糧食儲藏害蟲檢測方法研究進展

楊 琴 王香蓉 蒙廣緒 田玉喬 陸 猛 魯玉杰

（江蘇科技大學糧食學院，江蘇鎮江212100）

面粉是我國主要的糧食產品，被用來制作面條、饅頭等主食。由于小麥在儲藏、加工及其成品面粉儲藏過程中常常會被害蟲污染，所以在南方防治面粉蟲害已成為企業重要任務之一。

當面粉中的害蟲數量達到一定程度，害蟲會分泌一種苯醌的化學物質，不僅污染面粉而且還會引起人的過敏反應及疾病的發生。面粉生蟲還嚴重影響面粉的質量和出口貿易，出口面粉的質量檢測指標中最重要的一個指標就是害蟲碎片的數量，即每100 g面粉中有多少害蟲碎片。害蟲的碎片、蟲卵或幼蟲的防治已經成為面粉及其制品加工和儲藏的難題，而面粉中蟲卵的檢測方法也是最難攻克的難題之一。

在被蟲卵污染的面粉中，因蟲卵體積小，易粘附面粉顆粒，用肉眼很難分辨。為保證面粉的質量安全，很多人開始尋求快速高效的檢測方法，用于檢測害蟲蟲卵。文中綜述了目前面粉中蟲卵和害蟲碎片的檢測方法，并介紹糧食中幼蟲的檢測方法，以期為糧食企業生產與儲藏提供參考。

1 面粉中蟲卵的檢測方法

面粉中的蟲卵檢測方法主要有染色法、幾丁質法、尿酸法、DNA指紋圖譜分析技術等。

1.1 染色法

染色法是利用大多數蟲卵產出后立即被包裹在面粉等粉屑中導致其顆粒增大的現象，將面粉過80目篩，取篩上物（面粉殘留物和蟲卵）加稀硫酸并適當加熱，去除蟲卵表面的面粉顆粒，并使蟲卵被加熱凝固。經染色劑染色后，可在顯微鏡下清晰地觀察到被染成不同顏色殘留的面粉和凝固的蟲卵。

用染色法檢測面粉中的蟲卵可以定性也可以定量。試驗用的染色劑有溴甲酚綠、酸性品紅。溴甲酚綠將蟲卵染成黃橙色，面粉染成褐綠色；酸性品紅將蟲卵染成粉紅色，面粉染成深紅色。

文獻[1]中利用染色法比較了不同染色劑對面粉中蟲卵檢測的效果。結果表明，不同的染色劑檢測面粉中的蟲卵數量與實際的蟲卵數有一定的相關性：0.1 %溴甲酚綠染色劑的檢測效果與實際蟲卵數的相關性回歸方程為y=0.8846x-2.4444（y為染色后檢測的蟲卵數/粒，x為面粉中實際的蟲卵數），相關系數R2=0.9916；0.05 %酸性品紅染色的檢測效果與理論蟲卵數的相關性回歸方程為y=0.8529x-1.1919，相關系數R2=0.9897。染色法對已知害蟲種類的檢測有較為理想的結果，而對害蟲種類不明確的蟲卵檢測可能會因為篩孔、蟲卵大小等導致檢測結果有較大偏差。染色法可以用于面粉中常見害蟲蟲卵的檢測，但難以普及至全部害蟲蟲卵的檢測[2，3]。

1.2 幾丁質法

幾丁質又稱甲殼素，是由N-乙酰-D-葡萄糖胺以β-1，4糖苷鍵連接而成的線性多糖。幾丁質是昆蟲體壁的主要化學成分，約占表皮干重的30%～50%。在高溫和堿性條件下，幾丁質脫去乙酰胺基后形成幾丁糖，而幾丁糖經碘和稀酸作用后呈紫色。純面粉中不含幾丁質，經幾丁糖呈色反應后不會有顏色[4]。因此，可用幾丁質法對面粉中的蟲卵進行定性檢測。劉鳳杰等[5]利用幾丁質法對面粉中蟲卵進行檢測，發現反應物于強堿環境中高溫加熱會生成橘紅色黏稠物質，但沒有發現圓點狀幾丁糖薄膜，取生成物進行幾丁糖呈色反應，無紫色生成，說明幾丁質被消化完。

1.3 尿酸法

昆蟲體內含氮代謝廢物主要以尿酸的形式排出體外，儲藏過程中害蟲的尿酸與面粉混合[6]。若能對面粉中的尿酸含量進行測定，則可確定面粉被污染程度，從而可間接估計害蟲的危害情況。目前，測定尿酸的方法主要有高效液相色譜法、尿酸酶法和磷鎢酸還原法等。何向楠[1]利用磷鎢酸還原法測定了蟲卵中尿酸的濃度與蟲卵數量的關系，蟲卵中的尿酸濃度隨著面粉中蟲卵數量的增加而增大，相關性方程y=0.0045x+0.0086[y為吸光度，x為尿酸標準溶液的濃度（μmol/L）]，相關系數R2=0.9951。由此說明尿酸檢測法可初步應用于面粉中蟲卵的檢測。

1.4 DNA指紋圖譜分析技術

DNA（脫氧核糖核酸）是細胞染色體中的遺傳基因，其分子各個片段代表各個遺傳信息[8]。DNA指紋圖譜具有多位點性、高變異性、簡單而穩定的遺傳性，因而自誕生就受到了人們的重視，具有巨大的實用價值。目前，DNA指紋圖譜分析技術在昆蟲領域的應用主要集中在系統演化及分類鑒定兩方面[9]。魯玉杰等[10]利用DNA分子指紋圖譜技術檢測面粉蟲卵情況，采用一對通用物來檢測面粉中3種不同的害蟲蟲卵。結果表明，赤擬谷盜蟲卵含量最低檢測限是1%，優化PCR條件后可以檢測出雜擬谷盜和鋸谷盜蟲卵最低檢測限為0.05%。由此可見，DNA指紋檢測技術可以準確地判斷面粉中蟲卵的發生情況。

2 面粉中害蟲碎片的檢測方法

2.1 浮選法

面粉中的害蟲碎片可用浮選法進行檢測。不含害蟲碎片的面粉能夠被鹽酸吸收消化，而含有害蟲碎片的面粉則不能被鹽酸吸收消化。這主要是因為昆蟲表皮含有幾丁質和脂質，它們不溶于水和酸，因此可加以區分。親油物質可以通過吸引油水混合物的油相與不親油的成分分離，油相通過濾紙分離、過濾、收集，然后用顯微鏡觀察碎片的數量。浮選法靈敏度高、精確，但耗時長、成本高。

何向楠[1]研究了用浮選法對面粉中害蟲碎片的檢測，結果發現，面粉中碎片的數量與面粉中實際含有的碎片數量呈正相關，相關性方程y=0.9019x-2.5606（y為害蟲碎片數，x為面粉中實際的碎片數），相關系數為R2=0.9869。理論推測浮選法對面粉中害蟲碎片的檢測率可達90%，說明浮選法檢測面粉中害蟲碎片的方法較穩定。但實際檢測率大約在85%左右，尤其是當實驗過程中害蟲碎片數量較少時，檢測率較低，這可能是由于碎片數量較少時，操作中人為誤差對實驗結果影響較大。

2.2 太赫茲時域光譜

太赫茲時域光譜可用來檢測面粉中害蟲碎片，它是將Tera Hertz（THz）脈沖與樣品相互作用，再測量作用后的THz電場強度隨時間的變化。將多個含有不同數量的害蟲碎片面粉樣本，在氮氣環境中，用太赫茲時域光譜系統采集所有樣本的太赫茲時域光譜，獲得時域光譜數據，再計算吸收系數光譜數據，將吸收系數光譜數據代入所得的偏最小二乘回歸模型，計算待測面粉中的害蟲碎片數量。

3 糧食中害蟲幼蟲的檢測方法

糧食中的蟲卵，經過一段時間后成長為幼蟲，由于幼蟲形態特征并不明顯，所以很不容易被檢出。但幼蟲階段抗性低，因此又是殺滅害蟲的最好階段；如果不進行殺滅，一段時間之后幼蟲就會成長為成蟲，糧食更易發生蛀蝕，所以對幼蟲進行檢測也尤為重要。糧食中害蟲幼蟲的檢測方法有電導法、近紅外光譜法、X射線成像法、圖像識別法、聲測法等。

3.1 電導法

電導法是一種根據被測物體體內水分的變化來對被測物體進行相關性分析的技術。美國學者Pearson等[11]利用電導法檢測單粒糧粒中米象幼蟲，結果表明此方法對害蟲的蛹和較大的幼蟲識別效果明顯。其檢測的基本原理是含蟲的糧粒樣本的濕度要遠高于完好的糧粒樣本，當通過電導法對其進行檢測時，濕度較高的含蟲糧粒的電阻值小于完好糧粒，從而可進行區別。電導法對蛀食性害蟲的檢測效果良好，但對非蛀食性害蟲的檢測效果并不明顯。

3.2 近紅外光譜法

近紅外光譜是一種快速、無創、廉價的分析多種樣品化學成分的方法。在過去二十年里，它已經被應用于許多昆蟲學中。Maghirang等[12]在兩個月的貯藏期內，利用近紅外光譜檢測到了小麥籽粒中有活的或死的米象。在米蟲蛹期、大幼蟲期、中型幼蟲期和小幼蟲期，分類的準確率分別為94%、93%、84%和62%，活蛹+大幼蟲的準確率為92%～93%。表明近紅外光譜技術對面粉中的幼蟲檢測效果明顯，可應用于面粉中的害蟲幼蟲檢測。

3.3 X射線成像法

X射線是一種低波長（0.01～10 nm）、高能（120 eV～120 keV）的電磁輻射，可以穿透許多材料[13]。X射線成像法是一種先進的技術，它利用非接觸傳感器來檢測大量樣品，同時提供直觀的信息。軟X射線成像是一種快速、無損、直接的方法，可用于檢測儲糧中的內部昆蟲[14]、分析農產品內部質量，也可用于檢測芒果中的內部昆蟲[13]。

Karunakaran[15]研究了用實時軟X射線成像法檢測小麥籽粒中谷蠹侵染的可能性，分別在幼蟲期、蛹期和成蟲期進行X射線檢查。利用該法提取小麥籽粒X射線圖像的直方圖特征、紋理特征、直方圖和形狀矩。用反向傳播神經網絡（BPNN）和統計分類器對57個特征進行識別。BPNN正確識別了所有未感染和感染的籽粒，以及超過99%的籽粒被谷蠹幼蟲感染。

Pearson等[16]利用X射線成像開發了一個程序來分析圖像，并將每個種子分為受損或未受損。將此程序應用于包括11個向日葵品系的20個不同樣本中，并用3種不同種類的昆蟲進行了侵染，受損種子和未受損種子的總體分類準確率分別為95 %和99%。

Karunakaran[17]研究了利用軟X射線技術檢測赤擬谷盜對小麥籽粒的取食損傷來檢測侵染的可能性。以4d為間隔，連續16d用X射線對人工感染赤擬谷盜卵的小麥籽粒進行4個幼蟲期的侵染，對4齡幼蟲的未侵染和侵染籽粒進行了正確識別，分類準確率分別達到73%和86%以上。

3.4 圖像識別法

圖像識別法是指利用計算機處理經光學照相機、數碼照相機、X射線攝像、紅外攝像和CCD（charge coupled devices，電荷耦合器件）等攝像機獲取的儲糧害蟲圖像，通過圖像特征提取算法提取儲糧害蟲的邊緣、形狀、紋理等特征，利用機器學習算法對構成圖像特征的特征向量進行分類，從而識別不同儲糧害蟲的類別。

張成花[18]利用自適應的鄰域平均法進行圖像噪聲濾除，選用最小誤差法進行儲糧害蟲圖像的自適應二值化分割，改善了對多目標害蟲難以識別的問題。

張紅濤[19]運用灰度形態學圖像平滑和自適應圖像增強技術對儲糧害蟲灰度圖像進行圖像增強，用直方圖高斯閾值法和相對熵閾值法提取糧蟲圖像最優閾值，并以此最優閾值進行圖像分割生成二值化圖像。

劉純利等[20]提出基于奇異值分解和同態濾波的糧蟲圖像增強算法。

胡玉霞等[21]提出基于多分辨率圖像處理的糧蟲圖像預處理方法，將濾波后的低分辨率圖像與原圖像進行“與”運算，并再次濾波，有效去除了對糧蟲識別貢獻率較小的部分，使算法運行效率提高15倍左右。

3.5 聲測法

在現代電子學技術出現以前，對于儲藏物中隱蔽性的內部昆蟲檢測極為困難。早在20世紀50年代，人們就發現聲學檢測技術具有極大的實用價值，可以發現儲藏物中早期害蟲的侵染。谷物中昆蟲的活動會產生波長可聞范圍內的噪音，聲學檢測是利用害蟲運動和取食的聲音對糧食內部或外部進行檢測。

Gutiérrez等[22]描述了一種基于聲學傳感器的原始電子設備的開發，用此設備用于檢測早期棕櫚內部的紅棕象甲（Rhynchophorus ferrugineus）幼蟲。結果證明，在控制環境條件的情況下，通過在2250Hz左右的聲強研究只有5只紅棕象甲侵染的棕櫚樹，可以檢測出2周齡幼蟲的活動。

Kiobia等[23]開發了一種聲音控制器以檢測玉米中的大谷蠹［Prostephanus truncatus（Horn）］和米象，將被米象幼蟲侵染過的玉米籽粒放在裝有聲學探針的袋子里，可發現幼蟲的聲波能在25 cm的范圍內被檢測到。

Fleurat-Lessard等[24]開發了一個300 kg糧倉裝置的小型中試系統和一個全自動小麥散裝谷物昆蟲檢測系統，并對計算機輔助聲學探頭的性能進行了檢驗。在20 cm范圍內，65 kg樣本在2 min內進行掃描，對不同昆蟲密度（從每1只/10 kg到10只/kg米象成蟲和幼蟲）的侵擾進行檢測，檢測準確率在95%以上。

近年來，有人開發出一種昆蟲探測探針[25]，可以直接從谷物表面探測和識別初級谷物害蟲的不同階段和種類的聲音；還研制了一種與探針技術相同的實驗室聲學裝置，用于谷物樣品中的隱蔽性昆蟲檢測。

4 結語

在面粉蟲卵的檢測方法中，染色法效果明顯，可以定性也可以定量，能很好地區分蟲卵和面粉，在糧食上應用仍處于試驗階段，有很大研究空間；幾丁質檢測法只能證明有無蟲卵，但無法對其進行定量，不適用于面粉中蟲卵的定量檢測；尿酸檢測法表明蟲卵尿酸濃度與蟲卵數成正相關，最低檢出限為在0.1粒卵/g面粉，可初步應用于面粉中蟲卵的檢測，但還有很多問題需要進一步探討；DNA指紋分析技術能預測面粉中害蟲的感染程度，但其檢測準確率還有待提高。

如果能利用各種檢測技術并結合殺蟲技術形成一套可視化、實時的糧倉完整監控體系，則能大大提高我國糧食的儲藏安全。這均需要廣大科研工作者共同努力、開拓創新，不斷為糧食儲藏提供可靠、科學的技術支持。