生情況[6]。對于隱蔽性害蟲，還需要進一步采用剖粒法、染色法、比重法、尿酸法、分子生物學方法、特征性揮發(fā)性化合物檢測法等檢測。

1.2.1 剖粒法

采用分樣器從扦取的糧食樣品中獲取少量實驗樣品，其中大豆、玉米等大粒糧食可取10 g，小麥、稻谷等小粒糧食取5 g即可。然后用刀片將糧粒剖開，逐粒檢查是否存在害蟲，計算每千克糧食內(nèi)害蟲的數(shù)量[7]。周顯青等[8]采用剖粒法對小麥的害蟲感染情況進行測定。

1.2.2 染色法

在被感染的小麥粉中，蟲卵因直徑小，易黏附小麥粉顆粒，很難用肉眼分辨。根據(jù)美國谷物化學家協(xié)會(American Association of Cereal Chemists，AACC)(2000)方法，先將含蟲卵小麥粉使用80～100目篩進行篩分，再將小麥粉殘渣用硫酸消化。隨后，用0.1 mol/L碘溶液染色，蟲卵被染成黃色。Leelaja等[9]用酸性品紅(0.05%)、龍膽紫和黃連素硫酸鹽 (20 mg/kg)對小麥粉中的害蟲卵進行染色檢測。不同染色劑對蟲卵的染色效果存在差異，從檢測率和被染小麥粉以及蟲卵顏色對比效果方面考慮，1∶1溴甲酚綠橙黃G混合液的染色效果最好，其次是溴甲酚綠、酸性品紅，最后是碘液。

1.2.3 比重法

由于蟲蝕糧粒與正常糧粒的比重不同，將樣品浸入特定的浮選液中，充分攪拌10～15 min，靜止1～2 min后使其分離，蟲蝕糧粒會浮于溶液表面，從而將其區(qū)分出來[10]。檢查小麥、稻谷、玉米等禾谷類糧食可用比重1∶2的氯化鈉溶液或2%的硝酸鐵溶液處理；檢查豆類糧食可用18.8%或飽和氯化鈉溶液。李光濤等[11]研究發(fā)現(xiàn)隨著浮選液相對密度的增加，害蟲被檢出的幾率增加，浮選獲得的小麥含蟲率逐漸下降。

1.2.4 生化檢測法

生化檢測法是根據(jù)儲糧害蟲的特征性代謝產(chǎn)物的有無及含量多少進行檢測。目前常用的生化檢測法有尿酸檢測法和免疫化學分析法。

尿酸作為害蟲氮代謝最終產(chǎn)物，幾乎都不溶于水，排泄時較少伴隨水的流失[12]。測定小麥粉中尿酸含量可間接檢測整個儲藏期的蟲害及其發(fā)生程度?，F(xiàn)已開發(fā)了多種測定尿酸水平的方法：紙色譜、熒光法、比色法、氣液色譜法、高效液相色譜法和酶法。袁園等[13]利用高效液相色譜法檢測小麥粉中尿酸的最低檢測限為1.48 μg/g，檢測準確率為83.00%～99.60%。劉鳳杰等[14]研究表明尿酸濃度與小麥粉中蟲卵數(shù)成正相關(guān), 最低檢出限為0.1粒卵/g小麥粉。

免疫化學分析法主要通過檢測害蟲特定的代謝產(chǎn)物確定害蟲是否發(fā)生。其中最常用的方法是酶聯(lián)免疫法(Enzyme linked immunosorbent assay, ELISA)，主要依據(jù)生物的抗原抗體特異反應對害蟲進行檢測。目前已有相關(guān)的商業(yè)化檢測試劑盒。該方法可以檢測到50 g糧食樣品中1頭谷象成蟲[15,16]。

1.2.5 分子生物學方法

近年來，分子生物學方法伴隨分子生物學技術(shù)的快速發(fā)展逐步應用到儲糧害蟲檢測領域，并因其簡單、快速和可靠的特點在食品檢測中的應用越來越重要[17]。實時熒光定量PCR (Real-time polymerase chain reaction, PCR)是一種被認可的檢測食品中轉(zhuǎn)基因生物成分的方法[18]。Sola等[19]將現(xiàn)有的多重PCR技術(shù)與用于檢測特定害蟲的qPCR協(xié)議相結(jié)合，提供了一個更好的儲糧害蟲檢測方案。Mireia等[20]采用多重PCR方法檢測和鑒定了谷蠹、谷象、米象、玉米象、麥蛾的所有蟲態(tài)(從卵到成蟲)，靈敏度高。魯玉杰等[21]研究表明，DNA分子指紋圖譜法可有效檢測出小麥粉樣品中害蟲的通用引物及其PCR擴增條件，可預測害蟲感染程度。

1.2.6 特征性揮發(fā)性化合物檢測法

近年來，固相微萃取技術(shù)(SPME)與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)已被應用于檢測儲藏谷物中昆蟲的揮發(fā)性化合物及儲糧揮發(fā)性有機物的分離和鑒定[22，23]。SPME頂空萃取技術(shù)富集來自樣品中的揮發(fā)性化合物，然后通過氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)進行分離、鑒定。SPME方法的效率和靈敏度取決于提取時間和溫度。高溫和長提取時間有利于收集更多的分析物[24]。Abuelnnor等[25]通過將SPME與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用，分別從感染赤擬谷盜和谷象的小麥粉和小麥粒中鑒定出不同的揮發(fā)性化合物。在赤擬谷盜成蟲和經(jīng)成蟲及其感染的小麥粉揮發(fā)物中都檢測到了1-戊二烯和16-己烷。赤擬谷盜幼蟲和成蟲分泌不同的揮發(fā)物，這些揮發(fā)物對蟲害的早期監(jiān)測具有指導性意義。Senthilkumar 等[26]研究發(fā)現(xiàn)1-十三烯和2-乙基-2,5-環(huán)己二烯-1,4-二酮可有效用于檢測小麥粉中赤擬谷盜的感染。Wathukan等[27]研究表明，SPME-GC-MS法對赤擬谷盜和谷蠹的檢測效果較好。Niu等[28]利用SPME-GC-MS法建立了小麥儲藏期與籽粒品質(zhì)、籽粒品質(zhì)與蟲害的關(guān)系。張玉榮等[29]采用SPME-GC-MS法研究了小麥被蛀食性害蟲侵害過程中其揮發(fā)性物質(zhì)的變化。

已有研究表明，儲糧環(huán)境中CO2的濃度與害蟲的發(fā)生呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，通過檢測儲糧環(huán)境中CO2濃度變化預測害蟲發(fā)生具有較強的可行性[30-32]。目前這方面有國家十三五重點研發(fā)計劃專項正在研究，其成果將應用于生產(chǎn)實踐中的儲糧害蟲監(jiān)測。

1.2.7 伯爾尼漏斗法

該方法利用一只60 W白熾燈對伯爾尼漏斗(Berlese funnel)中1 kg的糧食樣品加熱5～6 h，樣品中的害蟲受熱后逃至漏斗下方的收集瓶。這種方法的檢出率為60%～70%，在加拿大是一種重要的儲糧害蟲檢測方法[33]。后來又通過使用微波加熱輔助等方式提高檢出率，縮短檢測時間至30 min左右[34]。

1.2.8 電導率法

該方法利用一個實驗室輥磨機將1 kg的糧食樣品磨碎，測其電導率變化。該方法僅需1 min左右，害蟲檢出率達到70%以上[35’ 36]。目前該方法已開發(fā)有自動的、基于單個糧粒的內(nèi)部害蟲檢測儀器[37]。

1.3 誘集檢查法

誘集技術(shù)是利用儲糧害蟲自身的視覺、嗅覺等生理特征或生活習性，將其誘集到一個小范圍內(nèi)進行檢測，可分為習性誘集和誘捕器誘集。一般使用昆蟲信息素(通常為聚集信息素或性信息素)或食物引誘劑與誘捕器相結(jié)合對糧倉害蟲進行監(jiān)測，根據(jù)誘捕害蟲數(shù)量預測害蟲的發(fā)生期及危害程度等。Cox[38]報道食物引誘劑結(jié)合氣味提取物能加強對鞘翅目昆蟲的誘捕效果。Hodges等[39]研究發(fā)現(xiàn)新鮮糧食的揮發(fā)物與玉米象的信息素相結(jié)合可顯著提高誘捕率。Collins等[40]研究表明誘捕器在6周內(nèi)能穩(wěn)定地釋放引誘劑揮發(fā)物，對鋸谷盜、谷象和銹赤扁谷盜產(chǎn)生顯著的吸引力。

誘集檢查法在檢測蟲害時比取樣檢測更敏感，但誘捕器在溫度較低時誘捕量較低，且不能檢測不活動的蟲態(tài)及糧粒內(nèi)部害蟲。在低于15 ℃時，大多數(shù)昆蟲不能爬行，在低于25 ℃時，大多數(shù)昆蟲不能飛行。根據(jù)放置部位及誘捕方式的不同，誘捕器也具有多種類型。

1.3.1 管狀誘捕器

用篩網(wǎng)或粗糙的紙纏繞在指形管外壁，將其垂直插入糧堆，使開口的一端與糧面平齊和留1/3在糧面，害蟲沿指形管外壁上爬掉入管內(nèi)被捕獲。管狀誘捕器可檢測赤擬谷盜和米象等害蟲[41]。

1.3.2 探管誘捕器

探管誘捕器又稱陷阱誘捕器，害蟲通過探管管壁上部孔洞落入誘捕器無法逃脫。使用時通過探管誘捕器底部尖頭插入糧堆，定期將誘捕器從糧堆中取出檢查確定捕獲害蟲的種類和數(shù)量。探管誘捕器可用于檢測玉米象、雜擬谷盜、谷蠹、銹赤扁谷盜等鞘翅目害蟲和書虱類害蟲[42]。近年來，將探管誘捕器與其他技術(shù)相結(jié)合可顯著提高實用性能，比如將負壓取樣裝置與探管誘捕器聯(lián)合使用可實現(xiàn)在倉外提取誘捕到的害蟲，將光電計數(shù)器置于探管誘捕器內(nèi)可實現(xiàn)對誘捕害蟲自動計數(shù)，將高清晰攝像裝置置于探管誘捕器內(nèi)可實現(xiàn)對害蟲的自動圖像識別。

1.3.3 瓦楞紙誘捕器

由一張0.5 cm厚的瓦棱皺紋紙折疊成一個雙層或四層的方塊，底層有一圓孔，中間的夾層有星狀孔，可容納集蟲杯和誘餌，一般在糧面使用[43]。該種誘捕器已經(jīng)商業(yè)化應用。

1.3.4 黏膠誘捕器

采用黏性材料與信息素或引誘劑結(jié)合使用的一類由硬卡紙制成的誘捕器，多為筒狀，內(nèi)表面涂布黏膠，側(cè)口開放，使害蟲進入，截面呈菱形、三角形、翼形、拱形等。日本FUJI FLAVOR公司生產(chǎn)的弧形黏膠誘捕器，根據(jù)引誘劑的不同可誘捕煙草甲、印度谷螟、煙草螟、粉斑螟和地中海螟等成蟲[44]。類似的誘捕器在美國(如TRECE公司)及德國等國家都有生產(chǎn)及應用。

1.3.5 燈光誘捕器

害蟲對光譜有較強的選擇性，利用害蟲對一定波長光線的趨性進行誘集，通常與風扇結(jié)合使用會提高吸入害蟲效果。盡管不同害蟲對可見光譜和不可見光譜的特定部分有獨特的響應[45]，但是大多數(shù)依賴光吸引昆蟲的陷阱使用的是熒光燈或發(fā)出紫外線波長的燈。誘蟲燈包括特定波長的光源、吸風通道、集蟲袋等。谷蠹和米象分別對綠色光和藍色光選擇性較高，赤擬谷盜的光敏感區(qū)集中在紫外和紫光區(qū)域。大量昆蟲能被多種波長的光吸引。

1.4 電子檢查法

電子檢測法是利用電子技術(shù)檢測儲糧害蟲的方法。根據(jù)檢測原理不同分為聲測法、近紅外檢測法、圖像識別法和電子鼻檢測法。

1.4.1 聲測法

利用聲音信號轉(zhuǎn)變成電信號，通過電子過濾器把害蟲的發(fā)聲頻率和環(huán)境噪音分開，也可通過放大和過濾隱藏在糧粒內(nèi)害蟲的運動和進食聲音來估計儲糧害蟲種類和密度。Pearson等[46]通過監(jiān)測害蟲取食聲音，在蟲害發(fā)生初期對糧粒內(nèi)部和外部害蟲的檢測中達到了預期結(jié)果。使用聲測法檢測谷物中的害蟲，需定量了解影響聲音產(chǎn)生和害蟲分布的物理及生物因素。物理因素包括聲源強度、持續(xù)時間和光譜特征、到接收器的距離、接收器的光譜靈敏度[47]和背景噪聲等[48]。生物學因素包括不利的環(huán)境、害蟲行為和害蟲活躍度等。Hagstrum等[49]比較了1 kg小麥樣品中5種成蟲的聲學檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同種類害蟲的聲音信號之間存在較大差異。Eliopoulos等[50]采用壓電傳感器和便攜式聲發(fā)射放大器評價檢測谷粒中存在成蟲的可能性，建立了害蟲密度與聲音之間的線性模型。Senlin等[51]研究表明可用隨機聲源模型有效檢測儲糧害蟲蠕動聲，區(qū)分糧食中不同類型的昆蟲。

1.4.2 近紅外檢測法

近紅外光譜技術(shù)(Near infrared spectroscopy, NIR)是一種高效快速的現(xiàn)代分析技術(shù)，近年來也被用于儲糧害蟲檢測。近紅外儀器的波長范圍通常分為700～1 100 nm的短波譜區(qū)和1 100～2 500 nm的長波譜區(qū)，當光源投向被檢測樣品時，會在樣品表面和內(nèi)部發(fā)生漫反射，根據(jù)樣品中不同物質(zhì)的反射特性提供的信息，可用于定性和定量分析。近紅外光譜已被用于許多谷物的質(zhì)量評價[52]，包括檢測糧食樣品中的害蟲及害蟲碎片[53’ 54]。Perez等[55]利用快速近紅外光譜方法檢測小麥粉中昆蟲碎片的可能性，結(jié)果表明碎片計數(shù)與樣品中碎片實際數(shù)量顯著相關(guān)。Mendoza等[56]研究表明，與浮選法相比，近紅外光譜檢測精度較低，但快速、無損，且不需要大量的樣品制備，若需預先篩選樣品，可結(jié)合使用標準浮選法。Singh等[57]用近紅外高光譜成像系統(tǒng)對加拿大西部5個生長地點的健康小麥和被蟲蛀的小麥籽粒進行了掃描成像，準確率為95.3%～99.3%。

1.4.3 圖像識別法

隨著圖像數(shù)字技術(shù)及機器深度學習的快速發(fā)展，圖像作為更直接更豐富的信息載體已被用于儲糧害蟲檢測。利用圖像處理技術(shù)識別昆蟲種類的方法有X射線成像和熱成像等。X射線成像技術(shù)利用非接觸式傳感器對樣本進行檢測，同時提供了可觀的信息[58]。檢測時將樣品放置在樣品臺上，在設定的電位和電流下對樣品進行X射線照射3～5 s，將獲取的樣品信息轉(zhuǎn)化為圖像信息展示在成像系統(tǒng)中。波長長的X射線能量較低，稱為軟X射線。軟X射線成像是一種快速、無損、直接的方法，用于檢測儲糧中的隱蔽性害蟲。Karunakaran 等[59]用軟X射線法對米象和谷蠹幼蟲不同時期侵染的小麥籽粒進行了鑒定，準確率達98%以上。Vellaichamy等[60]利用軟X射線和近紅外高光譜成像技術(shù)獲取了四紋豆象侵染和未侵染的大豆籽粒圖像，提高了卵和幼蟲期的分類精度。熱成像是一種夜視技術(shù)，通過檢測物體發(fā)出的紅外輻射能量并將其轉(zhuǎn)化為可見圖像，從而提高物體在黑暗環(huán)境中的可見性。在熱成像技術(shù)中，人眼看不見的儲糧害蟲的溫度輻射被轉(zhuǎn)換成可見的二維圖像。儲糧害蟲放射出的輻射量隨溫度升高而增加。因此，通過熱成像可觀察到溫度的變化。Chelladurai等[61]研究了利用紅外熱成像系統(tǒng)對儲藏小麥真菌感染進行識別的可行性，對感染樣品的判斷準確率超過96%。Kaliramesh等[62]利用熱成像技術(shù)對感染四紋豆象的毛豆進行了研究，采用QDA模型和LDA模型的分類準確率分別為75.45%～91%和55.24%～77.84%。相比熒光和高光譜成像，熱成像技術(shù)在降低成本和確定材料性能方面更具有潛在優(yōu)勢。安裝高清晰攝像裝置對儲糧環(huán)境中的害蟲發(fā)生進行監(jiān)測也是一種害蟲檢測方法，現(xiàn)已在儲糧實踐中應用。

表1 儲糧害蟲各種檢測方法的優(yōu)缺點

1.4.4 電子鼻檢測法

電子鼻檢測法建立在一定的數(shù)據(jù)信息庫基礎上，利用多種傳感器對氣體的交叉敏感性識別不同的氣味，將得到的信息轉(zhuǎn)化為直觀的物理信號，對比信息庫中的數(shù)據(jù)進行篩選、分析。電子鼻設備由三部分組成：氣味傳感器、數(shù)據(jù)預處理和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。近年來，電子鼻作為一種快速、無損的氣味檢測手段已廣泛用于糧食品質(zhì)、蟲害、霉變等檢測。沈飛等[63]利用電子鼻對受黃曲霉毒素侵染的糙米樣品的揮發(fā)性物質(zhì)進行了檢測分析，其中偏最小二乘-判別分析(PLS-DA)法對黃曲霉毒素B1的預測精度最高，預測相關(guān)系數(shù)為0.808。Ridgway等[64]用電子鼻檢測感染螨類害蟲的小麥樣本，證明了該方法的可行性。Zhang 等[65]研究表明，電子鼻檢測法能較好地識別不同蟲齡、不同為害程度的小麥。隨著新型傳感技術(shù)、信號處理算法等的快速發(fā)展，電子鼻的功能將會更加強大，在糧食檢測中的應用會更廣泛。

2 展望

現(xiàn)有各種儲糧害蟲檢測方法各有其優(yōu)缺點。直觀檢查法、取樣檢查法作為常用基礎檢測手段，應用于日常儲糧管理中對所有害蟲進行檢測。剖粒法、染色法、近紅外光譜、圖像識別法、尿酸法、免疫化學分析法、分子生物學方法、特征性揮發(fā)性化合物檢測法等更適用于對于隱蔽性儲糧害蟲檢測。當前儲糧害蟲檢測方法趨向于快速、無損、簡便、準確、高效。圖像識別法和特征性揮發(fā)性化合物檢測法等符合這種發(fā)展趨勢，這方面的研究也越來越多，尤其是近年來國家自然基金、國家科技研發(fā)計劃等國家級項目對此支持不斷增加。今后隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，這類檢測方法逐漸向自動化、信息化、智能化方向發(fā)展。在我國未來的儲糧害蟲檢測技術(shù)發(fā)展中，以常規(guī)的取樣檢測法為基礎，將誘集檢測法、聲測法、光譜法、圖像識別法、特征性揮發(fā)性化合物檢測法等檢測手段有機結(jié)合，建立全國范圍的儲糧害蟲信息監(jiān)控平臺，通過數(shù)字信息化實現(xiàn)對儲糧害蟲發(fā)生情況的自動化檢測、預警、控制，為儲糧害蟲綜合防治提供科學、可靠的決策性依據(jù)，為儲糧安全和食品安全提供可靠的技術(shù)參考。