電子束輻照技術(shù)在食品質(zhì)量安全中的應(yīng)用

由于食物在儲存過程中受到各種酶原污染，導(dǎo)致食品中的細菌引起的安全事故頻發(fā)，近年來成為世界各國的中心問題。電子束輻照技術(shù)以其滅菌徹底、低能耗、無污染、不破壞營養(yǎng)成分、無毒物殘留、有效控制食源性疾病等優(yōu)越性,受到各國的廣泛重視,食品輻照也成為了輻照技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前以60Co為放射源的γ-射線輻照在我國使用的最為廣泛,能夠有效地殺滅食品中的各種微生物,但是卻存在放射性污染、核泄漏等一系列問題,致使γ-射線輻照的安全問題讓人們越來越擔(dān)憂。然而電子束輻照技術(shù)不存在以上等問題,此點受到社會的廣泛的重視,以致電子輻照技術(shù)有望成為γ-射線輻照理想的替代技術(shù);電子束輻照技術(shù)可有效延緩生理代謝、抑制微生物繁殖,并且能夠很好地維持食品原有的風(fēng)味和品質(zhì),提高社會對輻照食品的接受性。相比于傳統(tǒng)的食品保鮮方法,電子束輻照不存在放射性污染及農(nóng)、獸藥物殘留等問題,且節(jié)省能源,具有特別顯著的優(yōu)勢。電子束流的穩(wěn)定性隨著電子加速器設(shè)備的不斷改進和完善得到了很大的提高,使得電子束輻照在經(jīng)濟效益和加工能力方面占據(jù)了很大的優(yōu)勢。本文結(jié)合商業(yè)化應(yīng)用中的實例與長期從事食品電子束輻照技術(shù)研究經(jīng)歷,就電子束輻照技術(shù)領(lǐng)域的滅菌,殺蟲,抑制發(fā)芽、延遲成熟和延長儲藏期,降解食品中的致敏物質(zhì)和抗生素、農(nóng)藥殘留、獸藥殘留等有害殘留物,以及發(fā)展前景等進行綜述,以期能夠進一步加大社會對食品電子束輻照技術(shù)的支持力度,發(fā)揮其巨大的社會和經(jīng)濟效益。1對食品品質(zhì)的影響食品輻照技術(shù)是利用60Co或137Se等放射源產(chǎn)生的γ射線、電子加速器產(chǎn)生的10MeV以下的高能電子束及5MeV以下的X射線,對食品進行輻照的高新非熱加工技術(shù)。但我國《輻射食品衛(wèi)生管理辦法》僅允許使用前兩種,其兩者的比較見表1。相對于其他輻射源,電子束輻照技術(shù)設(shè)備輻照效率高,可操作性強,并且對食品品質(zhì)破壞較小。電子束輻照比60Coγ射線輻照有許多自身的優(yōu)勢,這正是電子束輻照技術(shù)快速發(fā)展的重要原因:a.電子束輻照設(shè)備不需要輻射源,可實現(xiàn)連續(xù)在線作業(yè),同時具有能夠調(diào)節(jié)功率大小的特點;b.電子束輻照的利用率能夠達到60%,60Co的射線利用率最高也只有20%左右,所以電子加速器能夠有效地大量處理食品;c.單臺加速器的輸出功率能達幾千瓦,大者可達到200kW,而一座大型100萬居里的60Co的輻照源的功率只有15kW;d.相比于γ射線輻照,高脂高蛋白食品經(jīng)電子束輻照產(chǎn)生的異味較少;e.電子束輻照能利用的能區(qū)寬,還可根據(jù)需要設(shè)計制造多能區(qū)之間轉(zhuǎn)換,但γ射線輻照不能;f.加速器產(chǎn)生的電子束劑量率高,方向一致,集中性好,能實現(xiàn)短時間內(nèi)高劑量的輻照,而γ射線向周圍發(fā)散,輻射不均勻且劑量率低;g.電子束輻照不會對工作人員和周圍環(huán)境產(chǎn)生放射性危害,特別安全可靠;h.相比于γ射線,電子束輻照無放射性核素衰變,無廢舊輻射源處理等問題,設(shè)備裝置較為簡單,所需維護、運行費用也較低。1.1抗菌體活性自由基電子束輻照技術(shù)是利用電子加速器產(chǎn)生的低能或高能電子束射線(10MeV以下的電子束),利用高能脈沖直接作用破壞活體生物細胞內(nèi)DNA或通過間接作用使小分子和水物質(zhì)發(fā)生輻解,形成-OH、-H等活性自由基,與核內(nèi)物質(zhì)作用,發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。1.2電子束輻照保鮮電子束輻照是用一種名為“軟電子”的微弱電子輻射產(chǎn)品的表面,可有效控制和殺滅微生物。這種電子波最深至產(chǎn)品表面50~150μm處,所以它可殺滅產(chǎn)品表面附著的細菌,并且不引起產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)營養(yǎng)成分的破壞。目前,電子加速器發(fā)展非常迅速,很多人關(guān)注到了電子束輻照的優(yōu)勢,世界各國逐漸開始研究電子束輻照對食品的保鮮。國際上允許使用能級低于10MeV的電子束。1.3束流系統(tǒng)的組成電子加速器是電子束輻照的主要設(shè)備,因加速器種類不同,電子束輻照設(shè)備的結(jié)構(gòu)和組成也會隨之不同,但都分為4個部分:a.加速器主機,分為加速電場系統(tǒng)、控制磁場系統(tǒng)、真空系統(tǒng);b.離子源或電子槍;c.束流應(yīng)用裝置,分為掃描裝置、束下裝置、束流靶裝置或引出裝置;d.控制系統(tǒng)。圖1顯示了上海束能輻照技術(shù)有限公司的ESS-010-03型電子加速器的系統(tǒng)工作圖。2電子束輻照降解試驗電子束輻照殺菌/蟲是近年來世界各國發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的高新綠色技術(shù)。電子束輻照技術(shù)在水果、蔬菜、肉類等一系列農(nóng)產(chǎn)品的保鮮中已取得大量的研究性成果,其在脫水蔬菜、香料及調(diào)味品等方面的應(yīng)用也基本進入了工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化貿(mào)易,在冷、鮮肉食品以及農(nóng)、獸藥物殘留等方面也作了相應(yīng)的電子束輻照降解等一系列研究,國內(nèi)外研究學(xué)者們也作了相關(guān)的有益探索;低劑量電子束輻照草莓、芒果、甜瓜、柑橘、葡萄、梨等新鮮水果,能夠有效殺菌/蟲,防止微生物的侵染而造成果蔬的腐爛,有效維持果蔬的感官品質(zhì)和控制致病微生物、蟲害,還能夠有效地降低它們的呼吸強度,降低營養(yǎng)成分消耗的速度,推遲成熟以及延長貨架期。2.1電子束輻照貯藏保鮮由于電子束輻照殺菌不需要對食品加熱,因此被稱為“coldpasteurization”;食品輻照殺菌必須是以有效維持食品原有風(fēng)味和品質(zhì)為前提,雖然高劑量能夠徹底滅菌,但卻使感官品質(zhì)和營養(yǎng)成分大大降低,所以不能采用,篩選適宜劑量再結(jié)合科學(xué)的貯藏方法(如冷藏)能顯著延長食品儲藏期。其中,電子束輻照殺菌,因為不存在輻射源的問題,安全性能也比較高,還能有效地防止食源性致病微生物的污染。除此之外,電子束輻照的穿透距離與被輻照產(chǎn)品的密度有關(guān)聯(lián),一般來說,電子束穿透的距離較短,但電子束劑量率較快,如果采用動態(tài)的傳送裝置,會使產(chǎn)品吸收劑量的不均勻度小于5%,形狀規(guī)則,厚度小的產(chǎn)品比較適合,反之,則相反。姚周麟等研究表明利用3~6kGy劑量電子束處理即食魷魚絲,可最大限度地控制貯藏期間微生物的繁殖,并較好地保持其感官品質(zhì);楊文鴿等報道了3~5kGy輻照劑量能有效殺滅泥蚶肉中的微生物,還能改善其風(fēng)味,不影響泥蚶肉的良好品質(zhì);青椒因受到鮮切等機械損傷,受到微生物的侵染,變得容易腐爛,貨架期也明顯縮短,酸化亞氯酸鈉(ASC)與1kGy電子束輻照結(jié)合能有效地殺滅鮮切青椒中的單增李斯特菌、鼠傷寒沙門氏菌、大腸桿菌O157∶H7,降低了鮮切青椒的腐爛率,較好地維持了鮮切青椒的食用品質(zhì),延長了貨架期;Mckee用1.0、1.8kGy劑量的電子束輻照去骨無皮的雞胸肉,結(jié)果顯示在輻照后的樣品中都未檢測出大腸菌、大腸桿菌、嗜冷菌,而對照組卻檢測出來上述的大量細菌,說明適宜劑量的電子束輻照能有效殺滅去骨無皮的雞胸肉的微生物;Sarrias等用1.1、7.5kGy劑量的電子束輻照去殼糙米和大米,能殺滅去殼糙米和大米上的大腸菌、大腸桿菌(E.coli)、還原亞硫酸鹽的梭菌屬、真菌和臘狀芽孢桿菌(Bacilluscereus),由此可知,用電子束輻照技術(shù)對糙米和大米進行保鮮處理是非常有效的。周仁佳等研究表明:1.5kGy劑量的電子束輻照鮮切哈密瓜可很好地控制細菌、霉菌和酵母菌的生長,其中細菌較容易殺滅,而霉菌和酵母菌次之;楊俊麗等報道:2.0、3.5kGy劑量的電子束輻照草莓,都能夠有效控制果實的致病微生物,且有效維持其感官品質(zhì)和營養(yǎng)成分,得到了較理想的保鮮效果,其中,3.5kGy劑量的電子束輻照在常溫貯藏條件下對草莓的保鮮效果較好,所以采用3.5kGy劑量的電子束輻照草莓是最佳的選擇。Kim等研究了2kGy劑量的電子束輻照能有效地殺滅雞蛋中的鼠傷寒沙門氏菌和大腸桿菌,輻照過后的雞蛋的粘性降低,但是發(fā)泡性卻增強了,輻照不僅可殺菌,并且還會影響雞蛋的品質(zhì),根據(jù)所需有效利用這一特點。因為電子束輻照技術(shù)是一種冷殺菌技術(shù),即殺菌的同時不會使食品內(nèi)部溫度升高,所以有研究表明電子束輻照技術(shù)是唯一能對冷凍、冷鮮食品有效殺菌的技術(shù)。2.2電子束輻照貯藏技術(shù)的應(yīng)用電子束輻照殺蟲的原理是利用電子束與害蟲相互作用而所產(chǎn)生的物理、化學(xué)和生物效應(yīng),因為電子加速器產(chǎn)生的高能電子束會破壞害蟲的DNA、蛋白質(zhì)、核酸等大分子物質(zhì),導(dǎo)致害蟲死亡或不育的一種物理技術(shù),現(xiàn)在電子束輻照殺蟲這個功能主要在糧食谷物方面廣泛應(yīng)用。電子束輻照殺蟲通過直接殺死害蟲或致使害蟲不育的方法來有效地控制害蟲,是傳統(tǒng)的化學(xué)熏蒸劑的較為理想的替代技術(shù),傳統(tǒng)的化學(xué)熏蒸劑有時會有殘留物,以致污染糧食谷物,然而電子束輻照技術(shù)具有電子束流集中定向,無殘毒,不產(chǎn)生放射性廢物,低能耗,環(huán)保,運行操作簡便等顯著優(yōu)勢。儲糧的殺蟲保藏是電子束輻照技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一,美國在1940年代就進行了糧食輻照裝置的研究,也已經(jīng)取得了很多的成果。電子束輻照技術(shù)在玉米、谷類、豆類、小麥等進出口糧食或儲糧殺蟲等方面的研究也越來越成熟。輻照殺蟲可分為兩種,一是通過輻照致使害蟲不育從而達到殺滅害蟲;另一種是直接殺蟲法。食品加工廠一般采用直接殺蟲法,不同的食品采用的電子束輻照劑量不同,這樣既可以殺滅各種害蟲成蟲,又可以保證輻照產(chǎn)品的質(zhì)量,提高經(jīng)濟效益和商業(yè)化應(yīng)用。電子束輻射處理過的糧食是安全的,并且輻射不會引起環(huán)境的任何污染。300Gy劑量的電子束輻照過的鞘翅目儲糧害蟲一般能夠存活20~30d,而沒有經(jīng)過輻照的成蟲將能活至大約100d,由此可知,電子束輻照技術(shù)能夠有效殺死鞘翅目儲糧害蟲,但研究結(jié)果表明300Gy劑量的電子束輻照幾乎不會影響蜱螨目和鱗翅目的成蟲存活天數(shù),因此,不同目的害蟲成蟲對電子束輻照劑量的耐受性不同,選擇合適劑量的輻照是非常重要的。李淑榮等研究證明:1kGy劑量的電子束輻照稻谷和小麥,不會破壞它們的營養(yǎng)品質(zhì)和加工特性;高于518Gy劑量的電子束輻照赤擬谷盜的成蟲,4周之后就會全部死亡。黃曼等發(fā)現(xiàn)0.6、0.3kGy2個劑量的輻照可有效控制和預(yù)防糧食儲存和物流過程中谷蠹和米象2種害蟲。不同種類的害蟲對電子束輻照劑量的敏感性相差很大,表2顯示了主要儲糧害蟲成蟲的電子束輻照不育劑量和致死天數(shù)。從表2中可知,不同目、科、種的儲糧害蟲成蟲的不育劑量和致死天數(shù)差異很大,其中,不同目的害蟲成蟲對電子束輻照劑量的敏感性為:鞘翅目>蜱螨目>鱗翅目。從性別上來講,雌蟲和雄蟲的不育劑量也存在很大的差別,一般地,雄蟲的不育劑量大于雌蟲。2.3電子束輻照抑芽技術(shù)采后的果蔬仍是“活”的有機體,還在進行各種生理代謝活動,消耗營養(yǎng)成分和能量,使果蔬變味、變色、失水干縮、甚至腐爛變質(zhì)。電子束對新鮮果蔬進行輻照后,可以抑制呼吸代謝等相關(guān)酶的活性,降低其呼吸作用,延長保鮮期、有效推遲成熟。一些蔬菜,如大蒜、馬鈴薯、生姜、洋蔥等存在著較短的生理休眠期,這個期間過后便開始生長發(fā)芽,消耗自身營養(yǎng)成分,因此品質(zhì)也就隨著快速下降。這類蔬菜如果在它們的生理休眠期進行適宜劑量(0.04~0.08kGy)的電子束輻照就可達到很好的抑芽效果。此外,電子束輻照還能有效地延緩新鮮蘑菇的開傘時間,防止蘑菇子實體的老化褐變。利用電子束輻照技術(shù)處理抑制鱗莖和塊莖類食品發(fā)芽特別有效,電子束輻照處理已經(jīng)成為抑制鱗莖和塊莖類食品發(fā)芽的一項非常成熟技術(shù),并在許多國家得到商業(yè)化應(yīng)用。從楊俊麗等研究中看出電子束和60Coγ射線輻照都能抑制大蒜的發(fā)芽,但一樣的輻照劑量條件下,60Coγ射線不如電子束輻照的抑芽效果;研究結(jié)果最后得出電子束輻照最佳抑芽劑量為200Gy,60Coγ射線最佳抑芽劑量為500Gy;電子束因其輻照均勻度高、方便快捷等優(yōu)點,有可能成為大蒜抑芽商業(yè)化的優(yōu)勢力量。2.4電子束輻照降解食品中的有機污染物的機理近年來,國內(nèi)外在輻照脫敏的生物化學(xué)效應(yīng)等方面做了一系列探索性的研究。到2002年時,美國研究發(fā)現(xiàn)電子束輻照技術(shù)能夠破壞鏈格孢菌、螨等致敏原,并進一步做了免疫機理等方面的研究,證明了電子束輻照能夠破壞一些過敏原的表位,使過敏原喪失了致敏活性。張明琦等研究表明7、10kGy劑量的電子束輻照能明顯破壞鈍化蟹原肌球蛋白(過敏原),在很多人對海鮮食物過敏等問題上提供了很大的幫助。低劑量的電子束輻照能夠使化學(xué)污染物或農(nóng)、獸藥殘留物分子發(fā)生交聯(lián)、斷裂等一系列反應(yīng),改變了它們的生物學(xué)特性及原有的結(jié)構(gòu),從而除去了食品中的農(nóng)、獸藥物殘留,并且較好地維持食品的食用品質(zhì)。Getoff研究發(fā)現(xiàn):水溶液經(jīng)電子束輻照后,水分子將被激發(fā)和電離,產(chǎn)生了氫原子(H)、氫自由基(·OH)和水合電子(e-aq)等大量活性離子;Moraese等發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)過程中生成的·OH是最活潑的氧化劑之一,能夠有效降解溶液中的有機污染物,這就是電子束輻照技術(shù)之所以能夠降解有機污染物的原理。Liu等實驗結(jié)果表明,8kGy電子束輻照劑量對呋喃妥因與呋喃唑酮的水溶液降解率為100%,當(dāng)輻照劑量降至6kGy,兩種藥物的降解率小于80%;張娟琴等報道了電子束輻照能加大降解毒死蜱、氯氰菊酯、百菌清和溴氰菊酯這4種藥物,并且還證明了它們的降解率隨輻照劑量的加大而上升,電子束輻照技術(shù)降解產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留得到了較好的證明。電子束輻照對水中殘留的氯化有機物以及水產(chǎn)品中殘留的氯霉素都有降解作用。3電子束輻照貯藏保鮮的作用電子束輻照食品的過程中會產(chǎn)生所謂“輻解產(chǎn)物”的氣體成分,從而使食品產(chǎn)生難聞的氣味,對食品品質(zhì)造成很大的影響。研究表明:10kGy劑量的電子束輻照處理1kg食品數(shù)小時僅僅引起2.4℃的溫升。1.0~1.5kGy劑量輻照能使哈密瓜在10℃下貯藏12d,感官品質(zhì)良好。Moreno等利用1.0kGy劑量的電子束輻照能使芒果在12℃下果實品質(zhì)保持最佳狀態(tài)達21d。適宜劑量的電子束輻照能提高草莓的自由基清除能力,免于破壞細胞膜的結(jié)構(gòu),還能降低丙二醛含量的產(chǎn)生,較好地維持了草莓的食用品質(zhì)。Huang等研究表明了2.5kGy劑量的電子束輻照冷凍貯藏液體蛋黃不會顯著影響它的化學(xué)、物理及功能性指標,可以較好地保持貯藏液體蛋黃的良好品質(zhì),延長其貨架期,提高經(jīng)濟效益。輻照加工還可降低火腿中的使用量,最多降低為80%,減少了亞硝酸鹽對人體的危害;降低α-淀粉酶的活力、從而降低α-淀粉的代謝能力;輻照過的食品原料熟化時間變短且利于消化;使牛肉嫩化。張振山等研究表明:10kGy的輻照可改善大豆中的濃縮蛋白的功能特性,而20kGy的輻照會破壞蛋白的功能特性,從而影響了大豆的品質(zhì),為使輻照不影響大豆的品質(zhì),選擇輻照劑量變得至關(guān)重要。劉冰冰等報道了6kGy輻照會使魚肉色澤略微變紅,其他使用的劑量輻照過紅魚肉的感官品質(zhì)良好,而且因電子束具有殺菌作用,較好地維持了魚肉的感官品質(zhì),主要體現(xiàn)在色澤、氣味、肌肉彈性和組織形態(tài)上。周任佳等報道,經(jīng)小于2kGy劑量的電子束輻照過的鮮切哈密瓜品質(zhì)維持較好,其中,1.5kGy劑量的輻照效果最好。2.0~3.5kGy電子束輻照可有效抑制草莓致病菌,降低果實腐爛指數(shù),保持較高的新鮮度和硬度,延緩有機酸、可溶性糖及VC等營養(yǎng)物質(zhì)的損耗,達到理想的保鮮效果,且在常溫貯藏條件下,3~5kGy輻照對延長草莓保鮮期效果較好;而5.0kGy輻照會破壞草莓的營養(yǎng)品質(zhì)。Paloma等用3、7、10kGy劑量的電子束輻照杏仁,結(jié)果表明7kGy是最合適的輻照劑量,能很好地維持其感官品質(zhì)和不破壞營養(yǎng)成分。綜上所述,在適宜的劑量范圍內(nèi),輻照殺菌的同時,食品內(nèi)部溫度不會顯著升高,還可有效維持食品的色、香、味、形,不破壞產(chǎn)品的營養(yǎng)成分和感官品質(zhì)。4電子束輻照對理化發(fā)酵牡蠣品質(zhì)的影響目前電子束輻照技術(shù)的應(yīng)用受到社會的廣泛關(guān)注,但其技術(shù)參數(shù)尚不完善,商業(yè)應(yīng)用也主要參照60Co源輻照標準,且滅菌效果不如γ射線,嚴重阻礙了電子束輻照技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用;因此建立商業(yè)應(yīng)用的電子束輻照標準,完善電子束輻照技術(shù)及擴大電子束輻照技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用是迫不及待的。Park研究表明在減少牛肉腸餡餅的細菌菌落總數(shù)方面,電子束輻照效果不如γ射線輻照(p<0.05);Song等研究報道小于5kGy的輻照能夠顯著降低調(diào)理發(fā)酵牡蠣中的產(chǎn)單核細胞李斯特菌、腸炎弧菌和金黃色葡萄球菌而不影響牡蠣的食品品質(zhì),其中γ射線輻照比電子束輻照的殺滅效果更好;劉福莉等研究經(jīng)γ射線輻照的豬肉火腿腸的細菌總數(shù)明顯低于經(jīng)電子束輻照的樣品的細菌總數(shù)。電子加速器的開發(fā)嚴重滯后,阻礙了電子束輻照技術(shù)的應(yīng)用;汪昌保等研究發(fā)現(xiàn),電子束和γ射線對牛肉火腿中微生物的殺滅效果顯著,脂肪、維生素B的含量明顯下降,兩種處理對牛肉火腿品質(zhì)影響無明顯差異;逯連靜研究發(fā)現(xiàn),電子束輻照處理對草菇保鮮效果不佳,輻照組比對照組的樣品腐爛較快,貯藏期更短;Vanesa等研究了電子束輻照對碎肉、伊比亞火腿、熏鮭魚和軟奶酪中化學(xué)成分的影響,結(jié)果表明輻照對所有樣品中的自由氨基酸都有顯著影響。人們對輻照食品的認識不足,大大制約了食品輻照技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)外對輻照食品的態(tài)度不一,以歐盟和日本等國家對輻照技術(shù)持嚴格和謹慎的態(tài)度,而巴西、美國為代表的國家對輻照食品則持樂觀態(tài)度。另外,電子束在輻照肉時會加快脂肪的氧化,促使肉的顏色發(fā)生改變,影響了食品品質(zhì)。下一步將探索如何改善電子束輻照技術(shù)對食品品質(zhì)的影響。目前雖然已有大量實驗數(shù)據(jù)證明輻照不危及食品的安全性,但電子束輻照的食品過程中有無再生毒性物質(zhì)及致癌物質(zhì)的生成,食品風(fēng)味物質(zhì)及營養(yǎng)成分是否變化或受破壞仍然遭到人們的質(zhì)疑;電子束輻照食品安全性問題,仍然有待大量的實驗數(shù)據(jù)予以佐證,確保人們的食用安全性。5電子束輻照其他用途的研究及對發(fā)展研究表明利用電子束輻照單獨殺蟲殺菌與γ射線輻照相似,但劑量偏高,對食品品質(zhì)會有一定影響,處理成本也高