粮食储藏害虫检测方法研究进展

杨 琴 王香蓉 蒙广绪 田玉乔 陆 猛 鲁玉杰

（江苏科技大学粮食学院，江苏镇江212100）

面粉是我国主要的粮食产品，被用来制作面条、馒头等主食。由于小麦在储藏、加工及其成品面粉储藏过程中常常会被害虫污染，所以在南方防治面粉虫害已成为企业重要任务之一。

当面粉中的害虫数量达到一定程度，害虫会分泌一种苯醌的化学物质，不仅污染面粉而且还会引起人的过敏反应及疾病的发生。面粉生虫还严重影响面粉的质量和出口贸易，出口面粉的质量检测指标中最重要的一个指标就是害虫碎片的数量，即每100 g面粉中有多少害虫碎片。害虫的碎片、虫卵或幼虫的防治已经成为面粉及其制品加工和储藏的难题，而面粉中虫卵的检测方法也是最难攻克的难题之一。

在被虫卵污染的面粉中，因虫卵体积小，易粘附面粉颗粒，用肉眼很难分辨。为保证面粉的质量安全，很多人开始寻求快速高效的检测方法，用于检测害虫虫卵。文中综述了目前面粉中虫卵和害虫碎片的检测方法，并介绍粮食中幼虫的检测方法，以期为粮食企业生产与储藏提供参考。

1 面粉中虫卵的检测方法

面粉中的虫卵检测方法主要有染色法、几丁质法、尿酸法、DNA指纹图谱分析技术等。

1.1 染色法

染色法是利用大多数虫卵产出后立即被包裹在面粉等粉屑中导致其颗粒增大的现象，将面粉过80目筛，取筛上物（面粉残留物和虫卵）加稀硫酸并适当加热，去除虫卵表面的面粉颗粒，并使虫卵被加热凝固。经染色剂染色后，可在显微镜下清晰地观察到被染成不同颜色残留的面粉和凝固的虫卵。

用染色法检测面粉中的虫卵可以定性也可以定量。试验用的染色剂有溴甲酚绿、酸性品红。溴甲酚绿将虫卵染成黄橙色，面粉染成褐绿色；酸性品红将虫卵染成粉红色，面粉染成深红色。

文献[1]中利用染色法比较了不同染色剂对面粉中虫卵检测的效果。结果表明，不同的染色剂检测面粉中的虫卵数量与实际的虫卵数有一定的相关性：0.1 %溴甲酚绿染色剂的检测效果与实际虫卵数的相关性回归方程为y=0.8846x-2.4444（y为染色后检测的虫卵数/粒，x为面粉中实际的虫卵数），相关系数R2=0.9916；0.05 %酸性品红染色的检测效果与理论虫卵数的相关性回归方程为y=0.8529x-1.1919，相关系数R2=0.9897。染色法对已知害虫种类的检测有较为理想的结果，而对害虫种类不明确的虫卵检测可能会因为筛孔、虫卵大小等导致检测结果有较大偏差。染色法可以用于面粉中常见害虫虫卵的检测，但难以普及至全部害虫虫卵的检测[2，3]。

1.2 几丁质法

几丁质又称甲壳素，是由N-乙酰-D-葡萄糖胺以β-1，4糖苷键连接而成的线性多糖。几丁质是昆虫体壁的主要化学成分，约占表皮干重的30%～50%。在高温和碱性条件下，几丁质脱去乙酰胺基后形成几丁糖，而几丁糖经碘和稀酸作用后呈紫色。纯面粉中不含几丁质，经几丁糖呈色反应后不会有颜色[4]。因此，可用几丁质法对面粉中的虫卵进行定性检测。刘凤杰等[5]利用几丁质法对面粉中虫卵进行检测，发现反应物于强碱环境中高温加热会生成橘红色黏稠物质，但没有发现圆点状几丁糖薄膜，取生成物进行几丁糖呈色反应，无紫色生成，说明几丁质被消化完。

1.3 尿酸法

昆虫体内含氮代谢废物主要以尿酸的形式排出体外，储藏过程中害虫的尿酸与面粉混合[6]。若能对面粉中的尿酸含量进行测定，则可确定面粉被污染程度，从而可间接估计害虫的危害情况。目前，测定尿酸的方法主要有高效液相色谱法、尿酸酶法和磷钨酸还原法等。何向楠[1]利用磷钨酸还原法测定了虫卵中尿酸的浓度与虫卵数量的关系，虫卵中的尿酸浓度随着面粉中虫卵数量的增加而增大，相关性方程y=0.0045x+0.0086[y为吸光度，x为尿酸标准溶液的浓度（μmol/L）]，相关系数R2=0.9951。由此说明尿酸检测法可初步应用于面粉中虫卵的检测。

1.4 DNA指纹图谱分析技术

DNA（脱氧核糖核酸）是细胞染色体中的遗传基因，其分子各个片段代表各个遗传信息[8]。DNA指纹图谱具有多位点性、高变异性、简单而稳定的遗传性，因而自诞生就受到了人们的重视，具有巨大的实用价值。目前，DNA指纹图谱分析技术在昆虫领域的应用主要集中在系统演化及分类鉴定两方面[9]。鲁玉杰等[10]利用DNA分子指纹图谱技术检测面粉虫卵情况，采用一对通用物来检测面粉中3种不同的害虫虫卵。结果表明，赤拟谷盗虫卵含量最低检测限是1%，优化PCR条件后可以检测出杂拟谷盗和锯谷盗虫卵最低检测限为0.05%。由此可见，DNA指纹检测技术可以准确地判断面粉中虫卵的发生情况。

2 面粉中害虫碎片的检测方法

2.1 浮选法

面粉中的害虫碎片可用浮选法进行检测。不含害虫碎片的面粉能够被盐酸吸收消化，而含有害虫碎片的面粉则不能被盐酸吸收消化。这主要是因为昆虫表皮含有几丁质和脂质，它们不溶于水和酸，因此可加以区分。亲油物质可以通过吸引油水混合物的油相与不亲油的成分分离，油相通过滤纸分离、过滤、收集，然后用显微镜观察碎片的数量。浮选法灵敏度高、精确，但耗时长、成本高。

何向楠[1]研究了用浮选法对面粉中害虫碎片的检测，结果发现，面粉中碎片的数量与面粉中实际含有的碎片数量呈正相关，相关性方程y=0.9019x-2.5606（y为害虫碎片数，x为面粉中实际的碎片数），相关系数为R2=0.9869。理论推测浮选法对面粉中害虫碎片的检测率可达90%，说明浮选法检测面粉中害虫碎片的方法较稳定。但实际检测率大约在85%左右，尤其是当实验过程中害虫碎片数量较少时，检测率较低，这可能是由于碎片数量较少时，操作中人为误差对实验结果影响较大。

2.2 太赫兹时域光谱

太赫兹时域光谱可用来检测面粉中害虫碎片，它是将Tera Hertz（THz）脉冲与样品相互作用，再测量作用后的THz电场强度随时间的变化。将多个含有不同数量的害虫碎片面粉样本，在氮气环境中，用太赫兹时域光谱系统采集所有样本的太赫兹时域光谱，获得时域光谱数据，再计算吸收系数光谱数据，将吸收系数光谱数据代入所得的偏最小二乘回归模型，计算待测面粉中的害虫碎片数量。

3 粮食中害虫幼虫的检测方法

粮食中的虫卵，经过一段时间后成长为幼虫，由于幼虫形态特征并不明显，所以很不容易被检出。但幼虫阶段抗性低，因此又是杀灭害虫的最好阶段；如果不进行杀灭，一段时间之后幼虫就会成长为成虫，粮食更易发生蛀蚀，所以对幼虫进行检测也尤为重要。粮食中害虫幼虫的检测方法有电导法、近红外光谱法、X射线成像法、图像识别法、声测法等。

3.1 电导法

电导法是一种根据被测物体体内水分的变化来对被测物体进行相关性分析的技术。美国学者Pearson等[11]利用电导法检测单粒粮粒中米象幼虫，结果表明此方法对害虫的蛹和较大的幼虫识别效果明显。其检测的基本原理是含虫的粮粒样本的湿度要远高于完好的粮粒样本，当通过电导法对其进行检测时，湿度较高的含虫粮粒的电阻值小于完好粮粒，从而可进行区别。电导法对蛀食性害虫的检测效果良好，但对非蛀食性害虫的检测效果并不明显。

3.2 近红外光谱法

近红外光谱是一种快速、无创、廉价的分析多种样品化学成分的方法。在过去二十年里，它已经被应用于许多昆虫学中。Maghirang等[12]在两个月的贮藏期内，利用近红外光谱检测到了小麦籽粒中有活的或死的米象。在米虫蛹期、大幼虫期、中型幼虫期和小幼虫期，分类的准确率分别为94%、93%、84%和62%，活蛹+大幼虫的准确率为92%～93%。表明近红外光谱技术对面粉中的幼虫检测效果明显，可应用于面粉中的害虫幼虫检测。

3.3 X射线成像法

X射线是一种低波长（0.01～10 nm）、高能（120 eV～120 keV）的电磁辐射，可以穿透许多材料[13]。X射线成像法是一种先进的技术，它利用非接触传感器来检测大量样品，同时提供直观的信息。软X射线成像是一种快速、无损、直接的方法，可用于检测储粮中的内部昆虫[14]、分析农产品内部质量，也可用于检测芒果中的内部昆虫[13]。

Karunakaran[15]研究了用实时软X射线成像法检测小麦籽粒中谷蠹侵染的可能性，分别在幼虫期、蛹期和成虫期进行X射线检查。利用该法提取小麦籽粒X射线图像的直方图特征、纹理特征、直方图和形状矩。用反向传播神经网络（BPNN）和统计分类器对57个特征进行识别。BPNN正确识别了所有未感染和感染的籽粒，以及超过99%的籽粒被谷蠹幼虫感染。

Pearson等[16]利用X射线成像开发了一个程序来分析图像，并将每个种子分为受损或未受损。将此程序应用于包括11个向日葵品系的20个不同样本中，并用3种不同种类的昆虫进行了侵染，受损种子和未受损种子的总体分类准确率分别为95 %和99%。

Karunakaran[17]研究了利用软X射线技术检测赤拟谷盗对小麦籽粒的取食损伤来检测侵染的可能性。以4d为间隔，连续16d用X射线对人工感染赤拟谷盗卵的小麦籽粒进行4个幼虫期的侵染，对4龄幼虫的未侵染和侵染籽粒进行了正确识别，分类准确率分别达到73%和86%以上。

3.4 图像识别法

图像识别法是指利用计算机处理经光学照相机、数码照相机、X射线摄像、红外摄像和CCD（charge coupled devices，电荷耦合器件）等摄像机获取的储粮害虫图像，通过图像特征提取算法提取储粮害虫的边缘、形状、纹理等特征，利用机器学习算法对构成图像特征的特征向量进行分类，从而识别不同储粮害虫的类别。

张成花[18]利用自适应的邻域平均法进行图像噪声滤除，选用最小误差法进行储粮害虫图像的自适应二值化分割，改善了对多目标害虫难以识别的问题。

张红涛[19]运用灰度形态学图像平滑和自适应图像增强技术对储粮害虫灰度图像进行图像增强，用直方图高斯阈值法和相对熵阈值法提取粮虫图像最优阈值，并以此最优阈值进行图像分割生成二值化图像。

刘纯利等[20]提出基于奇异值分解和同态滤波的粮虫图像增强算法。

胡玉霞等[21]提出基于多分辨率图像处理的粮虫图像预处理方法，将滤波后的低分辨率图像与原图像进行“与”运算，并再次滤波，有效去除了对粮虫识别贡献率较小的部分，使算法运行效率提高15倍左右。

3.5 声测法

在现代电子学技术出现以前，对于储藏物中隐蔽性的内部昆虫检测极为困难。早在20世纪50年代，人们就发现声学检测技术具有极大的实用价值，可以发现储藏物中早期害虫的侵染。谷物中昆虫的活动会产生波长可闻范围内的噪音，声学检测是利用害虫运动和取食的声音对粮食内部或外部进行检测。

Gutiérrez等[22]描述了一种基于声学传感器的原始电子设备的开发，用此设备用于检测早期棕榈内部的红棕象甲（Rhynchophorus ferrugineus）幼虫。结果证明，在控制环境条件的情况下，通过在2250Hz左右的声强研究只有5只红棕象甲侵染的棕榈树，可以检测出2周龄幼虫的活动。

Kiobia等[23]开发了一种声音控制器以检测玉米中的大谷蠹［Prostephanus truncatus（Horn）］和米象，将被米象幼虫侵染过的玉米籽粒放在装有声学探针的袋子里，可发现幼虫的声波能在25 cm的范围内被检测到。

Fleurat-Lessard等[24]开发了一个300 kg粮仓装置的小型中试系统和一个全自动小麦散装谷物昆虫检测系统，并对计算机辅助声学探头的性能进行了检验。在20 cm范围内，65 kg样本在2 min内进行扫描，对不同昆虫密度（从每1只/10 kg到10只/kg米象成虫和幼虫）的侵扰进行检测，检测准确率在95%以上。

近年来，有人开发出一种昆虫探测探针[25]，可以直接从谷物表面探测和识别初级谷物害虫的不同阶段和种类的声音；还研制了一种与探针技术相同的实验室声学装置，用于谷物样品中的隐蔽性昆虫检测。

4 结语

在面粉虫卵的检测方法中，染色法效果明显，可以定性也可以定量，能很好地区分虫卵和面粉，在粮食上应用仍处于试验阶段，有很大研究空间；几丁质检测法只能证明有无虫卵，但无法对其进行定量，不适用于面粉中虫卵的定量检测；尿酸检测法表明虫卵尿酸浓度与虫卵数成正相关，最低检出限为在0.1粒卵/g面粉，可初步应用于面粉中虫卵的检测，但还有很多问题需要进一步探讨；DNA指纹分析技术能预测面粉中害虫的感染程度，但其检测准确率还有待提高。

如果能利用各种检测技术并结合杀虫技术形成一套可视化、实时的粮仓完整监控体系，则能大大提高我国粮食的储藏安全。这均需要广大科研工作者共同努力、开拓创新，不断为粮食储藏提供可靠、科学的技术支持。