Green Disinfestation Strategies for Different Stored Grains: Microwave, Infrared and Ultrasound Inactivation of the Red Flour Beetle (Tribolium castaneum Herbst)

Jedes Jahr stiehlt ein stiller Dieb aus den Nahrungsvorräten der Welt. Lange bevor ein Korn Weizen oder eine Linse eine Küche erreicht, ist es anfällig für Insekten, die in gelagerten Ernten leben und sich darin vermehren. Unter den hartnäckigsten dieser Schädlinge ist der Rotbraune Mehlkäfer, ein kleines Insekt, das in Lagern und Silos gedeiht, Getreide verzehrt und Rückstände hinterlässt, die den Geschmack, den Geruch und die Sicherheit des Lebensmittels ruinieren. Jahrzehntelang war die Standardabwehr gegen diese Schädlinge die chemische Begasung, ein Prozess, bei dem Lagerstätten mit toxischen Gasen gefüllt werden, um die Insekten zu töten. Dieser Ansatz wird jedoch immer weniger praktikabel. Viele Insektenpopulationen haben eine Resistenz gegen diese Chemikalien entwickelt, und die zurückbleibenden Rückstände stellen Risiken für die menschliche Gesundheit und den internationalen Handel dar. Während die Welt nach sichereren, saubereren Wegen sucht, um Lebensmittel zu schützen, wenden sich Wissenschaftler an physikalische Kräfte – Hitze und Schall –, um die Aufgabe ohne Gift zu bewältigen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher drei spezifische physikalische Methoden gegen den Rotbraunen Mehlkäfer bei fünf verschiedenen Arten von gelagertem Getreide: Weizen, Bulgur, Buchweizen, Linse und Kichererbse. Das Team der Gaziantep-Universität wollte sehen, ob sie die Käfer mithilfe von Mikrowellen, Infrarotlicht und Ultraschall töten könnten, während das Getreide selbst sicher genießbar bleibt. Sie betrachteten nicht nur, ob die Insekten starben; sie maßen auch sorgfältig, wie diese Behandlungen die Feuchtigkeit, die Farbe und die Temperatur des Getreides veränderten. Das Ziel war es, ein Gleichgewicht zu finden, bei dem der Schädling eliminiert wird, aber das Lebensmittel eine hohe Qualität behält.

Die erste getestete Methode war die Mikrowelle. Diese Technologie funktioniert, indem sie die Wassermoleküle im Inneren des Korns und des Insekts schnell vibrieren lässt, wodurch von innen nach außen Hitze erzeugt wird. Die Forscher setzten Getreideproben, die Käfer enthielten, Mikrowellenenergie bei verschiedenen Leistungsstufen von 360 bis 900 Watt für kurze Zeitspannen zwischen 10 und 40 Sekunden aus. Die Ergebnisse waren verblüffend schnell. Bei den höchsten Leistungseinstellungen starben die Käfer innerhalb von 30 bis 40 Sekunden vollständig ab. Die erzeugte Hitze war intensiv und brachte die Temperatur des Getreides in einigen Fällen um bis zu 90 Grad Celsius ansteigen. Während diese schnelle Erwärmung äußerst effektiv beim Töten der Insekten war, führte sie auch dazu, dass das Getreide etwas seiner Feuchtigkeit verlor. Die Forscher fanden heraus, dass das Getreide umso trockener wurde, je länger es exponiert war und je höher die Leistung war. Trotz dieses Trocknungseffekts änderte sich das visuelle Erscheinungsbild des Korns kaum, was darauf hindeutete, dass das Lebensmittel für die Verbraucher noch akzeptabel aussehen würde.

Der zweite Ansatz beinhaltete Infrarotstrahlung, die die Oberfläche von Objekten erwärmt, ähnlich wie die Sonne die Haut wärmt. In diesem Teil der Studie wurden die Getreideproben unter einen Infrarotheizer gelegt und Temperaturen von 5 0, 70 und 90 Grad Celsius für Zeiträume von drei bis fünf Minuten ausgesetzt. Im Gegensatz zur Mikrowelle, die das Innere des Korns schnell erhitzt, erwärmte die Infrarotmethode die Oberfläche wesentlich gradueller. Die Käfer starben mit einer Rate, die stark von der Temperatur und der Dauer ihrer Exposition abhing. Bei 90 Grad Celsius wurden die Insekten nach etwa vier Minuten vollständig eliminiert. Diese Methode trocknete das Getreide ebenfalls aus, aber die Forscher beobachteten, dass die Farbe der Lebensmittel bemerkenswert stabil blieb. Das Getreide wurde nicht braun oder sah verbrannt aus, selbst nachdem die Käfer tot waren. Dies deutet darauf hin, dass die Infrarotheizung ein sanfter Weg zur Entwesung von Getreide sein könnte, das empfindlich auf Veränderungen des Aussehens reagiert.

Die dritte Methode war Ultraschall, der hochfrequente Schallwellen nutzt, um mechanischen Stress und winzige Blasen zu erzeugen, die lebende Zellen schädigen können. Die Forscher platzierten das Getreide und die Käfer in Ziploc-Beuteln, die dann in ein Ultraschallbad bei Temperaturen von 50, 70 und 90 Grad Celsius getaucht wurden. Dieser Prozess dauerte viel länger als die beiden anderen Methoden und erforderte Expositionszeiten zwischen 10 und 30 Minuten. Bei der niedrigeren Temperatur von 50 Grad reichte der Ultraschall allein nicht aus, um die Käfer zu töten, selbst nach langer Zeit. Wenn jedoch die Temperatur auf 70 oder 90 Grad erhöht wurde, wurde die Kombination aus Schall und Hitze tödlich und tötete alle Insekten innerhalb von 20 bis 30 Minuten. Der Vorteil dieser Methode war, dass sie die geringsten Veränderungen am Getreide selbst verursachte. Der Feuchtigkeitsgehalt und die Farbe der behandelten Körner blieben sehr nah an ihrem ursprünglichen Zustand, was sie zu einer vielversprechenden Option für die Erhaltung der Qualität des Lebensmittels macht, vorausgesetzt, der Prozess kann für die großflächige Anwendung beschleunigt werden.

Eine zentrale Erkenntnis der Studie war, dass nicht alle Getreidearten gleich auf diese Behandlungen reagierten. Die physische Struktur des Korns spielte eine Rolle. Kleinere, leichtere Körner wie Buchweizen und Linse absorbierten die Energie von Mikrowellen und Infrarotheizern effizienter, was zu einer schnelleren Erwärmung und einem schnelleren Tod der Insekten führte. Im Gegensatz dazu benötigten dichtere Körner wie Weizen und Kichererbsen längere Expositionszeiten, um die gleichen tödlichen Temperaturen zu erreichen. Dieser Unterschied verdeutlicht, dass eine einzige Einstellung nicht für jede Art von Lebensmittel funktionieren kann; die Behandlung muss auf die spezifische Getreideart zugeschnitten sein.

Die Forscher analysierten auch die Beziehung zwischen den Behandlungsbedingungen und dem Ergebnis. Sie fanden heraus, dass sowohl für Mikrowellen als auch für Infrarotwärme die erreichte Temperatur und die Dauer der Exposition die entscheidenden Faktoren für das Töten der Käfer waren. Es bestand ein klarer Zusammenhang zwischen der Hitze, die das Getreide erreichte, und der Anzahl der sterbenden Insekten. Die Studie bestätigte auch, dass diese physikalischen Methoden zwar effektiv sind, das Getreide jedoch leicht verändern. Sowohl Mikrowellen als auch Infrarotwärme reduzierten den Feuchtigkeitsgehalt, was die spätere Lagerung oder Verarbeitung des Getreides beeinflussen könnte. Die Veränderungen in der Farbe waren jedoch über alle Methoden hinweg minimal, was bedeutet, dass das Lebensmittel nicht verdorben oder unansehnlich aussehen würde.

Letztendlich zeigt die Studie, dass es möglich ist, den Rotbraunen Mehlkäfer ohne den Einsatz von chemischen Giften zu eliminieren. Jede der drei getesteten Methoden bietet ein anderes Set an Kompromissen. Mikrowellen sind am schnellsten und töten Insekten in Sekunden, bergen aber das Risiko einer schnellen Austrocknung. Infrarotwärme bietet eine gleichmäßigere Erwärmung, die das Aussehen des Korns bewahrt, aber einige Minuten Expositionszeit erfordert. Ultraschall ist am schonendsten für die Qualität des Getreides, benötigt aber die längste Zeit und hohe Temperaturen, um wirksam zu sein. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass diese Technologien praktikable Alternativen zur chemischen Begasung sind, aber ihr Erfolg davon abhängt, die Einstellungen sorgfältig auf die jeweilige Getreideart abzustimmen. Indem man die richtige physikalische Kraft auf das richtige Lebensmittel abstimmt, kann es möglich sein, die weltweiten Getreidevorräte vor Schädlingen zu sichern und gleichzeitig die Lebensmittel sicher, sauber und frei von chemischen Rückständen zu halten.