结构空间热处理杀虫技术应用进展

吕建华 张豫麒 康宇龙

(河南工业大学粮油食品学院粮食储藏与安全教育部工程研究中心，郑州 450001)

在粮食储藏环境、粮食及食品加工场所中时常发生储粮害虫的危害，对储粮品质和数量产生不利影响，造成了巨大的经济损失[1]。粮食及食品加工场所害虫的发生一直是困扰我国粮食加工行业健康发展的重要问题，每年因害虫为害引发的投诉问题长期得不到彻底解决。目前国内外主要使用化学防治方法控制储粮害虫。但是由于长期不合理使用化学药剂，害虫产生了严重的抗药性，并且还伴随着农药残留、环境污染、人畜中毒等负面问题[2-7]，迫使人们寻求一种安全、高效、可持续、环境友好的害虫防治方法来替代化学防治。

热处理杀虫技术对环境安全、高效、无残留，被认为是可持续的非化学防治方法，用于控制储藏物中的害虫和螨类[8,9]。由于储藏物害虫生活在可以人为控制的环境，因此可以通过对储藏物害虫栖息地温度的控制减缓害虫种群增长或将其完全杀灭[10,11]。在开展热处理杀虫时一般将储粮空仓、粮食及食品加工场所空间温度加热升高到50～60 ℃，并保持该温度24～36 h以杀死其中存在的害虫[12-14]。

本文综述了结构空间热处理杀虫技术的发展历史、基本原理、实施方法、技术要求以及优缺点等，以期为今后高效实施结构空间热处理杀虫及开展相关研究提供参考。

1 热处理杀虫技术的发展历史

利用热处理杀虫有较长历史。1762年，法国学者记录了用热处理来控制储藏物害虫，在麦蛾Sitotrogacereallela(Oliver)严重爆发时，使用烤箱在69 ℃下加热3 d，可以消灭谷物中麦蛾幼虫。1885年，美国使用热处理方式防治储藏物害虫[15]。美国农业部昆虫局的工作人员和各州的昆虫学家对这种方法进行了测试，发现热处理是一种高效、成本低廉且对人没有危害的杀虫方法。Dean[8]提供了工厂使用高效热处理的温度相关数据，鼓励食品加工厂使用这项技术。虽然许多工厂开始使用热处理，但由于加热会在一定程度上损坏工厂的木制地板、设备和生产线，并且在实际热处理中无法达到和保持理想的温度[16-18]，这项技术很快就被氰化氢、氯化苦和溴甲烷等廉价熏蒸剂熏蒸杀虫处理取代[19]。

21世纪初，随着工厂建筑和配套设施设备设计的进步以及溴甲烷从市场上淘汰、化学杀虫剂引起严重的环境污染、农药残留及害虫抗药性等负面影响，人们重新对在食品加工场所中使用热处理杀灭储藏物害虫产生了兴趣[20,21]，甚至在某种情况下热处理杀虫已成为食品加工场所中防治储藏物害虫的理想选择。目前，在北美洲、欧洲和澳洲已被广泛应用于杀灭空仓和食品加工厂中的害虫[22,23]。

2 热处理杀虫的基本原理

昆虫是变温动物，其体温随着环境温度的变化而变化，新陈代谢的速率和运动行为必然受环境温度的影响[22]。昆虫在一定的温度范围内正常生存、发育和繁殖，当温度低于或高于一定的温度时，昆虫不能正常发育。极端低温和高温均会导致昆虫大量死亡。当温度高于最适宜生存和发育温度时，昆虫的生长发育就会受到抑制[24]。当温度在40 ℃以上时，大多数昆虫表现出热休克，并最终在长时间暴露下死亡。一般来说，储藏物昆虫暴露在40 ℃下24 h内就会死亡，暴露在60 ℃下30 s内即会死亡。根据昆虫的生命活动情况，影响昆虫生命活动的温度范围被划分为5个温区：致死高温区、亚致死高温区、适宜温区、亚致死低温区、致死低温区(图1)[24]。

图1 储藏物昆虫温区的划分

在亚致死高温范围内，昆虫各种代谢过程的速度不一致，表现出热昏迷状态。随着处理时间的延续，亦会导致昆虫死亡。昆虫的死亡取决于高温的程度和持续时间。该温区的温度一般在40～50 ℃。在致死高温范围内，昆虫经短时兴奋后即死亡。这是由于高温直接破坏酶系的作用，甚至蛋白质遭到破坏[22]。这一破坏过程是不可逆的。对于储藏物昆虫而言，该温区的温度为50 ℃以上。

3 结构空间热处理杀虫的实施方法

3.1 结构空间热处理杀虫的加热方式

利用固定式或移动式的加热器产生高温气体，经风机输入到处理环境中，使处理空间环境温度达到50～60 ℃，并维持24～36 h，达到杀虫的目的[25-27]。一般采用蒸汽加热、电加热和燃气加热3种方式。蒸汽加热成本较低，但升温较慢。电加热升温较快，使用方便，但成本较高。燃气加热升温较快，成本适中[28]。为保证处理环境加热的均匀性，必要时可在处理环境中设置风机或通风管道，帮助热空气循环以加速其均匀分布。

3.2 结构空间热处理杀虫的设备

热空气处理杀虫使用设备主要有蒸汽加热器、燃气加热器和电加热器。蒸汽加热使用的加热器有固定式加热器和移动式加热器两种类型。许多食品加工厂中通常配备有固定式加热锅炉或移动式加热锅炉用于生产[29]，这些蒸汽加热锅炉可以作为加热器提供热空气处理杀虫过程中的热源。另外，一些食品加工厂配有固定式蒸汽加热器或便携式低压蒸汽加热器提供足够的热量进行热空气处理杀虫[29-31]。蒸汽加热需要通过专用管道或者软管将热蒸汽输送到需要进行杀虫处理的空间。蒸汽是用于热空气处理杀虫过程中成本最低的加热方式，但由于其杀虫处理需要的时间较长，特别是固定式蒸汽加热器需要占据一定的生产空间，这种加热方式实践中使用较少。

燃气加热器是热空气处理杀虫处理中比较常用的加热方式[24，30,31]。在进行热空气处理杀虫时，燃气加热器将加热后的空气输送到需要进行杀虫处理的场所空间，热空气处理场所空间内的空气每小时交换4～6次。这种加热方式一般使用天然气或丙烷作为燃料，加热效率高，使用成本适中，在热空气处理杀虫实践中使用较多。

当使用电或蒸汽加热器时，被处理空间空气交换的次数是每小时1～2次。燃气加热能够使热量到达建筑物空间和加工设备的缝隙，比电加热器或蒸汽加热器穿透性好。由于在燃料燃烧过程中会有明火，所以燃气加热器通常被放置在设施外，通过特制的尼龙管道将热力输送到设施内。电加热器使用成本最高[29]，所以一般在小规模的实验中使用[32]。

3.3 结构空间热处理杀虫的基本过程

热处理杀虫基本过程为：对整个将要进行热处理杀虫的空间环境彻底清理，清除各种设施设备管道内部、地板上面残留的粉尘、粮粒等残留物[33]；移除不耐热的设施设备或零部件；对整个将要进行热处理杀虫的空间进行密封处理；实施热处理杀虫，通过监测不同部位环境温度及其持续时间确保彻底杀虫[33]；解除密封，进行散热降温[29]；恢复原来的设施设备工作状态，完成热处理杀虫过程。

3.4 结构空间热处理杀虫的技术条件及要求

进行热处理杀虫时，热处理温度在处理空间内有水平和垂直分布的趋势。因此在热空气处理过程中保证加热环境的空气循环至关重要。良好的空气循环可以使热量在环境中分布均匀，消除低于杀虫温度的区域，并避免局部过热造成的损失[29]。进行热空气处理杀虫时一般在处理空间内的不同位置、不同楼层合理摆放风扇，促进空气循环，使空间热量均匀分布。在热空气处理期间，应根据实际温度分布情况移动风扇，促使热空气处理向温度低于50 ℃的区域流动。

热空气处理杀虫的有效性取决于热空气处理区域是否达到设定致死温度(50～60 ℃)并保持足够的时间[34,35]。在热空气处理过程中，被处理设施空间内部温度的水平和垂直分层导致热量分布不均匀，可能造成某些部位过热或加热不足[36-38]。过热可能会损坏设施空间内部的热敏设备，加热不足可能导致昆虫在热空气处理后仍然存活。一般来说，如果没有适当的加热能力和空气循环，在地板、房间角落和地板墙壁连接处附近很难达到致死温度(50～60 ℃)[39]。昆虫倾向于从温度较高的地区迁移到温度较低的地区，以避免过度失水而死亡[5]。Mahroof等[12]研究了热空气处理过程中小麦粉厂和饲料厂的空间温度变化，以及温度变化对赤拟谷盗各个发育阶段死亡率的影响，发现热空气处理空间存在水平和垂直的温度分层，空气流动不好，加热器和热力输送管道摆放不佳，门窗、地板、屋顶通风口密封不严会造成热量损失，这些都可导致工厂内热力分布不均匀。因此，在热空气处理过程中定期监测处理空间不同位置的温度，并采取调整措施，通过使用额外的加热器、风扇合理地将热量从温度较高的地方重新分配到温度较低的地方是热空气处理成功的关键[40]。在热空气处理期间，昆虫暴露在逐渐升高的环境温度下，不同发育阶段的昆虫对逐渐升高温度的适应能力差异可能影响其随后的高温敏感性[41]。

在热处理过程中实时监测空间环境不同位置的温度是成功实施热空气处理杀虫的关键环节[42]。在整个加热和降温过程中，应每小时或更短的时间间隔来测量记录空间环境温度数据。欧美一些进行商业热空气处理杀虫的公司在热空气处理过程中，每隔1 h用手持式温度计测量空间环境内每一个角落的温度，一旦所有角落测量温度都达到50 ℃，就保持这个温度至少24 h[33]。在对空间环境必要的部位进行温度监测的同时，一般利用预设虫笼和在热空气处理后使用诱捕器来检验热空气处理的最终杀虫效果。研究表明，多数储藏物害虫在50 ℃左右的环境中短时间内便可彻底被杀死[10,43]。

3.5 结构空间热处理杀虫的注意事项

热处理杀虫应注意的问题包括几个方面：实施热处理前要做好整个空间的清洁卫生工作[42]；做好整个进行热处理杀虫的空间环境不同部位的温度监测，确保各个部位均达到预定杀虫温度[33]；防止局部温度过高对设施设备造成破坏，或达不到预定杀虫温度影响热处理效果；在不同部位预设虫笼，检测杀虫效果[29]；做好个人防护，避免高温对身体的不利影响[35]。

4 热处理与其他方法的联合使用

热处理也可以与其他技术结合起来用于防治储藏物害虫。与单独使用某种技术相比，相互结合使用能够显著提高杀虫效果。在温度为50 ℃的环境中使用硅藻土，可以杀死全部赤拟谷盗成虫[44]。氟氯氰菊酯和生长调节剂烯虫酯在热处理过程中的有效性不受影响，并可增强其对赤拟谷盗的作用效果[45]。在商品检疫处理的过程中也可以使用冷热结合的处理方式杀灭害虫[46]。在环境温度或典型储存温度下进行气调(Controlled atmospheres，CA)杀虫处理通常需要几天时间才能完全控制节肢动物害虫，而在高温条件下，则仅需要数小时即可达到控制效果[47]。

5 热处理杀虫技术的优点和局限性

热处理杀虫技术对环境友好，操作简单，对工作人员几乎没有风险。在欧美等国使用杀虫剂需要得到有关管理机构的批准，而热处理杀虫处理则不需要通过监管机构注册。与熏蒸杀虫相比，热处理杀虫适用于整个工厂或局部区域，在对某个车间进行热处理杀虫时其他车间也能正常运作[29]。虽然热处理杀虫有许多优点，但这项技术也有一些局限性。一是热处理的成本较高；二是热量分布不均，不能很好地渗透到储藏物产品内部[10,43]；三是加热可能使小麦粉厂中的塑料和木材制品、传输带和轴承等损坏，影响建筑物结构的完整性[18]；四是高温可能导致电子设备损坏，在进行热处理杀虫时应加以妥善保护[29]。因此，在热处理前需要进行大量的清洁卫生工作。在热处理过程中，必须将残留产品从设备中移出，以防止害虫将其作为庇护所逃脱热处理过程。

6 结论与展望

储粮害虫的生存空间多为人为环境，且昆虫对环境温度的变化最为敏感，在此环境中人工调控生态因子控制害虫是一种有效、可行的手段。热处理杀虫技术作为一种操作简单、与环境相容性好、基于生态原理的害虫防治方法，近年来已重新成为世界储粮害虫防治领域的研究热点。在不考虑房屋结构和机械损伤的情况下，结构空间热处理杀虫技术是一种经济有效的杀灭空仓、粮食及食品加工厂中害虫的方法。今后，对于如何使热处理杀虫过程中结构空间不同部位的温度分布均匀、明确储粮害虫在热处理杀虫过程中的行为反应等问题需要进一步研究，为在实践中科学高效实施热处理杀虫技术提供理论支持。