摘要：

儲(chǔ)存的谷物是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，其中非生物和生物因素以及周圍環(huán)境之間存在復(fù)雜的多場互動(dòng)。清楚地了解這些相互作用對于確保糧食存儲(chǔ)安全至關(guān)重要。本研究開發(fā)了一個(gè)基于低場核磁共振（LF-NMR）技術(shù)的圖形檢測系統(tǒng)，它由一個(gè)LF-NMR成像分析儀、一個(gè)小顆粒容器和專用軟件組成。這個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)檢測存儲(chǔ)谷物樣品的溫度、濕度等，并通過專用軟件直觀地展示這些云圖。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，我們用水稻樣品進(jìn)行了兩次15天的實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，測量的云圖可以準(zhǔn)確地描述儲(chǔ)存期間水稻樣品中溫度、濕度和濕度場的變化。通過云圖也可以確定由于多場相互作用而具有真菌生長、谷物萌發(fā)和水分凝結(jié)的潛在風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，這表明了該系統(tǒng)的可靠性能。這個(gè)系統(tǒng)可以提供一種新的技術(shù)手段來揭示谷物儲(chǔ)存生態(tài)系統(tǒng)中復(fù)雜的耦合關(guān)系。

研究背景：

糧食安全對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長、改善民生、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定和保障國家安全至關(guān)重要。儲(chǔ)存是糧食消費(fèi)和加工前不可或缺的階段，儲(chǔ)糧可被視為一個(gè)儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)，包括許多非生物因素（如溫度、水分、濕度和微氣流）和生物因素（如真菌、昆蟲、螨蟲和谷物）。共存的非生物和生物場之間的復(fù)雜相互作用顯著影響儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致糧食質(zhì)量和數(shù)量的重大損失。因此，系統(tǒng)監(jiān)測這些場并進(jìn)一步研究由相互作用引起的非線性現(xiàn)象（如真菌生長、水分凝結(jié)和谷物發(fā)芽）背后的潛在機(jī)制，對確保糧食安全至關(guān)重要。目前研究儲(chǔ)糧堆中水分場的方法依賴于人工采樣、水分傳感器和數(shù)值模型，但這些方法都有其局限性。為了更好地監(jiān)測谷物水分，一些研究人員提出了電磁成像系統(tǒng)、無線電層析成像系統(tǒng)等，也有研究報(bào)道使用射頻、微波和近紅外光譜來提高水分傳感器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，但迄今為止，還沒有基于低場核磁共振（LF-NMR）技術(shù)同時(shí)檢測儲(chǔ)糧溫度、水分和濕度的系統(tǒng)或設(shè)備。本研究的目的包括：（1）提出一種基于LF-NMR的新型圖形檢測系統(tǒng)，以探索儲(chǔ)存谷物內(nèi)部的多場相互作用；（2）設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并開發(fā)其數(shù)據(jù)采集和圖像生成軟件；（3）通過使用稻谷樣品進(jìn)行兩次小規(guī)模儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)，評估該系統(tǒng)的可行性。

實(shí)驗(yàn)材料與方法：

1. 圖形檢測系統(tǒng)的組成：

LF-NMR 成像分析儀：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司，型號(hào)：MesoMR12-060H-I，由永磁體（場強(qiáng)0.35T）、探頭線圈、探頭支架、兩個(gè)控制柜和顯示器組成。探頭線圈是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵部件，直徑150mm，穿透深度120mm，可通過調(diào)整成像參數(shù)測量置于線圈內(nèi)谷物樣品不同橫截面的質(zhì)子密度數(shù)據(jù)。

谷物容器：小型谷物容器，其尺寸可放入探頭線圈，主體和蓋子由聚四氟乙烯材料加工而成，以避免影響 LF-NMR 成像分析儀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。容器主體直徑 148mm、高 184mm、壁厚 4mm。

圖1 核磁系統(tǒng)與谷物容器外觀結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集與圖像生成軟件：使用 Python（3.9.12 版）開發(fā)了數(shù)據(jù)采集與圖像創(chuàng)建軟件，用于處理測量數(shù)據(jù)并將結(jié)果可視化為云圖。軟件界面在功能上分為顯示區(qū)域和參數(shù)設(shè)置區(qū)域，顯示區(qū)域可同時(shí)顯示谷物樣品一個(gè)橫截面的頂部、正面或左側(cè)視圖的溫度、水分和濕度云圖，也可以表格形式顯示原始溫度數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集和圖像創(chuàng)建軟件的界面

存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)：

為評估圖形檢測系統(tǒng)監(jiān)測儲(chǔ)糧溫度、水分和濕度場的可行性，使用水稻設(shè)計(jì)了兩個(gè)小型儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù) 15 天，期間每 24 小時(shí)收集一次溫度數(shù)據(jù)和質(zhì)子密度數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)1：熱點(diǎn)和高水1415分區(qū)域：使用由兩種不同初始 MC（分別為 18.3%（w.b.）和 31.9%（w.b.））的水稻組成混合谷物樣品，混合谷物樣品的總高度和直徑分別為120mm和140mm。高水分水稻區(qū)域?yàn)閳A柱形，直徑60mm，高50mm，位于谷物容器的水平中心，其底部距離谷物容器底部39mm，剩余空間用低水分水稻填充。在高水分區(qū)域的中心放置一個(gè)尺寸為12mm×8mm×3mm的恒溫加熱器，以產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，加熱器的額定功率和溫度分別為4W和50℃，實(shí)測表面溫度約為40℃，除收集質(zhì)子密度數(shù)據(jù)的時(shí)間外，實(shí)驗(yàn)期間加熱器持續(xù)處于加熱狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)2：僅熱點(diǎn)：僅使用MC為18.3%（w.b.）的水稻，將水稻倒入谷物容器中，高度為120mm，直徑為140mm，將加熱器放置在水稻樣品的中心以創(chuàng)建局部熱點(diǎn)，其他操作與實(shí)驗(yàn)1相同。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：

實(shí)驗(yàn)1：

溫度場變化：

圖3顯示初始溫度幾乎均勻分布，約為16℃。隨后，由于恒溫加熱器的加熱，中心溫度開始升高，第1天中心溫度達(dá)到28.8℃，內(nèi)壁附近為15.6℃。在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，熱量向外擴(kuò)散，在樣品上部形成局部高溫區(qū)域。儲(chǔ)存初期，該區(qū)域的大小和中心溫度隨時(shí)間逐漸增加，第0天至第7天，面積從0cm2 擴(kuò)展到50.96cm2，中心溫度從16.8℃升至32.7℃；后期面積和中心溫度隨時(shí)間下降，第14天分別降至33.42cm2 和30.2℃。這可能是因?yàn)槌跏茧A段水稻的高水分賦予其良好的熱特性（比熱容和熱導(dǎo)率），增強(qiáng)了儲(chǔ)熱和傳熱能力，導(dǎo)致熱量積累和高溫區(qū)域擴(kuò)張，而隨著水稻逐漸干燥失水，情況逆轉(zhuǎn)，此外，谷物容器內(nèi)的微氣流通過傳熱也有助于減小高溫區(qū)域。

圖3實(shí)驗(yàn)1中V2部分在不同儲(chǔ)存天數(shù)內(nèi)的溫度變化

水分場變化：

圖4展示了混合樣品V2截面在不同儲(chǔ)存時(shí)間的水分遷移情況。可以觀察到，樣品裝入后，中心出現(xiàn)了一個(gè)明顯的高水分區(qū)域，其面積為37.07 cm2，最大含水率（濕基）達(dá)33.5%。該區(qū)域形狀不規(guī)則，這可能是由于高水分稻谷中水分分布不均勻所致。在恒溫加熱器的加熱作用下，該區(qū)域逐漸干燥失水，其面積和含水率隨時(shí)間下降。到第4天，該區(qū)域幾乎消失，面積降至最小的9.03 cm2，最大含水率降至22.4%（濕基），這使得整個(gè)截面的水分暫時(shí)呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。第6天，左上和右上截面出現(xiàn)了兩個(gè)新的高水分區(qū)域，而中心區(qū)域已完全消失。這兩個(gè)新區(qū)域的最大含水率達(dá)到39.0%（濕基），比初始狀態(tài)高出6%。這種現(xiàn)象可能是由攜帶水蒸氣的微氣流向上移動(dòng)引起的。當(dāng)微氣流遇到較冷的上部空氣層和容器壁時(shí)，其溫度降低，相對濕度接近飽和，于是表面和壁面附近的稻谷開始從空氣中吸收水分，使其含水率增加。到第14天，這兩個(gè)區(qū)域的總面積已增長至15.40 cm2，最大含水率達(dá)到40.2%（濕基），這表明可能已有自由水沉積。

圖4 實(shí)驗(yàn)1中V2部分在不同儲(chǔ)存天數(shù)內(nèi)的濕度變化

濕度場變化：

圖5展示了混合樣品V2截面在不同儲(chǔ)存時(shí)間的濕度擴(kuò)散情況。初始狀態(tài)下，中心截面的大部分區(qū)域被一個(gè)面積為49.20cm2、最大相對濕度（RH）達(dá)100% 的高濕度區(qū)域占據(jù)。隨著高溫區(qū)域溫度的升高，高濕度區(qū)域內(nèi)的RH開始下降以維持熱力學(xué)平衡。與此同時(shí)，高水分稻谷逐漸干燥，其水分蒸發(fā)到間隙空氣中。在微氣流的攜帶下，水蒸氣向外擴(kuò)散，從而提高了整個(gè)截面的RH水平。到第5天，高濕度區(qū)域擴(kuò)展到最大面積94.22 cm2，截面的最低RH從62.4%上升至69.6%，而最高 RH降至98.4%。隨著這些過程的持續(xù)進(jìn)行，水蒸氣被攜帶到壁面和表面附近較冷的外圍區(qū)域并積累，導(dǎo)致這些區(qū)域的RH升高，最終在截面兩側(cè)形成兩條狹窄的高濕度帶。儲(chǔ)存結(jié)束時(shí)，高濕度區(qū)域的面積縮小至79.33 cm2。

圖5 實(shí)驗(yàn)1中V2部分在不同儲(chǔ)存天數(shù)內(nèi)的濕度變化

本研究提出了首個(gè)基于低場核磁共振（LF-NMR）的圖形檢測系統(tǒng)，用于探究儲(chǔ)糧中的多場相互作用。從圖3、圖4和圖5的云圖中可以直接觀察到溫度、水分和濕度場之間的物理相互作用。簡而言之，在相互作用過程中，溫度充當(dāng)驅(qū)動(dòng)力，促使水分蒸發(fā)并引發(fā)微氣流；微氣流作為載體，協(xié)助水蒸氣擴(kuò)散和水分遷移，進(jìn)而影響溫度分布。對于谷物發(fā)芽而言，溫度需高于4℃且含水率在15%至45%之間。同樣，真菌生長需要溫度高于20℃、含水率高于13.5%（濕基）且相對濕度高于75%。通過分析云圖發(fā)現(xiàn)，盡管整個(gè)儲(chǔ)存期間中心區(qū)域的溫度始終超過25℃，但中心區(qū)域的含水率和相對濕度卻隨時(shí)間下降。相反，左上和右上截面的含水率和相對濕度持續(xù)增加，且溫度維持在20℃左右。因此，盡管溫度較低，但與中心區(qū)域相比，這些區(qū)域的條件更有利于真菌生長和谷物發(fā)芽。

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參考文獻(xiàn)

[1] Zhang J, Wu W, Liu Z, et al. Development and verification of a graphical detection system for multi-field interactions in stored grain based on LF-NMR[J].Biosystems Engineering, 2024:241.

DOI:10.1016/j.biosystemseng.2024.03.005.