微波、红外和超声处理用于赤拟谷盗杀虫：食品基质对杀虫效果及品质的影响

《Food and Bioproducts Processing》：Microwave, Infrared, and Ultrasound Processing for Confused Flour Beetle ( Tribolium confusum Jacquelin du Val) Disinfestation: Effects of Food Matrix on Efficacy and Quality

　　

摘要

物理加工技术为储粮害虫管理提供了无残留的替代方案，但其效果和食品质量的影响因食物基质而异。本研究比较评估了微波（MW）、红外（IR）和超声（US）处理对小麦、碎小麦、荞麦、扁豆和鹰嘴豆中成虫杂粉虫（Tribolium confusum）的灭活效果，同时评估了温差（ΔT）、水分含量和色差（C?）的变化。微波处理在360–900 W下处理10–40秒，红外处理在50–90 °C下处理180–300秒，超声处理在50–90 °C下以100 W、25 kHz频率处理600–1800秒。采用全因子广义线性模型、主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）对响应进行了分析。处理严重程度的增加通常会提高成虫死亡率，在某些高强度组合下死亡率很高或完全灭活，但不同技术和基质之间的理化响应存在显著差异。所有技术的死亡率均表现出显著的基质相关交互作用，证实了效果取决于食物基质和处理条件。微波可实现快速灭活，但在较高严重程度下会导致明显的热效应和基质依赖性理化变化。红外在较高的温度-时间组合下达到了高死亡率，其温差（ΔT）的交互结构相对简单。超声在某些高强度条件下也产生了高死亡率；然而，由于未包含温度匹配的非超声对照，这些响应代表的是声热联合作用，而非单独归因于超声的效果。主成分分析显示，前两个主成分解释了总方差的73.6%，死亡率和温差（ΔT）构成了主要的响应维度。总体而言，结果支持选择针对技术和基质特性的效果-质量加工窗口，而非仅基于最大死亡率选择处理方式。

引言

收获后虫害仍然是谷物和豆类储存和保存中的主要挑战。储粮害虫通过直接取食造成定量损失，并可能降低储藏商品的商业、营养和加工质量（Guru等，2022；Paul等，2020）。因此，有效管理这些害虫是收获后质量保存和粮食安全的重要组成部分。传统的化学杀虫剂和熏蒸剂因其有效性和使用便利性而被广泛用于储粮害虫管理。然而，对化学残留、环境影响、法规限制和害虫抗药性发展的担忧增加了对物理和非化学替代方案的兴趣（Daglish等，2018；Moirangthem和Baik，2021）。在这些替代方案中，微波（MW）、红外（IR）和声学或超声（US）处理因其可以在不使用传统化学杀虫剂的情况下提供害虫控制而受到关注。

微波加工已广泛研究用于储藏谷物和豆类的害虫防治。商品吸收的电磁能可以产生快速加热，害虫死亡率通常随着微波功率和暴露时间的增加而增加（Das等，2013；Vadivambal等，2007；Yadav等，2014）。重要的是，杂粉虫对微波的敏感性也已在小麦和面粉中得到了证明（Watters，1976）。然而，增加处理严重程度可能会改变商品温度、水分含量、颜色和其他质量特性，这些效果的幅度可能因食物基质而异（Hassan等，2021）。红外辐射通过将辐射能传递给商品和害虫提供了另一种物理防治方法。先前使用无焰催化红外研究已证明储粮害虫的大量死亡，包括谷象（Sitophilus oryzae）和红杂粉虫（Tribolium castaneum），同时适当选择的治疗可以限制小麦质量特性的不希望变化（Khamis等，2011a、2011b、2011c）。这些发现表明红外效果严重依赖于处理条件，并且害虫控制必须与商品质量响应一起考虑。声学和基于超声的方法在储粮害虫管理中受到的关注相对较少。实验研究表明，声学暴露可能会影响储粮害虫的行为、组织完整性或存活率，尽管响应取决于频率、暴露条件、害虫种类和发育阶段（Jinham等，2012；Awal等，2025；Sehsah等，2025）。在食品加工系统中，超声可能还会与高温结合使用，这使得区分观察到的处理效果和专门针对非热机制的假设变得很重要。尽管对这些物理杀虫技术的兴趣日益增加，但先前的研究通常分别调查特定商品中的微波、红外或声学/超声处理，由于处理强度、暴露时间、能量传递机制和实验配置因研究而异，使得跨技术解释变得困难。因此，现有的文献在三种技术在共同的实验框架内进行评估时，处理效果和相关质量响应的差异是否在不同食物基质中始终存在的信息有限。本研究不假设微波、红外和超声处理之间的能量等价性；相反，它在相同的食物基质和响应变量集合中比较其特定的效果-质量响应模式。食物基质在组成、结构、水分分布、几何形状和能量传递特性方面存在差异，可能会改变杀虫效果和由处理引起的理化变化。因此，对一种商品有效的处理条件不一定能直接转移到另一种商品。因此，基质依赖性分析提供了关于食物基质特性如何在不同物理加工条件下改变处理效果、热响应和相关理化变化的见解。从实际角度来看，将死亡率与温差（ΔT）、水分含量和色差（C?）一起评估，为确定针对技术和基质的效果-质量加工窗口提供了基础，而不是仅基于最大死亡率选择处理。此外，许多杀虫研究强调死亡率作为主要终点，而实际过程开发需要同时考虑效果和商品质量响应。因此，本研究的目的比较评估微波、红外和超声处理对五种食物基质——小麦、碎小麦、荞麦、扁豆和鹰嘴豆——中成虫杂粉虫（T. confusum）的物理灭活，并确定食物基质、处理强度和暴露时间如何影响害虫死亡率及选定的理化响应。温差（ΔT）、水分含量和色差（C?）与死亡率一起评估，采用全因子和多变量分析来表征基质依赖性交互作用和综合的效果-质量响应模式。该研究旨在为确定针对技术和基质的加工窗口提供基础，这些窗口在实现有效害虫控制的同时限制不良理化变化。

章节片段

害虫种类

杂粉虫（Tribolium confusum Jacquelin du Val）在本研究中用作测试害虫。成虫从土耳其卡拉曼马拉什苏丹恰伊姆普大学农业工程系维持的实验室培养中获得。培养物在28±2 °C和65±5%相对湿度（RH）的受控条件下维持。从培养物中选择发育阶段相当的健康活跃成虫用于实验。

微波处理

微波处理对成虫杂粉虫死亡率、温差（ΔT）、水分含量和色差（C?）产生了明显的、基质依赖性的变化（表1）。微波功率和暴露时间的增加通常会增加处理严重程度，尽管响应幅度在小麦、碎小麦、荞麦、扁豆和鹰嘴豆之间有所不同。死亡率从温和条件下的部分灭活快速过渡到若干较高功率-时间组合下的近乎完全或完全死亡。在

结论

本研究证明，在小麦、碎小麦、荞麦、扁豆和鹰嘴豆中对成虫杂粉虫进行物理灭活期间，微波、红外和超声处理产生了明显且强烈依赖基质的效果-质量响应。在所研究的加工条件下，处理严重程度的增加通常会提高害虫死亡率，但温差（ΔT）、水分含量和色差（C?）的相关变化在不同技术和食物基质之间差异很大。全因子

未引用参考文献

(Abed等，2023；Kesba等，2026；Khamis等，2011；Kooner等，2023；Purohit等，2013；Shayesteh和Barthakur，1996；Srivastava和Mishra，2021)

CRediT作者贡献声明

Ali YILMAZ：写作 – 审阅与编辑、原创草稿写作、可视化、方法学、形式分析、数据整理、概念化。Mustafa BAYRAM：写作 – 审阅与编辑、指导、项目管理、调查、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本论文报告的工作

致谢

研究人员感谢加济安泰普大学科学研究项目协调单元对编号为MFDT.2417的项目提供的资金支持

利益冲突声明

研究人员声明他们没有任何竞争性财务或个人联系，这些可能影响本手稿中报告的工作。

Ali YILMAZ | Mustafa BAYRAM

加济安泰普大学工程学院食品工程系，27310加济安泰普，土耳其