Análise experimental e modelagem matemática da cinética de morte térmica de Sitophilus zeamais e da desinfestação de grãos de milho por micro-ondas

Abstract

A deterioração de grãos secos devido à presença de insetos-praga gera grandes desperdícios de alimentos e perdas econômicas. O gorgulho do milho, Sitophilus zeamais (Motschulsky) (Coleoptera, Curculionidae), é um dos principais insetos-praga de grãos armazenados. Os métodos tradicionais de desinfestação são realizados pela aspersão de substâncias químicas, porém há grande interesse na redução e extinção destes processos. O tratamento térmico de grãos é uma alternativa para a desinfestação de grãos e o aquecimento seletivo gerado por micro-ondas é uma técnica promissora na área. A literatura apresenta a morte térmica de alguns insetos-praga, mas carece de modelos matemáticos cinéticos para descrever o comportamento de morte do inseto sob diferentes temperaturas. Assim, o presente estudo tem como objetivo principal propor modelos cinéticos de predição da morte térmica de insetos de S. zeamais e avaliar seu comportamento de morte diante da desinfestação de grãos de milho em aquecimento por micro-ondas. A morte térmica de insetos em condições isotérmicas foi avaliada nas temperaturas de 46, 50, 54, 58 e 62 °C. A avaliação da desinfestação de S. zeamais em grãos de milho por aquecimento em micro-ondas foi realizada nas densidades de potência de 1,2 W g-1, 3,0 W g-1 e 6,0 W g-1. Comportamento sigmoide foi observado tanto nas cinéticas em condições isotérmicas quanto na desinfestação em micro-ondas. O estudo das cinéticas de morte em condições isotérmicas foi baseado nos modelos preditivos de crescimento e inativação de microrganismos. O modelo sigmoide de Fermi foi utilizado para descrever esta cinética, e foram obtidos os parâmetros de velocidade máxima de morte térmica (k_max) e tempo necessário para a morte de metade da população inicial (t_L). O modelo preditivo proposto foi validado experimentalmente e resultou em boas predições na faixa de temperatura de 46 °C a 62 °C. Os modelos utilizados para avaliação da desinfestação em micro-ondas basearam-se em modelos logísticos de probabilidade de sobrevivência dos insetos em função do tempo de processo e da temperatura dos grãos, visto que a temperatura durante o processo era variável. A mortalidade de S. zeamais durante a desinfestação é diretamente dependente da temperatura dos grãos. As larvas de 3° e 4° instares são mais suscetíveis ao tratamento em micro-ondas que a fase adulta. Quando a temperatura dos grãos atingiu 60 °C, a eliminação da fase adulta foi superior a 96%. Para similar mortalidade das larvas, foram requeridas temperaturas em torno de 55 °C. A umidade dos grãos e dos insetos adultos não diferiram significativamente antes e após os tratamentos de desinfestação em micro-ondas. Os insetos adultos apresentaram variação no perfil de proteínas quando expostos à desinfestação em micro-ondas. Proteínas de maior massa molar tiveram sua expressão reduzida, enquanto proteínas de menor massa molar apareceram ao longo do tempo de processo de desinfestação em micro-ondas. Além disso, observou-se possível expressão de proteínas de choque térmico nestes insetos. Com base nos resultados obtidos neste estudo, é possível confirmar a eficácia e rapidez do processo de desinfestação de grãos por aquecimento em micro-ondas e a dependência da eliminação dos insetos diretamente associada à temperatura dos grãos. O presente estudo desenvolveu modelos matemáticos que descrevem bem o comportamento de morte de S. zeamais com a temperatura em que se encontram, sendo muito úteis para compreensão e melhorias nos processos de desinfestação de grãos por aquecimento.

Abstract: The deterioration of dried grains due to the presence of pest insects generates food waste and economic losses. The maize weevil, Sitophilus zeamais (Motschulsky) (Coleoptera, Curculionidae), is one of the main pests of stored grains. Traditional disinfestation methods are carried out by spraying chemical substances, but there is an increased interest in reducing and eliminating these processes. Heat treatment of grains is an alternative to grain disinfestation and the selective heating generated by microwaves is a promising technology. The literature presents the thermal death of some pest insects, but there is a lack of kinetic models to describe the insect's death behavior under different temperatures. Thus, the present study aims to propose kinetic models for predicting the thermal death of S. zeamais and to evaluate its death behavior when disinfesting maize grains under microwave heating. The thermal death in isothermal conditions was evaluated at temperatures of 46, 50, 54, 58, and 62 °C. The evaluation of S. zeamais disinfestation in maize grains by microwave heating was performed at power densities of 1.2 W g-1, 3.0 W g -1, and 6.0 W g-1. Sigmoidal behavior was observed in kinetics under isothermal conditions and in microwave disinfestation. The evaluation of death kinetics in isothermal conditions was based on predictive models of growth and inactivation of microorganisms. Fermi's sigmoid model was used to describe these kinetics and the parameters of the maximum rate of thermal death (k_max), and also the time required to halve the initial population (t_L) were obtained. The proposed predictive model was experimentally validated and resulted in good predictions in the temperature range of 46 °C to 62 °C. Since the temperature during the process was variable, the models used to evaluate the microwave disinfestation were based on logistical models of insect survival probability as a function of the processing time and grain temperature. The mortality of S. zeamais during disinfestation is directly dependent on the grain temperature. Insect larvae (3th and 4th instar) are more susceptible to microwave treatment than the adult stage. When the grain temperature reached 60 °C, the adult elimination was almost complete (> 96%). For similar larvae mortality, temperatures around 55 °C were required. The moisture content of grains and adult insects were not significantly different after microwave disinfestation treatments. Adult insects showed a variation in the total protein when exposed to microwave disinfestation. The expression of high molar mass proteins was reduced, while low molar mass proteins appeared over the microwave disinfestation processing time. Besides, possible expression of heat shock proteins was observed in these insects. Based on these results, it is possible to confirm the effectiveness and speed of grain disinfestation process by microwave heating and the dependence on the insect elimination directly associated with the grain temperature. Finally, the present study developed mathematical models with a good description of the death behavior of S. zeamais with the temperature, being extremely useful for understanding and improving the grain's disinfestation processes by heating.