微质量:让每一个内核都有价值

技术推动创新。在粮食工业中，这句格言可以应用到从自动化到开票的方方面面。值得注意的是，收获后谷物质量测量技术已被证明是一个关键的，不断发展的行业工具。快速而准确的霉菌毒素检测改善了饲料安全和混合技术，然而，它们在提供单个内核级别的质量属性快照方面的能力有限。

对单一籽粒的分析是培育优质粮食品种的关键。确定一颗种子的水分、蛋白质和油脂含量，为育种家和遗传学家提供了开发最佳品质谷物所需的基础种子。

尽管目前适合商业粮食处理设施的应用很少，但有朝一日，单种子分析仪可能被用于检测真菌毒素和其他收获后损害。随着这些仪器的精度、准确性和速度的提高，它们可能会在全国各地的粮食处理设施中普及。

饲料和谷物与这些仪器的开发人员和粮食科学的一些最重要的领导者交谈，了解单种分析仪可能对行业的影响。

质量从种子开始

全国各地的大学和USDA-ARS(农业研究服务处)实验室花费了大量的时间和财力来研究保持粮食质量的最佳方法。他们的工作导致了许多最好的管理实践，今天在通风，干燥和虫害控制方面使用。但是，位于堪萨斯州曼哈顿的USDA-ARS的农业工程师Floyd Dowell指出，谷物质量管理不应该在收获后开始，而应该在作物种植之前就开始。

道尔说:“我们的很多努力都集中在清理收获的谷物和检测缺陷上，以确保饲料和食品的质量和安全。”“但相反，如果我们花更多的时间专注于优质特性的育种，我们就不必稍后清理它们，因为我们已经在确保安全、健康供应方面做得更好了。”

Tom Pearson是位于曼哈顿的USDA-ARS实验室的一名农业工程师，他开发了一种全光谱单粒种子分析仪，可以捕捉单个籽粒的彩色图像，并将其归类到公认的过程流中，或者根据视觉特征将其转移。

仪器的校准包括通过机器运行一个小样本来收集图像数据，确定什么应该被接受，什么应该被拒绝。它使用一种模式识别程序来匹配果核的视觉特征，将它们分成两堆。育种者可以将分类应用程序用于多种目的，包括将杂草种子从谷物种子中转移开，从而减少收获时的外来物质。

皮尔逊说:“使用图像分析对谷物进行分类不仅可以提高质量，还可以提高价值。”“例如，在制作小麦基础种子时，必须对红白小麦进行分类，以净化它，否则你就会得到不同类别的小麦，降低了它的价值。就拿亚麻来说，你把黄色的亚麻从棕色的亚麻中分离出来，或者提纯黄色的亚麻，这就增加了它的价值。”

保罗·阿姆斯特朗，农业工程师，美国农业部农业研究所工程和风蚀研究小组，是一种适用于玉米、大豆和其他大型种子的单种子近红外(NIR)仪器的开发者。据阿姆斯特朗说，在美国只有三个这样的仪器。

爱荷华州立大学、佛罗里达大学和堪萨斯州立大学的谷物科学系正在使用这些仪器来加强他们的育种项目。

爱荷华州立大学农业与生物系统工程系的Charles Hurburgh教授说:“它使用了与饲料加工厂测量饲料成分所用的大宗近红外仪器相同的一般操作原理，但在单一种子级别除外。”“种子通过一个短的灯管，从顶部和底部被近红外光照亮，在桶的周围有探测器，测量种子反射的数量。”

堪萨斯州立大学粮食科学与工业系教授兼系主任Dirk Maier说，单粒近红外分析仪的非破坏性方面使其成为育种者的一个有吸引力的设备。

麦尔说:“当小麦育种者迭代他们的品种时，他们在投入生产前只有非常小的样本，这是一个多年的周期。”“你不想为了做质量分析而破坏微小样本中的籽粒，这样你就可以为下一代保存种子。如果你能通过这种单核近红外技术运行一个小样本，那么你就可以在不破坏内核的情况下获得一些质量测量，并继续进行传播工作，节省时间、金钱和在早期世代中可用的相对少量的种子。”

Hurburgh补充说:“一般来说，当你开始开发一个杂交品种或大豆品种时，你的基本库存可能可以装进一个迪克西杯子里。你希望那个杯子保持纯净。这个仪器不能清理一卡车货物，但它可以清理一个咖啡杯。”

使用单种子分析仪在更少的迭代中识别基础种子有助于更快地将新品种推向市场。

Hurburgh说:“这种(仪器)是一种能够加速植物育种的技术，无论你校准仪器的什么方面——水分、蛋白质或油脂。”“通过分离可能在早期发育阶段就具有你所寻找的物质的种子，你可以加速开发更高质量材料的能力。它不会自己做到这一点，但它会使这个过程更容易，成本更低。”

阿姆斯特朗目前正在与大豆育种家合作，培育一种高油、高蛋白的大豆品种;该团队使用他的单种子近红外分析仪对具有他们想要的两种品质的大豆进行分类。这些种子可能在基因上与作物的其他部分不同，并将被种植以创造这种新的最佳质量品种的下一代。

测量质量的变化

今天，单种子分析仪通过遗传和植物育种提高了粮食质量，但也有其他应用潜力，包括变异和毒素检测。

不同的质量属性会影响原料的加工方式，以达到预期的最终产品。例如，在乙醇工厂，玉米大样品的淀粉含量可能有很大的可变性。对大样品进行测量可以得到淀粉含量的平均值，但不能得到单个粒的淀粉含量。阿姆斯特朗说，处理器可以使用单一种子分析仪来根据淀粉的变异进行分类，允许植物根据测量结果修改其过程。

“在大豆油提取方面也有类似的理论，”阿姆斯特朗说。“豆类中油脂的可变性可能会影响一些过程，所以与其只看平均油脂，你可以测量油脂的可变性，以提供一个更好的指标，如何最大化提取过程。”

目前在商业设施中使用单核分析器的主要障碍是速度。皮尔逊全光谱分析仪的小麦产量约为每秒200粒，或每小时20至25公斤。阿姆斯特朗的近红外分析仪的测量速度仅为每秒3核。尽管可以运行并行系统并使吞吐量提高两到三倍，但目前单个仪器的速度对于磨坊主或商业处理器来说并不理想。但随着时间的推移，随着技术的进步，特定种子成分的可变性可能会成为常规测量。

毒素检测

单种子分析仪也许有一天能够检测出霉菌和毒素，但有些声音不确定，因为它们的存在是用百万分之一甚至十亿分之一来测量的。

“这可能低于仪器的分辨率，所以可能需要两到三代的技术改进才能成为可能，”Hurburgh说。“我们可能会达到那个目标，但还有一点时间，因为毒素的水平非常低。”

尽管用近红外技术很难检测出单个籽粒中是否存在毒素，但它能够检测出霉菌损伤，并将受损籽粒与健康籽粒分离开来。

阿姆斯特朗说:“如果你能把霉菌损伤与黄曲霉毒素的可能性联系起来，那么这可能是一个应用，对个体内核水平的测试很有用。”

皮尔逊公司的全光谱单种子分析仪正朝着这个方向发展，但不可否认的是，它不能仅仅基于视觉指标来识别毒素。

皮尔森说:“它可以检测出几种真菌损伤的视觉症状，但我们还不能量化它。”“真菌损伤可能与毒素间接相关，但该仪器永远无法直接检测真菌毒素。”

尽管如此，迈尔预测，迟早会在大规模的粮食处理设施中使用单一种子分析仪。

迈尔说:“在理解单一种子分析仪如何在大规模处理中实际应用方面，我们可能还有一段路要走。”“但以电梯为例，他们从卡车上取了相对较少的样本。这种规模的产品可能会有实际应用。你不必在分拣机上运行整个卡车，但你可以在相对较短的时间内运行一个样本。对于FGIS、出口设施和高质量生产者来说，有潜在的应用价值。”

更大的期望

如果单一种子检测变得更加普遍，国内和世界各地的客户可能会开始在合同中要求更高质量的规格。

阿姆斯特朗说:“如果单粒种子分析仪能够被证明是通用粮食工业的一种有用的测量工具，你就会看到加工商将开始期望他们的供应商(包括生产者和粮食加工者)提供更高的质量。”

道尔补充说:“我认为，你看，特别是在出口市场，如果你能衡量它，那么就会有人希望你消除它。例如，当黄曲霉毒素最初被监管和检测技术改进时，我们的出口客户希望我们能达到目前任何检测技术的最低水平。同样的期望也可能适用于粮食质量。”

新的管理工具

随着人们对食品质量预期的提高，谷物收获后调理对企业增长将变得越来越重要。采用新的散装粮食监测方法可以帮助处理人员满足未来的质量要求。

Integris USA, LLC的OPI湿度电缆监测谷物质量内的相对湿度(RH)和温度，以帮助干燥和提供腐败指标。通过在整个垃圾桶中使用传感器，这些读数可以准确地知道哪里发生了水分问题。

阿姆斯特朗在开发的早期阶段参加了实地试验。他说，这种系统与温度系统相比的一个优点是，当开始恶化时，在温度升高之前会出现相对湿度的上升——相对湿度的上升与水分含量的上升有关。

Integris USA, LLC的所有者/首席执行官Dave Crompton解释说:“我们的新湿度电缆从RH和温度传感器推断数据，我们为每种谷物类型生成了一系列曲线，然后将湿度和温度与适当的曲线进行匹配，从而提供湿度输出。”

Crompton表示，除了测量外部天气外，OPI湿度电缆还利用这些曲线和算法计算出1%的精度内的水分含量读数。然后，可以使用Integris ProModel将这些信息用于调节谷物到所需的质量。

Crompton说:“(Integris ProModel)会根据你想要达到的目标，打开或关闭风扇，并自动控制屋顶通风。“这个系统实现了24/7的高度准确性，计算机不断地输入数据。”

二氧化碳监测是另一种质量管理实践在粮食加工行业获得势头。第一次二氧化碳监测现场试验是在普渡大学进行的，随后安德森夫妇签约在其印第安纳州的几家工厂进行人工读数。BinSpector-CO2是专门为粮食应用设计的结果产品，现在通过BinTech和GSI进行商业销售。

然而，作为这一概念的先驱，迈尔承认，虽然二氧化碳读数不可否认地检测到谷物的恶化，但解释二氧化碳水平上升的起源是具有挑战性的。

Maier说:“我们有可以预测二氧化碳水平的计算机模型，但挑战是将我们用计算机模型预测的结果与我们在实地观察到的情况相关联，因为变量太多了。”“我们知道原因是发霉和自热，但这是因为结构泄漏或其他缺陷吗?我们仍在努力查明在一个仓中有多少谷物质量受到了影响，以及变质的位置。”

Armstrong建议除了使用CO2传感器外，还使用RH和温度传感器来识别谷物变质的位置。

阿姆斯特朗说:“如果你在一个箱子的顶部看到更高的二氧化碳水平，但它的起源并不明显，你可以看到它是由谷物深处某个地方的湿度上升所表明的，因为它在成型时释放了水分，触发了RH的上升。”

Hurburgh承认监测二氧化碳水平的价值，但他也同意，在将其作为可靠的质量测量工具之前，还需要做更多的工作。

赫伯说:“我们明确知道，如果一个空间的二氧化碳含量增加，微生物活动就会发生。”“然而，如果读数从330到1000，这意味着什么?我们不知道，因为这完全取决于空气循环，有多少二氧化碳被进出的空气稀释了，以及空气的体积与恶化点的大小的比较。我们知道二氧化碳检测表明变质，但我们不知道如何解释具体的数据。我认为有一种方法，但还需要更多的开发和研究，才能基于这些数字开发出有用的预测或控制策略。”

与此同时，Maier建议将二氧化碳监测与其他管理工具和最佳做法结合起来，来调节谷物。

Maier说:“现在这些传感器已经可以在市场上买到，需要注意的是，这些工具并不打算取代最佳实践。”“它们旨在为你提供更多信息，以便为你的业务做出更好的决策。你仍然需要使用所有可用的工具，比如在充气冷却谷物时使用温度电缆，但你可能会发现，如果你在仓库中增加二氧化碳传感器和温度电缆，你就不需要那么多的温度电缆了。”

密切关注与二氧化碳水平相关的温度读数也有助于发现腐败。

赫伯格说:“如果温度从40华氏度到45华氏度之间变化，有些人可能会认为，因为温度仍然很低，所以没有问题，但二氧化碳监测器可以告诉你，在这样凉爽的环境中，是否发生了变质。”“结合温度电缆监测二氧化碳可能可以提高质量问题的早期检测。”

使用所有可用工具的组合可以帮助在颗粒质量中绘制出完整的质量图像。Crompton总结得最好:“你必须专注于控制储存质量的两个基本要素:水分含量和温度。这两者的平衡必须恰到好处，这样才不会为霉菌、真菌毒素和昆虫等微生物活动创造环境。通过多方面的方法来观察粮食质量总是会给你带来最好的投资回报。”