Как битые зерна и грибки создают очаги перегрева в кукурузе

Повреждение зерен и возникновение очагов перегрева, вызванных грибками, могут легко привести к потенциальным угрозам безопасности при хранении кукурузы. Целью данного исследования было изучение формирования и развития очагов перегрева в массе кукурузы с двумя различными значениями содержания битых зерен (СБЗ), а именно 4,26 % (СБЗ4,26) и 6,14 % (СБЗ6,14), и влажностью 16,3 %, в одинаковых условиях хранения.

Была разработана многофункциональная моделирующая система для имитации процессов тепло- и влагопереноса в хранящейся массе зерна, а также предложен новый метод для оценки влияния локальных очагов перегрева на безопасность хранения массы кукурузы с различным СБЗ. Результаты показали, что существуют различия в интенсивности дыхания грибков в массе кукурузы с двумя разными значениями СБЗ, а также различается зона температурного влияния, вызванная очагами перегрева, в одинаковых условиях хранения. Максимальная температура, вызванная ростом грибков в образцах СБЗ4,26 и СБЗ6,14, составила 37,47 °C и 38,81 °C, а доля образовавшихся зон с высокой температурой составила 64,2 % и 62,3 % соответственно. Относительная влажность в локальных очагах перегрева продолжала снижаться, достигнув 64,8 % и 71,7 % после 1800 часов хранения в образцах СБЗ4,26 и СБЗ6,14. Концентрация CO₂ в очагах перегрева в образце СБЗ6,14 была выше, чем в СБЗ4,26, в то время как концентрация O₂ была ниже, чем в СБЗ4,26. Потери сухого вещества в очагах перегрева в образце СБЗ6,14 были выше, чем в СБЗ4,26. Была разработана нелинейная модель для прогнозирования изменения температуры очагов перегрева, вызванных грибками, в массе кукурузы с учетом времени хранения, температуры, относительной влажности и концентрации CO₂ в этих очагах, и модель продемонстрировала хорошее соответствие экспериментальным данным.

Кукуруза является основным сырьем для пищевой, кормовой и ферментационной промышленности [1]. Ежегодное производство кукурузы в Китае составляет 288 млн тонн, что составляет около 41,54% от общего объема производства зерна [2]. Значительная часть собранной кукурузы хранится на складах для удовлетворения спроса в течение всего года [3].

Температурные градиенты формируются внутри массы кукурузы из-за изменения температуры снаружи склада и дыхания зерен в процессе длительного хранения, что приводит к сложному процессу тепло- и влагопереноса [4,5]. Когда локальная температура и влажность превышают критическое значение для безопасного хранения зерна, грибки в массе зерна прорастают и начинают расти, что приводит к возникновению очагов перегрева [6]. Факторы, влияющие на рост грибков в хранящейся массе зерна, сложны, например, температура, влажность, концентрация кислорода [7], примеси [8] и локальное состояние зерна. Соответствующие условия температуры и влажности будут способствовать непрерывному росту грибков, а выделяемое грибками тепло и вода могут вызвать самоускоряющийся процесс нагрева, который может создать очаги перегрева в массе зерна, тем самым ускоряя ухудшение качества зерна и в конечном итоге приводя к значительным потерям качества и количества зерна [9,10]. Недавние исследования показывают, что структура зерен кукурузы повреждается во время механизированной уборки, транспортировки и погрузки, что делает их более восприимчивыми к повреждению грибками и насекомыми [11,12]. Механизм сегрегации приводит к тому, что битые зерна собираются под погрузочным отверстием, снижая скорость воздушного потока через эту область во время вентиляции, что облегчает накопление тепла и влаги в массе кукурузы и индуцирует рост грибков [13,14].

Хотя в некоторых предыдущих исследованиях сообщалось о локальных очагах перегрева при хранении кукурузы, большинство исследований было сосредоточено на повышении температуры, вызванном очагами перегрева, и составе грибковых сообществ [3,6,15]. Очаги перегрева, вызванные грибками, всегда существовали в процессе хранения кукурузы, что создавало скрытые угрозы для безопасного хранения зерна. Однако лишь в немногих исследованиях сообщалось о локальных очагах перегрева в процессе тепло- и влагопереноса в массе кукурузы с учетом битости зерен. Более того, предыдущие исследования оценивали качество зерна только путем простого измерения температуры в определенных точках хранящейся кукурузы [10], что может ограничивать репрезентативность результатов измерений контролируемой области из-за эффективных теплоизоляционных свойств массы кукурузы. В сочетании с измерением концентрации CO₂ в межзерновом воздухе измерения температуры могут предоставить более репрезентативную информацию о качестве зерновой массы [16,17].

Это исследование направлено на мониторинг влияния различного содержания битых зерен (СБЗ) на развитие локальных очагов перегрева в процессе тепло- и влагопереноса в массе кукурузы. В нем комплексно измеряются температура, межзерновая относительная влажность, влажность и концентрация диоксида углерода (CO₂). Цель состоит в том, чтобы иметь возможность обнаруживать раннюю порчу и изменение массы кукурузы, вызванные развитием очагов перегрева. Для достижения этих целей в качестве основной экспериментальной установки используется многофункциональная моделирующая система.

2.1. Образец кукурузы

Кукуруза, использованная в этом эксперименте, была гибридным сортом Чжэндань 958, собранным в 2023 году в провинции Хэнань, Китай, и хранилась на складе. Заплесневелые зерна кукурузы и другие примеси были удалены путем просеивания и сортировки перед экспериментом. Пять образцов кукурузы массой приблизительно 500 г были случайным образом отобраны из просеянных образцов, и СБЗ было определено как 4,26% (СБЗ4,26) на основе отношения массы битых зерен к массе образца [18]. Мы взяли два образца массой приблизительно 70 кг, один из которых был случайным образом смешан с частью битых зерен из просеянного образца. Скорректированное содержание битых зерен составило 6,14% (СБЗ6,14), в то время как другой образец не подвергался обработке. То есть СБЗ двух экспериментальных образцов составляло 4,26% и 6,14%, и в других параметрах различий не было. Два образца были равномерно опрысканы стерильной водой одинаковой массы и хранились при 4 °C в течение 48 часов для достижения влажностного равновесия [10,19]. Влажность целых и битых зерен определялась гравиметрическим методом в печи с принудительной циркуляцией воздуха и конвективным нагревом (модель 101, Beijing ever briGht medical treatment instrument co., ltd, Пекин, Китай) при 103 °C в течение 72 часов с тремя повторениями по 30 г [20]; фактические уровни скорректированной влажности кукурузы составили 16,3 ± 0,19% (на влажное состояние). Относительная плотность зерен составляла 1293 кг/м³ [21], а пористость массы кукурузы составляла 0,422 и 0,418 для СБЗ4,26 и СБЗ6,14.

2.2. Система моделирования среды хранения зерна

В процессе хранения зерна явление тепло- и влагопереноса внутри массы зерна происходит ежедневно из-за изменения внешней среды склада. Когда температура и влажность в определенных местах достигают условий, подходящих для роста грибков, грибки развиваются и образуют очаги перегрева. Для моделирования процесса тепло- и влагопереноса в хранящейся массе зерна была разработана многофункциональная модульная моделирующая система, как показано на рисунке 1a. Система включала испытательный бункер, систему контроля температуры, устройство обнаружения газа, устройство обнаружения температуры и влажности, а также систему сбора данных.

Рисунок 1. Модульная моделирующая система среды хранения зерна: (a) экспериментальное устройство, (b) методы эксперимента, (c) схема расположения измерительных точек.

2.2.1. Испытательный бункер

Испытательный бункер был изготовлен из алюминиевого сплава с размерами 0,6 м × 0,6 м × 0,6 м. Передняя и задняя боковые панели были изготовлены из полиметилметакрилата (ПММА) толщиной 0,05 м, который использовался для наблюдения за ростом грибков во время хранения. Кроме того, 0,03 м изоляционной ваты было размещено сверху и снизу образца кукурузы для обеспечения однонаправленного тепло- и влагопереноса. В стене контроля температуры (горячая стена и холодная стена) были предусмотрены отверстия для ввода проводов датчиков температуры и относительной влажности, а также шлангов для отвода газа для обнаружения газов, и отверстия были загерметизированы клеящим веществом для предотвращения утечки воздуха и испарения влаги.

2.2.2. Система контроля температуры

Система включала термостат, криостат и трубы циркуляции воды. Трубы циркуляции воды были равномерно расположены на горячей стене и холодной стене испытательного бункера и обернуты изоляционной ватой для предотвращения потерь тепла во время циркуляции воды. Водяные трубы были подключены к термостату и криостату (модель HX-08, Jiangsu Tianling Instrument Co., Ltd., Яньчэн, Китай), и температура горячей стены и холодной стены испытательного бункера контролировалась за счет теплообмена между циркулирующей жидкостью и стенками с двух сторон, что создавало температурный градиент по всей массе кукурузы.

2.2.3. Регистрация температуры и влажности

Датчики температуры с диапазоном погрешности ±0,01 °C и датчики относительной влажности с диапазоном погрешности 0,5% были размещены вдоль плоскости измерений (средняя плоскость на рисунке 1c) между горячей стеной и холодной стеной. Датчики температуры и датчики относительной влажности были расположены на расстоянии 0,20 м в x-направлении и 0,19 м в y-направлении. Провод датчика проходил через вводное отверстие горячей стены и холодной стены и подключался к клеммной колодке. Один датчик температуры и один датчик относительной влажности были прикреплены к внешней стороне испытательного бункера для наблюдения за комнатной температурой. Был подключен блок сбора данных Fluke 2638A (модель 2638A, Fluke, Эверетт, Вашингтон, США). Тестовые данные были получены с помощью автоматической системы сбора.

2.2.4. Регистрация концентрации газа

Один конец вентиляционного шланга был обернут дышащей марлей и расположен на расстоянии 0,20 м в x-направлении и 0,19 м в y-направлении, а другой конец был подключен к газоанализатору (модель S316, Henan Zhong’an Electronic Detection Technology Co., Ltd., Чжэнчжоу, Китай) для получения концентрации кислорода и диоксида углерода в массе кукурузы. Газоанализатор имеет диапазон измерения 0~15% об. для CO₂ и 0~30% об. для O₂.

2.2.5. Количество спор грибков (КСГ)

Около 10 г образца кукурузы помещали в пробирку и добавляли 30 мл стерильной воды. Пробирку помещали на вихревой смеситель (HQ-60, Beijing North TZ-Biotech Develop.co., Пекин, Китай) и встряхивали в течение 1 минуты для полной диффузии спор грибков из образца кукурузы в стерильную воду. Фильтровали с использованием фильтровальной ткани с размером ячеек 300 меш. Приготовленный фильтрат тщательно встряхивали, с помощью резиновой пипетки отбирали немного жидкости и наносили на счетную камеру (гемоцитометр). Помещали счетную камеру на предметный столик микроскопа, давали постоять 30 секунд, затем наблюдали и подсчитывали. Чтобы избежать ошибок измерения, каждый образец измерялся трижды, и среднее значение данных трех тестов учитывалось после исключения необоснованных значений [6,15,22].

2.2.6. Потери сухого вещества (ПСВ)

Для определения ПСВ с течением времени использовалась оценочная модель, учитывающая аэробное и анаэробное дыхание [23].

где C_(CO₂) — измеренная концентрация диоксида углерода в массе кукурузы, %; ΔC_(O₂) — изменение концентрации O₂ с учетом начальной концентрации в воздухе 21%, %; ε — пористость массы кукурузы; p — атмосферное давление, Па; M_g — молярная масса глюкозы, г/моль; ρ_g — плотность зерен кукурузы, кг/м³; R — универсальная газовая постоянная; и T — температура в соответствующее время в месте расположения измерительной точки, K.

2.3. Методы эксперимента

Для моделирования влияния СБЗ на очаги перегрева, вызванные грибками, в одинаковых условиях хранения, испытательный бункер был разделен на два равных по размеру пространства вдоль направления температурного градиента с помощью изоляционного слоя толщиной 4 см. СБЗ4,26 и СБЗ6,14 были равномерно загружены в два отсека. Начальная температура и относительная влажность образца кукурузы составляли 23,52 °C и 78,4%, а концентрации CO₂ и O₂ в испытательном бункере составляли 0,3% и 20,1%. Температуры термостата и криостата были установлены на 30 °C и 12 °C. После хранения в течение 75 суток из каждой измерительной точки было отобрано примерно 100 г зерен кукурузы для определения влажности и КСГ.

3.1. Распределение температуры

На рисунке 2 показаны изменения температуры в различных измерительных точках. Комнатная температура показывает колебательные изменения из-за разницы температур между днем и ночью. Самая высокая температура в лаборатории составила 32,6 °C, что произошло на 37-й день хранения. Температура массы кукурузы значительно зависела от лабораторной среды из-за отсутствия изоляционных мер на передней и задней боковых панелях испытательного бункера. Наблюдая за датчиками температуры (a1, b1, c1 и a4, b4, c4), прикрепленными к стене контроля температуры, было обнаружено, что контролируемая температура достигалась в течение 15,5 часов. При непрерывном теплообмене между стеной контроля температуры и массой кукурузы кукуруза нагревается, и тепло передается к холодной стене вдоль направления температурного градиента. Скорости изменения температуры в точках a3, b3 и c3 составляют 0,187, 0,280 и 0,347 °C/сут в течение 20 дней хранения в СБЗ4,26. Когда температура горячей стены повышается, зерна возле горячей стены нагреваются больше, чем зерна к центру массы, как и воздух, который находится близко к горячей стене, что вызывает уменьшение его плотности и образование восходящих потоков воздуха вблизи горячей стены, тем самым вызывая образование нисходящего потока холодного воздуха у холодной стены испытательного бункера. Таким образом, скорость воздушного потока между порами верхнего слоя (y = 0,46 м) больше, чем в нижнем слое (y = 0,08 м), под действием тепловой подъемной силы (рисунок S1). Этот результат аналогичен тому, о котором сообщили Lopes и др. [24]. Скорость изменения температуры в каждой локальной измерительной точке для СБЗ6,14 больше, чем для СБЗ4,26, что указывает на то, что увеличение СБЗ увеличивает площадь контакта между зернами и ускоряет скорость теплопроводности.

Рисунок 2. Изменения температуры в различных измерительных точках: (a) СБЗ4,26, (b) СБЗ6,14.

3.2. Локальные очаги перегрева

На рисунке 3 показано распределение температуры в средней плоскости испытательного бункера в различные моменты времени. Тепло передается к холодной стене по «серповидной» схеме, где верхний слой передает тепло быстрее, чем нижний, из-за температурного градиента. Точки, достигающие 30 °C, появились в координатах (0,295, 0,427) и (0,288, 0,452) для СБЗ4,26 и СБЗ6,14 с соответствующим временем 755 часов и 480 часов (рисунок 4). Температура в этой точке продолжает расти и развивается в локальный очаг перегрева, достигая максимальной температуры 37,47 °C и 38,81 °C при хранении в течение 1673 часов и 1667 часов. Нагрев очагов перегрева вызывает образование вихреобразных зон с высокой температурой в массе кукурузы. Результаты показали, что при совместном действии температуры и влажности кукуруза заплесневела и выделила много тепла, что привело к повышению температуры в массе кукурузы. Можно было предположить, что температура и влажность точки A и точки B были подходящими для роста грибков в кукурузе при соответствующих условиях СБЗ. Под действием температурного градиента между локальными очагами перегрева с более высокой температурой и другими местами с более низкой температурой большое количество тепла, выделяемого при дыхании грибков, диффундировало в зону низкой температуры, и температура локальных очагов перегрева снижалась.

Рисунок 3. Теплоперенос и процесс формирования и развития очагов перегрева при температурном градиенте: (a) СБЗ4,26, (b) СБЗ6,14.

Рисунок 4. Температура в местах расположения очагов перегрева.

Учитывая, что контроль температуры горячей стены составляет 30 °C, область в массе кукурузы выше 30 °C определяется как зона повышенной температуры (ЗПТ). На рисунке 5 показана доля площади в массе кукурузы, где температура средней плоскости превышает 30 °C, по сравнению с площадью средней плоскости. С 480 до 600 часов доля зон повышенной температуры достигла 5,21% и 11,00% для СБЗ4,26 и СБЗ6,14. Это включает небольшое количество точек выше 30 °C, вызванных незначительными колебаниями температуры, контролируемой горячей стеной. Часть тепла теряется в массе кукурузы с 600 до 755 часов из-за снижения комнатной температуры. После появления очагов перегрева цикл «рост грибков — повышение температуры зерна» ускорил увеличение площади ЗПТ в массе кукурузы. Доля ЗПТ достигла 45,1% и 46,42%, причем оба случая произошли в день с самой высокой комнатной температурой. Колебания комнатной температуры привели к тому, что тепло, выделяемое при дыхании грибков, терялось через пластину ПММА с 897 до 1432 часов. Однако тепло, выделяемое при быстром росте грибков, было выше, чем потерянное тепло, и доля ЗПТ в СБЗ6,14 выше, чем в СБЗ4,26. Битые зерна увеличивают дыхание (и выделение тепла), потому что у зерна эндосперм непосредственно подвержен воздействию микробов. Таким образом, чем выше доля СБЗ в массе кукурузы, тем больше тепла выделяется и тем больше область воздействия. После 1432 часов доля ЗПТ в СБЗ6,14 немного ниже, чем в СБЗ4,26. Мы предполагаем, что снижение интенсивности дыхания связано с потреблением кислорода и органического вещества, а увеличение количества битых зерен в массе зерна увеличивает площадь контакта между зернами кукурузы, улучшает теплопроводность и ускоряет потерю тепла в массе кукурузы.

Рисунок 5. Доля температур выше контрольной температуры стены.

3.3. Распределение влажности

На рисунке 6 показано распределение относительной влажности в средней плоскости испытательного бункера в момент времени, соответствующий рисунку 3. Зерна кукурузы возле горячей стены десорбировали влагу, и водяной пар в воздухе между зернами кукурузы переносился к холодной стене за счет диффузии и естественного конвективного переноса, снижая относительную влажность возле горячей стены и увеличивая относительную влажность возле холодной стены. Средняя относительная влажность возле холодной стены составляет 85,5% и 85,3% при хранении в течение 755 и 480 часов в СБЗ4,26 и СБЗ6,14. Большое количество водяного пара переносится к холодной стене, в то время как небольшое количество водяного пара переносится к измерительной точке c4. Причина в том, что когда температура в очагах перегрева продолжает расти и становится выше контрольной температуры горячей стены, между очагами перегрева и холодной стеной и между очагами перегрева и горячей стеной формируется температурный градиент. Зерна кукурузы в очагах перегрева десорбируют воду, и под действием температурного градиента в массе кукурузы формируется градиент давления водяного пара в том же направлении, что и температурный градиент, вызывая диффузию водяного пара вдоль направления температурного градиента. Более того, из-за разницы плотности воздуха внутри массы кукурузы, вызванной температурным градиентом, формируется естественная конвекция воздуха, что также способствует переносу влаги вдоль направления температурного градиента.

Рисунок 6. Распределение относительной влажности: (a) СБЗ4,26, (b) СБЗ6,14.

На рисунке 7 показана относительная влажность в местах расположения очагов перегрева. Относительная влажность в местах расположения очагов перегрева снижается с течением времени хранения. Относительная влажность для СБЗ6,14 выше, чем для СБЗ4,26, потому что битые зерна легко повреждаются грибками. Повышение температуры локальных очагов перегрева ускоряет рост грибков, и больше грибков разлагает органическое вещество, выделяя влагу, что приводит к более высокой относительной влажности между зернами. Относительная влажность в локальных очагах перегрева составляет 64,8% и 71,7% при хранении в течение 1800 часов в СБЗ4,26 и СБЗ6,14 соответственно.

Рисунок 7. Относительная влажность в местах расположения очагов перегрева.

На рисунке 8 показана влажность локальных измерительных точек после хранения в течение 75 суток. Зерна кукурузы возле холодной стены поглощают воду, вызывая увеличение влажности, и средняя влажность составляет 25,3% и 23,5% в СБЗ4,26 и СБЗ6,14. Влажность в измерительных точках c2 и c3 ниже, что связано с переносом влаги, вызванным повышением температуры в очагах перегрева. Влажность в точке c4 относительно высока, что хорошо соответствует результатам относительной влажности, показанным на рисунке 6. Водяной пар в верхнем слое в y-направлении выше, чем в нижнем слое, под действием тепловой подъемной силы, что приводит к более высокой влажности в верхней части кукурузы.

Рисунок 8. Влажность локальных измерительных точек после хранения в течение 75 суток: (a) СБЗ4,26, (b) СБЗ6,14.

3.4. Концентрация CO₂/O₂

На рисунке 9 показаны концентрации кислорода и диоксида углерода в СБЗ4,26 и СБЗ6,14. Во время эксперимента лабораторные концентрации O₂ и CO₂ составляли 20,9% и 0,05%. Тепло в массе кукурузы в основном поступает от теплопередачи стены с контролируемой температурой в течение 0–20 дней. Дыхание грибков и зерен кукурузы слабое, и не наблюдается значительных изменений концентрации O₂ и CO₂ в массе кукурузы. Из-за развития грибков и дыхания зерен кукурузы в период хранения с 20 по 75 сутки O₂ потребляется и его концентрация снижается, в то время как концентрация CO₂ увеличивается с течением времени хранения. Средние концентрации O₂/CO₂ составляют 11,4%/7,7% и 9,7%/9,2% в СБЗ4,26 и СБЗ6,14 соответственно. Общая концентрация CO₂ в очагах перегрева в СБЗ6,14 выше, чем в СБЗ4,26, с максимальной разницей 2,7%, в то время как концентрация O₂ ниже, чем в СБЗ4,26, с максимальной разницей 2,3% (рисунок S2). Результаты указывают на то, что битые зерна кукурузы более восприимчивы к разложению грибками, и масса кукурузы с более высоким СБЗ имеет более высокое грибковое дыхание [25,26].

Рисунок 9. Концентрации кислорода и диоксида углерода в СБЗ4,26 и СБЗ6,14: (a,b) концентрация диоксида углерода, (c,d) концентрация кислорода.

Концентрация CO₂ в измерительной точке с самой высокой температурой внутри массы кукурузы не является самой высокой. В обоих условиях испытаний концентрация O₂ в верхнем слое (y = 0,46 м) выше, чем в нижнем слое (y = 0,08 м), а концентрация CO₂ ниже, чем в нижнем слое. Это не согласуется с распределением температуры и влажности в массе кукурузы. Причина может заключаться в том, что верхняя крышка испытательного бункера во время эксперимента была не очень герметична, и в верхней области была небольшая утечка воздуха. Отбор проб КСГ и тестирование после эксперимента подтвердили эту гипотезу: среднее количество спор составило 2,0 × 10⁷ и 3,1 × 10⁷ сумм/г в верхнем слое и 8,2 × 10⁶ и 8,4 × 10⁶ сумм/г в нижнем слое в СБЗ4,26 и СБЗ6,14. Результаты показали, что не было значительных различий в КСГ между двумя образцами (p > 0,05), но КСГ для СБЗ6,14 было выше, чем для СБЗ4,26.

3.5. ПСВ

На рисунке 10 показана ПСВ в очагах перегрева для СБЗ4,26 и СБЗ6,14. ПСВ увеличивалась в результате дыхания в процессе хранения, вызванного изменением температуры и относительной влажности. При хранении 0–20 дней масса кукурузы в основном подвергается физической теплопроводности, и потеря сухого вещества в основном вызвана дыханием зерен кукурузы, при этом ПСВ ниже 0,1%. Потребление сухого вещества было более выраженным при появлении локальных очагов перегрева. Такие условия хранения привели к изменению межзерновой относительной влажности и миграции влаги, что привело к нагреву зерновой массы и ускорению потребления сухого вещества [27]. ПСВ для СБЗ6,14 выше, чем для СБЗ4,26 при хранении 20–75 суток, в среднем 0,134% и 0,144% и максимум 0,266% и 0,271% в СБЗ4,26 и СБЗ6,14. Это в первую очередь связано с усилением дыхания из-за присутствия битых зерен кукурузы [10].

Рисунок 10. Потери сухого вещества в очагах перегрева для СБЗ4,26 и СБЗ6,14.

3.6. Моделирование развития очагов перегрева

Изменения ЗПТ в массе кукурузы, вызванные развитием грибков, зависят от температуры, относительной влажности, концентрации CO₂ и времени хранения в месте расположения очага перегрева. Учитывая сильную взаимосвязь между температурой и влажностью, была разработана следующая модель прогнозирования ЗПТ с использованием регрессионного анализа и методов подгонки данных:

где константы a₁–a₆ приведены в таблице 1; t — время хранения, ч; T_о.п. — температура в очаге перегрева, °C; и RH_о.п. — относительная влажность в очаге перегрева, %. Эта модель была наиболее подходящей, со значением R² 0,95 и 0,96 для СБЗ4,26 и СБЗ6,14. ЗПТ является нелинейной функцией C_CO₂ и линейной функцией t, T_о.п. и RH_о.п. Хотя включение более сложных членов увеличивает сложность модели, когда предполагалось, что ЗПТ включает экспоненциальную функцию C_CO₂ и неявную функцию T_о.п. и RH_о.п. (T_о.п.·RH_о.п.), качество модели значительно улучшилось. На рисунке 11 иллюстрируется перспективная способность модели прогнозировать ЗПТ и распределение остаточной ошибки прогноза (ООП) для модели. Он показывает, что значения ООП были случайным образом разбросаны и не имели очевидной тенденции (чувствительности). Данные ЗПТ были проанализированы с использованием однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с последующим апостериорным тестом Тьюки для разделения средних, и результаты показали p < 0,05, что считается статистически значимым. Результаты анализа указывают на то, что повышение температуры в очагах перегрева оказывает значительное влияние на ЗПТ.

Рисунок 11. Сравнение между прогнозом разработанной модели и экспериментальными данными: (a) СБЗ4,26, (b) СБЗ6,14.

Таблица 1. Константы модели распределения ЗПТ.

В Китае качество кукурузы для рынка послеуборочной продукции обеспечивается физической классификацией на группу I (≤4,0%), группу II (4,0–6,0%), группу III (6,0–8,0%), группу IV (6,0–10,0%) и группу V (6,0–8,0%) в соответствии с СБЗ [28]. Два образца кукурузы, использованные в этом исследовании, соответствуют стандартам группы I и группы II.

4.1. Влияние битости зерен на очаги перегрева

Изменения температуры окружающей среды во время хранения влияют на межзерновую температуру и относительную влажность хранящегося зерна. Область, подходящая для роста грибков, появляется и развивается в очаги перегрева в процессе тепло- и влагопереноса; аналогичные явления были обнаружены в отчете Wu и др. [15]. Они обнаружили, что максимальная температура в очагах перегрева составляет 38 °C, что не превышало максимальную контрольную температуру (44 °C). Wang и др. [6] сообщили, что температура в очагах перегрева в массе кукурузы может достигать 47,5 °C, в то время как максимальные температуры двух образцов в этом исследовании составляют 37,47 °C и 38,81 °C, что указывает на то, что размер испытательного бункера, количество загруженного зерна, типы зерна, начальная влажность и СБЗ зерна являются ограничивающими условиями для повышения температуры, вызванного грибками.

Увеличение СБЗ снижает пористость и вызывает различия в тепло- и влагопереносе внутри массы зерна [29]. Результаты рисунка 3 и рисунка S1 указывают на то, что увеличение СБЗ улучшает эффективность физической теплопроводности внутри массы кукурузы за счет увеличения площади контакта между зернами, а также вызывает различное распределение температуры и влажности внутри массы кукурузы. Мы подтвердили с помощью экспериментов, что различное СБЗ приводит к различиям в расположении очагов перегрева в одинаковых условиях хранения. Расположение очагов перегрева в СБЗ6,14 находится ближе к холодной стене и поверхности зернового вороха, чем в СБЗ4,26, из-за более высокой влажности в этих областях. Относительная влажность составляет 75,2% и 76,3% в СБЗ4,26 и СБЗ6,14 при появлении очагов перегрева. Время появления очагов перегрева в СБЗ6,14 раньше, чем в СБЗ4,26, а повышение температуры и зона с высокой температурой, вызванные формированием очагов перегрева, также больше, чем в СБЗ4,26. Это указывает на то, что сегрегация при загрузке зерна приводит к увеличению содержания локально битых зерен в массе зерна, вызывая накопление влаги и тепла, что с большей вероятностью индуцирует рост грибков [11]. Снижение битости зерен на различных этапах после уборки урожая и минимизация влияния сегрегации при загрузке на распределение битых зерен полезны для обеспечения безопасного хранения зерна и снижения ухудшения качества.

4.2. Влажность при хранении

Точки с температурой выше 30 °C появились на 32-й и 20-й день в СБЗ4,26 и СБЗ6,14 при начальной влажности 16,3%; мы считаем, что это вызвано ростом грибков. В эксперименте Liu и др. [10] начальная влажность составляла около 21%, и нагрев происходил при комнатной температуре с начала эксперимента. Грибки, прикрепленные к поверхности зерен, начинают спонтанно расти только тогда, когда температура и влажность подходят; в противном случае они будут оставаться в состоянии покоя в течение длительного времени [19]. Поэтому регулирование влажности зерна с помощью аэрации и других методов также является эффективным средством обеспечения безопасности хранения зерна [11]. Panigrahi и др. [30], ограничивая относительную влажность более низким уровнем для поддержания безопасного хранения зерна, предотвратили ухудшение качества. Magan и Aldred сообщили, что кукурузу можно хранить при влажности ниже 14% без опасения роста грибков [31].

Относительная влажность зоны повышенной температуры снижалась в течение периода хранения с повышением межзерновой температуры воздуха, и она выше в СБЗ6,14, чем в СБЗ4,26. Битые зерна кукурузы более восприимчивы к развитию грибков, потому что физическая целостность зерен нарушена. Процесс дыхания в битых зернах выше, как и дыхание большего количества грибков в СБЗ6,14, что увеличивает распад сухого вещества зерен за счет деградации липидов, белков и углеводов, что приводит к более высокой относительной влажности. Локально более высокая влажность также оказывает неблагоприятное воздействие на качество зерна. В другом исследовании Weinberg и др. [32] обнаружили, что кукуруза, хранящаяся при более высокой влажности в герметично закрытых условиях, показывала более высокие потери сухого вещества и более высокое количество аэробных бактерий, чем хранящаяся при более низкой влажности в тех же условиях. Аналогично, dos Santos и др. [23], изучая влияние влажности, наблюдали, что ПСВ массы кукурузы с влажностью 14,8% при хранении в течение 150 дней была примерно в 3,5 раза ниже, чем у образца с влажностью 17,9%.

4.3. Дыхательная функция и потеря качества

До появления локальных очагов перегрева скорость снижения кислорода и увеличения диоксида углерода была относительно низкой из-за слабого дыхания грибков [33]. Температура локальных очагов перегрева выше 30 °C увеличила потребление сухого вещества на 0,203% и 0,204% в СБЗ4,26 и СБЗ6,14, что в первую очередь связано с выделением тепла при дыхании, которое стимулирует быстрый рост грибков, что приводит к нагреву массы кукурузы и ускоренному потреблению сухого вещества [27]. Чем выше процент зерен с дефектами в зерновой массе, тем больше сухого вещества теряется и тем короче безопасный период хранения без ущерба для качества. Dubal и др. сообщили о аналогичном результате в отношении потерь сухого вещества в соевых бобах с дефектами по сравнению с целыми соевыми бобами в одинаковых условиях хранения [16].

Температура в очагах перегрева достигла пика, а затем снизилась, как сообщили Wu и др. [15], которые пришли к выводу, что чрезмерно высокие температуры могут повлиять на развитие некоторых видов грибков. Кроме того, снижение доступного энергоснабжения зерна и потребление кислорода, увеличение концентрации диоксида углерода или накопление других метаболитов могут ограничивать рост грибков. В этом исследовании, помимо колебаний температуры, вызванных факторами окружающей среды, температура в очагах перегрева показала общую тенденцию к росту. Максимальные значения температуры все ниже 40 °C. Согласно рисунку 9, средние концентрации кислорода в испытательном бункере составляют 11,3% и 9,7% после хранения в течение 1800 часов в СБЗ4,26 и СБЗ6,14, а также ПСВ на рисунке 10. Можно предположить, что в массе кукурузы достаточно факторов для роста грибков, и рост грибков не показывает процесса снижения. Если не будут приняты эффективные меры вмешательства, качество зерна ухудшится в большей степени.

Некоторые математические модели фокусируются только на взаимосвязи между зонами повышенной температуры и повышением температуры [6], игнорируя комплексное воздействие дыхания, относительной влажности и периода хранения на зоны повышенной температуры. Эти сложные факторы могут влиять на результаты прогнозирования модели, а их всесторонний учет может помочь точно прогнозировать локальные очаги перегрева и обеспечивать раннее предупреждение. Эти дополнительные параметры мониторинга могут служить индикаторами для точного управления системами аэрации для охлаждения массы зерна во время хранения. Поэтому мониторинг температуры, относительной влажности и концентрации CO₂ между зернами может служить ранним индикатором порчи, позволяя своевременно вмешиваться и минимизировать ухудшение качества зерна.

4.4. Рекомендации для будущих исследований и разработок

Согласно результатам этого исследования, более высокие значения содержания битых зерен приводят к повышенному риску возникновения локальных очагов перегрева и большему влиянию на качество зерна. Однако взаимосвязь между локальным температурным градиентом внутри хранящейся массы зерна и местоположением формирования очага перегрева, содержанием битых зерен и влажностью неизвестна. Кроме того, другие полезные методы, такие как ближняя инфракрасная спектроскопия и сканирующая электронная микроскопия, могут использоваться для анализа изменений физических, физиологических и физико-химических характеристик кукурузы с течением времени. Также важны влияние типа кукурузы и вида грибков на формирование очагов перегрева, как продолжительный нагрев в месте расположения очага перегрева вызывает формирование новых очагов перегрева и как они связаны со сложным распределением битых зерен в массе зерна. Эти вопросы требуют дополнительных исследований для улучшения нашего понимания механизма локального нагрева при хранении зерна.

В этом исследовании были изучены формирование и развитие очагов перегрева, вызванных грибками, в массе кукурузы с двумя различными значениями содержания битых зерен (СБЗ4,26 и СБЗ6,14) при температурном градиенте 30 °C/м. Из этого исследования можно сделать следующие основные выводы:

1)   Увеличение содержания битых зерен ускоряет скорость теплопроводности за счет увеличения площади контакта между зернами. СБЗ6,14 показывает очаги перегрева раньше, чем СБЗ4,26, в одинаковых условиях хранения, и очаги перегрева имеют тенденцию располагаться в зонах с более высокой относительной влажностью.

2)   Средние концентрации O₂/CO₂ составляют 11,4%/7,7% и 9,7%/9,2% в СБЗ4,26 и СБЗ6,14 после хранения в течение 1800 часов. Общая концентрация CO₂ в очагах перегрева в СБЗ6,14 выше, чем в СБЗ4,26, в то время как концентрация O₂ ниже, чем в СБЗ4,26. Потери сухого вещества (ПСВ) в очагах перегрева в СБЗ6,14 выше, чем в СБЗ4,26.

3)   Была разработана нелинейная модель для прогнозирования изменения температуры очагов перегрева, вызванных грибками, в массе кукурузы с учетом времени хранения, температуры, относительной влажности и концентрации CO₂ в очагах перегрева. Максимальная температура, вызванная ростом грибков в СБЗ4,26 и СБЗ6,14, составила 37,47 °C и 38,81 °C, а доля образовавшихся зон с высокой температурой составила 64,2% и 62,3% соответственно.

Следующую вспомогательную информацию можно загрузить по адресу: https://www.mdpi.com/article/10.3390/agriculture15030338/s1. Рисунок S1. Скорость изменения температуры локальных измерительных точек в течение 20 дней хранения; Рисунок S2. Различия в концентрации газа в местах расположения очагов перегрева.

1.    Muthuvel, D.; Sivakumar, B.; Mahesha, A. Future global concurrent droughts and their effects on maize yield. Sci. Total Environ. 2022, 855, 158860. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

2.    National Bureau of Statistics. China Statistical Yearbook; China Statistics Press: Beijing, China, 2024. Available online: https://www.stats.gov.cn/sj/ndsj/2024/indexch.htm (accessed on 15 December 2024).

3.    Qi, Z.H.; Tian, L.; Zhang, H.Y.; Lei, Y.Q.; Tang, F. Fungal community analysis of hot spots in bulk maize under different storage conditions. LWT—Food Sci. Technol. 2023, 182, 114819. [Google Scholar] [CrossRef]

4.    Liu, D.T.; Liu, Z.T.; Liu, S.D.; Feng, T. Coupling drying of wet and heat field of corn pile based on porous medium model. J. Food Process Eng. 2024, 47, e14645. [Google Scholar] [CrossRef]

5.    Ge, M.M.; Chen, G.X.; Liu, W.L.; Liu, C.S.; Zheng, D.Q. Study on the pore structure characteristics of maize grain piles and their effects on air flow distribution. Comput. Electron. Agric. 2024, 224, 109136. [Google Scholar] [CrossRef]

6.    Wang, X.M.; Xie, Q.Z.; Shi, J.F.; Zhou, X.Q. Cloud image analysis of temperature changes during bulk corn microbiological heating. Int. J. Food Prop. 2021, 24, 1777–1789. [Google Scholar] [CrossRef]

7.    Valle, F.J.M.; Castellari, C.; Yommi, A.; Pereyra, M.A.; Bartosik, R. Evolution of grain microbiota during hermetic storage of corn (Zea mays L.). J. Stored Prod. Res. 2021, 92, 101788. [Google Scholar] [CrossRef]

8.    Bilhalva, N.D.; Coradi, P.C.; Biduski, B.; Mallmann, C.A.; Anschau, K.F.; Müller, E.I. Early detection of quality alterations in corn grains stored in vertical prototype silos using real-time monitoring of carbon dioxide and equilibrium moisture content. Food Bioprod. Process. 2023, 140, 242–258. [Google Scholar] [CrossRef]

9.    Liu, C.S.; Chen, G.X.; Zhou, Y.; Yue, L.F.; Liu, W.L. Investigation on compression and mildew of mixed and separated maize. Food Sci. Nutr. 2023, 11, 2118–2129. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

10. Liu, C.S.; Zhou, Y.; Chen, G.X.; Zheng, D.Q.; Yue, L.F. Compression and fungal heat production in maize bulk considering kernel breakage. Appl. Sci. 2022, 12, 4870. [Google Scholar] [CrossRef]

11. Ziegler, V.; Paraginski, R.T.; Ferreira, C.D. Grain storage systems and effects of moisture, temperature and time on grain quality-A review. J. Stored Prod. Res. 2021, 91, 101770. [Google Scholar] [CrossRef]

12. Mohapatra, D.; Kumar, S.; Kotwaliwale, N.; Singh, K.K. Critical factors responsible for fungi growth in stored food grains and non-Chemical approaches for their control. Ind. Crops Prod. 2017, 108, 162–182. [Google Scholar] [CrossRef]

13. Jian, F.J. A review of distribution and segregation mechanisms of dockage and foreign materials in on-farm grain silos for central spout loading. KONA Powder Part. J. 2022, 39, 100–109. [Google Scholar] [CrossRef]

14. Nourmohamadi-Moghadami, A.; Zare, D.; Singh, C.B.; Stroshine, R.L. Filling of a grain silo. part 1: Investigation of fine material distribution in a small scale centre-filled silo. Biosyst. Eng. 2020, 191, 145–156. [Google Scholar] [CrossRef]

15. Wu, Z.D.; Zhang, Q.; Yin, J.; Wang, X.M.; Zhang, Z.J.; Wu, W.F.; Li, F.J. Interactions of mutiple biological fields in stored grain ecosystems. Sci. Rep. 2020, 10, 9302. [Google Scholar] [CrossRef]

16. Dubal, I.T.; Coradi, P.C.; Bilhalva, N.D.; Biduski, B.M.; Lutz, E.; Mallmann, C.A.; Anschau, K.F.; Flores, E.M. Monitoring of carbon dioxide and equilibrium moisture content for early detection of physicochemical and morphological changes in soybeans stored in vertical silos. Food Chem. 2024, 436, 137721. [Google Scholar] [CrossRef]

17. Li, H.B.; Kang, X.F.; Wang, S.; Mo, H.Z.; Xu, D.; Zhou, W.; Hu, L.B. Early detection and monitoring for Aspergillus flavus contamination in maize kernels. Food Control 2021, 121, 107636. [Google Scholar] [CrossRef]

18. GB/T 5494-2019; Inspection of Grain and Oils—Determination of Foreign Matter and Unsound Kernels of Grain and Oilseeds. State Administration for Market Regulation: Beijing, China, 2019.

19. Suleiman, R.; Bern, C.J.; Brumm, T.J.; Rosentrater, K.A. Impact of moisture content and maize weevils on maize quality during hermetic and non-hermetic storage. J. Stored Prod. Res. 2018, 78, 1–10. [Google Scholar] [CrossRef]

20. ASAE S352.2 APR1988 (R2017); Moisture Measurement–Unground Grain and Seeds. ASAE: St. Joseph, MI, USA, 2017.

21. GB/T 5494-2008; Inspection of Grain and Oil-Determination of Relatively Density of Grain and Oilseeds. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China: Beijing, China, 2008.

22. LS/T6132-2018; Inspection of Grain and Oils–Storage Fungal Examination–Enumeration Spores of Fungi. State Administration of Grain: Beijing, China, 2018.

23. dos Santos, S.B.D.; Martins, M.A.; Faroni, L.R.D.A.; Brito Junior, V.R.D. Dry matter loss in corn kernels stored in airtight bags. Rev. Cienc. Agron. 2012, 43, 674–682. [Google Scholar] [CrossRef]

24. Lopes, D.C.; Martins, J.H.; Castro Melo, E.; Barros Monteiro, P.M. Aeration simulation of stored grain under variable air ambient conditions. Postharvest Biol. Technol. 2006, 42, 115–120. [Google Scholar] [CrossRef]

25. Schaarschmidt, S.; Fauhl-Hassek, C. The fate of mycotoxins during the primary food processing of maize. Food Control 2021, 121, 107651. [Google Scholar] [CrossRef]

26. Coradi, P.C.; Maier, D.E.; Channaiah, L.H.; Campabadal, C. Effects of the processing on the distribution of aflatoxin and fumonisin levels in corn fractions and feeds. J. Food Process Eng. 2016, 39, 215–225. [Google Scholar] [CrossRef]

27. Hussain, N.; Sun, D.W.; Pu, H.B. Classical and emerging non-destructive technologies for safety and quality evaluation of cereals: A review of recent applications. Trends Food Sci. Technol. 2019, 91, 598–608. [Google Scholar] [CrossRef]

28. GB 1353-2018; Maize. State Administration for Market Regulation: Beijing, China, 2018.

29. Pohndorf, R.S.; da Rocha, J.C.; Lindemann, I.; Peres, W.B.; de Oliveira, M.P.; Elias, M.C. Physical properties and effective thermal diffusivity of soybean grains as a function of moisture content and broken kernels. J. Food Process Eng. 2017, 41, e12626. [Google Scholar] [CrossRef]

30. Panigrahi, S.S.; Singh, C.B.; Fielke, J.; Zare, D. Modeling of heat and mass transfer within the grain storage ecosystem using numerical methods: A review. Dry. Technol. 2020, 38, 1677–1697. [Google Scholar] [CrossRef]

31. Magan, N.; Aldred, D. Post-harvest control strategies: Minimizing mycotoxins in the food chain. Int. J. Food Microbiol. 2007, 119, 131–139. [Google Scholar] [CrossRef]

32. Weinberg, Z.G.; Yan, Y.; Chen, Y.; Finkelman, S.; Ashbell, G.; Navarro, S. The effect of moisture level on high-moisture maize (Zea mays L.) under hermetic storage conditions—In vitro studies. J. Stored Prod. Res. 2008, 44, 136–144. [Google Scholar] [CrossRef]

33. Walters, C.; Hill, L.M.; Wheeler, L.J. Dying while dry: Kinetics and mechanisms of deterioration in desiccated organisms. Integr. Comp. Biol. 2005, 45, 751–758. [Google Scholar] [CrossRef]

Liu C, Chen G, Zheng D, Yin J, Cui C, Lu H. Analysis of Heat and Moisture Transfer and Fungi-Induced Hot Spots in Maize Bulk with Different Broken Kernel Contents. Agriculture. 2025; 15(3):338. https://doi.org/10.3390/agriculture15030338

Перевод статьи «Analysis of Heat and Moisture Transfer and Fungi-Induced Hot Spots in Maize Bulk with Different Broken Kernel Contents» авторов Liu C, Chen G, Zheng D, Yin J, Cui C, Lu H., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: freepik