射頻加熱防治5種儲糧害蟲的初步研究

孫為偉 曹 陽 劉 璐 伍 祎 唐培安

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心1，南京 210023) (國家糧食局科學(xué)研究院,糧食儲運國家工程實驗室2，北京 100037)

儲糧害蟲是造成糧食收獲后糧食數(shù)量和質(zhì)量損失的重要原因之一，在發(fā)達(dá)和發(fā)展中國家由儲糧害蟲引起的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后損失分別為1%和10%～30%[1]。此外，害蟲代謝物還造成糧食發(fā)熱霉變、人類過敏以及加工品質(zhì)降低等一系列損失，最終導(dǎo)致食品安全問題[1]。傳統(tǒng)方法中的化學(xué)熏蒸(如磷化氫)已成為全世界用于防治儲糧害蟲最廣泛和普遍的方法。然而，磷化氫抗性問題以及化學(xué)熏蒸對生態(tài)環(huán)境的脅迫又成為一大挑戰(zhàn)，因此，迫切需要開發(fā)有效，綠色且安全的儲糧害蟲防治技術(shù)[2]。

射頻(Radio frequency, RF)是一種高頻交流電磁波，其頻率范圍為3～300 MHz。射頻能穿透到物料內(nèi)部，引起物料內(nèi)部帶電離子的振蕩遷移，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到加熱的目的[3]。射頻殺蟲基本原理是在一定強度電磁場的作用下，農(nóng)產(chǎn)品中(如糧食)的害蟲、蟲卵和微生物因分子極化現(xiàn)象，吸收電磁波而升溫，使其蛋白質(zhì)熱變性，從而失去生物活性，達(dá)到殺蟲的目的。為避免對通信產(chǎn)生干擾，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)定了工業(yè)、科研和醫(yī)療應(yīng)用等方面準(zhǔn)許使用的頻段，射頻加熱為13.56 MHz±6.68 KHz，27.12 MHz±160.00 KHz，40.68 MHz±20.00 KHz[4]。射頻加熱具有選擇性、高效快速、無化學(xué)污染及對物料品質(zhì)損傷較小的優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)方面都有廣泛應(yīng)用。近幾年，射頻技術(shù)己逐漸被用于食品或農(nóng)產(chǎn)品的干燥、殺蟲、殺菌、加熱和解凍及儲藏保鮮等方面[5-8]。由于食品或農(nóng)產(chǎn)品中的害蟲、細(xì)菌等的介電損耗因數(shù)明顯高于低水分食品或農(nóng)產(chǎn)品(如糧食)，射頻會對害蟲或微生物進(jìn)行優(yōu)先加熱，這樣能在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提下獲得較為滿意的殺蟲滅菌效果，特別適用于導(dǎo)熱不良和熱敏性的糧食表面、深層和內(nèi)部的成蟲、幼蟲、蟲卵以及細(xì)菌的殺滅，殺滅率可達(dá)到100%[9-12]。在儲糧害蟲方面，已經(jīng)在實驗室條件下研究了米象、赤擬谷盜、谷蠹、桃蛀螟、印度谷螟五齡幼蟲等的熱致死參數(shù)[13-17]，為射頻殺蟲的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

本研究首先針對耐熱性強的谷蠹，研究射頻處理對小麥中谷蠹的殺滅效果，優(yōu)化射頻處理的工藝參數(shù)；同時研究最優(yōu)條件下，射頻技術(shù)對于其他4種常見儲糧害蟲的應(yīng)用效果；比較射頻處理前后小麥成分變化，為今后射頻技術(shù)在儲糧害蟲殺蟲方面的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥：品種為農(nóng)大211，8%水分。

供試?yán)ハx：谷蠹RhizoperthadominicaFabricius、鋸谷盜OryzaephilussurinamensisLinnaeus、長角扁谷盜CryptolestespusillusSchoenherr、玉米象SitophiluszeamaisMotschulsky、赤擬谷盜TriboliumcastaneumHerbst，均采自糧庫，在實驗室純化飼養(yǎng)3年以上。

1.2 儀器與設(shè)備

射頻設(shè)備：振蕩頻率40.68 MHz，功率2 kW，極板距離10～30 cm，內(nèi)設(shè)6路溫度傳感器；HPP 750培養(yǎng)箱；DA7200型近紅外分析儀；LDS-1H電腦水分測定儀；PP塑料盒：長28 cm×寬19 cm×高10 cm。

1.3 方法

1.3.1 蟲籠的準(zhǔn)備和放置

選取50頭健壯的試蟲成蟲，放入裝有少許飼料的蟲籠中，封口。該蟲籠是625目尼龍材料，長27.0 cm×寬14.5 cm，不影響熱傳導(dǎo)率，透氣性強，能有效避免其他因素干擾試蟲的熱死亡，限制試蟲在熱休克之前的活動，避免試蟲成蟲逃出處理室內(nèi)[18]，將蟲籠埋入距糧食表面2 cm處。

1.3.2 實驗指標(biāo)

死亡率：經(jīng)射頻殺蟲后，將試蟲在恒溫恒濕箱中培養(yǎng)48 h后，記錄死亡數(shù)目，死亡率為培養(yǎng)48 h后死亡的試蟲數(shù)占實驗試蟲數(shù)量的百分比。死亡標(biāo)準(zhǔn)：用毛筆觸動蟲體任何部位無明顯反應(yīng)、顏色變暗或者蟲體干癟即認(rèn)定為死亡。

死亡率計算公式為：

處理腔功率：處理腔功率為陽極電流與陽極電壓的乘積。

處理腔功率計算公式為：P=陽極電流×陽極電壓。

1.3.3 不同處理條件對谷蠹的殺蟲效果的研究

將小麥置于28 cm×19 cm×10 cm的PP塑料盒，小麥初始溫度為20 ℃，以谷蠹死亡率為指標(biāo)，研究射頻處理時間、射頻極板間距和糧層厚度對殺蟲效果的影響。射頻處理后，試蟲于25 ℃、70% RH下培養(yǎng)48 h后檢查死亡數(shù)。每次實驗重復(fù)3次。(1)糧層厚度為9 cm，極板間距為10 cm的條件下，研究不同處理時間(240、270、300、330、360、390 s)對谷蠹死亡率的影響。(2)糧層厚度為9 cm，處理時間為330 s的條件下，研究不同極板間距(10、11、12、13 cm)對谷蠹死亡率的影響。(3)極板間距為10 cm，處理時間為330 s的條件下，研究不同糧層厚度(7、8、9、10 cm)對谷蠹死亡率的影響。

1.3.4 正交實驗

為確定射頻最佳的工藝條件，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，對糧層厚度(A)，極板間距(B)，處理時間(C)，3個因素在不同水平下進(jìn)行L9(33)正交實驗，優(yōu)化出最佳工藝條件，每個實驗組重復(fù)3次，并對結(jié)果進(jìn)行方差分析。

表1 正交實驗因素水平表

1.3.5 小麥成分的測定

采用DA7200型近紅外分析儀測定處理前后小麥的成分變化，測定的參數(shù)包括水分、濕面筋值、蛋白質(zhì)、脂肪等成分。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件和Excel對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理條件對小麥殺蟲效果的影響

2.1.1 射頻處理時間對小麥殺蟲效果的影響

將射頻殺蟲儀在板間距10 cm、糧層厚度9 cm的條件下，分析裝有小麥的處理盒中溫度的均一性。通過不同部位6路溫度傳感器檢測表明，隨著處理時間的延長，糧粒表面溫度呈線性增加。對不同部位的溫度分析，射頻對糧食加熱的溫度較為均勻(圖1，R2=0.980 4)，每分鐘約升溫6.9 ℃，當(dāng)射頻處理360 s時，糧食的平均溫度達(dá)到60 ℃(圖1)。通常情況下，儲糧害蟲成蟲在60 ℃下保溫30 s左右則能達(dá)到殺滅效果，而谷蠹是最耐高溫的害蟲[13]，因此射頻對谷蠹的有效殺滅能作為其他儲糧害蟲的參考。射頻處理時間對谷蠹的殺滅效果如圖2所示，處理時間對谷蠹的死亡率有極顯著影響(P<0.01)。在240～390 s內(nèi)，隨著射頻處理時間的延長，其死亡率升高；處理時間為240 s時，死亡率最低，為23.3%；當(dāng)射頻處理時間從240 s延長至300 s時，死亡率達(dá)到76.3%；處理時間為330～390 s時，死亡率高達(dá)93%以上。處理時間延長的同時，能耗也在不斷增大，因此，為了在保證殺蟲效果，同時盡量減小能耗，處理時間不宜超過330 s。

圖1 射頻處理下溫度圖

圖2 射頻處理時間、極板間距、糧層厚度對谷蠹死亡率的影響

2.1.2 糧層厚度對小麥殺蟲效果的影響

將小麥放入28 cm×19 cm×10 cm的PP塑料盒中，蟲籠放置在距糧粒表面 2 cm處，同時通過改變小麥的體積來調(diào)整小麥的糧層厚度，分別置于射頻儀的平行極板之間進(jìn)行射頻處理。實驗結(jié)果如圖2所示，調(diào)整小麥的糧層厚度，射頻處理對于小麥中谷蠹的死亡率也隨之改變。糧層厚度對谷蠹的死亡率有極顯著影響(P<0.01)，隨著糧層厚度的增加，死亡率隨之上升，糧層厚度為7、8 cm時，死亡率分別為40.7%、79%；當(dāng)糧層厚度由8 cm增加為9 cm時，死亡率上升了14.3%，高達(dá)93.3%；糧層厚度為10 cm時，死亡率最大，為100%。隨著糧層厚度的增加，射頻設(shè)備的載荷提高，輸出功率提高，電流變大，小麥溫度上升速率明顯增加，谷蠹死亡率也上升明顯。在本實驗條件下，糧層厚度為10 cm時，儀器已接近輸出功率的峰值，即將出現(xiàn)過載情況。因此，本研究中糧層厚度不宜超過10 cm。

2.1.3 極板間距對小麥殺蟲效果的影響

在射頻處理物料的過程中，被加熱的產(chǎn)品放在兩個平行極板之間，通過改變兩個極板間距來調(diào)節(jié)處理腔頻率，進(jìn)而控制處理腔頻率與機器固有頻率耦合到負(fù)載中的輸出功率。在一定范圍內(nèi)，射頻極板間距與耦合功率呈反比例關(guān)系，極板間距越大，輸出功率越小。由圖2可知，極板間距對谷蠹的死亡率有極顯著影響(P<0.01)。隨著射頻儀極板間距的增大，谷蠹的死亡率逐漸降低。在極板間距由10 cm到13 cm不斷增大的過程中，谷蠹死亡率由93.3%下降至56%。這是由于隨著極板間距的增大，輸出功率減小，小麥的升溫速率隨之下降，相同處理時間下，谷蠹吸收電磁波能較小，導(dǎo)致死亡率明顯下降。在本實驗條件下，極板間距過小會導(dǎo)致處理腔頻率與射頻儀固有頻率耦合，從而出現(xiàn)過載情況。因此，極板間距不宜低于10 cm。

2.2 射頻殺蟲工藝優(yōu)化及對其余4種害蟲的殺滅效果

基于單因素實驗結(jié)果，對糧層厚度(A)、極板間距(B)、處理時間(C)3個因素在不同水平下進(jìn)行L9(33)正交實驗，每個實驗組重復(fù)3次，并對結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果見表2。

由表2分析可知，3個因素對于殺蟲效果的影響大小依次為極板間距(B)>處理時間(C)>糧層厚度(A)(RB>RC>RA>R空列)。對正交實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，由表3可知，糧層厚度、極板間距、射頻處理時間均對小麥中谷蠹的死亡率有極顯著影響，射頻殺蟲的最優(yōu)組合為A3B1C3，即糧層厚度9 cm、極板間距10 cm、射頻處理時間330 s。

在該條件下，谷蠹死亡率為93.3%，遠(yuǎn)高于正交實驗的其余組合。通過對赤擬谷盜、鋸谷盜、長角扁谷盜和玉米象進(jìn)行射頻殺蟲處理，4種害蟲的死亡率均達(dá)到94%以上(表4)。結(jié)果表明，射頻殺蟲最優(yōu)條件下，對小麥中常見的儲糧害蟲有極好的殺蟲效果，為射頻技術(shù)防治儲糧害蟲提供了參考。

表2 正交實驗設(shè)計及結(jié)果

表3 正交實驗結(jié)果方差分析表

注：**表示差異極顯著，P<0.01。

表4 射頻對5種主要儲糧害蟲的殺滅效果

2.3 射頻處理對小麥成分的影響及成本預(yù)估

在最優(yōu)的條件下，進(jìn)行小麥中儲糧害蟲的射頻殺蟲處理，測定處理前后小麥成分的變化。由表5可知，利用射頻方法處理小麥，在殺滅小麥中的儲糧害蟲的同時，小麥的水分、蛋白、濕面筋值等成分與未處理前的無顯著性差異(P>0.05)。根據(jù)小麥品種的品質(zhì)指標(biāo)，處理前后的小麥濕面筋值均大于30%，即屬于強筋宜存小麥[21,22]。

射頻殺蟲儀額定功率為2 kW，處理腔功率為0.92～1.6 kW即每小時耗電2度左右。利用40.68 MHz、2 kW的射頻殺蟲儀對小麥進(jìn)行殺蟲處理，其處理成本約為0.049元/kg(以0.7元/度電計算)，化學(xué)熏蒸滅蟲成本約為0.014～0.018元/kg[23]，射頻處理成本是化學(xué)熏蒸的3倍，但射頻熱處理對樣品成分具有明顯的優(yōu)勢，未來可考慮運用射頻進(jìn)行糧食干燥與殺蟲聯(lián)合處理，以期降低使用成本。傳統(tǒng)的害蟲防治通常采用磷化氫熏蒸等化學(xué)處理方法，給生態(tài)環(huán)境和糧食食品安全造成了較大壓力，射頻處理是保證糧食儲藏安全的綠色生態(tài)害蟲防治技術(shù)。

表5 處理前后小麥成分變化/%

3 討論

1997年9月《蒙特利爾議定書》哥本哈根修正案規(guī)定，美國等發(fā)達(dá)國家在2005年逐步限制以至禁止使用溴甲烷，中國等發(fā)展中國家在2015年已停止在糧食熏蒸中的應(yīng)用[19]。近幾年，人們致力于綠色生態(tài)的害蟲控制方法，熱處理具有無化學(xué)殘留、無環(huán)境污染及易于使用等特點已經(jīng)引起越來越多的關(guān)注。常見的熱處理方法有熱風(fēng)、熱水和射頻加熱?；谔幚硇Ч吞幚頃r間以及對物料品質(zhì)的保證，射頻加熱是農(nóng)產(chǎn)品采后的殺蟲的首選，已在鮮果及干果等農(nóng)產(chǎn)品采后的蟲害控制等方面成功應(yīng)用[20]。

4 結(jié)論

本實驗初步研究了射頻對小麥中5種害蟲的殺蟲參數(shù)，在極板間距10 cm、糧層厚度9 cm、處理時間330 s的條件下，谷蠹、赤擬谷盜、鋸谷盜、長角扁谷盜和玉米象的死亡率均達(dá)90%以上。且射頻處理前后小麥成分差異不顯著，不影響糧食的食用價值。由此可見，射頻熱處理殺蟲技術(shù)為儲糧害蟲的防治技術(shù)提供了新的技術(shù)途徑。