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

毎年、ある静かな泥棒が世界の食料供給から盗みを働いています。小麦やレンズ豆の一粒が台所に届くずっと前から、それは貯蔵された収穫物の中に生息し、繁殖する昆虫の脅威にさらされています。これらの害虫の中でも特に執拗なのが赤粉甲虫（レッドフラワービートル）です。これは倉庫やサイロで繁殖する小さな昆虫で、穀物を食べ尽くし、食品の味や臭い、そして安全性を損なう廃棄物を残していきます。数十年にわたり、これらの害虫に対する標準的な防御策は化学的な燻蒸（くんじょう）でした。これは、昆虫を殺すために貯蔵エリアに毒性のガスを満たすプロセスです。しかし、この手法は実現可能性が低くなりつつあります。多くの昆虫の個体群がこれらの化学物質に対して耐性を発達させており、残留した成分は人間の健康や国際貿易へのリスクをもたらすからです。世界がより安全でクリーンな方法で食料を守ろうとする中で、科学者たちは毒を使わずにその役割を果たすため、物理的な力——熱と音——に目を向けています。

最近の研究において、研究者たちは、小麦、ブルグル、そばの実、レンズ豆、ひよこ豆という5種類の異なる貯蔵穀物に対し、赤粉甲虫に対する3つの特定の物理的手法をテストすることを目的としました。ガズィアンテップ大学を拠点とする研究チームは、穀物自体を食用として安全に保ったまま、マイクロ波、赤外線、および超音波を用いて甲虫を殺すことができるかどうかを検証したいと考えました。彼らは単に昆虫が死んだかどうかを見ただけではありません。これらの処理が穀物の水分量、色、温度をどのように変化させたかを注意深く測定しました。目標は、害虫を排除しつつ、食品の品質を高く維持できるバランスを見つけることでした。

最初にテストされた手法はマイクロ波です。この技術は、穀物と昆虫の内部にある水分子を急速に振動させ、内側から熱を発生させることで機能します。研究者たちは、甲虫を含む穀物のサンプルを、360から900ワットの異なる電力レベルで、10秒から40秒の短い時間、マイクロ波エネルギーにさらしました。結果は驚くほど迅速でした。最高出力の設定では、30〜40秒以内に甲虫は完全に死滅しました。発生した熱は強烈で、場合によっては穀物の温度を最大90度上昇させました。この急速な加熱は昆虫を殺すには非常に効果的でしたが、同時に穀物の水分を減少させる原因にもなりました。研究者たちは、穀物がさらされる時間が長く、出力が高くなるほど、穀物が乾燥することを発見しました。この乾燥効果にもかかわらず、穀物の見た目の変化はほとんどなく、消費者が手に取っても受け入れられる外観を維持していることが示唆されました。

2番目のアプローチは、太陽が肌を温めるのと同様に、物体の表面を加熱する赤外線放射を用いたものです。この研究部分では、穀物のサンプルを赤外線ヒーターの下に置き、3分から5分の期間、50、70、90度の温度にさらしました。内部を素早く加熱するマイクロ波とは異なり、赤外線による方法は表面をより緩やかに温めました。甲虫の死滅率は、温度と曝露時間に大きく依存していました。90度では、約4分後に昆虫は完全に排除されました。この方法も穀物を乾燥させましたが、研究者たちは食品の色が極めて安定していることを観察しました。加熱後も穀物が茶色くなったり焦げたりすることはありませんでした。このことは、赤外線加熱が、見た目の変化に敏感な穀物の防虫において、穏やかな方法になり得ることを示唆しています。

3番目の手法は超音波であり、高周波の音波を使用して機械的なストレスと、生細胞を損傷させる微細な気泡を作り出します。研究者たちは、穀物と甲虫をジップロック袋に入れ、それを50、70、90度の温度の超音波バスに浸しました。このプロセスは他の2つの方法よりもはるかに長く、10分から30分の曝露時間を必要としました。50度という低い温度では、超音波だけでは長時間経過しても甲虫を殺すには不十分でした。しかし、温度を70度または90度に上げると、音と熱の組み合わせが致命的となり、20〜30分以内にすべての昆虫を死滅させました。この方法の利点は、穀物自体への変化が最も少なかったことです。処理された穀物の水分量と色は元の状態に非常に近く、大規模な利用に向けてプロセスを迅速化できれば、食品の品質を維持するための有望な選択肢となります。

本研究の重要な発見は、すべての穀物がこれらの処理に対して同じように反応するわけではないということでした。穀物の物理的構造が重要だったのです。そばの実やレンズ豆のような小さく軽い穀物は、マイクロ波や赤外線ヒーターからのエネルギーをより効率的に吸収し、より迅速な加熱と素早い昆虫の死滅につながりました。対照的に、小麦やひよこ豆のような密度の高い穀物は、同じ致死温度に達するまでにより長い曝露時間を必要としました。この違いは、単一の設定ですべての食品に対応することはできず、処理は保護される特定の穀物に合わせる必要があることを浮き彫りにしています。

研究者たちはまた、処理条件と結果の関係についても分析しました。マイクロ波と赤外線熱の両方において、到達した温度と曝露時間が、甲虫を殺すための最も決定的な要因であることを発見しました。穀物がどれほど熱くなったかと、どれだけの数の昆虫が死んだかとの間には明確な関連がありました。研究はまた、これらの物理的手法は効果的である一方で、穀物をわずかに変化させることも確認しました。マイクロ波と赤外線熱はどちらも水分量を減少させ、これは後の穀物の貯蔵や加工に影響を与える可能性があります。しかし、色の変化はすべての手法において最小限であったため、食品が劣化したり魅力を失ったりすることはないという意味で、食品が不快に見えることはありません。

最終的に、この研究は、化学的な毒物を使用せずに赤粉甲虫を排除することが可能であることを証明しています。テストされた3つの手法はそれぞれ異なるトレードオフ（妥協点）を持っています。マイクロ波は最も速く、数秒で昆虫を殺しますが、急速な乾燥のリスクがあります。赤外線熱は、穀物の見た目を維持しながらより均一に温めますが、数分間の曝露を必要とします。超音波は穀物の品質に対して最も穏やかですが、時間がかかり、効果を発揮するために高温を必要とします。研究者たちは、これらの技術は化学的な燻蒸に代わる実行可能な選択肢であるが、その成功は各特定の穀物に合わせて設定を慎重に調整できるかどうかにかかっていると結論付けています。適切な物理的な力を適切な食品に一致させることで、食品を安全で清潔、かつ化学的な残留物のない状態に保ちながら、世界の穀物供給を害虫から守ることができるかもしれません。