多场耦合效应对小麦储藏品质影响的研究

刘棕鑫, 崔素芬, 李思洁, 曹静怡, 鲁玉杰

(江苏科技大学粮食学院,镇江 212100)

保证粮食安全是一项国家的基本战略,作为全球性话题一直备受关注[1],但粮食损失目前依然是世界上很多地区存在的大问题[2],其中,粮食在产后的储藏阶段损失巨大,是影响国家粮食安全战略的一项重要议题[3]。影响粮食储藏安全的因素主要有粮食籽粒自身的新陈代谢、储藏物虫霉的危害以及不科学的储藏方法等[4]。当温度、水分含量超过安全储藏的临界值,会导致粮堆中出现局部发热和水分积聚[5,6],易引起粮食霉变、发热和虫害等,甚至造成粮食品质急剧下降[7,8]。为实现粮食的智能化管理,粮情监测系统不再局限于温湿度对粮食生态系统的影响。

储粮生态系统中的多场耦合效应是国内外研究的一个新理念[9]。粮堆多场耦合理论是为了解决粮堆中多种场强及粮堆内部环境之间造成的叠加影响。储粮生态系统中的多场耦合效应包括非生物因子、生物因子、微气流等因素[10]。Jain等[11]基于温湿度信息建立了粮情监测系统。Nuttalla等[12]探讨了气候变化和CO2浓度对小麦品质的影响,并给出了小麦品质预测模型。但这些检测系统和模型的建立只基于粮食储藏的物理因素。吴子丹等[13]提出了构建粮堆多场耦合理论,并进行初步探索,通过温湿度场的耦合分析预测粮堆温度场变化趋势。王小萌等[14]引入了粮堆微生物场概念,探索了不同初始水分的小麦在储藏期间水分迁移规律,为储粮过程中霉变发热的监测提供了参考。王水寒等[15]利用多场耦合理论模拟小麦粮堆结露变化过程,推算出了稻谷粮堆危险点所处的不同状态,为粮情检测和控制提供了参考。

虽然储粮系统中多场耦合理论在不断发展,但目前还缺乏包含储粮害虫的耦合效应对小麦品质的影响。昆虫可通过取食和产卵破坏粮粒的外壳,促进储藏真菌在粮食中的生长和传播[16],该过程中产生的热量和水分使得粮食温度和水分增高,从而进一步促进真菌的萌发[17],因此研究昆虫危害在粮情检测中不能忽视。

从物理场[18]、生物场[19]出发对小麦粮堆进行深入研究,并借鉴了王小萌等[20]的实验设计,研究当米象[21]作为生物场时对粮情系统的影响,以此建立小麦品质变化的多场耦合模型,进一步分析耦合效应下米象密度变化对粮堆品质的影响,更清楚地揭示储藏过程中的多场耦合效应,为小麦安全储藏技术创新与应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究中所使用的实验材料小麦由昆山粮库提供,均为2020年新收获小麦,初始水质量分数为8%～9%,无霉变粒。

米象Sitophilusoryzae(Linnaeus) 来源于江苏科技大学粮食学院储藏物害虫研究室,纯化培养3 代以上,随机挑取羽化2周的健康成虫,单独置于生化培养箱中培养,培养箱温度为(30±2)℃,相对湿度为(70±5)%。

1.2 仪器与设备

DHG-9240A型鼓风干燥机,HPX-250BSSH-Ⅲ型恒温恒湿培养箱,JJLF型降落数值仪,JXFM110型锤式旋风磨,JJJM54S型面筋洗涤仪,JHGM型面筋烘干仪,Mettler PC 440型分析天平,尤尼柯UV-2100型分光光度计,TG16-WS型高速台式离心机。

1.3 实验方法

1.3.1 小麦储藏方法

将实验小麦除杂后,通过喷雾着水法逐步调节水质量分数至14.0%,密封装袋放入3 ℃冰箱10 d平衡水分,最终测定小麦水质量分数为14.3%。将小麦转移至圆柱形透明塑料桶(模拟仓),见图1,桶内小麦粮堆高度为80 cm,粮堆质量为7.12 kg。在模拟仓的上、中、下位置布置温度传感器,用于监测粮堆内部温度变化,并向小麦粮堆中投入虫口密度为3头/kg的米象。基于重复实验的原则,将模拟仓分别置于3个培养箱中,培养箱温度、相对湿度参数分别设置为15 ℃/75%、25 ℃/70%和35 ℃/65%。每隔14 d采集小麦粮堆数据。

图1 小麦储藏模拟仓装置

1.3.2 粮堆深度对小麦品质影响的测定

压力作为影响小麦品质变化的物理因子之一,对粮堆内部品质模型的建立有很好的参考价值,从而增加模型的准确性。通过研究不同深度小麦的品质变化差异,探究多场耦合效应下的所在粮堆深度对小麦储藏品质的影响。并将小麦粮堆分为上下2层,每隔14 d进行抽样检验,检测粮堆顶部和底部小麦的水分、脂肪酸值、丙二醛含量等,每次测定设置3个重复实验。

1.3.3 米象虫口密度对小麦品质影响的测定

在探究不同储藏条件下米象虫口密度变化对小麦品质影响的实验中,为避免取样过程中不同深度小麦的交杂混合,同时考虑到米象具有较大活动的范围,故在测定米象虫口密度时,将粮堆看成单独整体。依据科学计数原则,在上层小麦中进行3点取样,对米象数量进行计数,且只统计存活的米象,统计完成后将米象放回粮堆表面。

1.3.4 测定方法

水分含量的测定参照GB/T 5497—1985 《粮食、油料检验水分测定法》,均使用烘箱干燥法测定;脂肪酸值的测定参照GB/T 15684—2015《谷物碾磨制品脂肪酸值的测定》;丙二醛含量的测定参照文献[22],使用分光光度法测定。

C=6.45(A532-A600)-0.56A450

(1)

式中:C为丙二醛浓度/(μmol/L);A532为波长532 nm时的吸光度;A600为波长600 nm时的吸光度;A450为波长450 nm时的吸光度。

降落数值测定参照GB/T 10361—2008《小麦、黑麦及其面粉,杜伦麦及其粗粒粉降落数值的测定 Hagberg-Perten法》;干面筋含量的测定参照GB/T 5506.4—2008《小麦和小麦粉面筋含量第4部分:快速干燥法测定干面筋》。

1.4 数据处理

1.4.1 数据处理方法

使用SPSS 26.0对数据进行处理,通过MATLAB R2019使用插值法绘制粮堆的温度场云图,利用Design-Expert 10对小麦品质进行响应面分析。

1.4.2 响应面分析法优化多场耦合对小麦储藏品质的影响

本实验使用Design Expert 10软件,根据Box-Behnken设计原理,对影响小麦品质的储藏时间A、储藏温度B、小麦所在粮堆深度(简称为粮堆深度)C进行响应面优化,实验因素水平见表1。

表1 响应面实验设计因素水平表

2 结果与分析

2.1 多场耦合效应下小麦粮堆内部温度变化

粮堆内温度场云图如图2所示,粮堆内部温度随着储藏时间的延长而不断发生变化,在15 ℃时粮温先缓慢升高后逐渐降低,最终粮温维持在培养箱所设温度15 ℃。而25 ℃和35 ℃时粮堆底部温度不断升高,储藏98 d后粮堆整体温差还在持续变化。在热浮升力的作用下,粮堆系统内部不断进行着热量交换,并形成明显的温度差(0.2～2.3 ℃)。在98 d时,25 ℃模拟仓粮堆底部温度达到26.6 ℃,而此时粮堆温差为1.8 ℃。在35 ℃的培养箱中,粮堆温差的变化范围为0.3～1.2 ℃,粮堆底部最高温度为35.7 ℃。在多场耦合效应下,储藏温度的不同会致使粮堆形成不同的高低温区,从而影响结露点;而不同的粮堆深度导致了生物场强也发生变化。

注:浅色为高温区;35 ℃储藏条件下的小麦在56 d后出现严重霉变现象,故56 d后未对35 ℃粮堆品质变化进行统计,余同。图2 不同储藏温度下粮堆内部的温度智能云图

实验发现15 ℃的粮堆具有较好的热稳定性,在98 d时粮堆与外界温度达到平衡,但在分析物理场的基础上发现粮温在几天内就能达到平衡[23],这与本实验结果不同,可能是本实验中生物场较强的缘故[24],这也证明了从多场耦合层次分析粮情变化的可行性。因此粮堆内部的耦合效应,能作为小麦品质变化模型的重要参考之一。

2.2 多场耦合效应对粮堆内部米象虫口密度的影响

通过观察粮堆内虫口密度变化可以预测粮堆品质劣变情况。粮堆内米象原始虫口密度为3头/kg,米象虫口密度随着储藏时间的变化如图3所示,25 ℃/70% RH粮堆中的米象虫口密度曲线呈现“S”形,而15 ℃/75%和35 ℃/65% RH粮堆中米象数量增加缓慢,甚至有死亡现象。不同储藏温度对米象虫口密度影响的显著性差异,说明了多场耦合效应对米象的种群增长有显著的影响,结合米象虫口密度的变化能更好的模拟粮堆的多场耦合效应,从而建立小麦品质变化模型。

图3 不同储藏条件下小麦粮堆中米象密度的变化趋势图

2.3 多场耦合对小麦水分含量的影响

从粮堆形态和储藏条件上对储藏98 d内小麦粮堆的水分变化进行响应面分析,分析发现储藏时间、储藏温度和粮堆深度彼此间的耦合作用对小麦水分含量均有显著影响。在不同储藏条件下,模拟仓中的小麦水分均呈上升趋势,从储藏条件上来看,15 ℃/75%RH储藏下的小麦水分含量升高最快,但在不同储藏条件下的小麦粮堆中,底部小麦的水分含量总是高于顶部,这是由于粮堆中湿空气移动受到各种阻力,以及粮堆内的微气流和扩散作用引起的,湿空气在粮堆底部形成聚集,而模拟仓上口未封闭,空气流速大。同时在35 ℃/65%RH的粮堆中水分差异最大,25 ℃/70%RH次之。生物因素对小麦水分含量的变化有显著影响[25]。因此温湿度耦合效应以及粮堆深度对小麦粮堆的水分变化影响显著。通过粮堆内不同深度小麦水分的变化,有利于探究多场耦合效应下的品质变化模型。

2.4 多场耦合效应对小麦脂肪酸值、丙二醛含量的影响

脂肪酸值作为粮食中游离脂肪酸含量的指标,与储粮品质有很好的相关性。小麦等粮谷在储藏期间受到温度、水分和虫霉活动等影响,脂类易发生水解或氧化产生游离脂肪酸。丙二醛含量则反应了粮食籽粒内部膜质过氧化程度,含量过多会造成大分子物质聚合产生毒性,损害正常细胞系统[26,27]。

经过统计发现在不同储藏条件下模拟仓中粮堆中小麦的脂肪酸值与丙二醛含量均逐渐升高,且温度越高增长速率越大,粮堆底部脂肪酸值升高更快,往上脂肪酸变化速率逐渐降低,粮堆温度、粮堆形态与时间的耦合作用对脂肪酸影响显著;在分析物理场和生物场的单独作用时,储藏温度对小麦脂肪酸值增长的影响显著性较空气湿度弱[28]。20 ℃和30 ℃储藏的小麦粉相比低温储藏的面粉中游离脂肪酸显著增加[29],生物因素也对小麦脂肪酸值的变化有显著影响[25]。因此在昆虫、真菌等生物场和温湿度等物理场的共同作用下,小麦籽粒中游离脂肪酸含量变化趋势不仅会受到显著影响,也会比单一变量场下品质劣变更快。

而小麦丙二醛含量的变化较均匀,不同深度的小麦丙二醛含量相近,虽然粮堆深度带来的影响可忽略,但丙二醛含量在粮堆内高温区的增长幅度较大。粮堆生物场与时间的耦合作用对小麦丙二醛含量的影响更显著。说明在粮堆生态系统中,各物理场强之间的耦合作用不只是其单独作用的简单加减,在小麦品质模型建立的过程中应该综合考虑。

2.5 多场耦合效应对小麦干面筋含量、降落数值的影响

依据对小麦干面筋含量、降落数值的响应面分析结果,发现三因素之间的耦合作用对干面筋含量的影响均显著;随着储藏温度的升高,小麦的干面筋含量降低;但在无生物因素的影响下,小麦储藏期间干面筋含量变化并不明显[30]。小麦降落数值与储藏温度呈正相关,同时粮堆中小麦所在位置越深,干面筋含量就越高,而降落数值的变化较均衡,粮堆不同位置处小麦的降落数值差异较小,且随着储藏时间的延长,底部小麦的降落数值的增率明显增大,这是由于小麦受到生物侵染,以及小麦储藏过程中其他成分的变化引起的α-淀粉酶活性变化。与单一场强研究中储藏的小麦品质变化进行比较,其干面筋含量和面筋吸水量均降低,生物场影响下小麦降落数值逐渐升高,即淀粉酶活性逐渐降低[31],这与本实验结果基本符合。实验结果验证了粮堆系统中昆虫等与其它因素的耦合会显著影响粮食的品质,在选择适当储藏条件的同时也应抑制害虫的繁殖。

表2 小麦品质的回归模型以及显著性检验结果

2.6 有关多场耦合效应下小麦品质变化数学模型的建立

小麦粮堆的品质在98 d储藏过程中不断发生变化,将小麦脂肪酸值、丙二醛含量、干面筋含量和降落数值的变化同多场耦合的数据进行多元线性回归分析,并建立相关模型,回归方程见式(2)。

Y=a+bX1+cX2+dX3+eX4+fX5

(2)

式中:X1为米象密度;X2为粮堆温度;X3为储藏时间;X4为小麦水分含量;X5为粮堆深度;a为常数;b、c、d、e、f分别为方程中X的回归系数。

模型建立见表2,从模型拟合效果上看,4个模型的拟合度(R2)均在0.9左右,拟合效果较强,因变量的回归系数对4个模型有着不同的显著性,能较好的预测小麦的品质变化。在多场耦合效应下建立的丙二醛含量模型具有最好的拟合效果(R2=0.947 4),但模型拟合度随着储藏时间延长而降低,依据0～56 d内粮堆数据建立的模型拟合度最高,这可能是储藏后期由于微生物大量繁殖,而米象不再是主要生物场,因此通过米象数量无法较好地拟合丙二醛含量变化。而小麦的脂肪酸值模型在低温条件下的拟合效果较弱,这与酶活性受抑制有关。因此,干面筋含量和降落值模型的拟合效果更符合多场耦合效应。

3 结论

研究对比了不同储藏条件下粮堆的品质变化,在设置温、湿度的同时加入了米象共同作用在粮堆生态系统,在15 ℃/75%环境下储藏的小麦具有更好的稳定性,虽然小麦水分较高但米象繁殖也依然受到明显的限制;随着温度升高、相对湿度降低,粮堆不同深度的小麦水分含量差异逐渐增大;同时,粮堆底部小麦劣变速率更快。探讨多场耦合效应对小麦各种指标的显著性影响,粮堆温度、粮堆深度与时间的耦合对小麦水分含量、脂肪酸值、干面筋含量均有影响显著;此外,丙二醛含量受到粮堆深度和粮堆内部温差的影响更大;降落数值随温度升高而显著降低,但粮堆上、下层小麦的降落数值差异受到外界温湿度的影响较小,在储藏后期随着小麦其它成分的变化,底层小麦的降落数值增率变大。

建立的小麦干面筋含量和降落值模型在多元场中有着较好的拟合效果,脂肪酸值和丙二醛含量模型的拟合效果仍然受到储藏时间和储藏温度的制约,在一定条件下才具有较准确的预测效果。相比普通模型,通过研究粮食的耦合模型更有利于延缓粮食的劣变速率,延长粮食储存时间。