干燥剂介导的水分调控用于小麦可持续储藏：对籽粒品质、害虫抑制及终端使用品质的影响

《Food and Energy Security》：Desiccant-Mediated Moisture Regulation for Sustainable Wheat Storage: Impacts on Grain Quality, Pest Suppression, and End-Use Quality

　　

利用干燥剂的谷物干燥技术是现有干燥实践的有效替代方案，其在维持能源效率的同时可提升种子品质。本研究评估了五种干燥剂，即沸石、硅胶、氯化钙（CaCl₂）、五氧化二磷（P₂O₅）和硅藻土（DE），在受控条件下对小麦籽粒长期储藏的效果。结果表明，在所有测试参数上，P₂O₅始终优于对照。例如，P₂O₅在储藏四个月后将籽粒含水量（MC）从15.0%有效降低至10.89%，从而限制了籽粒损伤（5.77%）、重量损失（1.76%）并提高了发芽率（92.67%）（p ≤ 0.01）。此外，P₂O₅处理中记录的谷蠹（Rhyzopertha dominica）成虫种群（13.50）和赤拟谷盗（Tribolium castaneum）成虫种群（11.25）低于所有其他处理（p ≤ 0.01）。另一方面，P₂O₅有效维持了近似成分，蛋白质（13.15%–13.06%）、脂肪（1.70%–1.68%）和淀粉含量（67.40%–66.52%）仅略有下降，灰分（1.54%–1.59%）和纤维（2.20%–2.26%）略有增加（p ≤ 0.01）。此外，对P₂O₅处理籽粒所得面粉的流变学分析显示其功能特性得到改善，包括较低的吸水能力（56.22%）、较长的面团形成时间和稳定时间（分别为5.13和7.55 min）（p ≤ 0.01）。由这些面粉制备的薄饼（chapati）的质地剖面分析（TPA）进一步表明其具有更优的质构属性，硬度（330.25 g）、咀嚼性（228.00 g）和韧性（449.25 N.mm）降低，同时内聚性（0.71）、弹性（0.89）和回复性（0.56）增强（p ≤ 0.01）。总体而言，这些发现表明干燥剂处理，尤其是P₂O₅，在保持籽粒品质、增强面粉功能特性以及生产具有改善质构和更高消费者可接受性的薄饼方面高度有效。鉴于这些结果，基于干燥剂的储藏方法可能为熏蒸和合成杀虫剂提供有前景的替代方案，并可有效纳入综合治理（IPM）计划以实现小麦的可持续储藏和害虫管理。

**研究背景与问题**

粮食安全在经济稳定与发展中发挥关键作用。小麦（Triticum aestivum L.）是数十亿人的主食，提供碳水化合物、蛋白质、铁、锌和维生素等重要营养素。然而，储藏小麦的品质面临诸多生物与非生物挑战，发达国家年损失达10%–20%，发展中国家高达50%。收获后损失每年造成全球约13.4%的粮食产量损失，主要由储藏害虫、不良储藏条件、水分管理不当和微生物污染引起。谷蠹（Rhyzopertha dominica）和赤拟谷盗（Tribolium castaneum）是储藏小麦及其制品的极具破坏性的害虫。籽粒含水量（MC）是储藏期间维持小麦品质的关键因素，也是影响昆虫生理及其破坏能力的最重要非生物因素。高MC为害虫侵染及真菌和细菌生长提供理想条件，导致霉菌毒素产生、籽粒腐败和发芽力丧失；低MC则减缓害虫发育和微生物繁殖。传统储藏方法如泥仓、钢仓、黄麻袋和PP袋保护作用有限且缺乏有效水分调控。常规化学杀虫剂和熏蒸剂的不当使用对人类健康和环境构成严重威胁，且储藏害虫抗药性的发展降低了其有效性。密封储藏袋虽有一定效果，但水分仍可通过微小泄漏或环境波动进入。干燥剂是调节籽粒MC的吸湿性物质，可通过物理吸附或化学相互作用吸收封闭环境中的水分。然而，干燥剂效率受昆虫种类、籽粒初始MC和环境条件等因素影响。现有文献在开发环境友好、营养保留的储藏方法方面仍存在知识空白。因此，本研究旨在确定基于干燥剂的水分调控对谷蠹和赤拟谷盗种群的效果，并进一步研究干燥剂在延长储藏期间维持小麦籽粒品质的作用。

**主要技术方法**

研究人员在美国爱荷华州立大学增值生物加工实验室开展为期4个月（2025年8月1日至11月30日）的实验室试验，条件为25°C ± 2°C、65% ± 5%相对湿度（RH）和12:12 h光周期。供试小麦为硬红春麦品种SY Valda，购自美国北达科他州东部当地粮食贸易商，初始MC为16.7%。试验设五种干燥剂处理（沸石、硅胶、CaCl₂、P₂O₅、DE）和对照，共6个处理4次重复，采用完全随机设计（CRD）。根据各干燥剂吸湿能力计算用量，将干燥剂装入Tyvek袋置于玻璃罐中（DE直接拌入籽粒）。每罐释放10对一周龄谷蠹和赤拟谷盗成虫，每30天取样一次，测定籽粒MC、损伤参数、成虫密度、发芽参数、物理品质、近似成分、面粉流变学特性及薄饼质构。数据采用双因素或单因素方差分析（ANOVA），显著性水平p ≤ 0.01，并采用Tukey–Kramer HSD事后检验和Pearson相关分析。

**研究结果**

3.1 籽粒含水量（%）：处理、储藏时间及其交互作用对MC有显著影响（p < 0.01）。储藏4个月后，对照MC从15.00%升至16.06%，P₂O₅最低为10.89%，其次为CaCl₂（11.13%）。

3.2 籽粒损伤参数（%）与虫粪重量（g）：所有三个参数的主效应和交互作用均存在显著差异（p ≤ 0.01）。对照在30、60、90和120 DAS的籽粒损伤最高（4.15%、8.38%、15.95%、24.51%），P₂O₅最低（0.88%、1.85%、3.35%、5.77%）。对照重量损失从1.30%增至7.96%，P₂O₅最低（0.27%–1.76%）。对照虫粪重量最大（0.36–2.25 g），P₂O₅最小（0.07–0.45 g）。

3.3 成虫密度：对照中两种害虫种群最高，P₂O₅最低（谷蠹13.50，赤拟谷盗11.25），其次为CaCl₂。

3.4 发芽参数与种子活力指数：对照受损胚种子比例最高（19.00%），P₂O₅最低（3.50%）。对照发芽率最低（74.84%），P₂O₅最高（92.67%）。P₂O₅的发芽指数（26.88）、幼苗长度（14.60 cm）和活力指数（1352.90）均最高，对照最低。

3.5 籽粒物理品质参数：P₂O₅的L*值最高（55.40），对照最低（51.75）。P₂O₅的千粒重最高（32.63 g），对照最低（28.75 g）。P₂O₅容重最高（0.77 g mL^?1），对照最低（0.70 g mL^?1）。

3.6 近似成分（%）：储藏后对照灰分增幅最大（1.83%），P₂O₅最小（1.59%）；纤维趋势类似。对照蛋白质最低（12.13%），P₂O₅保留最高（13.06%）；对照脂肪最低（1.49%），P₂O₅最高（1.68%）；对照淀粉最低（60.60%），P₂O₅最高（66.52%）。

3.7 MC与损伤参数的相关性：MC与籽粒损伤（r = 0.78）和重量损失（r = 0.77）呈强正相关但不显著，与虫粪重量呈显著正相关（r = 0.82；p ≤ 0.045）。

3.8 面粉流变学特性：对照吸水能力最高（61.43%），P₂O₅最低（56.22%）。对照面团形成时间（3.83 min）和稳定时间（6.01 min）最短，P₂O₅最长（5.13和7.55 min）。P₂O₅持水力最高（1.71 g g^?1），对照最低（1.44 g g^?1）。

3.9 薄饼物理参数：P₂O₅膨发高度最高（5.40 cm）、重量最大（75.80 g）、直径最大（25.0 cm），对照最低（4.20 cm、71.63 g、23.0 cm）。

3.10 薄饼质构剖面分析（TPA）：对照薄饼硬度（491.25 g）、咀嚼性（352.00 g）和韧性（652.75 N.mm）最高，P₂O₅最低（330.25 g、228.00 g、449.25 N.mm）。P₂O₅的内聚性（0.71）、弹性（0.89）和回复性（0.56）最高，对照最低（0.48、0.71、0.36）。

**讨论与结论**

讨论部分指出，干燥剂通过控制MC、抑制害虫生物活性和增强籽粒物理稳定性提供多方面的保护机制。对照处理MC显著高于干燥剂处理，可能源于罐盖水分交换或储藏期间冷凝；干燥剂处理维持较低MC归因于其吸湿特性。在害虫损伤参数方面，对照籽粒损伤和重量损失较高，虫粪重量最高，与较高昆虫活动相对应，干燥剂处理则较低，排序为P₂O₅ < CaCl₂ < DE < 沸石 < 硅胶 < 对照。DE直接拌入籽粒，通过与昆虫表皮直接接触影响其活动、取食行为和后代发育，但其保护作用并非仅源于降低籽粒水分。低籽粒MC导致籽粒硬度增加，使其更不易受害虫侵染和损伤。在发芽特性方面，干燥剂处理种子发芽率高于无干燥剂处理，对照发芽率显著降低主要归因于储藏罐内高MC；种子MC每增加1%，种子寿命几乎降低50%。在成虫种群方面，对照中两种害虫种群较高，干燥剂处理显著较低，可归因于低MC使昆虫难以发育；由于两种昆虫同罐饲养，观察到的种群动态可能部分反映种间竞争和物种相互作用。相关性分析表明MC与损伤参数呈正相关，高MC为害虫增殖创造理想环境。在近似成分方面，对照纤维和灰分显著增加，蛋白质、脂肪和淀粉显著降低，主要归因于取食籽粒胚部的储藏害虫。在流变学特性方面，对照面粉吸水能力较高但持水力较低，与昆虫侵染导致的籽粒结构变化有关；干燥剂处理持水力较高且面团形成时间和稳定时间增加，表明籽粒保存良好、面团特性更优。在薄饼物理特性方面，对照薄饼膨发高度、直径和重量最低，与昆虫损伤导致的籽粒 deterioration 有关；干燥剂处理最高，表明籽粒和面粉品质得到有效保存。在薄饼TPA方面，对照薄饼硬度、咀嚼性和韧性较高而内聚性、弹性和回复性较低，归因于昆虫侵染导致的籽粒结构和面筋 deterioration；干燥剂处理则相反，暗示更好的籽粒储藏和面粉品质。这些发现对粮食安全具有重要意义，适当的水分调控可减少储藏损失同时维持品质和加工适用性。从实践角度看，干燥剂介导水分调控的可扩展性取决于成本、操作要求和安全考虑。尽管P₂O₅在降低籽粒MC和相应储藏期间劣变方面高度有效，但由于其强腐蚀潜力，其性能应被视为实验室基准而非食品储藏建议；CaCl₂、硅胶、沸石和DE相对更易操作，更适用于农场和商业储藏设施。由于干燥剂使用不同质量基准剂量，其相对功效应谨慎评估。未来研究应评估其经济可行性、可扩展性和商业规模性能。

结论部分翻译：当前研究突显了干燥剂介导的水分调控作为粮食储藏设施中传统化学品和熏蒸剂有前景替代方案的潜力。其吸湿特性不仅能调控MC，还能抑制害虫和微生物生长。基于这些特性，干燥剂可纳入IPM计划以确保小麦籽粒的安全和优质储藏。在本研究中，P₂O₅被证明是有效的实验室基准，而CaCl₂、硅胶、沸石和DE作为基于干燥剂的储藏系统更有前景进行进一步实际评估。未来研究应聚焦于开发低剂量、成本有效且长期高效的产品。其与其他粮食储藏技术的整合需要对农民和储藏管理者进行能力建设。研究还应优先评估这些干燥剂在商业粮食储藏系统中的可行性和可扩展性。经济可行性和营养分析对于此类技术的成功实施至关重要，尤其是对小农而言。建议政策制定者和利益相关者考虑使用干燥剂以增强粮食安全、减少对化学农药的依赖并确保小麦供应链中更安全的操作。