摘要：

儲存的谷物是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，其中非生物和生物因素以及周圍環(huán)境之間存在復雜的多場互動。清楚地了解這些相互作用對于確保糧食存儲安全至關重要。本研究開發(fā)了一個基于低場核磁共振（LF-NMR）技術的圖形檢測系統(tǒng)，它由一個LF-NMR成像分析儀、一個小顆粒容器和專用軟件組成。這個系統(tǒng)可以同時檢測存儲谷物樣品的溫度、濕度等，并通過專用軟件直觀地展示這些云圖。為了驗證系統(tǒng)的性能，我們用水稻樣品進行了兩次15天的實驗室儲存實驗。結果表明，測量的云圖可以準確地描述儲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)和水分凝結的潛在風險的區(qū)域，這表明了該系統(tǒng)的可靠性能。這個系統(tǒng)可以提供一種新的技術手段來揭示谷物儲存生態(tài)系統(tǒng)中復雜的耦合關系。

研究背景：

糧食安全對促進經濟增長、改善民生、維護社會穩(wěn)定和保障國家安全至關重要。儲存是糧食消費和加工前不可或缺的階段，儲糧可被視為一個儲糧生態(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雜相互作用顯著影響儲糧生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可能導致糧食質量和數量的重大損失。因此，系統(tǒng)監(jiān)測這些場并進一步研究由相互作用引起的非線性現象（如真菌生長、水分凝結和谷物發(fā)芽）背后的潛在機制，對確保糧食安全至關重要。目前研究儲糧堆中水分場的方法依賴于人工采樣、水分傳感器和數值模型，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，也有研究報道使用射頻、微波和近紅外光譜來提高水分傳感器的準確性和穩(wěn)定性，但迄今為止，還沒有基于低場核磁共振（LF-NMR）技術同時檢測儲糧溫度、水分和濕度的系統(tǒng)或設備。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)，以探索儲存谷物內部的多場相互作用；（2）設計系統(tǒng)的結構，并開發(fā)其數據采集和圖像生成軟件；（3）通過使用稻谷樣品進行兩次小規(guī)模儲存實驗，評估該系統(tǒng)的可行性。

實驗材料與方法：

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：MesoMR12-060H-I，由永磁體（場強0.35T）、探頭線圈、探頭支架、兩個控制柜和顯示器組成。探頭線圈是數據采集的關鍵部件，直徑150mm，穿透深度120mm，可通過調整成像參數測量置于線圈內谷物樣品不同橫截面的質子密度數據。

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 成像分析儀數據的準確性。容器主體直徑 148mm、高 184mm、壁厚 4mm。

圖1 核磁系統(tǒng)與谷物容器外觀結構

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

圖2 數據采集和圖像創(chuàng)建軟件的界面

存儲實驗：

為評估圖形檢測系統(tǒng)監(jiān)測儲糧溫度、水分和濕度場的可行性，使用水稻設計了兩個小型儲存實驗，每個實驗持續(xù) 15 天，期間每 24 小時收集一次溫度數據和質子密度數據。

實驗1：熱點和高水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)域為圓柱形，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)域的中心放置一個尺寸為12mm×8mm×3mm的恒溫加熱器，以產生局部熱點，加熱器的額定功率和溫度分別為4W和50℃，實測表面溫度約為40℃，除收集質子密度數據的時間外，實驗期間加熱器持續(xù)處于加熱狀態(tài)。

實驗2：僅熱點：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，其他操作與實驗1相同。

實驗結果與分析：

實驗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天中心溫度達到28.8℃，內壁附近為15.6℃。在溫度梯度的驅動下，熱量向外擴散，在樣品上部形成局部高溫區(qū)域。儲存初期，該區(qū)域的大小和中心溫度隨時間逐漸增加，第0天至第7天，面積從0cm2 擴展到50.96cm2，中心溫度從16.8℃升至32.7℃；后期面積和中心溫度隨時間下降，第14天分別降至33.42cm2 和30.2℃。這可能是因為初始階段水稻的高水分賦予其良好的熱特性（比熱容和熱導率），增強了儲熱和傳熱能力，導致熱量積累和高溫區(qū)域擴張，而隨著水稻逐漸干燥失水，情況逆轉，此外，谷物容器內的微氣流通過傳熱也有助于減小高溫區(qū)域。

圖3實驗1中V2部分在不同儲存天數內的溫度變化

水分場變化：

圖4展示了混合樣品V2截面在不同儲存時間的水分遷移情況。可以觀察到，樣品裝入后，中心出現了一個明顯的高水分區(qū)域，其面積為37.07 cm2，最大含水率（濕基）達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），這使得整個截面的水分暫時呈現均勻分布狀態(tài)。第6天，左上和右上截面出現了兩個新的高水分區(qū)域，而中心區(qū)域已完全消失。這兩個新區(qū)域的最大含水率達到39.0%（濕基），比初始狀態(tài)高出6%。這種現象可能是由攜帶水蒸氣的微氣流向上移動引起的。當微氣流遇到較冷的上部空氣層和容器壁時，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，這兩個區(qū)域的總面積已增長至15.40 cm2，最大含水率達到40.2%（濕基），這表明可能已有自由水沉積。

圖4 實驗1中V2部分在不同儲存天數內的濕度變化

濕度場變化：

圖5展示了混合樣品V2截面在不同儲存時間的濕度擴散情況。初始狀態(tài)下，中心截面的大部分區(qū)域被一個面積為49.20cm2、最大相對濕度（RH）達100% 的高濕度區(qū)域占據。隨著高溫區(qū)域溫度的升高，高濕度區(qū)域內的RH開始下降以維持熱力學平衡。與此同時，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，水蒸氣向外擴散，從而提高了整個截面的RH水平。到第5天，高濕度區(qū)域擴展到最大面積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，導致這些區(qū)域的RH升高，最終在截面兩側形成兩條狹窄的高濕度帶。儲存結束時，高濕度區(qū)域的面積縮小至79.33 cm2。

圖5 實驗1中V2部分在不同儲存天數內的濕度變化

本研究提出了首個基于低場核磁共振（LF-NMR）的圖形檢測系統(tǒng)，用于探究儲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，溫度充當驅動力，促使水分蒸發(fā)并引發(fā)微氣流；微氣流作為載體，協(xié)助水蒸氣擴散和水分遷移，進而影響溫度分布。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，盡管整個儲存期間中心區(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

[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.