糧食儲(chǔ)藏環(huán)境中的多場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)糧食品質(zhì)影響的研究進(jìn)展

張俊東，魯玉杰,2，王文敬，王爭艷，盧少華

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院1，鄭州 450001) (江蘇科技大學(xué)糧食學(xué)院2，鎮(zhèn)江 212100)

保證糧食安全一直是我國的戰(zhàn)略需求，糧食在收獲后由于蟲霉感染、以及儲(chǔ)藏技術(shù)的不合理導(dǎo)致糧食產(chǎn)后損失非常驚人，減少糧食產(chǎn)后損失相當(dāng)于節(jié)約了無形的良田，因此最大限度減少糧食在儲(chǔ)藏過程中的損失，并保證糧食品質(zhì)具有重要的戰(zhàn)略意義。

在糧食儲(chǔ)藏過程中，影響害蟲發(fā)生的因素有很多，如溫度、濕度、糧食內(nèi)部壓力、微生物、糧食種類等[1]，這些因素相互作用、相互影響的復(fù)雜關(guān)系與糧倉中的糧堆生態(tài)系統(tǒng)形成一個(gè)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)。場(chǎng)是一種特殊物質(zhì)，看不見，摸不著，但是真實(shí)存在，它以時(shí)空為變量。糧食儲(chǔ)藏環(huán)境中的場(chǎng)包括兩大類：物理場(chǎng)和生物場(chǎng)。其中糧堆溫度、濕度、糧食內(nèi)部壓力等的變化屬于物理場(chǎng)，儲(chǔ)糧害蟲和儲(chǔ)糧微生物的時(shí)空分布以及它們與糧堆生態(tài)系統(tǒng)通過物質(zhì)、能量、信息交換而相互影響的能力屬于生物場(chǎng)[2]。儲(chǔ)糧害蟲的取食會(huì)造成糧食質(zhì)量損失，同時(shí)溫濕度過高導(dǎo)致的糧堆結(jié)露、發(fā)熱霉變，以及真菌繁殖也是造成糧食品質(zhì)下降的重要原因[3]。

我國對(duì)小麥品質(zhì)變化的監(jiān)控檢測(cè)主要對(duì)單一因素進(jìn)行研究，為了揭示糧堆的變化機(jī)理，對(duì)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、生物場(chǎng)等進(jìn)行深入研究[4]，通過多場(chǎng)耦合效應(yīng)分析預(yù)測(cè)糧食儲(chǔ)藏環(huán)境的變化趨勢(shì)，對(duì)糧情進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)警，是未來提升糧食儲(chǔ)藏智能化程度的關(guān)鍵。圍繞物理場(chǎng)、生物場(chǎng)以及多場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)糧食品質(zhì)的影響展開綜述，以期為開發(fā)優(yōu)質(zhì)糧食工程保質(zhì)減損儲(chǔ)糧技術(shù)的智能化監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)提供參考。

1 物理場(chǎng)對(duì)糧食品質(zhì)的影響

物理場(chǎng)的定義為：空間中存在的物理作用[5]。在糧堆生態(tài)系統(tǒng)中，物理場(chǎng)包括溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和壓力場(chǎng)等，糧食在儲(chǔ)藏過程中，糧堆會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理變化，通過研究糧堆的溫度、濕度和糧食內(nèi)部壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，建立相關(guān)模型對(duì)糧食儲(chǔ)藏狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以對(duì)糧堆中出現(xiàn)的害蟲滋生、發(fā)熱霉變等問題進(jìn)行預(yù)防，減少糧食損失，保證糧食品質(zhì)。

1.1 溫度場(chǎng)

在糧食保管的過程中，溫度過高會(huì)造成糧食結(jié)露、發(fā)熱霉變、發(fā)芽率喪失等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響糧食品質(zhì)[6]，因此，在糧食儲(chǔ)藏過程中對(duì)糧堆溫度場(chǎng)變化的監(jiān)測(cè)是非常重要的。

目前主要采用數(shù)值模擬和實(shí)倉實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)糧堆溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。閆艷霞等[7]采用數(shù)值模擬的方法研究糧倉溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)有限個(gè)離散的相對(duì)空間坐標(biāo)溫度值，通過最小二乘法擬合出糧倉溫度在其空間坐標(biāo)上的分布函數(shù)，可以較精確的得到糧倉內(nèi)任一位置的溫度值。但是，該方法沒有建立溫度隨空間坐標(biāo)和時(shí)間同時(shí)變化的數(shù)學(xué)模型，無法對(duì)糧堆的溫度變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。梁醒培等[8]采用有限元法對(duì)平房倉內(nèi)的糧堆進(jìn)行了瞬態(tài)溫度模擬，該方法不但可以得到糧堆任意點(diǎn)的溫度值，而且能夠觀測(cè)到糧堆溫度分布及其隨時(shí)間變化的情況。Hammami等[9]基于熱質(zhì)平衡原理，對(duì)立筒倉內(nèi)小麥糧堆的溫度進(jìn)行了模擬研究，建立的模型可以預(yù)測(cè)糧堆的溫度變化。赫振方等[10]采用2 h等間隔不間斷采樣的方法，對(duì)平房倉中的糧堆進(jìn)行2年溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過對(duì)最大溫差變化點(diǎn)跟蹤分析，找到了糧溫的異常點(diǎn)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在有限的時(shí)間內(nèi)糧溫在時(shí)空上的變化是有限的，糧食溫度與周圍空氣的溫度幾天內(nèi)就達(dá)到平衡狀態(tài)，并在較長的時(shí)間內(nèi)保持這種平衡狀態(tài)[9，10]。趙欣然等[11]通過對(duì)小麥糧堆溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將溫度場(chǎng)變化規(guī)律從圖像、空間和數(shù)學(xué)定義立體化展現(xiàn)出來，然后利用智能算法進(jìn)行分析，結(jié)果顯示該方法可以精確定位糧堆發(fā)熱位置，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)糧情的演變。

在研究溫度場(chǎng)的過程中，將實(shí)倉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以有效的驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。Gastón等[12]建立二維有限元模型預(yù)測(cè)立筒倉中小麥的溫度分布，同時(shí)進(jìn)行實(shí)倉溫度數(shù)據(jù)采集，將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示該模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度吻合較好。Rusinek等[13]采用離散元方法預(yù)測(cè)立筒倉中油菜種子的溫度分布，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)溫度與實(shí)測(cè)溫度吻合良好。王振清等[14]先采用數(shù)據(jù)記錄儀和溫濕度傳感器對(duì)模型倉內(nèi)小麥糧堆的溫濕度進(jìn)行96 h監(jiān)測(cè)，然后對(duì)相同尺寸的地下倉進(jìn)行同樣時(shí)長數(shù)值模擬研究，通過模擬和模型倉實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以得出地下倉小麥糧堆熱濕傳遞規(guī)律。

此外，對(duì)溫度場(chǎng)云圖的特征分析也可以找到糧溫異常點(diǎn)。崔宏偉等[15]利用溫度場(chǎng)云圖的RGB顏色特征分布計(jì)算云圖的相似度，據(jù)此設(shè)定異常判定閾值，計(jì)算相鄰時(shí)間糧堆各平面云圖的相似度，依據(jù)閾值進(jìn)行異常檢測(cè)，能夠檢測(cè)出糧堆局部發(fā)熱。

1.2 濕度場(chǎng)

糧堆中的糧粒間存在孔隙度，所以糧堆中具有大量的空氣，其含水量可以用相對(duì)濕度表示，相對(duì)濕度與糧食水分含量有密切關(guān)系，在一定溫度條件下，忽略糧堆中氣體流動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間，糧食水分與空氣相對(duì)濕度達(dá)到一種平衡，此時(shí)的相對(duì)濕度稱為平衡相對(duì)濕度[16]。在糧食儲(chǔ)藏過程中，糧堆中的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)常常一起相互作用，王水寒等[17]以稻谷為研究對(duì)象，利用溫濕度一體傳感器，模擬實(shí)際糧倉中容易發(fā)生結(jié)露區(qū)域，測(cè)得從冬季到夏季糧堆不同位點(diǎn)的溫度和相對(duì)濕度，將溫濕度數(shù)據(jù)繪制成溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)云圖，通過云圖分析并基于糧食平衡絕對(duì)濕度與露點(diǎn)溫度等模型(CAE模型)可以推算出稻谷糧堆危險(xiǎn)點(diǎn)所處的狀態(tài)。

在糧食儲(chǔ)藏過程中，濕度是影響糧食儲(chǔ)藏狀態(tài)的重要因素之一[18]，徐碧[19]通過研究濕度在高大平房倉中的分布，發(fā)現(xiàn)不僅糧食本身的水分會(huì)影響糧食的生命活動(dòng)，由于糧食的吸濕性，倉房內(nèi)的濕度也會(huì)直接對(duì)糧食造成影響，尤其是在高溫條件下，溫度梯度會(huì)導(dǎo)致糧食水分遷移，糧堆與周圍空氣的溫度差導(dǎo)致糧堆中氣流流動(dòng)，從而使得水分從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域轉(zhuǎn)移[20]，倉房內(nèi)的高濕度環(huán)境會(huì)加快糧食的呼吸速率，糧食呼吸作用產(chǎn)生的水分又使糧堆的濕度增大，形成一種糧食“出汗”的惡性循環(huán)。這種惡性循環(huán)如果不加以控制就會(huì)引起糧食的霉變發(fā)熱和生蟲，嚴(yán)重影響糧食品質(zhì)。

1.3 壓力場(chǎng)

糧食在儲(chǔ)藏過程中進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，可以將外界低溫、低濕的空氣送入糧堆內(nèi)部，促使糧堆內(nèi)外氣體進(jìn)行交換，降低糧堆內(nèi)的溫度與水分，從而保證糧食品質(zhì)，降低儲(chǔ)糧損耗。但是在進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)時(shí)，因?yàn)榧Z堆內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜的分布條件限制，難以對(duì)其進(jìn)行有效測(cè)量。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)可以通過計(jì)算模擬的方法突破糧堆內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜的分布情況，李瓊等[21]的研究證明CFD方法可以對(duì)糧堆內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行很好的模擬研究。任廣躍等[22]以淺圓倉為研究對(duì)象，建立倉儲(chǔ)糧堆機(jī)械通風(fēng)過程中內(nèi)部壓力場(chǎng)分布的CFD模型，通過將實(shí)倉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)倉儲(chǔ)糧堆機(jī)械通風(fēng)過程CFD模型能夠真實(shí)反映機(jī)械通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部壓力場(chǎng)的分布情況。張達(dá)等[23]利用數(shù)值模擬的方法基于小麥三軸實(shí)驗(yàn)，將該得到的鄧肯-張(E-B)本構(gòu)模型引入FLAC3D軟件進(jìn)行二次開發(fā)，能較好地模擬出高大平房倉倉底壓力不均勻現(xiàn)象，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，該模擬結(jié)果可以為建立多場(chǎng)耦合模型提供壓力場(chǎng)數(shù)據(jù)。

2 生物場(chǎng)對(duì)糧食品質(zhì)的影響

糧堆中的生物體會(huì)發(fā)生演替且與環(huán)境相互作用，糧堆生物場(chǎng)是指儲(chǔ)糧昆蟲、天敵、微生物等在糧堆中的時(shí)空分布以及它們與糧堆環(huán)境之間通過能量、物質(zhì)、信息相互作用的能力[2]。

2.1 昆蟲場(chǎng)

儲(chǔ)糧害蟲的取食和繁殖不僅直接導(dǎo)致糧食質(zhì)量的損失，而且嚴(yán)重影響糧食品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，在米象Sitophilusoryzae(Linnaeus)、玉米象SitophiluszeamaisMotschulsky和谷蠹Rhyzoperthadominica(Fabricius)等蛀食性害蟲侵害稻谷的過程中，隨著蟲口密度的增加和感染時(shí)間的延長，不同蛀蝕部位糙米蟲蝕粒的降落數(shù)值、過氧化氫酶和過氧化物酶活性均下降，脂肪酸值、丙二醛等含量均上升[24-27]。感染赤擬谷盜Triboliumcastaneum(Herbst)的小麥粉，隨著儲(chǔ)藏溫度升高，儲(chǔ)藏時(shí)間延長，品質(zhì)指標(biāo)均發(fā)生變化，且蟲口密度越大，品質(zhì)指標(biāo)的變化程度越明顯[28]。

張玉榮等[29-31]的研究發(fā)現(xiàn)，小麥被蛀食性害蟲侵染后，其容重、粗蛋白、粗淀粉、干濕面筋含量和面筋吸水量均降低，水分和沉降值呈升高趨勢(shì)。小麥被不同生長發(fā)育階段的谷蠹侵害的過程中，小麥籽粒中的水分含量和粗蛋白含量在谷蠹卵期、幼蟲期和蛹期呈上升趨勢(shì)，到達(dá)成蟲期后開始下降，而小麥干、濕面筋含量和面筋吸水量在谷蠹整個(gè)發(fā)育歷期呈總體先降低后升高的趨勢(shì)[32]。Fourar-Belaifa等[33]研究被米象侵染后的小麥，發(fā)現(xiàn)其水分含量升高，發(fā)芽率下降，脂肪酸值呈上升趨勢(shì)。儲(chǔ)糧害蟲對(duì)糧食的損害不僅是數(shù)量的損失，還導(dǎo)致糧食綜合品質(zhì)的不可逆劣變，同時(shí)害蟲產(chǎn)生的代謝物也會(huì)污染糧食，使糧食霉變，降低儲(chǔ)存品質(zhì)。

2.2 微生物場(chǎng)

在儲(chǔ)藏過程中，糧食上的微生物主要包括霉菌、細(xì)菌、放線菌等，而對(duì)糧食構(gòu)成危害的微生物，主要是由曲霉和青霉構(gòu)成[34]。當(dāng)儲(chǔ)糧環(huán)境適合微生物生長發(fā)育時(shí)，附著在糧粒上的微生物就會(huì)快速生長繁殖，影響糧食的安全儲(chǔ)藏，導(dǎo)致糧食品質(zhì)劣變[35]。

在儲(chǔ)藏過程中，糧食自身代謝和微生物的生長繁殖均會(huì)導(dǎo)致糧食質(zhì)量下降，且微生物的呼吸作用所造成的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于糧食自身的呼吸作用[36]。一旦受到微生物的感染，糧食就會(huì)出現(xiàn)霉變、結(jié)塊、變色等現(xiàn)象。發(fā)生霉變的實(shí)質(zhì)是儲(chǔ)糧微生物對(duì)糧食中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分解和利用的過程，當(dāng)微生物在糧食上進(jìn)行一系列的營養(yǎng)代謝活動(dòng)，就會(huì)引起糧粒變色、變味、生霉、營養(yǎng)和種用品質(zhì)下降等問題[35]。何榮等[37]的研究發(fā)現(xiàn)黑曲霉、黃曲霉以及產(chǎn)黃青霉最易導(dǎo)致稻谷結(jié)塊，稻谷結(jié)塊后出糙率、整精米粒率降低，不完善粒率明顯增加，此外，結(jié)塊還會(huì)導(dǎo)致稻谷中淀粉抗剪切能力下降，使得淀粉粒更易破裂，整體品質(zhì)變差。當(dāng)糧食出現(xiàn)可見霉菌的時(shí)候，理論上其品質(zhì)已經(jīng)被損壞，霉菌產(chǎn)生的黃曲霉毒素等霉菌毒素會(huì)嚴(yán)重影響人類的健康。

3 多場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)糧食品質(zhì)的影響

隨著對(duì)糧食儲(chǔ)藏過程中物理場(chǎng)和生物場(chǎng)的深入研究，研究者發(fā)現(xiàn)研究單一場(chǎng)的變化規(guī)律不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)糧情的變化，在儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)中各種場(chǎng)是相互影響的，糧食儲(chǔ)藏環(huán)境中的多場(chǎng)耦合效應(yīng)包括溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等物理場(chǎng)和生物場(chǎng)的綜合作用，吳子丹等[38]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，通過研究糧食儲(chǔ)藏環(huán)境中的多場(chǎng)耦合更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)糧食儲(chǔ)藏狀態(tài)。

3.1 物理場(chǎng)之間的耦合作用對(duì)糧食品質(zhì)的影響

在長期的儲(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)局部熱量和水分積聚時(shí)，很容易誘發(fā)糧食霉變和發(fā)熱。糧食霉變會(huì)引起糧食發(fā)芽率下降、色變、發(fā)熱、生物化學(xué)成分改變、產(chǎn)生毒素等，這些因素都嚴(yán)重影響糧食品質(zhì)。影響儲(chǔ)糧霉變的因素有很多，如溫度、水分、氣體等，其中，溫度和濕度是最主要的影響因素[39]。

糧堆結(jié)露會(huì)造成局部水分含量升高，糧食呼吸旺盛，糧堆發(fā)熱、霉變等。為了找到糧堆表層發(fā)生結(jié)露霉變的原因，尹君等[40，41]利用溫度傳感器陣列監(jiān)測(cè)糧堆不同季節(jié)、不同位點(diǎn)的溫度，運(yùn)用糧溫?cái)M合算法和Matlab模擬軟件構(gòu)建出糧堆溫度場(chǎng)模型，該模型重現(xiàn)了小麥糧堆溫度場(chǎng)和水氣分壓場(chǎng)的變化規(guī)律，基于溫濕度場(chǎng)耦合原理對(duì)云圖特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)糧堆中的“熱-冷”多層次區(qū)域變化是導(dǎo)致糧堆表層發(fā)生結(jié)露霉變的原因。糧堆中的糧粒是典型的多細(xì)胞多孔性凝膠體，具有很強(qiáng)的吸附性，與儲(chǔ)糧環(huán)境進(jìn)行著熱量與水蒸氣的交換，這種交換在一定溫濕度條件下會(huì)達(dá)到吸濕動(dòng)態(tài)平衡，但是倉房內(nèi)的溫度和濕度一旦變化，就會(huì)建立新的動(dòng)態(tài)吸濕平衡。Jian等[42]以小麥糧堆為研究對(duì)象，對(duì)裝有小麥的立筒倉進(jìn)行長期溫濕度監(jiān)測(cè)，每3 h對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行記錄，每個(gè)月月底對(duì)小麥水分含量進(jìn)行測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)溫度梯度驅(qū)動(dòng)筒倉內(nèi)空氣對(duì)流，從而導(dǎo)致倉內(nèi)水分和熱量的遷移。

研究者雖然驗(yàn)證了溫濕度以及儲(chǔ)藏水分對(duì)糧食儲(chǔ)藏的影響規(guī)律，但是他們的研究并不能對(duì)糧情變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。章鋮等[43]通過分析空氣中飽和水汽量與溫濕度的關(guān)系曲線，獲得糧食露點(diǎn)溫度與空氣溫濕度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并繪制出露點(diǎn)溫度預(yù)測(cè)圖，通過與實(shí)倉數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)圖能夠很好的進(jìn)行糧堆結(jié)露的準(zhǔn)確預(yù)警。

糧堆中的熱量遷移與糧堆內(nèi)部壓力場(chǎng)有著密切的關(guān)系，不同位置的糧堆壓力有著明顯的差異，這種壓力的差異導(dǎo)致糧堆孔隙率的不均勻分布，而糧堆間的孔隙率通過影響微氣流流動(dòng)進(jìn)而影響糧堆熱量遷移的快慢。劉文磊等[44]利用模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究3種不同儲(chǔ)糧壓力下玉米糧堆溫度場(chǎng)變化規(guī)律，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合出不同時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖，以及不同儲(chǔ)糧壓力下溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)，結(jié)果表明隨著儲(chǔ)糧壓力增大，糧堆內(nèi)熱量傳遞變得緩慢。

3.2 生物場(chǎng)之間的耦合作用對(duì)糧食品質(zhì)的影響

昆蟲和霉菌的取食和發(fā)育直接影響糧食質(zhì)量，同時(shí)產(chǎn)生的熱量和水分間接損害糧食品質(zhì)。在儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)中害蟲發(fā)生后通常會(huì)伴隨著真菌生長[45]，而且昆蟲的存在有利于真菌在糧食儲(chǔ)藏過程中的發(fā)育[46]，昆蟲身體表面帶有大量的微生物孢子，昆蟲的活動(dòng)會(huì)帶動(dòng)微生物孢子的傳播，同時(shí)微生物孢子還是某些昆蟲的食物。

被昆蟲損壞的糧食更有利于微生物生長[47]。昆蟲通過取食和產(chǎn)卵破壞糧粒的外殼，從而使真菌進(jìn)入，米象和玉米象等蛀蝕性害蟲通過產(chǎn)卵期間的接種以及幼蟲的代謝和取食活動(dòng)，促進(jìn)儲(chǔ)藏真菌在糧食中的生長和傳播，這個(gè)過程中產(chǎn)生的熱量和水分使得糧食溫度和水分增高，進(jìn)一步促進(jìn)真菌的萌發(fā)[48]。郭立輝等[49]研究發(fā)現(xiàn)，真菌在小麥中生長、繁殖不僅破壞小麥的營養(yǎng)和加工品質(zhì)，而且使小麥污染真菌毒素，對(duì)食品安全造成嚴(yán)重威脅。

3.3 物理場(chǎng)與生物場(chǎng)的耦合作用對(duì)糧食品質(zhì)的影響

在糧食儲(chǔ)藏過程中，物理場(chǎng)和生物場(chǎng)是相互依存、相互耦合的關(guān)系，這種關(guān)系可以用3個(gè)狀態(tài)描述：蟄伏狀態(tài)(退耦合作用)、潛伏狀態(tài)(微耦合作用)和自激狀態(tài)(強(qiáng)耦合作用)，如圖1所示，可以看出生物場(chǎng)與物理場(chǎng)無相互作用時(shí)，它處于蟄伏狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境條件對(duì)生物體有利時(shí)，生物場(chǎng)開始隨時(shí)間和空間發(fā)展，生物場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大，觸發(fā)生物場(chǎng)變化的物理場(chǎng)的狀態(tài)為臨界狀態(tài)，臨界狀態(tài)內(nèi)的區(qū)域?yàn)轳詈蠀^(qū)[2]。

圖1 生物場(chǎng)和物理場(chǎng)之間不同相互作用狀態(tài)示意圖[2]

在儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)中，微生物的萌發(fā)和生長涉及許多物理、生物和化學(xué)變化，其中，溫度和濕度兩個(gè)物理因素對(duì)真菌的萌發(fā)和生長有著重要的作用。為了研究糧堆霉變和溫濕度場(chǎng)的時(shí)空耦合關(guān)系，王小萌等[50]通過構(gòu)建溫濕度場(chǎng)云圖，檢測(cè)CO2氣體濃度和儲(chǔ)藏霉菌的變化，發(fā)現(xiàn)在溫度和濕度耦合的過程中，糧堆霉變不僅是時(shí)間的函數(shù)，也是空間的函數(shù)。

儲(chǔ)糧昆蟲是變溫動(dòng)物，調(diào)節(jié)體溫的能力弱，體溫同環(huán)境保持相近[51]，在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著外界溫度的升高，昆蟲的體溫也是上升的，當(dāng)外界溫度下降，昆蟲的體溫也隨著下降。Abe等[18]研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲、螨蟲、真菌等的呼吸和繁殖速度以及糧食本身的呼吸在很大程度上取決于糧食的溫度。因此，在糧食儲(chǔ)藏的過程中，可以通過控制糧食溫度間接控制儲(chǔ)糧害蟲的發(fā)展，但是對(duì)于物理場(chǎng)如何影響害蟲的發(fā)生還沒有詳細(xì)的研究。

4 總結(jié)與展望

糧食儲(chǔ)藏是一個(gè)通過各種技術(shù)手段保持糧食品質(zhì)并減緩其劣變的過程，在這個(gè)過程中，溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的耦合作用導(dǎo)致糧堆中水分的遷移，進(jìn)而引起糧堆結(jié)露和發(fā)熱霉變，使糧食品質(zhì)下降，同時(shí)儲(chǔ)糧害蟲和儲(chǔ)糧微生物的滋生也嚴(yán)重危害糧食品質(zhì)，因此研究糧食儲(chǔ)藏環(huán)境中的多場(chǎng)耦合效應(yīng)可以解決單一場(chǎng)研究的不足。

目前糧食儲(chǔ)藏環(huán)境中多場(chǎng)耦合效應(yīng)的相關(guān)研究處于初步智能化階段，未來可以研究糧堆中害蟲生長演替規(guī)律，建立種群增長預(yù)測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上研發(fā)儲(chǔ)糧害蟲監(jiān)測(cè)、預(yù)警技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)糧庫精細(xì)化管理，建立相應(yīng)的專家決策系統(tǒng)，形成檢測(cè)、預(yù)警、防治的產(chǎn)業(yè)鏈，加快推進(jìn)行業(yè)智能化研究與建設(shè)進(jìn)程，建立糧食儲(chǔ)藏生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，完善糧堆多場(chǎng)(溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、生物場(chǎng)等)耦合模型和理論，為智能化糧庫的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

此外，在地球上，所有生物每時(shí)每刻都受到地球磁場(chǎng)的影響，表現(xiàn)為磁場(chǎng)影響生物的生理和發(fā)育，因此，未來可以將地磁場(chǎng)對(duì)生物場(chǎng)的影響加入糧食儲(chǔ)藏環(huán)境中多場(chǎng)耦合效應(yīng)的研究中。