基于溫濕度場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. 吉林大學生物與農業工程學院，長春 130022；2. 國家糧食局科學研究院，北京 100037）

0 引 言

溫度和水分是影響糧食儲藏的主要因素。在長期的儲藏過程中，當糧食溫度和水分超過安全儲藏的臨界值或者糧堆中出現局部熱量和水分的積聚時，很容易誘發糧食霉變、發熱和蟲害[1]。

為了實現糧食安全儲藏，國內外學者對糧倉內部溫度場、濕度場、糧堆霉變等進行了大量的研究。張忠杰等[2]、張燕君等[3]、李軍軍等[4]模擬了平房倉內準靜態狀態下糧堆溫度場變化。Jia等[5]和Roberta等[6]分別對圓筒倉和布袋倉內的溫度場進行了模擬研究。Gasto′n等[7]和Hammamia等[8]分別對布袋倉和筒倉內的溫度場和水分含量變化進行了模擬研究。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藏的霉變情況。Jian研究發現微生物的呼吸作用產生的熱量是發熱點發展初期的主要熱源[14]，且影響糧堆自發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]。但是中國的儲糧周期長、糧堆體積大，糧堆中的溫度、濕度與微生物的變化更為復雜，因此研究糧堆內的多場耦合效應對儲糧實踐意義重大。

2014年，吳子丹等[17]首次將多場耦合理論應用到糧食儲藏中，提出要建立多場耦合模型，對糧堆生物場和非生物場耦合作用進行定量分析和仿真，此后，尹君等[18-19]采用了多場耦合理論研究儲糧生態系統狀態的變化，并運用多場耦合理論構建了非人工干預狀態下小麥糧堆溫度場、濕度場、微氣流場等多場耦合數學模型。元偉[20-21]、王遠成等[22]、潘玉等[23]利用有限元法建立了靜態和通風時糧堆內的熱濕耦合傳遞模型。但是，目前還缺乏對溫度場、濕度場與糧堆霉變耦合過程的定量關系和時間、空間關系的規律研究。

本文在自建模擬倉裝置基礎上，利用加熱元件加熱糧堆，模擬糧倉熱芯，通過構建溫度和相對濕度場云圖來揭示溫、濕度場與霉變的時空耦合關系，以期為今后進一步建立耦合規律和儲糧過程中霉變發熱的監測預報奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品

本試驗采用周麥樣品，初始水分含量為11%（w.b.），容重為781 g/L，雜質含量為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型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；儲糧真菌危害早期檢測儀[24]：中國國家糧食局科學研究院；多參數糧情檢測系統：中國深圳市東大恒豐科技有限公司。

本試驗所用水均為去離子水。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品復水

將水分含量為11%（w.b.）的小麥進行除雜、清理，采用噴霧著水法，邊加水邊攪拌，先將水分含量調制到16%（w.b.），再逐步調制到水分含量 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。調質后，測定小麥樣品的最終水分含量為20.1%（w.b.）。

1.3.2 模擬倉裝置

小麥模擬倉發熱點試驗裝置(圖1)是一個底面內直徑0.54 m、高0.70 m的鐵筒倉，倉壁厚度為0.01 m。模擬倉上方中心位置開有內直徑為0.08 m的通氣管。模擬倉內底面和四周鋪設0.02 m厚的橡塑保溫材料。

圖1 模擬試驗裝置圖Fig.1 Schematic of simulation test silo

1.3.3 儲藏模擬設置

模擬倉內放置 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，加熱元件的溫度設為30 ℃，目的是利用加熱元件引發糧堆內部濕熱遷移，試驗232 h后，加熱元件停止加熱。模擬倉儲藏在溫度為18 ℃的恒溫室內。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濕度為54%，水分含量為20.1%（w.b.）小麥糧堆初始平均相對濕度為90%。

1.4 測量指標及方法

1.4.1 危害真菌孢子

參考文獻[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行真菌孢子計數。

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蓋上的通氣管引出軟管，軟管插入糧堆內部的一端纏有紗布。使用儲糧真菌危害早期檢測儀（型號為ASAG，量程為0～50 000 ppm，檢測精度≤±3%）檢測小麥糧堆內部的CO2含量。

1.4.3 溫濕度

采用溫濕度集成的糧情檢測系統檢測糧堆內溫度和相對濕度的變化，此系統包括溫濕度傳感器探頭、主機和分機。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

本試驗中涉及的水分含量測定方法均為烘箱干燥法[26]。

1.5 數據處理

選取糧堆中垂面溫濕度傳感器檢測到的溫度和相對濕度數據，使用Matlab處理試驗中的溫、濕度數據，利用四點樣條插值法繪制糧堆內的溫度場和濕度場云圖。使用 Origin 處理試驗中的溫度和相對濕度、CO2濃度數據，繪制變化曲線。

2 結果與分析

2.1 溫度變化

圖2的溫度場云圖顯示，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，最終糧溫和模擬倉外溫度保持一致，為18 ℃。

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

圖2 儲藏不同時間后小麥糧堆中垂面溫度場云圖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的溫度變化Fig.3 Temperature variation of different sampling points on min-vertical plane of wheat bulk

2.2 相對濕度變化

圖 4為儲藏不同時間后小麥糧堆中垂面的濕度場云圖。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濕度迅速降低，形成低濕度區。加熱點停止加熱后，高水分小麥中心的相對濕度又逐漸升高，并且在加熱點上方形成了窩狀高濕區域。

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

圖4和圖5現象的出現，主要是由糧堆內的微氣流和擴散作用引起的。在加熱元件作用下，加熱點附近糧堆被干燥，糧堆處于解析狀態，相對濕度逐漸降低。在以微氣流作用為主，擴散運動為輔的情況下，糧堆內的濕空氣主要向上移動，同時也向模擬倉內壁方向擴散。加熱點停止加熱后的短時間內，微氣流作用減弱，但仍起主導作用，當糧溫和模擬倉外溫度相同后，擴散作用為主，因此糧堆內的部分濕空氣又逐漸填充到原加熱點位置。通過上述分析可知，試驗過程中，糧堆內的加熱中心處于解析狀態，加熱中心上層處于吸附狀態，因此高溫中心與高濕度中心不重合。

2.3 真菌孢子數測定

表1為小麥糧堆儲藏800 h前后不同取樣點的真菌變化。表1表明，霉變區域主要存在于加熱點中心周圍的A、C、D和E區域，且A區域發霉最嚴重，D和E區域次之。儲糧真菌危害檢測判定標準中[27]，安全等級為不出現危害真菌生長；臨界等級時，先出現灰綠曲霉，后期將出現少量亮白曲霉；危險等級時，灰綠曲霉生長優勢被亮白曲霉取代；重度危險等級時，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的相對濕度變化圖Fig.5 Relative humidity variation of different sampling points on min-vertical plane of wheat bulk

表1 儲藏800 h后不同取樣點的真菌變化Table 1 Fungal variation of different sampling points after 800 h

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

表2 儲糧真菌危害檢測判定標準[27]Table 2 Criteria for determination of damage of stored grain fungus [27]

在試驗過程中，在糧堆內并沒有出現自發熱點。這可能是因為停止加熱后，糧溫偏低，糧堆內微生物呼吸作用產熱量少，熱量又很容易散失到模擬倉外，以至于不能檢測到溫升現象。

2.4 CO2含量的變化

通過檢測糧堆內 CO2濃度變化，可以判斷糧堆是否發生霉變及霉變的強弱[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個糧層的CO2含量均是從開始迅速升高后，達到最高值25 600、26 600、31 150、31 550 ppm，試驗232 h，加熱元件停止加熱后，迅速降低。這表明糧溫高時，微生物活動劇烈，糧溫降低后，微生物活動微弱，也就是說糧溫高時，糧堆內溫度和濕度耦合促進微生物的呼吸作用，糧溫低時，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可發現，糧堆中CO2含量的變化和真菌孢子數并不一致，這是由于模擬倉底部封閉，上部開有與外界通氣的孔，試驗過程中，糧堆霉變生成的CO2在微氣流和擴散作用下向倉頂部和倉底部移動，向頂部移動的CO2將從通氣孔散到倉外，向倉底部移動的 CO2將沉積在倉底部，導致糧堆底部的 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 論

在模擬倉中，加熱元件短時加熱，引發糧堆內濕熱遷移。根據試驗結果，可以得到以下結論：

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

2）試驗過程中，糧堆中心高溫區域，濕度偏低，幾乎沒有出現霉變現象，真菌孢子數＜104個/g；霉變主要出現在高溫中心外圍濕度偏高的位置；且高溫中心上部，相對濕度一直保持在 85%以上，霉變最嚴重，真菌孢子數最高達到 1.35×107個/g。說明在溫度和濕度的變化和耦合過程中，糧堆霉變不僅是時間的函數，同時也是空間的函數。

3）本試驗還可以看出，如果溫度較低，即使局部水分較高，其微生物的增長也會較緩，表現為溫度場、濕度場耦合對微生物的生長促進作用強度不足，引起微生物爆發性增長所需要的時間延長，甚至并不出現明顯的發熱，但是仍然會導致儲糧緩慢霉變。

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