储粮害虫检测方法研究进展

吕建华 黄宗文 王殿轩 白春启

(河南工业大学粮油食品学院粮食储藏与安全教育部工程研究中心，郑州 450001)

民以食为天，食以粮为先。粮食是食品加工的重要原料，储粮安全是食品安全的重要保障。特别是随着世界人口迅速增加，预计到2050年将达到91亿以上，食品安全问题尤为突出[1]。粮食在储藏过程中时常会因害虫为害造成严重损失[2]。由储粮害虫为害引起的全球粮食损失每年约为10%～40%[3]。储粮中的害虫一般来源于原粮收获时从田间携带的害虫及原来粮仓中残留的害虫，或者粮食储运过程中外部侵入的害虫。储藏害虫会引起粮食发热、霉变、品质下降，降低粮食的食用品质和营养价值[4]。

我国是一个人口大国，党和政府一直高度重视粮食安全问题。我国现行的保粮方针是“以防为主，综合防治”。及时对储粮害虫检测是进行害虫防治的前提，是科学高效实施害虫综合治理的重要组成部分。研究开发高效、灵敏、准确、便捷的储粮虫害检测技术和方法是目前储粮害虫综合治理的研究热点。本文对目前国内外储粮害虫检测方法进行综述，以期为今后对储粮害虫发生的预测预报研究与应用、确保粮食安全储藏有所裨益。

1 储粮害虫检测方法

目前国内外储粮害虫检测方法有直观检查法、取样检查法、诱集检查法、电子检查法等。

1.1 直观检查法

直观检查法是通过肉眼来检查害虫发生情况，这是一种直观简便、应用较广，但主观性较强的方法，常用于现场初步查看害虫发生情况[5]。在自然条件下，可在现场通过肉眼观察粮堆表面是否有害虫活动痕迹，有无虫蚀粮粒，有无蛾类成虫飞翔，有无害虫天敌存在等检查害虫。直观检查因不易精确判定害虫种类和密度，同时无法检测虫卵及粮粒内部隐藏的害虫，因此常作为辅助检查。

1.2 取样检查法

取样检查法是通过扦取一定量的粮食样品，检查其中害虫种类及密度，来判断整个粮堆内害虫发生情况，这是目前我国粮食仓储行业常规的害虫检测方法。在取样过程中，害虫完全处于被动状态，连同粮粒被取出。常采用筛选法检查粮粒外部的害虫；对于包装粮、空仓或加工厂害虫，通常还会借助感官检查、室内培养等方法进一步检测害虫发生情况[6]。对于隐蔽性害虫，还需要进一步采用剖粒法、染色法、比重法、尿酸法、分子生物学方法、特征性挥发性化合物检测法等检测。

1.2.1 剖粒法

采用分样器从扦取的粮食样品中获取少量实验样品，其中大豆、玉米等大粒粮食可取10 g，小麦、稻谷等小粒粮食取5 g即可。然后用刀片将粮粒剖开，逐粒检查是否存在害虫，计算每千克粮食内害虫的数量[7]。周显青等[8]采用剖粒法对小麦的害虫感染情况进行测定。

1.2.2 染色法

在被感染的小麦粉中，虫卵因直径小，易黏附小麦粉颗粒，很难用肉眼分辨。根据美国谷物化学家协会(American Association of Cereal Chemists，AACC)(2000)方法，先将含虫卵小麦粉使用80～100目筛进行筛分，再将小麦粉残渣用硫酸消化。随后，用0.1 mol/L碘溶液染色，虫卵被染成黄色。Leelaja等[9]用酸性品红(0.05%)、龙胆紫和黄连素硫酸盐 (20 mg/kg)对小麦粉中的害虫卵进行染色检测。不同染色剂对虫卵的染色效果存在差异，从检测率和被染小麦粉以及虫卵颜色对比效果方面考虑，1∶1溴甲酚绿橙黄G混合液的染色效果最好，其次是溴甲酚绿、酸性品红，最后是碘液。

1.2.3 比重法

由于虫蚀粮粒与正常粮粒的比重不同，将样品浸入特定的浮选液中，充分搅拌10～15 min，静止1～2 min后使其分离，虫蚀粮粒会浮于溶液表面，从而将其区分出来[10]。检查小麦、稻谷、玉米等禾谷类粮食可用比重1∶2的氯化钠溶液或2%的硝酸铁溶液处理；检查豆类粮食可用18.8%或饱和氯化钠溶液。李光涛等[11]研究发现随着浮选液相对密度的增加，害虫被检出的几率增加，浮选获得的小麦含虫率逐渐下降。

1.2.4 生化检测法

生化检测法是根据储粮害虫的特征性代谢产物的有无及含量多少进行检测。目前常用的生化检测法有尿酸检测法和免疫化学分析法。

尿酸作为害虫氮代谢最终产物，几乎都不溶于水，排泄时较少伴随水的流失[12]。测定小麦粉中尿酸含量可间接检测整个储藏期的虫害及其发生程度。现已开发了多种测定尿酸水平的方法：纸色谱、荧光法、比色法、气液色谱法、高效液相色谱法和酶法。袁园等[13]利用高效液相色谱法检测小麦粉中尿酸的最低检测限为1.48 μg/g，检测准确率为83.00%～99.60%。刘凤杰等[14]研究表明尿酸浓度与小麦粉中虫卵数成正相关, 最低检出限为0.1粒卵/g小麦粉。

免疫化学分析法主要通过检测害虫特定的代谢产物确定害虫是否发生。其中最常用的方法是酶联免疫法(Enzyme linked immunosorbent assay, ELISA)，主要依据生物的抗原抗体特异反应对害虫进行检测。目前已有相关的商业化检测试剂盒。该方法可以检测到50 g粮食样品中1头谷象成虫[15,16]。

1.2.5 分子生物学方法

近年来，分子生物学方法伴随分子生物学技术的快速发展逐步应用到储粮害虫检测领域，并因其简单、快速和可靠的特点在食品检测中的应用越来越重要[17]。实时荧光定量PCR (Real-time polymerase chain reaction, PCR)是一种被认可的检测食品中转基因生物成分的方法[18]。Sola等[19]将现有的多重PCR技术与用于检测特定害虫的qPCR协议相结合，提供了一个更好的储粮害虫检测方案。Mireia等[20]采用多重PCR方法检测和鉴定了谷蠹、谷象、米象、玉米象、麦蛾的所有虫态(从卵到成虫)，灵敏度高。鲁玉杰等[21]研究表明，DNA分子指纹图谱法可有效检测出小麦粉样品中害虫的通用引物及其PCR扩增条件，可预测害虫感染程度。

1.2.6 特征性挥发性化合物检测法

近年来，固相微萃取技术(SPME)与气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)已被应用于检测储藏谷物中昆虫的挥发性化合物及储粮挥发性有机物的分离和鉴定[22，23]。SPME顶空萃取技术富集来自样品中的挥发性化合物，然后通过气相色谱-质谱法(GC-MS)进行分离、鉴定。SPME方法的效率和灵敏度取决于提取时间和温度。高温和长提取时间有利于收集更多的分析物[24]。Abuelnnor等[25]通过将SPME与气相色谱-质谱联用，分别从感染赤拟谷盗和谷象的小麦粉和小麦粒中鉴定出不同的挥发性化合物。在赤拟谷盗成虫和经成虫及其感染的小麦粉挥发物中都检测到了1-戊二烯和16-己烷。赤拟谷盗幼虫和成虫分泌不同的挥发物，这些挥发物对虫害的早期监测具有指导性意义。Senthilkumar 等[26]研究发现1-十三烯和2-乙基-2,5-环己二烯-1,4-二酮可有效用于检测小麦粉中赤拟谷盗的感染。Wathukan等[27]研究表明，SPME-GC-MS法对赤拟谷盗和谷蠹的检测效果较好。Niu等[28]利用SPME-GC-MS法建立了小麦储藏期与籽粒品质、籽粒品质与虫害的关系。张玉荣等[29]采用SPME-GC-MS法研究了小麦被蛀食性害虫侵害过程中其挥发性物质的变化。

已有研究表明，储粮环境中CO2的浓度与害虫的发生呈现显著正相关性，通过检测储粮环境中CO2浓度变化预测害虫发生具有较强的可行性[30-32]。目前这方面有国家十三五重点研发计划专项正在研究，其成果将应用于生产实践中的储粮害虫监测。

1.2.7 伯尔尼漏斗法

该方法利用一只60 W白炽灯对伯尔尼漏斗(Berlese funnel)中1 kg的粮食样品加热5～6 h，样品中的害虫受热后逃至漏斗下方的收集瓶。这种方法的检出率为60%～70%，在加拿大是一种重要的储粮害虫检测方法[33]。后来又通过使用微波加热辅助等方式提高检出率，缩短检测时间至30 min左右[34]。

1.2.8 电导率法

该方法利用一个实验室辊磨机将1 kg的粮食样品磨碎，测其电导率变化。该方法仅需1 min左右，害虫检出率达到70%以上[35’ 36]。目前该方法已开发有自动的、基于单个粮粒的内部害虫检测仪器[37]。

1.3 诱集检查法

诱集技术是利用储粮害虫自身的视觉、嗅觉等生理特征或生活习性，将其诱集到一个小范围内进行检测，可分为习性诱集和诱捕器诱集。一般使用昆虫信息素(通常为聚集信息素或性信息素)或食物引诱剂与诱捕器相结合对粮仓害虫进行监测，根据诱捕害虫数量预测害虫的发生期及危害程度等。Cox[38]报道食物引诱剂结合气味提取物能加强对鞘翅目昆虫的诱捕效果。Hodges等[39]研究发现新鲜粮食的挥发物与玉米象的信息素相结合可显著提高诱捕率。Collins等[40]研究表明诱捕器在6周内能稳定地释放引诱剂挥发物，对锯谷盗、谷象和锈赤扁谷盗产生显著的吸引力。

诱集检查法在检测虫害时比取样检测更敏感，但诱捕器在温度较低时诱捕量较低，且不能检测不活动的虫态及粮粒内部害虫。在低于15 ℃时，大多数昆虫不能爬行，在低于25 ℃时，大多数昆虫不能飞行。根据放置部位及诱捕方式的不同，诱捕器也具有多种类型。

1.3.1 管状诱捕器

用筛网或粗糙的纸缠绕在指形管外壁，将其垂直插入粮堆，使开口的一端与粮面平齐和留1/3在粮面，害虫沿指形管外壁上爬掉入管内被捕获。管状诱捕器可检测赤拟谷盗和米象等害虫[41]。

1.3.2 探管诱捕器

探管诱捕器又称陷阱诱捕器，害虫通过探管管壁上部孔洞落入诱捕器无法逃脱。使用时通过探管诱捕器底部尖头插入粮堆，定期将诱捕器从粮堆中取出检查确定捕获害虫的种类和数量。探管诱捕器可用于检测玉米象、杂拟谷盗、谷蠹、锈赤扁谷盗等鞘翅目害虫和书虱类害虫[42]。近年来，将探管诱捕器与其他技术相结合可显著提高实用性能，比如将负压取样装置与探管诱捕器联合使用可实现在仓外提取诱捕到的害虫，将光电计数器置于探管诱捕器内可实现对诱捕害虫自动计数，将高清晰摄像装置置于探管诱捕器内可实现对害虫的自动图像识别。

1.3.3 瓦楞纸诱捕器

由一张0.5 cm厚的瓦棱皱纹纸折叠成一个双层或四层的方块，底层有一圆孔，中间的夹层有星状孔，可容纳集虫杯和诱饵，一般在粮面使用[43]。该种诱捕器已经商业化应用。

1.3.4 黏胶诱捕器

采用黏性材料与信息素或引诱剂结合使用的一类由硬卡纸制成的诱捕器，多为筒状，内表面涂布黏胶，侧口开放，使害虫进入，截面呈菱形、三角形、翼形、拱形等。日本FUJI FLAVOR公司生产的弧形黏胶诱捕器，根据引诱剂的不同可诱捕烟草甲、印度谷螟、烟草螟、粉斑螟和地中海螟等成虫[44]。类似的诱捕器在美国(如TRECE公司)及德国等国家都有生产及应用。

1.3.5 灯光诱捕器

害虫对光谱有较强的选择性，利用害虫对一定波长光线的趋性进行诱集，通常与风扇结合使用会提高吸入害虫效果。尽管不同害虫对可见光谱和不可见光谱的特定部分有独特的响应[45]，但是大多数依赖光吸引昆虫的陷阱使用的是荧光灯或发出紫外线波长的灯。诱虫灯包括特定波长的光源、吸风通道、集虫袋等。谷蠹和米象分别对绿色光和蓝色光选择性较高，赤拟谷盗的光敏感区集中在紫外和紫光区域。大量昆虫能被多种波长的光吸引。

1.4 电子检查法

电子检测法是利用电子技术检测储粮害虫的方法。根据检测原理不同分为声测法、近红外检测法、图像识别法和电子鼻检测法。

1.4.1 声测法

利用声音信号转变成电信号，通过电子过滤器把害虫的发声频率和环境噪音分开，也可通过放大和过滤隐藏在粮粒内害虫的运动和进食声音来估计储粮害虫种类和密度。Pearson等[46]通过监测害虫取食声音，在虫害发生初期对粮粒内部和外部害虫的检测中达到了预期结果。使用声测法检测谷物中的害虫，需定量了解影响声音产生和害虫分布的物理及生物因素。物理因素包括声源强度、持续时间和光谱特征、到接收器的距离、接收器的光谱灵敏度[47]和背景噪声等[48]。生物学因素包括不利的环境、害虫行为和害虫活跃度等。Hagstrum等[49]比较了1 kg小麦样品中5种成虫的声学检测结果，发现不同种类害虫的声音信号之间存在较大差异。Eliopoulos等[50]采用压电传感器和便携式声发射放大器评价检测谷粒中存在成虫的可能性，建立了害虫密度与声音之间的线性模型。Senlin等[51]研究表明可用随机声源模型有效检测储粮害虫蠕动声，区分粮食中不同类型的昆虫。

1.4.2 近红外检测法

近红外光谱技术(Near infrared spectroscopy, NIR)是一种高效快速的现代分析技术，近年来也被用于储粮害虫检测。近红外仪器的波长范围通常分为700～1 100 nm的短波谱区和1 100～2 500 nm的长波谱区，当光源投向被检测样品时，会在样品表面和内部发生漫反射，根据样品中不同物质的反射特性提供的信息，可用于定性和定量分析。近红外光谱已被用于许多谷物的质量评价[52]，包括检测粮食样品中的害虫及害虫碎片[53’ 54]。Perez等[55]利用快速近红外光谱方法检测小麦粉中昆虫碎片的可能性，结果表明碎片计数与样品中碎片实际数量显著相关。Mendoza等[56]研究表明，与浮选法相比，近红外光谱检测精度较低，但快速、无损，且不需要大量的样品制备，若需预先筛选样品，可结合使用标准浮选法。Singh等[57]用近红外高光谱成像系统对加拿大西部5个生长地点的健康小麦和被虫蛀的小麦籽粒进行了扫描成像，准确率为95.3%～99.3%。

1.4.3 图像识别法

随着图像数字技术及机器深度学习的快速发展，图像作为更直接更丰富的信息载体已被用于储粮害虫检测。利用图像处理技术识别昆虫种类的方法有X射线成像和热成像等。X射线成像技术利用非接触式传感器对样本进行检测，同时提供了可观的信息[58]。检测时将样品放置在样品台上，在设定的电位和电流下对样品进行X射线照射3～5 s，将获取的样品信息转化为图像信息展示在成像系统中。波长长的X射线能量较低，称为软X射线。软X射线成像是一种快速、无损、直接的方法，用于检测储粮中的隐蔽性害虫。Karunakaran 等[59]用软X射线法对米象和谷蠹幼虫不同时期侵染的小麦籽粒进行了鉴定，准确率达98%以上。Vellaichamy等[60]利用软X射线和近红外高光谱成像技术获取了四纹豆象侵染和未侵染的大豆籽粒图像，提高了卵和幼虫期的分类精度。热成像是一种夜视技术，通过检测物体发出的红外辐射能量并将其转化为可见图像，从而提高物体在黑暗环境中的可见性。在热成像技术中，人眼看不见的储粮害虫的温度辐射被转换成可见的二维图像。储粮害虫放射出的辐射量随温度升高而增加。因此，通过热成像可观察到温度的变化。Chelladurai等[61]研究了利用红外热成像系统对储藏小麦真菌感染进行识别的可行性，对感染样品的判断准确率超过96%。Kaliramesh等[62]利用热成像技术对感染四纹豆象的毛豆进行了研究，采用QDA模型和LDA模型的分类准确率分别为75.45%～91%和55.24%～77.84%。相比荧光和高光谱成像，热成像技术在降低成本和确定材料性能方面更具有潜在优势。安装高清晰摄像装置对储粮环境中的害虫发生进行监测也是一种害虫检测方法，现已在储粮实践中应用。

表1 储粮害虫各种检测方法的优缺点

1.4.4 电子鼻检测法

电子鼻检测法建立在一定的数据信息库基础上，利用多种传感器对气体的交叉敏感性识别不同的气味，将得到的信息转化为直观的物理信号，对比信息库中的数据进行筛选、分析。电子鼻设备由三部分组成：气味传感器、数据预处理和数据分析系统。近年来，电子鼻作为一种快速、无损的气味检测手段已广泛用于粮食品质、虫害、霉变等检测。沈飞等[63]利用电子鼻对受黄曲霉毒素侵染的糙米样品的挥发性物质进行了检测分析，其中偏最小二乘-判别分析(PLS-DA)法对黄曲霉毒素B1的预测精度最高，预测相关系数为0.808。Ridgway等[64]用电子鼻检测感染螨类害虫的小麦样本，证明了该方法的可行性。Zhang 等[65]研究表明，电子鼻检测法能较好地识别不同虫龄、不同为害程度的小麦。随着新型传感技术、信号处理算法等的快速发展，电子鼻的功能将会更加强大，在粮食检测中的应用会更广泛。

2 展望

现有各种储粮害虫检测方法各有其优缺点。直观检查法、取样检查法作为常用基础检测手段，应用于日常储粮管理中对所有害虫进行检测。剖粒法、染色法、近红外光谱、图像识别法、尿酸法、免疫化学分析法、分子生物学方法、特征性挥发性化合物检测法等更适用于对于隐蔽性储粮害虫检测。当前储粮害虫检测方法趋向于快速、无损、简便、准确、高效。图像识别法和特征性挥发性化合物检测法等符合这种发展趋势，这方面的研究也越来越多，尤其是近年来国家自然基金、国家科技研发计划等国家级项目对此支持不断增加。今后随着物联网、大数据等信息技术的快速发展，这类检测方法逐渐向自动化、信息化、智能化方向发展。在我国未来的储粮害虫检测技术发展中，以常规的取样检测法为基础，将诱集检测法、声测法、光谱法、图像识别法、特征性挥发性化合物检测法等检测手段有机结合，建立全国范围的储粮害虫信息监控平台，通过数字信息化实现对储粮害虫发生情况的自动化检测、预警、控制，为储粮害虫综合防治提供科学、可靠的决策性依据，为储粮安全和食品安全提供可靠的技术参考。