射频加热防治5种储粮害虫的初步研究

孙为伟 曹 阳 刘 璐 伍 祎 唐培安

(南京财经大学食品科学与工程学院，江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心1，南京 210023) (国家粮食局科学研究院,粮食储运国家工程实验室2，北京 100037)

储粮害虫是造成粮食收获后粮食数量和质量损失的重要原因之一，在发达和发展中国家由储粮害虫引起的农产品产后损失分别为1%和10%～30%[1]。此外，害虫代谢物还造成粮食发热霉变、人类过敏以及加工品质降低等一系列损失，最终导致食品安全问题[1]。传统方法中的化学熏蒸(如磷化氢)已成为全世界用于防治储粮害虫最广泛和普遍的方法。然而，磷化氢抗性问题以及化学熏蒸对生态环境的胁迫又成为一大挑战，因此，迫切需要开发有效，绿色且安全的储粮害虫防治技术[2]。

射频(Radio frequency, RF)是一种高频交流电磁波，其频率范围为3～300 MHz。射频能穿透到物料内部，引起物料内部带电离子的振荡迁移，将电能转化为热能，从而达到加热的目的[3]。射频杀虫基本原理是在一定强度电磁场的作用下，农产品中(如粮食)的害虫、虫卵和微生物因分子极化现象，吸收电磁波而升温，使其蛋白质热变性，从而失去生物活性，达到杀虫的目的。为避免对通信产生干扰，美国联邦通信委员会(FCC)规定了工业、科研和医疗应用等方面准许使用的频段，射频加热为13.56 MHz±6.68 KHz，27.12 MHz±160.00 KHz，40.68 MHz±20.00 KHz[4]。射频加热具有选择性、高效快速、无化学污染及对物料品质损伤较小的优点，在医学、工业和农业方面都有广泛应用。近几年，射频技术己逐渐被用于食品或农产品的干燥、杀虫、杀菌、加热和解冻及储藏保鲜等方面[5-8]。由于食品或农产品中的害虫、细菌等的介电损耗因数明显高于低水分食品或农产品(如粮食)，射频会对害虫或微生物进行优先加热，这样能在保证产品品质的前提下获得较为满意的杀虫灭菌效果，特别适用于导热不良和热敏性的粮食表面、深层和内部的成虫、幼虫、虫卵以及细菌的杀灭，杀灭率可达到100%[9-12]。在储粮害虫方面，已经在实验室条件下研究了米象、赤拟谷盗、谷蠹、桃蛀螟、印度谷螟五龄幼虫等的热致死参数[13-17]，为射频杀虫的应用奠定了一定的基础。

本研究首先针对耐热性强的谷蠹，研究射频处理对小麦中谷蠹的杀灭效果，优化射频处理的工艺参数；同时研究最优条件下，射频技术对于其他4种常见储粮害虫的应用效果；比较射频处理前后小麦成分变化，为今后射频技术在储粮害虫杀虫方面的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

小麦：品种为农大211，8%水分。

供试昆虫：谷蠹RhizoperthadominicaFabricius、锯谷盗OryzaephilussurinamensisLinnaeus、长角扁谷盗CryptolestespusillusSchoenherr、玉米象SitophiluszeamaisMotschulsky、赤拟谷盗TriboliumcastaneumHerbst，均采自粮库，在实验室纯化饲养3年以上。

1.2 仪器与设备

射频设备：振荡频率40.68 MHz，功率2 kW，极板距离10～30 cm，内设6路温度传感器；HPP 750培养箱；DA7200型近红外分析仪；LDS-1H电脑水分测定仪；PP塑料盒：长28 cm×宽19 cm×高10 cm。

1.3 方法

1.3.1 虫笼的准备和放置

选取50头健壮的试虫成虫，放入装有少许饲料的虫笼中，封口。该虫笼是625目尼龙材料，长27.0 cm×宽14.5 cm，不影响热传导率，透气性强，能有效避免其他因素干扰试虫的热死亡，限制试虫在热休克之前的活动，避免试虫成虫逃出处理室内[18]，将虫笼埋入距粮食表面2 cm处。

1.3.2 实验指标

死亡率：经射频杀虫后，将试虫在恒温恒湿箱中培养48 h后，记录死亡数目，死亡率为培养48 h后死亡的试虫数占实验试虫数量的百分比。死亡标准：用毛笔触动虫体任何部位无明显反应、颜色变暗或者虫体干瘪即认定为死亡。

死亡率计算公式为：

处理腔功率：处理腔功率为阳极电流与阳极电压的乘积。

处理腔功率计算公式为：P=阳极电流×阳极电压。

1.3.3 不同处理条件对谷蠹的杀虫效果的研究

将小麦置于28 cm×19 cm×10 cm的PP塑料盒，小麦初始温度为20 ℃，以谷蠹死亡率为指标，研究射频处理时间、射频极板间距和粮层厚度对杀虫效果的影响。射频处理后，试虫于25 ℃、70% RH下培养48 h后检查死亡数。每次实验重复3次。(1)粮层厚度为9 cm，极板间距为10 cm的条件下，研究不同处理时间(240、270、300、330、360、390 s)对谷蠹死亡率的影响。(2)粮层厚度为9 cm，处理时间为330 s的条件下，研究不同极板间距(10、11、12、13 cm)对谷蠹死亡率的影响。(3)极板间距为10 cm，处理时间为330 s的条件下，研究不同粮层厚度(7、8、9、10 cm)对谷蠹死亡率的影响。

1.3.4 正交实验

为确定射频最佳的工艺条件，在单因素实验的基础上，对粮层厚度(A)，极板间距(B)，处理时间(C)，3个因素在不同水平下进行L9(33)正交实验，优化出最佳工艺条件，每个实验组重复3次，并对结果进行方差分析。

表1 正交实验因素水平表

1.3.5 小麦成分的测定

采用DA7200型近红外分析仪测定处理前后小麦的成分变化，测定的参数包括水分、湿面筋值、蛋白质、脂肪等成分。

1.3.6 数据处理

采用SPSS软件和Excel对实验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理条件对小麦杀虫效果的影响

2.1.1 射频处理时间对小麦杀虫效果的影响

将射频杀虫仪在板间距10 cm、粮层厚度9 cm的条件下，分析装有小麦的处理盒中温度的均一性。通过不同部位6路温度传感器检测表明，随着处理时间的延长，粮粒表面温度呈线性增加。对不同部位的温度分析，射频对粮食加热的温度较为均匀(图1，R2=0.980 4)，每分钟约升温6.9 ℃，当射频处理360 s时，粮食的平均温度达到60 ℃(图1)。通常情况下，储粮害虫成虫在60 ℃下保温30 s左右则能达到杀灭效果，而谷蠹是最耐高温的害虫[13]，因此射频对谷蠹的有效杀灭能作为其他储粮害虫的参考。射频处理时间对谷蠹的杀灭效果如图2所示，处理时间对谷蠹的死亡率有极显著影响(P<0.01)。在240～390 s内，随着射频处理时间的延长，其死亡率升高；处理时间为240 s时，死亡率最低，为23.3%；当射频处理时间从240 s延长至300 s时，死亡率达到76.3%；处理时间为330～390 s时，死亡率高达93%以上。处理时间延长的同时，能耗也在不断增大，因此，为了在保证杀虫效果，同时尽量减小能耗，处理时间不宜超过330 s。

图1 射频处理下温度图

图2 射频处理时间、极板间距、粮层厚度对谷蠹死亡率的影响

2.1.2 粮层厚度对小麦杀虫效果的影响

将小麦放入28 cm×19 cm×10 cm的PP塑料盒中，虫笼放置在距粮粒表面 2 cm处，同时通过改变小麦的体积来调整小麦的粮层厚度，分别置于射频仪的平行极板之间进行射频处理。实验结果如图2所示，调整小麦的粮层厚度，射频处理对于小麦中谷蠹的死亡率也随之改变。粮层厚度对谷蠹的死亡率有极显著影响(P<0.01)，随着粮层厚度的增加，死亡率随之上升，粮层厚度为7、8 cm时，死亡率分别为40.7%、79%；当粮层厚度由8 cm增加为9 cm时，死亡率上升了14.3%，高达93.3%；粮层厚度为10 cm时，死亡率最大，为100%。随着粮层厚度的增加，射频设备的载荷提高，输出功率提高，电流变大，小麦温度上升速率明显增加，谷蠹死亡率也上升明显。在本实验条件下，粮层厚度为10 cm时，仪器已接近输出功率的峰值，即将出现过载情况。因此，本研究中粮层厚度不宜超过10 cm。

2.1.3 极板间距对小麦杀虫效果的影响

在射频处理物料的过程中，被加热的产品放在两个平行极板之间，通过改变两个极板间距来调节处理腔频率，进而控制处理腔频率与机器固有频率耦合到负载中的输出功率。在一定范围内，射频极板间距与耦合功率呈反比例关系，极板间距越大，输出功率越小。由图2可知，极板间距对谷蠹的死亡率有极显著影响(P<0.01)。随着射频仪极板间距的增大，谷蠹的死亡率逐渐降低。在极板间距由10 cm到13 cm不断增大的过程中，谷蠹死亡率由93.3%下降至56%。这是由于随着极板间距的增大，输出功率减小，小麦的升温速率随之下降，相同处理时间下，谷蠹吸收电磁波能较小，导致死亡率明显下降。在本实验条件下，极板间距过小会导致处理腔频率与射频仪固有频率耦合，从而出现过载情况。因此，极板间距不宜低于10 cm。

2.2 射频杀虫工艺优化及对其余4种害虫的杀灭效果

基于单因素实验结果，对粮层厚度(A)、极板间距(B)、处理时间(C)3个因素在不同水平下进行L9(33)正交实验，每个实验组重复3次，并对结果进行分析。结果见表2。

由表2分析可知，3个因素对于杀虫效果的影响大小依次为极板间距(B)>处理时间(C)>粮层厚度(A)(RB>RC>RA>R空列)。对正交实验数据进行方差分析，由表3可知，粮层厚度、极板间距、射频处理时间均对小麦中谷蠹的死亡率有极显著影响，射频杀虫的最优组合为A3B1C3，即粮层厚度9 cm、极板间距10 cm、射频处理时间330 s。

在该条件下，谷蠹死亡率为93.3%，远高于正交实验的其余组合。通过对赤拟谷盗、锯谷盗、长角扁谷盗和玉米象进行射频杀虫处理，4种害虫的死亡率均达到94%以上(表4)。结果表明，射频杀虫最优条件下，对小麦中常见的储粮害虫有极好的杀虫效果，为射频技术防治储粮害虫提供了参考。

表2 正交实验设计及结果

表3 正交实验结果方差分析表

注：**表示差异极显著，P<0.01。

表4 射频对5种主要储粮害虫的杀灭效果

2.3 射频处理对小麦成分的影响及成本预估

在最优的条件下，进行小麦中储粮害虫的射频杀虫处理，测定处理前后小麦成分的变化。由表5可知，利用射频方法处理小麦，在杀灭小麦中的储粮害虫的同时，小麦的水分、蛋白、湿面筋值等成分与未处理前的无显著性差异(P>0.05)。根据小麦品种的品质指标，处理前后的小麦湿面筋值均大于30%，即属于强筋宜存小麦[21,22]。

射频杀虫仪额定功率为2 kW，处理腔功率为0.92～1.6 kW即每小时耗电2度左右。利用40.68 MHz、2 kW的射频杀虫仪对小麦进行杀虫处理，其处理成本约为0.049元/kg(以0.7元/度电计算)，化学熏蒸灭虫成本约为0.014～0.018元/kg[23]，射频处理成本是化学熏蒸的3倍，但射频热处理对样品成分具有明显的优势，未来可考虑运用射频进行粮食干燥与杀虫联合处理，以期降低使用成本。传统的害虫防治通常采用磷化氢熏蒸等化学处理方法，给生态环境和粮食食品安全造成了较大压力，射频处理是保证粮食储藏安全的绿色生态害虫防治技术。

表5 处理前后小麦成分变化/%

3 讨论

1997年9月《蒙特利尔议定书》哥本哈根修正案规定，美国等发达国家在2005年逐步限制以至禁止使用溴甲烷，中国等发展中国家在2015年已停止在粮食熏蒸中的应用[19]。近几年，人们致力于绿色生态的害虫控制方法，热处理具有无化学残留、无环境污染及易于使用等特点已经引起越来越多的关注。常见的热处理方法有热风、热水和射频加热。基于处理效果和处理时间以及对物料品质的保证，射频加热是农产品采后的杀虫的首选，已在鲜果及干果等农产品采后的虫害控制等方面成功应用[20]。

4 结论

本实验初步研究了射频对小麦中5种害虫的杀虫参数，在极板间距10 cm、粮层厚度9 cm、处理时间330 s的条件下，谷蠹、赤拟谷盗、锯谷盗、长角扁谷盗和玉米象的死亡率均达90%以上。且射频处理前后小麦成分差异不显著，不影响粮食的食用价值。由此可见，射频热处理杀虫技术为储粮害虫的防治技术提供了新的技术途径。