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电子辐照在杀灭粮食虫害领域的应用研究王振清1杨景田2张虎1缪纯2（1.河南工业大学郑州粮油食品工程建筑设计院，2.清华大学科技园）摘要本文分析了化学熏蒸剂面临的存在的问题，介绍电子辐照粮食的杀虫灭菌机理和技术特征，阐述了辐照技术在粮食仓储业及植物检疫处理中的应用历史、现状及未来走势；简论在大型粮食集散地建立电子辐照处理设施的技术与经济可行性。关键词粮食辐照熏蒸杀虫电子束粮食及食品辐照研究始于20世纪40年代，迄今已有60多年研究应用历史。粮食辐照处理旨在杀灭粮食中的仓储害虫、霉菌及检疫性危险病菌、有害杂草籽实。达到减少储粮损失，防止外来生物入侵，控制人—动物共患疾病传播等多重目标。近年来，随着我国对植物检疫日趋严格，辐照法作为粮食检疫处理措施的重要性日益突出。1现有化学熏蒸技术的应用及存在问题进入新世纪，中国粮食仓储业面临许多新的问题和挑战。其中比较突出的就是常用化学熏蒸技术遇到的挑战。1.1常用的熏蒸剂使用情况（1）磷化氢常用的谷物及其加工产品熏蒸剂。自1936年来在世界上广泛应用，上个世纪六十年代在中国开始应用，至今仍是“王牌熏蒸剂”。（2）溴甲烷常用熏蒸剂，可以作为杀虫剂和消毒杀菌剂，1932年开始使用。对大气中的臭氧层有破坏作用。在中国常用于检疫害虫的熏蒸。（3）环氧乙烷（氧化乙烯，ETO）广泛用于消毒医疗用品和仪器，在中国也用于杀灭粮食检疫对象如小麦矮腥黑穗病（TCK）。但20℃以下反应缓慢或不反应，中国大部分地区不能常年使用。另外还有一些熏蒸剂在中国少量使用，如氯化苦、敌敌畏、氰氢酸等。1.2化学熏蒸技术面临的问题以上各种熏蒸剂都存在一种或几种不良性质，限制了它们的适用范围。目前只有磷化氢、氯化苦、敌敌畏、溴甲烷、环氧乙烷等少数几种熏蒸剂尚在一定范围使用。随着人们对自然界认识的加深和环保意识的增强，更多的熏蒸剂面临淘汰的命王振清，男，1956年生，教授级高工，从事粮食工程方面的研究工作。通讯地址：河南郑州市嵩山南路140号，电子信箱：HNZZWZHQ@163.COM。运。（1）环保因素比较典型的例子是溴甲烷。溴甲烷是破坏大气臭氧层物质（ODP），对大气臭氧层的破坏能力为0.7，包括中国在内120个国家参加的蒙特利尔协议呼吁限制和淘汰溴甲烷的应用。此外在用溴甲烷熏蒸作业时，粮食中会残留有机溴等潜在致癌物质。（2）熏蒸剂残留毒性因素上世纪八十年代前后的研究发现，环氧乙烷熏蒸处理后的粮食残留有毒物质。国内研究表明，用环氧乙烷熏蒸后的小麦，能检出有毒物质2-氯乙醇。国外研究表明，残留物中有1,2-乙二醇、2,2-氧化二乙醇、溴乙醇等有毒物质。国际上已经确认环氧乙烷是一种典型的诱变剂和致癌物。2000年2月，国际化学品临时评审委员会（ICRC）对环氧乙烷作出如下决定：“该化学品可用于农药、工业原料和医疗消毒，是一种明确的人类致癌物。”国际组织WHO/ILO/UNIP成立的环氧乙烷专家组也认为：“环氧乙烷是一种致癌物，在环境中应尽量维持在低水平。”目前，许多国家开始逐步禁用环氧乙烷。（3）虫害抗性增加的因素几乎所有化学熏蒸剂存在着虫类的抗性问题。联合国粮农组织（FAO）曾在61个国家采集样品，对储粮害虫抗性进行监测。目前已知有31种害虫对87种杀虫剂和12种熏蒸剂产生了抗性。比较典型的是磷化氢，在我国已应用30多年，目前80%以上的储粮用其熏蒸处理。近年来，许多害虫对磷化氢也产生了比较严重的抗性，使磷化氢的杀虫效果大打折扣。例如郑州粮食学院1995年-1997年在中国19个省采集了6种害虫73个品系测定其对磷化氢的抗性，发现其中米象中的抗性品系抗性系数最高达1052倍；谷蠹最大抗性系数达596倍。如果任其发展下去，磷化氢也将被淘汰。1.3应对方法面队以上的挑战，有四个可选的对策：（1）筛选新的熏蒸剂。这是一项非常困难的工作，在可见的将来还看不到能替代磷化氢的化学品。（2）改良现有熏蒸剂的使用方法。这是值得推荐的对策之一。例如通过对杀虫剂合理的轮用或混用，杀灭某些熏蒸剂的抗性品系；或通过合理的用药方式提高杀灭抗性品系的效果，多能延长现有熏蒸剂的使用寿命。（3）采用非化学药剂的替代防治技术，例如采用物理方法替代化学方法。其中辐射技术是最有前途的现代储粮技术之一。因其能耗低，无污染，无残留，处理后粮食卫生，安全等优点，有希望成为取代化学熏蒸的方法。2电子辐照处理技术的机理、特点与适用性2.1电子辐照粮食杀虫灭菌机理与一般规律利用高能电子束射线的致电离、激发作用，使粮食中有害生物产生一系列物理、化学及生物学效应，对粮虫粮菌构成辐射损伤，进而导致其代谢功能紊乱，遗传物质错位、断裂，最终致虫、菌失活，停止生长，不育或死亡。不同生物体对电离辐射的敏感性不同，其致死剂量与生物组织的复杂程度相关。生物组织越复杂，致死剂量越低，即辐射敏感性与生物体本身的大小成反比（见表1）。较小剂量的辐照可造成虫、菌的不育或缓期死亡，在实际工业应用中，为节约能量，提高处理量，减少对粮食品质的损害，多将达到不育和缓期致死剂量视同有效致死剂量。表1.粮食中不同生物体的辐照致死剂量生物体剂量（kGy）昆虫0.1-1.0非芽孢细菌0.5-10病毒10-2002.2电子束辐照技术特点利用电子束辐照粮食的技术经过多年研究、实践与发展，已成为一项成熟的储粮新技术，与化学熏蒸法比较，其主要优点是：（1）灭菌杀虫彻底：可以100%杀灭粮虫。电子束辐照对杀灭虫卵有特效。经处理后的粮食，若无二次污染，可永不生虫，这样就可取消下级库点的杀虫熏蒸作业。此外，电子束可有效杀灭病菌如小麦矮腥黑穗病、印度腥黑穗病和霉菌等，还能杀灭粮食中夹带的有害杂草籽实。从这种意义上说，电子辐照是一种新型高效的粮食杀虫、广谱灭菌技术。（2）食用安全：电子束辐照处理后的粮食、营养成分不变，对加工后制品和食品的品质无不利影响，保障消费者健康安全。（3）操作安全：电子加速器起闭容易，停机后电子束自行终止，对操作人员无危害。（4）工艺简单：只需进行粮食提升、输送、束下辐射处理和回收等简单工序。（5）经济性好：据测算，用电子束辐照法灭菌比化学熏蒸节约成本80%；用电子束法杀虫比化学熏蒸节约成本50%。由于免除后方库的多次熏蒸灭菌杀虫作业，节省了人力和保粮费用，间接效益也十分可观。2.3电子束辐照的适用性电子束辐照设施特别适用于粮食专用接卸港，大型粮食走廊的粮食集散地等需要集中处理（或检疫目的）的场合，并具有以下特点：（1）有利于检疫防治的系统化处理。在港口粮食中转库对粮食病、虫、草害进行集中性一次辐照处理、可以减少粮食的长距离移动带来的疫情传播危险，可以免除后方粮库的杀虫作业，节约费用，减少环境污染。（2）全天候动态处理的特性，适合港口粮库随时接运粮食的特点。辐照装置可以实现自动化连续作业，处理量大且均匀，不受外部气候、温度等制约。（3）工艺简单，适合港口机械化作业的要求。电子束辐照处理技术只需进行粮食提升、输送、束下辐射处理和回收等简单工序，可以利用港口粮库的现有设备进行工艺布置。3电子束辐照粮食的设施构成利用电子束辐照粮食的设施主要由以下几部分组成：电子束发生系统、束下装置系统、辐照处理工作塔及辅助系统等四部分。3.1电子束发生系统电子束是由工业化电子加速器产生。电子加速器是基本的辐射加工工具，主要包括（1）高压发生器；（2）高真空机组；（3）SF6气体充填器；（4）变频机与自控系统；（5）冷却和通风系统。3.2束下装置系统束下装置系统是指保证粮食接受电子束均匀照射且保持一定产量的相关设备及部件。包括：（1）粮食提升和传输设备；（2）粮流形成管道；（3）专用辐照槽；（4）上下缓冲仓；（5）闸阀门等特殊管件。3.3辐照处理工作塔辐照处理工作塔由辅助间与附属车间组成。上述设备系统大部分均安装其中，辐照工作塔要求有特殊的防护设计，防止射线外漏。3.4辅助系统包括电子束水冷却系统、通风系统、除尘系统及辐射安全联锁系统。其中辐射安全联锁系统是整个设施的最重要的安全保证措施。图1示出典型的重力下流式电子束辐照粮食的装置。辐照室取样化验后缓冲仓处理后净麦前缓冲仓虫麦粮流形成电子加速器电子束图1电子束辐照粮食的装置工艺框图4辐照处理粮食的法律基础（1）1980年，世界卫生组织（WHO）、联合国粮农组织（FAO）和国际原子能机构（IAEA）联合宣布：用10kGy以下剂量辐照的任何食品不存在毒理学问题，可以安全食用。该结论是根据大量动物毒理试验和辐解产物研究结果而提出的，得到了世界绝大多数国家和我国承认并共同遵循。（2）1984年国际食品法典委员会（CAC）向成员国建议辐照食品CAC标准及辐照食品设施的推荐规程。（3）1996年我国政府颁布的«辐照食品卫生管理办法»（中国卫生部的47号令），明确规定：“为控制病虫害而进行辐照的含水分低的食品，如谷类、豆类、脱水食品及类似产品，其总的累积吸收量不得大于10kGy（第十七条第一款）”。（4）1999年，FAO/IAEA/WHO高剂量研究小组在WHO890号报告中宣布：“超过10kGy高剂量辐照食品也是安全的。”即辐照剂量无上限的结论。从1998年始，国际辐照食品咨询组（IGGFI）根据上述结果，对食品辐照通用标准进行修改。这些修改意见待CAC批准后，将成为国际贸易中食品辐照的通用准则。（5）1997年我国公布了6大类17种产品的辐射加工工艺标准，作为国标执行。其中包括谷类、豆类及其制品的辐照食品卫生标准（GB14891.8，1977）。可以说，我国包括粮食辐照在内的食品辐照已纳入法制化管理的轨道，是有法可依的。5国内外研究与应用概况5.1国外研究及应用粮食仓储害虫的辐射防治研究始于20世纪初，到1940年辐照装置建成，才确立了杀灭粮虫的研究目标。随后的50多年内，世界各国对此项研究工作从未间断。20世纪50-70年代，侧重于研究粮虫对射线的敏感性特征和技术可行性。70年美国农业部立项，对35种不同发育阶段的鞘翅目、鳞翅目昆虫进行研究，并对辐照后粮食加工品质、感官反应做出评估，认证了辐射杀虫的技术可行性。60年美国在萨凡那地区建成世界第一座小型谷物辐照器。70年代墨西哥国立核能实验室也建成一座以电子束为辐射源的小型玉米辐照示范装置。与此同时，前苏联在60年开始粮食辐照处理研究。经过8年研究，于新西伯利亚建成一座50T/h的电子加速器粮食辐照处理中间试验装置。运行成功后，于1980年正式在敖德萨港口建成了世界上实际投入运行的工业化粮食辐照设施。该设施选用2台ELV-2型电子加速器，两条生产线并联使用，处理量为200T/h.台，年处理能力达200万吨，迄今已安全运转25年，处理了大量进出口粮食。5.2国内研究及应用我国的粮食辐照处理起步较早。1958年由中科院组织12个科研单位成立了“粮食辐照保藏研究协作组”，先后对小麦、稻谷、玉米等进行辐照杀虫研究及Co-60装置的中试试验，取得了大量可喜成果。20世纪80年代，我国食品辐照研究进入第二个高潮。有关专家们对害虫辐射敏感性及辐射防虫技术可行性进行了深入研究。20世纪90年代始，由国家科委组织开展了食品辐照商业化及辐照工艺一系列研究，于2002年发布了粮食、豆类辐照杀虫工艺标准。与电子辐照杀虫同步，自上世纪70年代始，我国开始了粮食辐射杀菌的研究，其中包括以粮食为主要原料的饲料杀菌和粮食中各类病菌的辐照检疫处理研究。研究的目标主要针对饲料中常见的各种致病菌、霉菌、侵染病菌、病毒及人-动物共患的各类疾病，如禽流感等。辐照后饲料杀菌彻底，营养成分损失小，饲料养分利用率高，动物成活率高、繁殖快等优点。同样辐照处理对粮食杀菌也十分有效。目前，我国已在某粮食接卸港建设国内第一座大型粮食电子束辐照处理设施。该设施由两台工业化电子加速器、两条平行生产线组成。粮食杀虫处理能力为500吨/时.条，年处理粮食能力达300万吨以上。6粮食辐照的经济性辐照粮食的杀虫的处理成本低于化学熏蒸，其运行成本主要包括以下部分，即水电费、人工费和设施折旧费等。下面以处理量为1000T/h电子辐照厂为例，简单测算其经济性：6.1建设费用：电子加速器（2台，80Kw/台