輻照技術在食品保藏上的應用

輻射保藏食品是一種利用電離輻射法延長保藏時間、提高食品質量的新食品加工保藏技術。它是利用放射性60Co或137Cs發出的γ射線或利用電子加速器產生的電子束(最大能量10MeV)或X射線(最大能量5MeV)在一定的劑量范圍內輻射食品,輻照在食品中引起一系列化學變化,可以殺滅食品中的害蟲,消除食品中病原微生物及其它腐敗細菌,或抑制食品(如水果、蔬菜等活機體)的生理生化過程(發芽和成熟),從而達到食品保藏或保鮮的目的。近50年來的廣泛研究,證實了輻照技術可有效地應用于食品保藏上,并越來越受到世界各國的重視。1976年,聯合國糧農組織(FAO)、國際原子能機構(IAEA)和世界衛生組織(WHO)聯合組成的專家委員會對食品輻照的有效性和安全性進行了研究,第一次無條件地批準了雞肉、番木瓜、馬鈴薯、草莓和小麥等5種輻照食品,同時還暫定批準了輻照稻米、魚和洋蔥供人食用。接著又批準了香料、酶制劑和鮮豬肉3種輻照食品。1980年10月,聯合專家委員會在全面審查了30年來世界各國在食品輻照工業、輻射化學、輻照食品營養學、放射生物學、微生物學和毒理學等方面所取得的成果之后,正式向全世界宣布,經平均劑量10kGy以下輻照的任何食品都不存在毒理學和營養學方面的任何問題,不存在任何危害,是衛生安全的。1輻照殺菌的特點輻照保藏不同于化學熏蒸法、腌制法,不需要加入添加物,與加熱、冷凍等方法一樣,是一種物理保藏法,且屬于冷處理技術,具有許多傳統保藏法不可比擬的優點:(1)射線穿透力強,可對預先包裝好的或烹調好的食品通過劑量控制和輻照工藝進行均勻徹底處理,相比于熱處理殺菌,輻照過程較易控制;(2)輻照處理是“冷加工”,可保持食品原有的鮮度和風味,有的甚至可提高食品的工藝質量;(3)輻照食品不會留下任何殘留物,不污染環境,可提高食品衛生質量并有利于環保;(4)節省能源,與熱處理、干燥和冷凍保藏食品法相比,能耗降低幾倍到十幾倍;(5)可對包裝、捆扎好的食品進行殺菌處理,消除了在食品生產和制備過程中可能出現的嚴重交叉污染問題;(6)殺菌效果好,并可通過調整輻照劑量達到對各類食品殺菌的要求;(7)輻照滅菌速度快,操作簡便,加工易控制,可連續加工,既經濟,又省力,適于大規模加工。2電離輻射對活細胞和食品養分的影響2.1輻照生物活性成分的影響有直接作用影響與間接作用影響兩種。直接作用是活細胞中的生物分子直接受到電離輻射的作用而吸收輻射能量并導致機體損傷的作用過程,其中脫氧核酸所受影響最大。如果電離輻射首先與機體中的水分子作用,產生氫原子、羥自由基、水合電子等活性粒子,這些活性粒子再與生物分子如蛋白質、核酸、酶等作用,致使生物體的功能、代謝與結構發生變化而遭受損傷,這種作用過程為間接作用。由于活細胞均含有大量水份,輻照產生的總效應中通常主要是間接作用所產生的效應,除非在極端情況下,如干燥及冷凍情況下,直接作用才有可能成為主要的作用過程。與加熱等方法一樣,微生物對放射線的敏感性也受到各種因素的影響,主要包括射線種類、照射的劑量率、分次照射與二次照射、溫度、氧、水分、pH、介質成份等影響。一般在食品溫度0～65℃范圍內時影響不大,但在高溫或0℃以下時則影響較大,主要是受到了高溫殺菌的協同效應,在0℃以下輻照時,微生物因受凍結損傷,其抗輻射力有所減弱。再如氧的存在可使菌的營養細胞對輻射的敏感性增加2～3倍。圖1為不同氧的濃度對放射線殺滅大腸桿菌的效果。2.2活性物質的氧化在輻射殺菌的同時,食品作為有機生物活性材料也同時受到輻射作用,其組成分子會產生離子、自由基等各種活性粒子。這些活性粒子引起的化學反應,會影響食品成分的分子結構的變化,影響程度與輻射條件(如劑量、溫度等)有關。水的間接效應中所產生的游離基,直接參與氧化還原反應。有機化合物因輻射而分解的產物很復雜,它取決于原物質的化學性質和輻照條件,故不能確定某一種化合物輻照后的特定產物。2.2.1蛋白質的變化蛋白質分子經輻照后會發生變性現象。如紫外線吸收光譜發生變化、蛋白質分子發生裂解以及裂解后的小分子聚合、釋放H2S、粘度和電泳性質有變化、形成羰基、結構和抗原性的改變以及蛋白質酶解能力的變化和氨基酸的破壞等。這些變化會使蛋白質的顏色發生改變、使核蛋白失去生物過程中的功能以及食品的功能性質發生改變等。經對輻照食品中蛋白質、氨基酸和酶解產物的分析,以及用輻照食品飼養動物進行的研究,都證明了經適宜劑量(50kGy以下)照射的食品,蛋白質營養成份無明顯變化,氨基酸組分恒定。2.2.2輻照脂肪氧化脂肪分子經輻照后會發生氧化、脫羧、氫化、脫氫等作用,產生典型的氧化產物、過氧化物和還原產物。它取決于脂肪的類型、不飽和程度、照射劑量、氧的存在與否等等。飽和脂肪一般是穩定的,不飽和脂肪則易氧化,氧化程度與照射劑量成正比。并且對許多植物油和魚油進行輻照的結果表明,只有較大劑量(100kGy以上)輻照時,其物理性質如熔點、折射率、介電常數、粘度和密度才發生顯著變化。同時,研究還表明,用40～50kGy的射線輻照后,脂肪的同化作用和熱能價值并不發生改變,營養價值毫無變化。2.2.3輻照糖。條件二,糖是一種熱輻射劑,主要導致受輻射的方向碳水化合物分子經輻照后相對比較穩定,只在大劑量輻照后才引起氧化和分解,如多糖類會放出H2、CO、CO2等氣體,而且變得易于水解和松脆,粘度下降,熔點和旋光度下降,但主要還是引起光譜和多糖結構的變化。一般情況下,糖對輻照是很穩定的,只要采用殺菌劑量照射,對糖的消化率和營養價值幾乎沒有影響。使用20～50kGy的劑量不會使糖類的食品質量發生變化,其營養價值并不因射線照射而改變。2.2.4輻照溫度和時間對克氏原螯蝦幼魚敏感性的影響維生素分子對照射較為敏感,特別是維生素E和維生素K更敏感,水溶性維生素亦較敏感。水的間接作用有較大影響。如果在低氧或密封條件下輻照,敏感性會大大減弱。而維生素B(煙酸)對輻照很不敏感,維生素D對輻照也相當穩定,用約10kGy量級的γ射線輻照魚油時,沒有發現維生素D被破壞。純維生素溶液對輻射很敏感,若與食品中其他物質復合存在時,其敏感性也會降低。研究還表明:食品受20～25kGy劑量照射后維生素的破壞程度與加熱相同。3輻照食品對營養的影響輻照食品的衛生安全性關系到食用者的健康和食品輻照技術的前途,受到許多國家的重視,其范圍包括5個方面:(1)有無殘留放射性及誘導放射性;(2)輻照食品的營養衛生;(3)有無病原菌的危害;(4)輻照食品有無產生毒性;(5)有無致畸、致癌、致突變效應。食品在進行輻照時是外照射,沒有直接接觸放射性核素,因此,不會污染放射性物質,這與核爆炸和核源泄漏事故截然不同,故不存在殘留問題。至于誘導放射性,即指因輻射引起食品的構成元素變成放射性元素問題。事實上目前國際上輻照食品中使用的60Coγ射線能量只有1.17～1.33MeV,Cs則更低,只有0.66MeV,電子束能量也在10MeV以下,它們的能量都低于在食品中可能誘導放射性的能量閾值,當然也就不會產生誘導放射性核素及其化合物。關于輻照食品的營養問題,和其他食品加工技術一樣,輻照也將使食品發生理化性質的變化,變化程度取決于輻照食品的種類和輻照劑量。在高劑量的照射下,食品中氨基酸也僅被破壞10%左右,蛋白質的色、香、味及營養價值有一定程度下降,但不明顯改變食物中蛋白質的含量。脂肪的氫化在適度劑量范圍內是很少發生的,至于維生素的變化,與其他殺菌方法相類似(見表1)。從表1可知,輻射對食品維生素的影響程度與熱消毒處理的影響無明顯差別。如果在低溫缺氧條件下輻射,還可減少營養成份的損失,見表2。食品營養衛生和輻射化學的研究結果已經證明,輻照食品富于營養,而且也不可能產生毒性反應。近40多年來,根據長期與短期動物飼養試驗,觀察臨床癥狀、血液學、病理學、繁殖及致畸等項目,沒有發現食物產生毒性反應及致畸、致癌、致突變現象,此外,用輻照飼料飼養家畜以及用輻照食品長期飼養有免疫缺陷的動物,均未發現任何病理變化。這其中,美國進行的兩項動物喂飼試驗(輻照牛肉及輻照雞肉的毒理研究試驗)研究時間最長,耗資最大。從受試動物胚胎期起,整個試驗期間,直至死亡都需對選中的動物進行試驗和觀察。測試項目包括受試動物的生長及體重、飼料消耗、生殖機能、壽命、病狀、眼睛檢查、小便分析、精液檢查、有的還進行血液及肝功能測試以及畸變和誘變試驗等,其結果證明是安全的。我國“六五”以來也先后對經過輻射的大米、豬肉、香腸、土豆、洋蔥、大蒜、蘑菇、花生等進行過人體試食和動物喂養試驗,測試了體重、血液學、肝腎功能、血液酶活力、心電圖、B超、外周血淋巴細胞染色體、畸變分析(包括多倍體)、姐妹染色體交換(SCE)、人尿Ames試驗等20余項指標,結果未發現任何不良作用。在大量毒理學研究結果的基礎上,在1992年5月召開的食品輻照評議會上,WHO作出了重要結論:在優化的操作條件下,從毒理學觀點出發,輻照處理不會產生有害于人體健康的物質成分。1995年,WHO在“輻照食品在安全營養上有效性”的研究報告中再次強調:只要按照良好生產操作規程,輻照食品在安全性上和營養上可說是安全可靠的。因為,從毒理學的觀點來說,輻照處理在食品組成上所引發的變化對人體健康無害,輻照也不會改變食品中微生物菌叢的平衡,以致消費者遭受微生物的危害。此外,輻照亦不會導致食品中的營養成分大量損失,使個人或社會整體的營養狀況受損。4種不同的應用各種食品用各種不同劑量處理可以產生不同效果,也就有各種不同的應用。它們的照射劑量可能相差幾倍甚至幾百倍,一般按其照射劑量可分為低劑量(1kGy以下)、中劑量(1～10kGy)、高劑量(10kGy以上)等3類。4.1低劑量輻射4.1.1極低劑量輻照處理蔬菜、水果在采摘以后還是一個有生命的有機活體,它們仍然在進行呼吸,仍然會成熟,在保存過程中可能還會發芽生長(如土豆、大蒜、洋蔥、生姜、甘薯、板栗等),它們一旦發芽后,不僅影響感官,更重要的是降低了產品質量甚至產生有毒物質。若以極低劑量(0.05～0.15kGy)輻照處理,使這些植物體在采摘后處于一種“休眠狀態”,從而達到抑制發芽的目的。如果根莖作物尚處于休眠狀態,采用0.1kGy劑量照射,對阻止其貯存期間的發芽都有效。實驗證明,0.1kGy的劑量就能抑制土豆的發芽,同時還能消滅土豆莖蛾的卵及其早期幼蟲。4.1.2輻照和死亡成蟲輻照能殺死棲生于食品中的昆蟲和寄生蟲。實驗證明,用大約1kGy的劑量輻照大米、小麥、干菜豆、谷粉和通心面,可以消滅象鼻蟲和易與之相混淆的面象蟲;用0.13～0.25kGy的劑量輻照能阻止幼蟲發育為成蟲,用0.4～1kGy的劑量輻照后能阻止所有卵、幼蟲和蛹的發育;用1kGy的劑量足以使某些昆蟲在數日內死亡;0.25kGy的劑量能使昆蟲在數周內死亡或使存活的昆蟲不育;旋毛蟲的不育劑量約為0.12kGy,抑制其成熟需0.2～0.3kGy,使其死亡需7kGy。4.1.3延長保藏期用1kGy以下的劑量輻照可抑制多種水果、蔬菜中的酶活性,也可相應降低植物體的生命活力,從而延長其成熟,減少腐爛,延長保藏期。如對香蕉、芒果、番木瓜、常青果、柑桔、蘑菇、蘆筍、蕃茄等都有效。其中,芒果用0.25～0.35kGy劑量輻照,就可延遲其成熟與老化,而不影響其品質和主要營養成份,達到延長貨架期的目的。4.2中劑量輻射4.2.1保藏期的確定利用輻照對食品進行消毒與防腐,亦稱輻照巴氏殺菌法。前者是殺滅食品中除病毒與生芽胞菌以外的非芽胞病原菌,主要是沙門氏菌,為人們提供衛生食品,所需劑量為2～8kGy;后者是殺滅腐敗微生物,延長食品的保藏期,采用的劑量在0.4～1.0kGy之間。輻照巴氏殺菌特別適用于保藏在冷凍條件下的未烹調預包裝食品及真空包裝的預烹調肉類制品,如火腿片、凍魚與鮮魚經中等劑量0.15～2.5kGy輻照后保藏期可延長2～5倍。例如,用1.5～2.5kGy的劑量輻照處理鱈魚,在2～3℃的冷藏條件下可保藏3個月,而未經處理的鱈魚則只能保藏1個月。實驗還表明,用8kGy的劑量殺滅沙門氏菌后的雞肉在-30℃下可保藏2年,雞肉的質地和色、香、味均未變化。4.2.2可延長水果的輻照保藏期造成新鮮農副產品(如魚肉、水果或蔬菜等)霉變的大多數微生物對低劑量輻照很敏感,采用1～5kGy劑量輻照可使霉變微生物減少好幾成,因此可以延長這些食品的貨架期,若采用較低劑量(1～2kGy)輻照草莓、芒果、桃子等水果,可以有效地控制霉菌生長,減少這些水果在運輸銷售期間的損失,保藏期得到延長。水果的輻照保藏若與其他保鮮措施相結合則效果更佳。但輻照與其他技術一樣,不可能使質量低劣或已經腐敗的食品變好。4.2.3輻照對不同脫水蔬菜的復水作用大豆經2.5kGy或5kGy的劑量輻照后,可改進豆奶和豆腐的品質,并提高產率。對葡萄進行輻照處理,可以提高出汁率;輻照處理過的脫水蔬菜(如脫水蘑菇、脫水刀豆之類)復水性能良好,復原速度和品質遠遠超過沒有經過輻照處理的產品,減少了烹調時間。用2～4kGy輻照薯干酒和劣質酒,可以加速陳化,消除雜味而改善品質。牛肉經1～10kGy的劑量輻照,其蛋白纖維會降解,從長鏈的大分子降解成較小的鏈結構,使纖維的分子量降低,牛肉會變得特別鮮嫩。4.3保味制劑的使用高劑量輻照常用于香料和調味品的消毒。香料與調味品在生產加工過程中常常會沾染微生物和昆蟲,特別是霉菌和耐熱芽胞細菌。由于它們的色、香、味對熱敏感,高熱處理會影響產品營養成份與風味,一般采用化學藥品,如環氧乙烷熏蒸殺菌,但化學藥品不僅會存在藥物殘留,而且還會與食品中的組成成分發生反應,生成對人體有害的氧乙醇鹽或多氧乙醇鹽。而對香料和調味品進行保味殺蟲滅菌輻照保藏,不僅可有效地使傳染性微生物失去活性,并且可保持原有的風味,如辣椒粉經5kGy劑量的輻照后,樣品中已檢測不出霉菌。作香料用的干香蔥粉經4kGy劑量的輻照,微生物數量顯著減少,經10kGy的劑量輻照,細菌數量減少到10個以下;用于提取黃蒿油的黃蒿籽在保藏期易于生蟲霉爛變質,用7.5～12.5kGy的劑量照射不僅消滅了蟲害,而且其主要化合物如香料油、脂肪酸和糖在含量上沒有受到影響,還改進了香料油的提取,并可得到好的風味質量。目前,在國際市場上有上百種輻照香料與調味品銷售,其中有的輻照劑量高達30kGy。5輻照食品的立法和管理我國目前擁有γ射線輻照裝置150多座,其中設計裝源容量1.11×1016Bq以上的60Co輻照裝置有50余座;設計裝源容量1.11×1016Bq以下的裝置有80余座;全國實際裝源容量約為48.1×1016Bq;電子輻照加速器目前已達到了45臺,總功率達2005kW。其中90%的輻照裝置都在不斷地進行食品輻照保藏研究與生產加工。同時,我國在輻照食品的研究與推廣方面位居亞洲領先地位。從1958年開始進行輻照保鮮研究至今,已在輻照食品的生產工藝、衛生安全、輻照裝置和劑量檢測等方面做了大量工作。至今,我國已有28個省、市、自治區的200多個單位對禽蛋、肉類、水產品、鮮干果、蔬菜、香料和調味品以及名特土產品進行了輻照保藏研究,其中,牛肉脯、捆蹄、脫水蔬菜、新鮮人參、荔枝、蘋果、草莓、梨、柑桔、酒、枸杞子、桂圓干、生姜、蕃茄、醬油、香煙、明膠、蜂制品、杭白菊等20多種食品已通過技術鑒定。在這些大量科研成果的基礎上,衛生部1984～1994年10年間先后批準頒布了:馬鈴薯、洋蔥、大蒜、大米、花生仁、蘑菇、香腸、蘋果、扒雞、花粉、果脯、生杏仁、番茄、豬肉、荔枝、蜜桔、薯干酒、熟肉制品等18種輻照食品的衛生標準。1996年又正式頒布了“輻照食品衛生管理辦法”,1997年公布了“輻照食品類別衛生標準”,以進一步對進口食