不同溫度和水分小麥中不同谷蠹發(fā)生狀態(tài)時(shí)二氧化碳變化研究

唐 多， 王殿軒＊， 姚劍鋒

（1．河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，糧食儲(chǔ)藏與安全教育部工程研究中心，鄭州 450052；2．中央儲(chǔ)備糧襄垣直屬庫(kù)，襄垣 046200）

及時(shí)檢查糧情和害蟲(chóng)的發(fā)生情況是儲(chǔ)糧害蟲(chóng)防治的重要途徑之一?，F(xiàn)行糧情檢測(cè)主要是預(yù)先設(shè)置測(cè)溫系統(tǒng)，通過(guò)溫度的變化情況來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置檢測(cè)溫度的方法因糧堆內(nèi)部溫度傳遞的特殊性、糧堆微氣流的流向等，存在著檢測(cè)時(shí)效性差的缺陷［1］。即有時(shí)會(huì)存在糧堆內(nèi)部已有發(fā)熱，但溫度檢測(cè)滯后的可能性。通過(guò)糧堆環(huán)境生物的生理代謝和生物活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳來(lái)檢測(cè)糧情在一定條件下有其可能性，對(duì)此已有一些關(guān)于糧堆微生物變化與二氧化碳濃度對(duì)應(yīng)性的探討和報(bào)道［2－5］。正常條件下儲(chǔ)藏中糧食呼吸代謝較弱，環(huán)境中二氧化碳濃度處于較低水平［6］，無(wú)蟲(chóng)糧中二氧化碳與微生物活性和糧食帶菌量呈正相關(guān)，以此反映儲(chǔ)糧霉變情況［7］。當(dāng)糧食、微生物和害蟲(chóng)共存時(shí)，共同代謝會(huì)使環(huán)境中二氧化碳處于更高濃度水平，且儲(chǔ)糧害蟲(chóng)具有較高呼吸代謝水平［8－9］。目前未見(jiàn)有關(guān)儲(chǔ)糧害蟲(chóng)發(fā)生與危害等與二氧化碳濃度變化相關(guān)的報(bào)道。通過(guò)檢測(cè)氣體可及時(shí)了解害蟲(chóng)發(fā)生動(dòng)態(tài)，尤其是害蟲(chóng)損失的臨界值，起到預(yù)測(cè)預(yù)警作用。本文以谷蠹感染小麥，研究了不同儲(chǔ)藏溫度、糧食含水量條件下，糧食、微生物、儲(chǔ)糧害蟲(chóng)與二氧化碳濃度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以期為通過(guò)檢測(cè)氣體預(yù)測(cè)害蟲(chóng)發(fā)生提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1．1 小麥

試驗(yàn)小麥采用二等白色硬質(zhì)冬小麥，雜質(zhì)清除使不完善粒小于1%，試驗(yàn)前在60℃下處理2 h，并分別將小麥水分調(diào)節(jié)到12%、13%和14%。

1．2 試蟲(chóng)

試驗(yàn)用谷蠹采自中央儲(chǔ)備糧建陽(yáng)直屬庫(kù)，后在河南工業(yè)大學(xué)儲(chǔ)藏物昆蟲(chóng)研究室培養(yǎng)數(shù)代，以羽化后兩周成蟲(chóng)為試蟲(chóng)。

1．3 試驗(yàn)環(huán)境

樣品置于24 cm×16 cm×18 cm的塑料箱中，其長(zhǎng)邊側(cè)壁距底面5 cm和15 cm處設(shè)直徑5 mm可密封取樣口，箱頂用厚度0．2 mm的PE薄膜密封。在箱體上部?jī)蓚?cè)設(shè)可密封的氣體取樣孔，通過(guò)導(dǎo)氣管連接二氧化碳檢測(cè)儀和氣體循環(huán)泵進(jìn)行氣體循環(huán)與檢測(cè)。箱中小麥約占其容積的70%，重量3 kg。箱體密封性經(jīng)500 Pa壓力檢測(cè)，其半衰期大于60 s。試驗(yàn)于120 L生化培養(yǎng)箱中，控溫精度為±1℃。

1．4 二氧化碳濃度檢測(cè)

試驗(yàn)中的二氧化碳濃度檢測(cè)采用傳感器、電子電路、濃度顯示器、微型氣泵等組合裝置。二氧化碳傳感器為非色散紅外線型，檢測(cè)量程0～0．5%，響應(yīng)時(shí)間35 s，檢測(cè)精度±5%FS。超出檢測(cè)量程時(shí)采用按比例稀釋的方法處理后測(cè)得。

1．5 樣品與條件設(shè)置

自然帶菌無(wú)蟲(chóng)樣品設(shè)置為將經(jīng)過(guò)殺蟲(chóng)處理并調(diào)節(jié)為3種不同水分的定量小麥放入前述塑料箱中，分別置于不同溫度下定時(shí)檢測(cè)二氧化碳濃度。

滅菌無(wú)蟲(chóng)樣品為將經(jīng)殺蟲(chóng)處理的小麥，用1%次氯酸鈉溶液表面消毒1 min，用無(wú)菌水重復(fù)洗滌5次得表面滅菌小麥，在60℃溫箱中去除小麥表面水分，將其置入前述塑料箱中，于不同溫度定時(shí)檢測(cè)二氧化碳濃度。

感染害蟲(chóng)樣品為將經(jīng)過(guò)殺蟲(chóng)處理并調(diào)節(jié)為3種不同水分的定量小麥放入前述塑料箱中，再將谷蠹成蟲(chóng)按10頭／kg接入混勻，置于設(shè)定溫度下定時(shí)檢測(cè)二氧化碳濃度。

以上各種處理樣品均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1．6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用DPS軟件Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果分析

2．1 20℃下感染谷蠹與自然帶菌和滅菌無(wú)蟲(chóng)小麥中二氧化碳濃度變化

不同水分的小麥在感染谷蠹、自然帶菌無(wú)蟲(chóng)和滅菌無(wú)蟲(chóng)情況下，置于20℃環(huán)境后不同時(shí)間的二氧化碳濃度變化結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，經(jīng)滅菌處理的小麥在20℃密封環(huán)境內(nèi)二氧化碳濃度在試驗(yàn)期中已有變化，但總體濃度水平和變化都較小，一定時(shí)間后水分為14%的小麥中二氧化碳較12%、13%水分的小麥樣品中明顯高，說(shuō)明糧食自身呼吸雖然也會(huì)引起二氧化碳濃度明顯變化，但變化量較小。試驗(yàn)期內(nèi)20℃時(shí)水分12%的自然帶菌小麥與滅菌小麥的二氧化碳濃度差異不顯著。當(dāng)小麥水分為13%和14%時(shí)，自然帶菌處理分別在第10天和第5天已達(dá)到并超過(guò)滅菌處理后第30天的二氧化碳濃度水平。說(shuō)明樣品帶菌狀態(tài)下，水分高時(shí)產(chǎn)生二氧化碳的量會(huì)明顯且快速增大。在感染谷蠹的情況下，不管是12%水分的小麥，還是13%和14%水分的小麥，樣品中二氧化碳濃度都有驟然增加的情況。說(shuō)明糧食呼吸、霉菌活動(dòng)和害蟲(chóng)代謝共同作用下，產(chǎn)生的二氧化碳總量增幅和增速都加大，糧食水分大時(shí)，二氧化碳增幅更大。即使在20℃的儲(chǔ)糧準(zhǔn)低溫下糧食水分高時(shí)霉菌活動(dòng)和害蟲(chóng)代謝也會(huì)顯著增強(qiáng)。

表1中的結(jié)果還說(shuō)明，與滅菌糧食相比，自然帶菌小麥微生物存在一定活動(dòng)，但在12%水分的小麥中微生物只能維持較低的代謝水平，糧食霉變不明顯。在糧食水分為14%時(shí)，微生物活動(dòng)明顯加強(qiáng)，結(jié)果表明水分的上升可以加快糧食霉變速度。

表1 20℃時(shí)不同水分的感染谷蠹、自然帶菌與滅菌無(wú)蟲(chóng)小麥不同時(shí)間的二氧化碳濃度1） %

2．2 25℃時(shí)感染谷蠹與自然帶菌和滅菌無(wú)蟲(chóng)小麥中二氧化碳濃度變化

在25℃下，不同水分的感染谷蠹、自然帶菌無(wú)蟲(chóng)和滅菌無(wú)蟲(chóng)的小麥在不同時(shí)間的二氧化碳濃度變化結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，溫度25℃時(shí)，12%水分的小麥滅菌樣品中產(chǎn)生的二氧化碳水平總體偏低，且變化幅度最小，與溫度20℃的同條件下相比增加甚微。水分為13%和14%的小麥中，二氧化碳濃度達(dá)到同樣水平的時(shí)間則相應(yīng)提前，說(shuō)明糧食水分增加，糧粒自身生理活動(dòng)加強(qiáng)，產(chǎn)生二氧化碳的量相應(yīng)增加。帶菌無(wú)蟲(chóng)的3種水分的小麥中產(chǎn)生二氧化碳的水平都相應(yīng)地較滅菌樣品高，說(shuō)明溫度升高水分增大后微生物對(duì)二氧化碳增量作用明顯。與溫度20℃時(shí)相似，感染害蟲(chóng)的樣品中，害蟲(chóng)對(duì)二氧化碳濃度增加的影響顯著增大，且糧食水分增加，感染害蟲(chóng)的樣品中二氧化碳濃度上升速度和增加幅度都顯著。

表2 25℃時(shí)不同水分的感染谷蠹、自然帶菌與滅菌無(wú)蟲(chóng)小麥不同時(shí)間的二氧化碳濃度1） %

2．3 感染谷蠹與自然帶菌和滅菌無(wú)蟲(chóng)小麥30℃時(shí)二氧化碳濃度變化

在30℃的溫度環(huán)境中，不同水分的小麥感染谷蠹、自然帶菌無(wú)蟲(chóng)和滅菌無(wú)蟲(chóng)情況下不同時(shí)間的二氧化碳濃度變化結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，同樣條件下，糧食呼吸、微生物活動(dòng)和感染害蟲(chóng)的樣品中二氧化碳濃度的變化趨勢(shì)與前面兩個(gè)溫度條件下相似。比較同樣水分不同時(shí)間和同樣時(shí)間不同水分的情況可以看出，溫度升高后糧食呼吸強(qiáng)度、微生物活動(dòng)強(qiáng)度和害蟲(chóng)危害程度都相應(yīng)顯著加大，且彼此之間的差異更加顯著。結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明，溫度高糧食生理呼吸旺盛、微生物活動(dòng)加劇和害蟲(chóng)發(fā)生嚴(yán)重。3種處理方式的樣品歷經(jīng)30 d的時(shí)間后，處理樣品中二氧化碳濃度均在水分為14%時(shí)達(dá)到最大值，其中滅菌無(wú)蟲(chóng)的樣品中二氧化碳濃度為0．704%，自然帶菌樣品為3．831%，感染谷蠹樣品則達(dá)到了7．892%。從糧食生理呼吸、微生物活動(dòng)、谷蠹危害對(duì)產(chǎn)生二氧化碳的貢獻(xiàn)率（害蟲(chóng)、微生物、糧食各自產(chǎn)生二氧化碳的增量與三者共同產(chǎn)生二氧化碳總量之比）考慮，對(duì)應(yīng)小麥水分為12%、13%和14%時(shí)，谷蠹產(chǎn)生二氧化碳的貢獻(xiàn)率逐漸下降，分別為63．8%、55．8%和51．5%，而相應(yīng)地微生物活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳貢獻(xiàn)率相應(yīng)提高。結(jié)果說(shuō)明糧食水分高時(shí)，微生物對(duì)產(chǎn)生二氧化碳的影響顯著高于害蟲(chóng)對(duì)產(chǎn)生二氧化碳的影響。

表3 30℃時(shí)不同水分的感染谷蠹、自然帶菌與滅菌無(wú)蟲(chóng)小麥不同時(shí)間的二氧化碳濃度1） %

1）表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。小寫(xiě)字母表示同樣水分條件下不同時(shí)間CO2濃度的差異顯著性，大寫(xiě)字母表示同一檢測(cè)時(shí)間不同水分條件下CO2濃度的差異性。差異性顯著水平為p＜0．05。

2．4 溫度對(duì)糧食、微生物和害蟲(chóng)產(chǎn)生二氧化碳的影響

從表1、表2和表3還可以看出，對(duì)于滅菌無(wú)蟲(chóng)樣品，同一水分條件下溫度升高，不同時(shí)間后小麥中二氧化碳濃度都有增加，溫度從20℃到25℃，再到30℃的等梯度升高，已可明顯影響到糧食生理呼吸強(qiáng)度和產(chǎn)生的二氧化碳濃度，即使在很短的第5天的時(shí)間已可看出因溫度升高導(dǎo)致的二氧化碳濃度顯著變化。各試驗(yàn)樣品中，糧食水分增加后二氧化碳濃度變化顯著。糧食自然帶菌和感染害蟲(chóng)后，二氧化碳變化幅度更加顯著。不同水分的感染害蟲(chóng)樣品在不同時(shí)間后，溫度升高二氧化碳濃度增幅顯著變大，尤其是25℃和30℃溫度下的10 d以后，不僅不同水分樣品中二氧化碳濃度均增幅加大，且水分高時(shí)增加幅度更大。二氧化碳增幅顯著加大的原因除了因溫度升高加大糧食呼吸、微生物活動(dòng)和害蟲(chóng)代謝強(qiáng)度的原因外，對(duì)于感染害蟲(chóng)樣品中，一定時(shí)間后二氧化碳增幅加大還與成蟲(chóng)產(chǎn)的卵發(fā)育成為幼蟲(chóng)后的代謝以及害蟲(chóng)發(fā)育加快等有關(guān)。

3 討論

通常情況下，糧食呼吸、糧食中微生物活動(dòng)、害蟲(chóng)的發(fā)生與危害都能產(chǎn)生二氧化碳，但同樣情況下害蟲(chóng)存在時(shí)產(chǎn)生二氧化碳的水平會(huì)比微生物高，只有糧食呼吸時(shí)產(chǎn)生二氧化碳的水平最低。通常糧食是自然帶菌的，處于安全水分的糧食其微生物代謝水平較低。相對(duì)密閉的環(huán)境中如果有二氧化碳濃度明顯或異常升高時(shí)，即可能有蟲(chóng)霉開(kāi)始活動(dòng)。在無(wú)害蟲(chóng)感染時(shí)，二氧化碳濃度的升高與糧食水分增高、或局部濕熱集中情況下微生物活動(dòng)相關(guān)性較大。在有害蟲(chóng)存在的糧堆中，二氧化碳濃度的異常升高則更多與害蟲(chóng)的快速發(fā)育和種群增加有關(guān)。

二氧化碳濃度可以反映出密閉糧堆內(nèi)蟲(chóng)霉發(fā)生和發(fā)展情況。糧食水分對(duì)微生物發(fā)生影響較大，溫度則更大程度上影響儲(chǔ)糧害蟲(chóng)的發(fā)育和繁殖。糧食處于低溫低水分時(shí)，害蟲(chóng)和微生物受到抑制，二氧化碳濃度較低；低溫高水分時(shí)，害蟲(chóng)受到抑制而微生物可能繁殖，二氧化碳濃度升高的主要起因當(dāng)為微生物活動(dòng)。本研究表明，即使在所謂準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧的溫度20℃時(shí)，水分超過(guò)14%后糧食自身呼吸和微生物活動(dòng)都會(huì)明顯增加，意味著準(zhǔn)低溫條件下擬長(zhǎng)期安全儲(chǔ)藏的小麥的水分也不宜超過(guò)14%。高溫低水分條件下，微生物活動(dòng)相對(duì)較少，害蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育和代謝旺盛，害蟲(chóng)成為二氧化碳濃度升高的主要因素；高溫高水分條件下，微生物和儲(chǔ)糧害蟲(chóng)同時(shí)發(fā)生，二氧化碳濃度顯著提高。高水分糧儲(chǔ)藏中，無(wú)論溫度高低，微生物都會(huì)有一定的活動(dòng)，即使處于害蟲(chóng)明顯抑制的溫度時(shí)，微生物仍是不容忽視的因素。高溫下二氧化碳濃度增長(zhǎng)較快而在低溫時(shí)二氧化碳濃度達(dá)到相同水平需要更長(zhǎng)的時(shí)間，這與已報(bào)道的結(jié)果相似［10］。本研究中害蟲(chóng)密度為10頭／kg，按 LS／T1211糧油儲(chǔ)藏技術(shù)規(guī)范的蟲(chóng)糧等級(jí)規(guī)定屬于一般蟲(chóng)糧，檢測(cè)中后期環(huán)境中二氧化碳濃度變化是比較快的。試驗(yàn)前期已有較高水平二氧化碳濃度可檢測(cè)出，說(shuō)明即使害蟲(chóng)發(fā)生輕微時(shí)，也可以檢測(cè)到因害蟲(chóng)發(fā)生引起的二氧化碳濃度變化。

儲(chǔ)糧害蟲(chóng)有時(shí)發(fā)生在糧堆內(nèi)部，且局部聚集發(fā)生。糧食又是熱不良導(dǎo)體，通常的測(cè)溫檢測(cè)點(diǎn)間距還比較大，通過(guò)測(cè)溫檢測(cè)糧堆某點(diǎn)溫度，尤其是局部發(fā)熱時(shí)，存在一定的時(shí)間滯后性，甚至?xí)忻^(qū)（點(diǎn)）。本試驗(yàn)結(jié)果表明，糧堆中二氧化碳是濃度變化相對(duì)敏感氣體成分，糧堆中氣體又是在微氣流的影響下流動(dòng)的［11］，二氧化碳的變化可作為糧堆害蟲(chóng)是否生物代謝主要原因和害蟲(chóng)發(fā)生的參考。另外，通過(guò)二氧化碳濃度變化監(jiān)測(cè)糧情需要環(huán)境具有相對(duì)的氣密性，這對(duì)于以往密封性能差的糧倉(cāng)似乎難以實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)前多數(shù)國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)的倉(cāng)房可以滿足熏蒸殺蟲(chóng)的氣密性需求，此等氣密性能也為通過(guò)檢測(cè)氣體監(jiān)測(cè)害蟲(chóng)發(fā)生提供可能。

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