微波輻照抑制儲糧蟲卵孵化的研究

劉金光熊旭波 王世清 張 巖 姜文利

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109；2. 青島市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)質(zhì)量與安全工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266109；3. 青島澳維康生物科技工程有限公司，山東 青島 266109)

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微波輻照抑制儲糧蟲卵孵化的研究

劉金光1,2熊旭波3王世清1,2張 巖1,2姜文利1,2

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109；2. 青島市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)質(zhì)量與安全工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266109；3. 青島澳維康生物科技工程有限公司，山東 青島 266109)

為解決當(dāng)前糧食儲藏中普遍采用的化學(xué)熏蒸除蟲存在的污染問題，研究了基于熱物理方法的微波輻照對儲糧籽粒中蟲卵的抑制效果，通過改變微波功率和輻照時間，得到了微波性質(zhì)、糧層溫度、籽?；盍εc蟲卵孵化率的關(guān)系。結(jié)果表明：微波能夠穿透的糧層深度為7～10 cm，1 kW微波源，90 s為抑蟲效果最佳的輻照時間，2 kW微波源，60 s抑蟲效果最佳，籽粒外觀未有改變，糧食籽粒內(nèi)部以米象、麥蛾蟲卵為主要蟲卵的孵化率為0%；該條件下輻照未影響籽?；盍?，籽粒發(fā)芽率和相對電導(dǎo)率相比對照組沒有顯著變化，輻照僅使糧層表面籽粒含水量降低，其他糧層籽粒含水量不受影響。該研究為微波輻照抑制糧食籽粒中蟲卵孵化技術(shù)在糧庫中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

微波輻照；蟲卵失活；籽粒活力；糧食品質(zhì)；儲糧

由于設(shè)施簡陋、方法原始、工藝落后，中國糧食產(chǎn)后因霉變、蟲害導(dǎo)致品質(zhì)下降造成的損失超過產(chǎn)量的8%，每年糧食損失高達(dá)2.50×1010kg[1]。目前國外主要采用烘干收獲原糧、熏蒸儲糧、熱處理加工設(shè)施及運(yùn)輸箱內(nèi)投藥等方法控制糧食蟲害[2]，中國主要依靠儲糧中定期化學(xué)藥物熏蒸除蟲?；瘜W(xué)除蟲具有方便快捷、成本低及致死效果好的特點(diǎn)。但隨著倉儲害蟲抗藥性的提高，熏蒸劑用量逐次增加，化學(xué)藥物的過量殘留將會引發(fā)一系列的熏蒸劑污染問題[3]。

微波是指頻率在300 MHz～300 GHz的電磁波。目前中國用于工業(yè)和食品加熱的常用頻率為915，2 450 MHz[4]。微波自身不會產(chǎn)生熱量，微波輻照的熱量來源于被輻照物體內(nèi)部分子間的猛烈磨擦和相互碰撞，使物體內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，溫度急劇升高，達(dá)到加熱干燥、殺菌、煮熟食物的目的[5-6]。近年來，微波輻照技術(shù)發(fā)展迅速，已被應(yīng)用于去除檔案中蟲害[7]及食品殺菌、烘焙和保鮮[8-9]，具有升溫快、無殘留和優(yōu)化工藝的特點(diǎn)。但是，輻照加熱受被輻照物體厚薄和組成差異的影響容易出現(xiàn)受熱不均，同時，輻照過度會導(dǎo)致糧食失水嚴(yán)重、籽?；盍p弱(電導(dǎo)率升高、發(fā)芽率降低)，甚至出現(xiàn)籽粒爆腰的現(xiàn)象[10]，因此，需要探究合適的微波源功率和輻照時間。

糧食儲藏中，已有微波輻照致死糧食中的儲糧害蟲[11]及糧食籽粒表面菌群[12]的研究，但受輻照功率的影響，對于較大深度糧層輻照除蟲、抑制糧食籽粒內(nèi)部蟲卵的研究較少。用微波輻照產(chǎn)熱抑制糧食籽粒中蟲卵的孵化，能夠從根本上解決儲糧中的蟲害問題。本研究擬基于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)擁有的發(fā)明專利技術(shù)[13]，對深層糧食籽粒中蟲卵的微波輻照致死效果及輻照后籽粒品質(zhì)變化進(jìn)行研究，以期為微波輻照抑制糧食籽粒中蟲卵孵化的技術(shù)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

2015年收獲的小麥(濟(jì)麥22號)，由青島市第二糧庫提供，參照GB 5491—1985《糧食、油料檢驗(yàn) 抽樣、分樣法》。糧倉(長×寬×高：60 m×24 m×12 m)分為上下4層，各層5個扦樣點(diǎn): 中間1個，四周距倉壁50 cm處各1個，將取得樣品充分混勻，去除其中蟲蛀粒和表面成蟲、雜質(zhì)等晾干，控制含水量≤12.5%。

1.1.2 儀器

隧道式微波輻照機(jī)(見圖1)：FLT-Y-X4型，微波源輻照頻率2 450 MHz，青島科朗特公司；

恒溫恒濕培養(yǎng)箱：HSP-350型，北京萊凱博公司；

電子水分測定儀：MA-35型，德國賽多利斯公司；

電導(dǎo)率儀：SG-3型，瑞士梅特勒—托利多公司；

多路溫度記錄儀(Temp Curve軟件)：TP-1000型，深圳拓?fù)淙饍x器有限公司。

1. 1 kW處理倉 2. 2 kW處理倉 3. 1 kW微波源 4. 2 kW微波源 5. 輸送帶 6. 儀表盤 7. 觸控面板 8. 倉內(nèi)視頻顯示器

圖1 隧道式微波輻照機(jī)

Figure 1 Tunnel type microwave irradiation machine

隧道式微波輻照機(jī)輸送帶長×寬為3.0 m×1.5 m，輸送速度為0.05 m/s，輻射糧層深度為10 cm，功率為1 kW和2 kW時，工作效率分別為6 m3/h和9 m3/h。

1.2 試驗(yàn)原理

微波輻照致死蟲卵是使蟲卵受熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的共同作用，因急速升溫和生物效應(yīng)紊亂而死亡。熱效應(yīng)是指在微波作用下生物組織分子發(fā)生極化并伴隨高頻振蕩，分子熱運(yùn)動和相鄰分子的摩擦導(dǎo)致熱量產(chǎn)生，溫度的快速升高使蛋白質(zhì)等分子的空間結(jié)構(gòu)改變或破壞導(dǎo)致生物體死亡[14]；非熱效應(yīng)是指微波改變了生物體生命活動中帶電粒子的排列組合方式和運(yùn)動規(guī)律，致使生理活性物質(zhì)的性質(zhì)改變[15]；此外，微波破壞了細(xì)胞DNA、RNA的分子結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞的正常生長、繁殖能力中斷[16]。由極性分子組成的物質(zhì)能夠較好地吸收微波，含水量越高的物質(zhì)對微波作用越敏感[17]，倉儲小麥的水分含量低于12.5%，米象等儲糧害蟲的含水量大約為60%～70%，蟲卵的含水量高于70%，因此，相同深度的糧層經(jīng)微波輻照后蟲卵的升溫最快；高溫能夠致使蟲卵失活，但也會導(dǎo)致籽?；盍Φ慕档?，表現(xiàn)為發(fā)芽率降低、電導(dǎo)率值升高[18-19]。

本試驗(yàn)用短時間、大功率微波源(頻率為2 450 MHz，發(fā)散式微波磁控管頭)由糧層表面向內(nèi)部輻照，通過對糧食溫度進(jìn)行測量和采集，檢測蟲害抑制效果及籽?；盍?電導(dǎo)率、發(fā)芽率)變化，作為分析評價微波輻照抑制深層糧食籽粒中蟲卵孵化效果及對籽?；盍τ绊懙囊罁?jù)。根據(jù)輻照除蟲應(yīng)用于大型糧庫的要求，微波源只能由糧層表面輻照，因此試驗(yàn)中盛放糧食的容器選擇四周皆反射微波的金屬材料。

1.3 試驗(yàn)方法

取邊長為15 cm的方形無蓋鐵桶，標(biāo)注3，5，7，10，12，15 cm深度刻度，將試驗(yàn)小麥裝入樣品袋，厚度為1 cm，放于鐵桶標(biāo)注深度處，其它深度范圍用小麥填充，微波源由鐵桶正上方垂直向下輻照，功率預(yù)設(shè)為1，2 kW，輻照時間梯度設(shè)置為30，60，90，120，150，180 s。同條件下平行3次，數(shù)據(jù)取平均值。

1.3.1 取樣 參照GB 5491—1985《糧食、油料檢驗(yàn) 抽樣、分樣法》，將處理后的樣品平攤于桌面，采用四分法取樣。用兩塊分樣板將樣品攤成正方形，從左右兩側(cè)鏟起樣品約10 cm高，同時對準(zhǔn)中心倒落，換方向重復(fù)操作5次；平攤樣品成正方形，畫出對角線，取出兩個對頂三角形的樣品，剩余樣品重復(fù)上述分取操作，直至剩余對頂三角形的樣品接近所需試樣質(zhì)量為止。

1.3.2 微波輻照對蟲卵孵化的抑制 根據(jù)馬自軍[20]的方法，修改如下：取輻照后各糧層深度的小麥樣品1 kg，于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中(T=25 ℃，RH=75 %)培養(yǎng)90 d，通風(fēng)間隔為6 h，光照間隔為8 h，記錄孵化完成的倉儲害蟲(包括幼蟲和成蟲)個數(shù)，統(tǒng)計間隔為15 d。

1.4 評價指標(biāo)

1.4.1 糧層溫度 將溫度檢測器探頭埋于各測溫糧層，每層5個測溫點(diǎn)(見圖2)，記錄輻照后各糧層深度的糧食實(shí)時溫度，糧食的初始溫度為20 ℃。

1.4.2 蟲卵孵化率 受精卵的成功孵化不僅受溫度、濕度等外界環(huán)境影響，還與卵自身健康程度密切相關(guān)，過量輻照能夠使蟲卵高溫失活，因此可以用來反映輻照對糧食籽粒中蟲卵孵化的抑制效果[21]。孵化率指受精卵的孵化比率，即：

(1)

圖2 糧層測溫點(diǎn)布置

式中：

Φ——蟲卵孵化率，%；

A1——孵化出成蟲的數(shù)量(本文中包括幼蟲)，個；

A——測試所用蟲卵的數(shù)量(本文用對照組A1代替)，個。

1.4.3 小麥含水量 含水量測定參照GB/T 24898—2010《糧油檢測 小麥水分含量測定》的近紅外法。取輻照后各糧層深度小麥樣品50 g，粉碎后過80目篩，含水量測定由MA-35型電子水分測定儀完成，溫度設(shè)定為130 ℃，時間為10 min。

1.4.4 小麥籽?；盍?/p>

(1) 電導(dǎo)率：電導(dǎo)率值測定根據(jù)王若蘭等[22]的方法(浸出液電導(dǎo)率測定法)，修改如下：取輻照后各糧層深度小麥樣品50粒，平行樣稱重質(zhì)量差≤0.01 g，沖洗后用濾紙吸干籽粒表面水，放入100 mL去離子水中，20 ℃恒溫浸泡24 h，測定浸出液的電導(dǎo)率為B；測出100 mL去離子水的電導(dǎo)率為A，則小麥浸出液的電導(dǎo)率為γ0=B-A[23]。籽粒遭受不良環(huán)境(高溫、振蕩或病原菌侵染)脅迫時，細(xì)胞膜完整性會受到損傷，出現(xiàn)膜透性增加和電解質(zhì)外滲，引起浸提液電導(dǎo)率增加。通過測定組織浸提液的電導(dǎo)率可以反映籽粒的受損傷程度，用相對電導(dǎo)率(γe)表示[24]。

相對電導(dǎo)率為測試材料活組織浸提液電導(dǎo)率(輻照前的浸提液電導(dǎo)率)與被殺死后浸提液電導(dǎo)率的百分比，即：

(2)

式中：

γe——相對電導(dǎo)率，%；

γ0——籽粒組織被殺死后浸提液電導(dǎo)率，μS/cm；

γ1——測試材料組織浸提液電導(dǎo)率，μS/cm。

(2) 發(fā)芽率：種子活力通常指種子發(fā)芽力，指種子在適宜條件下發(fā)芽并長出正常幼苗的能力，極端環(huán)境(如高溫)會破壞籽粒的胚組織，影響籽粒萌發(fā)，通過測試籽粒發(fā)芽情況，可以反映籽粒胚組織的受損傷程度，用發(fā)芽率η表示[25]。發(fā)芽率測定參照GB/T5520—1985《糧食、油料檢驗(yàn) 種子發(fā)芽試驗(yàn)》。取輻照后各糧層深度小麥樣品100粒，以籽粒長1～2倍間距擺放于鋪有1cm厚、濕細(xì)砂的培養(yǎng)皿中，20 ℃恒溫培養(yǎng)7d，保持通風(fēng)，記錄正常出芽個數(shù)。正常發(fā)芽種子：幼根達(dá)種子長，幼芽至少達(dá)1/2粒長，且側(cè)根發(fā)育正常；非正常發(fā)育種子：幼根或幼芽殘缺、畸形或腐爛，幼根顯著萎縮或中間呈纖維狀，幼芽水腫狀。

發(fā)芽率指在規(guī)定時間內(nèi)全部正常發(fā)芽的種子粒數(shù)占供檢種子粒數(shù)的百分率，用η表示：

(3)

式中：

η——發(fā)芽率，%；

M1——規(guī)定天數(shù)內(nèi)正常發(fā)芽的種子粒數(shù)，個；

M——供試種子粒數(shù)，個。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧層溫度變化

由圖3可知，微波能夠透過的糧層深度為7～10cm，受小麥導(dǎo)熱系數(shù)的影響，超過微波透過深度，糧食溫度降低明顯；1kW功率，輻照90s內(nèi)，糧食溫度低于60 ℃，籽粒外觀沒有變化，輻照150s時糧層表面籽粒出現(xiàn)異味。2kW功率，輻照60s內(nèi)，糧食溫度低于60 ℃，糧層表面籽粒開始出現(xiàn)異味的輻照時間為120s。因保持糧食品質(zhì)的溫度要求[26]為≤60 ℃，故本試驗(yàn)的可行條件為：1kW功率、輻照時間少于90s，2kW功率、輻照時間少于60s。

2.2 蟲害抑制效果

由圖4可知，1kW功率，輻照90s以上對蟲卵孵化抑制效果顯著(P<0.05)，根據(jù)2.1中結(jié)論和式(1)，輻照90s，糧層深度7cm內(nèi)蟲卵0孵化；2kW功率，輻照60s以上對蟲卵孵化抑制效果顯著(P<0.05)，輻照60s，糧層深度7cm內(nèi)蟲卵0孵化。試驗(yàn)中孵化出的成蟲主要是米象和麥蛾，極少量赤擬谷盜，因此推斷：1kW功率輻照90s、2kW功率輻照60s的輻照條件可以抑制糧食籽粒中以米象、麥蛾蟲卵為主要蟲卵的孵化。相比王殿軒等[14-15]輻照致死糧層表面蟲害的方法，本處理方法能夠同時處理7cm深度糧層，處理更高效。

2.3 小麥含水量變化

由圖5可知，糧層深度小于3cm，籽粒含水量低于對照組，表面糧層籽粒含水量最低。1kW功率，表面糧層經(jīng)輻照后籽粒含水量顯著低于對照組(P<0.05)，且不同處理時間差異顯著(P<0.05)；糧層深度3cm處，輻照時間少于90s籽粒含水量值相比對照組差異不顯著。2 kW功率，表面糧層經(jīng)輻照后籽粒含水量顯著低于對照組(P<0.05)，且不同處理時間差異顯著(P<0.05)；糧層深度3 cm處，輻照時間少于60 s籽粒含水量值相比對照組差異不顯著。表明1 kW功率輻照90 s、2 kW功率輻照60 s的輻照條件對表面糧層以外的籽粒含水量不產(chǎn)生顯著性影響。

圖3 不同時間輻照后糧層溫度變化

圖4 不同時間輻照后蟲害抑制效果

圖5 不同時間輻照后籽粒含水量變化

2.4 電導(dǎo)率值變化

由圖6可知，輻照后糧層深度5 cm內(nèi)籽粒的相對電導(dǎo)率值高于對照組，且糧層表面相對電導(dǎo)率值最高。1 kW功率，輻照時間少于90 s，糧層表面籽粒相對電導(dǎo)率值相比對照組差異不顯著(P>0.05)，說明籽粒組織細(xì)胞未出現(xiàn)顯著性破壞；2 kW功率，輻照時間小于60 s，糧層表面籽粒相對電導(dǎo)率值相比對照組差異不顯著(P>0.05)，籽粒組織細(xì)胞也未出現(xiàn)顯著性破壞。說明1 kW功率輻照90 s、2 kW功率輻照60 s的輻照條件對籽粒組織細(xì)胞沒有顯著破壞。

2.5 發(fā)芽率變化

由圖7可知，輻照后糧層深度3 cm內(nèi)籽粒發(fā)芽率低于對照組，糧層表面發(fā)芽率最低。1 kW功率，輻照時間少于90 s，糧層表面籽粒發(fā)芽率相比對照組未出現(xiàn)顯著降低(P>0.05)；2 kW功率，輻照時間少于60 s，糧層表面籽粒發(fā)芽率相比對照組差異不顯著(P>0.05)。說明1 kW功率輻照90 s、2 kW功率輻照60 s的輻照條件對籽粒發(fā)芽率沒有影響。

3 結(jié)論

微波能夠透過的糧層深度為7～10 cm，1 kW微波源，90 s為抑蟲效果最佳的輻照時間，2 kW微波源，輻照60 s抑蟲效果最佳，此條件下，微波透過糧層糧食溫度低于60 ℃，籽粒外觀沒有變化，籽粒內(nèi)部以米象、麥蛾蟲卵為主要蟲卵的孵化率為0；輻照并未影響籽?；盍Γ蚜０l(fā)芽率和相對電導(dǎo)率相比對照組沒有顯著變化，僅使糧層表面籽粒含水量降低。輻照除蟲替代藥物熏蒸除蟲，使除蟲更環(huán)保，儲糧更安全，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

圖6 不同時間輻照后相對電導(dǎo)率值變化

圖7 不同時間輻照后發(fā)芽率變化

本試驗(yàn)所用方法的工作效率較王殿軒等[14]輻照除蟲方式(640 W、20 s)分別提高2.5倍和3.5倍。若將本試驗(yàn)裝置的輸送帶寬度提高到1.5 m，則用于實(shí)際生產(chǎn)中的工作效率可提高11.3倍。本試驗(yàn)所用方法經(jīng)隧道式微波輻照機(jī)輻照后表層籽粒含水量會有降低，因此，今后研究需改進(jìn)進(jìn)料方式或輻照機(jī)結(jié)構(gòu)以減少籽粒輻照失水。

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Study on inhibiting effect on egg hatching in grain storage by using microwave irradiation

LIU Jin-guang1,2XIONGXu-bo3WANGShi-qing1,2ZHANGYan1,2JIANGWen-li1,2

(1.FoodScienceandEngineeringCollege,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao,Shandong266109,China;2.QingdaoKeyLabofModernAgriculturalQualityandSafetyEngineering,Qingdao,Shandong266109,China;3.QingdaoAoweikangBiologicalEngineeringTechnologyCo.Ltd,Qingdao,Shandong266109,China)

In order to solve the pollution problems of chemical fumigation pest which commonly used in grain storage currently, based on the principle of thermal physics, microwave irradiation was used to inhibit egg hatching in grain. Through changing the microwave power and irradiation time, the relationship between the factors including microwave properties, grain temperature and grain vigor, and hatchability of eggs were found. The results showed that the effect depth of microwave was 7-10 cm, and the best time of irradiation was 90 s at 1 kW and 60 s at 2 kW, with no change on the grain appearance. Moreover, the hatchability of eggs, mainlyS.oryzaeand cerealella, inside the seed was 0%. Irradiation had a less effect on seed viability, and no obvious changes was observed in germination percentage and relative electrical conductivity. The irradiation could significantly affect the moisture content of surface, but the others were less influenced. The results can provide some helpful information for the application of the irradiation in inhibiting the egg hatching in grain during storage.

microwave irradiation; inactivation of egg; seed vigor; grain quality; grain storage

國家自然基金項(xiàng)目(編號：31271963)

劉金光，男，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。

王世清(1961—)，男，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，博士。

E-mail：wangshiqing@126.com

2016-01-29