多場耦合效應對小麥儲藏品質影響的研究

劉棕鑫, 崔素芬, 李思潔, 曹靜怡, 魯玉杰

(江蘇科技大學糧食學院,鎮江 212100)

保證糧食安全是一項國家的基本戰略,作為全球性話題一直備受關注[1],但糧食損失目前依然是世界上很多地區存在的大問題[2],其中,糧食在產后的儲藏階段損失巨大,是影響國家糧食安全戰略的一項重要議題[3]。影響糧食儲藏安全的因素主要有糧食籽粒自身的新陳代謝、儲藏物蟲霉的危害以及不科學的儲藏方法等[4]。當溫度、水分含量超過安全儲藏的臨界值,會導致糧堆中出現局部發熱和水分積聚[5,6],易引起糧食霉變、發熱和蟲害等,甚至造成糧食品質急劇下降[7,8]。為實現糧食的智能化管理,糧情監測系統不再局限于溫濕度對糧食生態系統的影響。

儲糧生態系統中的多場耦合效應是國內外研究的一個新理念[9]。糧堆多場耦合理論是為了解決糧堆中多種場強及糧堆內部環境之間造成的疊加影響。儲糧生態系統中的多場耦合效應包括非生物因子、生物因子、微氣流等因素[10]。Jain等[11]基于溫濕度信息建立了糧情監測系統。Nuttalla等[12]探討了氣候變化和CO2濃度對小麥品質的影響,并給出了小麥品質預測模型。但這些檢測系統和模型的建立只基于糧食儲藏的物理因素。吳子丹等[13]提出了構建糧堆多場耦合理論,并進行初步探索,通過溫濕度場的耦合分析預測糧堆溫度場變化趨勢。王小萌等[14]引入了糧堆微生物場概念,探索了不同初始水分的小麥在儲藏期間水分遷移規律,為儲糧過程中霉變發熱的監測提供了參考。王水寒等[15]利用多場耦合理論模擬小麥糧堆結露變化過程,推算出了稻谷糧堆危險點所處的不同狀態,為糧情檢測和控制提供了參考。

雖然儲糧系統中多場耦合理論在不斷發展,但目前還缺乏包含儲糧害蟲的耦合效應對小麥品質的影響。昆蟲可通過取食和產卵破壞糧粒的外殼,促進儲藏真菌在糧食中的生長和傳播[16],該過程中產生的熱量和水分使得糧食溫度和水分增高,從而進一步促進真菌的萌發[17],因此研究昆蟲危害在糧情檢測中不能忽視。

從物理場[18]、生物場[19]出發對小麥糧堆進行深入研究,并借鑒了王小萌等[20]的實驗設計,研究當米象[21]作為生物場時對糧情系統的影響,以此建立小麥品質變化的多場耦合模型,進一步分析耦合效應下米象密度變化對糧堆品質的影響,更清楚地揭示儲藏過程中的多場耦合效應,為小麥安全儲藏技術創新與應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究中所使用的實驗材料小麥由昆山糧庫提供,均為2020年新收獲小麥,初始水質量分數為8%～9%,無霉變粒。

米象Sitophilusoryzae(Linnaeus) 來源于江蘇科技大學糧食學院儲藏物害蟲研究室,純化培養3 代以上,隨機挑取羽化2周的健康成蟲,單獨置于生化培養箱中培養,培養箱溫度為(30±2)℃,相對濕度為(70±5)%。

1.2 儀器與設備

DHG-9240A型鼓風干燥機,HPX-250BSSH-Ⅲ型恒溫恒濕培養箱,JJLF型降落數值儀,JXFM110型錘式旋風磨,JJJM54S型面筋洗滌儀,JHGM型面筋烘干儀,Mettler PC 440型分析天平,尤尼柯UV-2100型分光光度計,TG16-WS型高速臺式離心機。

1.3 實驗方法

1.3.1 小麥儲藏方法

將實驗小麥除雜后,通過噴霧著水法逐步調節水質量分數至14.0%,密封裝袋放入3 ℃冰箱10 d平衡水分,最終測定小麥水質量分數為14.3%。將小麥轉移至圓柱形透明塑料桶(模擬倉),見圖1,桶內小麥糧堆高度為80 cm,糧堆質量為7.12 kg。在模擬倉的上、中、下位置布置溫度傳感器,用于監測糧堆內部溫度變化,并向小麥糧堆中投入蟲口密度為3頭/kg的米象?；谥貜蛯嶒灥脑瓌t,將模擬倉分別置于3個培養箱中,培養箱溫度、相對濕度參數分別設置為15 ℃/75%、25 ℃/70%和35 ℃/65%。每隔14 d采集小麥糧堆數據。

圖1 小麥儲藏模擬倉裝置

1.3.2 糧堆深度對小麥品質影響的測定

壓力作為影響小麥品質變化的物理因子之一,對糧堆內部品質模型的建立有很好的參考價值,從而增加模型的準確性。通過研究不同深度小麥的品質變化差異,探究多場耦合效應下的所在糧堆深度對小麥儲藏品質的影響。并將小麥糧堆分為上下2層,每隔14 d進行抽樣檢驗,檢測糧堆頂部和底部小麥的水分、脂肪酸值、丙二醛含量等,每次測定設置3個重復實驗。

1.3.3 米象蟲口密度對小麥品質影響的測定

在探究不同儲藏條件下米象蟲口密度變化對小麥品質影響的實驗中,為避免取樣過程中不同深度小麥的交雜混合,同時考慮到米象具有較大活動的范圍,故在測定米象蟲口密度時,將糧堆看成單獨整體。依據科學計數原則,在上層小麥中進行3點取樣,對米象數量進行計數,且只統計存活的米象,統計完成后將米象放回糧堆表面。

1.3.4 測定方法

水分含量的測定參照GB/T 5497—1985 《糧食、油料檢驗水分測定法》,均使用烘箱干燥法測定;脂肪酸值的測定參照GB/T 15684—2015《谷物碾磨制品脂肪酸值的測定》;丙二醛含量的測定參照文獻[22],使用分光光度法測定。

C=6.45(A532-A600)-0.56A450

(1)

式中:C為丙二醛濃度/(μmol/L);A532為波長532 nm時的吸光度;A600為波長600 nm時的吸光度;A450為波長450 nm時的吸光度。

降落數值測定參照GB/T 10361—2008《小麥、黑麥及其面粉,杜倫麥及其粗粒粉降落數值的測定 Hagberg-Perten法》;干面筋含量的測定參照GB/T 5506.4—2008《小麥和小麥粉面筋含量第4部分:快速干燥法測定干面筋》。

1.4 數據處理

1.4.1 數據處理方法

使用SPSS 26.0對數據進行處理,通過MATLAB R2019使用插值法繪制糧堆的溫度場云圖,利用Design-Expert 10對小麥品質進行響應面分析。

1.4.2 響應面分析法優化多場耦合對小麥儲藏品質的影響

本實驗使用Design Expert 10軟件,根據Box-Behnken設計原理,對影響小麥品質的儲藏時間A、儲藏溫度B、小麥所在糧堆深度(簡稱為糧堆深度)C進行響應面優化,實驗因素水平見表1。

表1 響應面實驗設計因素水平表

2 結果與分析

2.1 多場耦合效應下小麥糧堆內部溫度變化

糧堆內溫度場云圖如圖2所示,糧堆內部溫度隨著儲藏時間的延長而不斷發生變化,在15 ℃時糧溫先緩慢升高后逐漸降低,最終糧溫維持在培養箱所設溫度15 ℃。而25 ℃和35 ℃時糧堆底部溫度不斷升高,儲藏98 d后糧堆整體溫差還在持續變化。在熱浮升力的作用下,糧堆系統內部不斷進行著熱量交換,并形成明顯的溫度差(0.2～2.3 ℃)。在98 d時,25 ℃模擬倉糧堆底部溫度達到26.6 ℃,而此時糧堆溫差為1.8 ℃。在35 ℃的培養箱中,糧堆溫差的變化范圍為0.3～1.2 ℃,糧堆底部最高溫度為35.7 ℃。在多場耦合效應下,儲藏溫度的不同會致使糧堆形成不同的高低溫區,從而影響結露點;而不同的糧堆深度導致了生物場強也發生變化。

注:淺色為高溫區;35 ℃儲藏條件下的小麥在56 d后出現嚴重霉變現象,故56 d后未對35 ℃糧堆品質變化進行統計,余同。圖2 不同儲藏溫度下糧堆內部的溫度智能云圖

實驗發現15 ℃的糧堆具有較好的熱穩定性,在98 d時糧堆與外界溫度達到平衡,但在分析物理場的基礎上發現糧溫在幾天內就能達到平衡[23],這與本實驗結果不同,可能是本實驗中生物場較強的緣故[24],這也證明了從多場耦合層次分析糧情變化的可行性。因此糧堆內部的耦合效應,能作為小麥品質變化模型的重要參考之一。

2.2 多場耦合效應對糧堆內部米象蟲口密度的影響

通過觀察糧堆內蟲口密度變化可以預測糧堆品質劣變情況。糧堆內米象原始蟲口密度為3頭/kg,米象蟲口密度隨著儲藏時間的變化如圖3所示,25 ℃/70% RH糧堆中的米象蟲口密度曲線呈現“S”形,而15 ℃/75%和35 ℃/65% RH糧堆中米象數量增加緩慢,甚至有死亡現象。不同儲藏溫度對米象蟲口密度影響的顯著性差異,說明了多場耦合效應對米象的種群增長有顯著的影響,結合米象蟲口密度的變化能更好的模擬糧堆的多場耦合效應,從而建立小麥品質變化模型。

圖3 不同儲藏條件下小麥糧堆中米象密度的變化趨勢圖

2.3 多場耦合對小麥水分含量的影響

從糧堆形態和儲藏條件上對儲藏98 d內小麥糧堆的水分變化進行響應面分析,分析發現儲藏時間、儲藏溫度和糧堆深度彼此間的耦合作用對小麥水分含量均有顯著影響。在不同儲藏條件下,模擬倉中的小麥水分均呈上升趨勢,從儲藏條件上來看,15 ℃/75%RH儲藏下的小麥水分含量升高最快,但在不同儲藏條件下的小麥糧堆中,底部小麥的水分含量總是高于頂部,這是由于糧堆中濕空氣移動受到各種阻力,以及糧堆內的微氣流和擴散作用引起的,濕空氣在糧堆底部形成聚集,而模擬倉上口未封閉,空氣流速大。同時在35 ℃/65%RH的糧堆中水分差異最大,25 ℃/70%RH次之。生物因素對小麥水分含量的變化有顯著影響[25]。因此溫濕度耦合效應以及糧堆深度對小麥糧堆的水分變化影響顯著。通過糧堆內不同深度小麥水分的變化,有利于探究多場耦合效應下的品質變化模型。

2.4 多場耦合效應對小麥脂肪酸值、丙二醛含量的影響

脂肪酸值作為糧食中游離脂肪酸含量的指標,與儲糧品質有很好的相關性。小麥等糧谷在儲藏期間受到溫度、水分和蟲霉活動等影響,脂類易發生水解或氧化產生游離脂肪酸。丙二醛含量則反應了糧食籽粒內部膜質過氧化程度,含量過多會造成大分子物質聚合產生毒性,損害正常細胞系統[26,27]。

經過統計發現在不同儲藏條件下模擬倉中糧堆中小麥的脂肪酸值與丙二醛含量均逐漸升高,且溫度越高增長速率越大,糧堆底部脂肪酸值升高更快,往上脂肪酸變化速率逐漸降低,糧堆溫度、糧堆形態與時間的耦合作用對脂肪酸影響顯著;在分析物理場和生物場的單獨作用時,儲藏溫度對小麥脂肪酸值增長的影響顯著性較空氣濕度弱[28]。20 ℃和30 ℃儲藏的小麥粉相比低溫儲藏的面粉中游離脂肪酸顯著增加[29],生物因素也對小麥脂肪酸值的變化有顯著影響[25]。因此在昆蟲、真菌等生物場和溫濕度等物理場的共同作用下,小麥籽粒中游離脂肪酸含量變化趨勢不僅會受到顯著影響,也會比單一變量場下品質劣變更快。

而小麥丙二醛含量的變化較均勻,不同深度的小麥丙二醛含量相近,雖然糧堆深度帶來的影響可忽略,但丙二醛含量在糧堆內高溫區的增長幅度較大。糧堆生物場與時間的耦合作用對小麥丙二醛含量的影響更顯著。說明在糧堆生態系統中,各物理場強之間的耦合作用不只是其單獨作用的簡單加減,在小麥品質模型建立的過程中應該綜合考慮。

2.5 多場耦合效應對小麥干面筋含量、降落數值的影響

依據對小麥干面筋含量、降落數值的響應面分析結果,發現三因素之間的耦合作用對干面筋含量的影響均顯著;隨著儲藏溫度的升高,小麥的干面筋含量降低;但在無生物因素的影響下,小麥儲藏期間干面筋含量變化并不明顯[30]。小麥降落數值與儲藏溫度呈正相關,同時糧堆中小麥所在位置越深,干面筋含量就越高,而降落數值的變化較均衡,糧堆不同位置處小麥的降落數值差異較小,且隨著儲藏時間的延長,底部小麥的降落數值的增率明顯增大,這是由于小麥受到生物侵染,以及小麥儲藏過程中其他成分的變化引起的α-淀粉酶活性變化。與單一場強研究中儲藏的小麥品質變化進行比較,其干面筋含量和面筋吸水量均降低,生物場影響下小麥降落數值逐漸升高,即淀粉酶活性逐漸降低[31],這與本實驗結果基本符合。實驗結果驗證了糧堆系統中昆蟲等與其它因素的耦合會顯著影響糧食的品質,在選擇適當儲藏條件的同時也應抑制害蟲的繁殖。

表2 小麥品質的回歸模型以及顯著性檢驗結果

2.6 有關多場耦合效應下小麥品質變化數學模型的建立

小麥糧堆的品質在98 d儲藏過程中不斷發生變化,將小麥脂肪酸值、丙二醛含量、干面筋含量和降落數值的變化同多場耦合的數據進行多元線性回歸分析,并建立相關模型,回歸方程見式(2)。

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

(2)

式中:X1為米象密度;X2為糧堆溫度;X3為儲藏時間;X4為小麥水分含量;X5為糧堆深度;a為常數;b、c、d、e、f分別為方程中X的回歸系數。

模型建立見表2,從模型擬合效果上看,4個模型的擬合度(R2)均在0.9左右,擬合效果較強,因變量的回歸系數對4個模型有著不同的顯著性,能較好的預測小麥的品質變化。在多場耦合效應下建立的丙二醛含量模型具有最好的擬合效果(R2=0.947 4),但模型擬合度隨著儲藏時間延長而降低,依據0～56 d內糧堆數據建立的模型擬合度最高,這可能是儲藏后期由于微生物大量繁殖,而米象不再是主要生物場,因此通過米象數量無法較好地擬合丙二醛含量變化。而小麥的脂肪酸值模型在低溫條件下的擬合效果較弱,這與酶活性受抑制有關。因此,干面筋含量和降落值模型的擬合效果更符合多場耦合效應。

3 結論

研究對比了不同儲藏條件下糧堆的品質變化,在設置溫、濕度的同時加入了米象共同作用在糧堆生態系統,在15 ℃/75%環境下儲藏的小麥具有更好的穩定性,雖然小麥水分較高但米象繁殖也依然受到明顯的限制;隨著溫度升高、相對濕度降低,糧堆不同深度的小麥水分含量差異逐漸增大;同時,糧堆底部小麥劣變速率更快。探討多場耦合效應對小麥各種指標的顯著性影響,糧堆溫度、糧堆深度與時間的耦合對小麥水分含量、脂肪酸值、干面筋含量均有影響顯著;此外,丙二醛含量受到糧堆深度和糧堆內部溫差的影響更大;降落數值隨溫度升高而顯著降低,但糧堆上、下層小麥的降落數值差異受到外界溫濕度的影響較小,在儲藏后期隨著小麥其它成分的變化,底層小麥的降落數值增率變大。

建立的小麥干面筋含量和降落值模型在多元場中有著較好的擬合效果,脂肪酸值和丙二醛含量模型的擬合效果仍然受到儲藏時間和儲藏溫度的制約,在一定條件下才具有較準確的預測效果。相比普通模型,通過研究糧食的耦合模型更有利于延緩糧食的劣變速率,延長糧食儲存時間。