電子束在食品輻照中的應(yīng)用

鄧鋼橋，劉航海，鄒朝暉，何彥禮

（1.湖南省原子能農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究所，湖南 長沙 410125；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙 410128）

食品安全[1-2]不僅關(guān)系到消費者身體健康和生命安全，同時也關(guān)系到政府和國家的形象，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定。當(dāng)前食品安全已成為世界各國以及公眾關(guān)注的焦點。輻照技術(shù)作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、安全的食品加工新技術(shù)，以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢和處理效果，在減少食品食源性疾病的暴發(fā)，保障食品的營養(yǎng)和消費安全，解決國際貿(mào)易中外來生物的入侵等重大食品安全問題中發(fā)揮著越來越重要的作用。

食品輻照用射線源主要有γ射線、電子束兩大類型[3]，其中以γ輻射源應(yīng)用較為普遍。本文就目前國內(nèi)外電子加速器應(yīng)用于食品輻照的現(xiàn)狀及特點作一綜述，旨在推動國內(nèi)電子加速器在食品輻照領(lǐng)域的發(fā)展。

1 電子束食品輻照的研究現(xiàn)狀

目前已有的大量研究表明電子束食品輻照在解決食品安全問題[4-5]中能達(dá)到防止食品中食源性致病微生物污染、進(jìn)出口檢疫和降解食品中化學(xué)污染物等作用，具有獨特的技術(shù)特色和優(yōu)勢[6]。

1.1 低劑量電子束輻照殺滅農(nóng)產(chǎn)品害蟲

食品檢疫時，若輻照處理時害蟲的蟲態(tài)為幼蟲態(tài)，則應(yīng)在其發(fā)育成成蟲前死亡；若輻照處理時為成蟲，則應(yīng)保證其沒有繁殖下一代的能力。大量研究表明，如果要求電子束輻照處理后商品中的害蟲在一天內(nèi)死亡，需較高劑量的輻照處理，而高劑量的輻照處理會影響商品的品質(zhì)。采用較低劑量（200～500 Gy）的輻照處理，保證害蟲在一定時間內(nèi)死亡或無繁殖能力，也可達(dá)到相同的檢疫目的。李淑榮采用電子束[7]對赤擬谷盜成蟲、卵、幼蟲和蛹進(jìn)行了輻照效應(yīng)試驗，結(jié)果表明：赤擬谷盜不同發(fā)育階段對電子束輻照的敏感程度不同，卵最為敏感，輻照的劑量高于210 Gy不能孵化；305 Gy的劑量可以完全阻止其幼蟲發(fā)育為成蟲；高于305 Gy的劑量雖然能羽化為成蟲，但羽化后的成蟲不能正常存活；采用518 Gy以上劑量輻照的成蟲，在4周后死亡率為100%，可作為輻照防治赤擬谷盜的有效劑量。

1.2 中劑量電子束輻照減少食品中微生物污染

冷凍及新鮮動物源性食品由于其獨特的物理狀態(tài)和品質(zhì)特征，采用常見的高溫高壓、巴氏滅菌等滅菌手段已無能為力，而電子束輻照處理則是目前較好的冷鮮食品滅菌保鮮技術(shù)。研究報道利用電子束0～3.85 kGy輻照無骨豬肉，可以有效殺滅冷鮮肉中的大腸桿菌和沙門氏菌。同時經(jīng)電子束輻照后的紙箱包裝產(chǎn)品在冷凍或冷藏條件下貯藏，其品質(zhì)、口味均無影響，但較長時間存放會影響產(chǎn)品光澤。有研究發(fā)現(xiàn)在相同吸收劑量下，γ射線和電子束輻照對真菌孢子的滅菌效果基本相似。在殺滅植物源性食品的微生物及致病菌污染方面電子束輻照更顯示出獨特的技術(shù)優(yōu)勢和顯著的效果。輻照后小麥加工品質(zhì)的研究表明，電子束輻照處理除降低了小麥表面的光澤和吸水率外，對其營養(yǎng)品質(zhì)和加工特性無明顯影響。

1.3 高劑量電子束輻照降解食品中化學(xué)污染物

目前食品化學(xué)污染問題愈來愈嚴(yán)重，電子束輻照顯露出對食品中化學(xué)污染物的降解作用也引起了研究者的關(guān)注。人們用電子束輻照茶葉降解其中擬除蟲菊脂類農(nóng)藥試驗結(jié)果表明，用預(yù)冷和重復(fù)輻照3次共30 kGy，可以明顯降低擬除蟲菊脂類農(nóng)藥的殘留含量。濃度為30 mg/L的呋喃唑酮和呋喃妥因水溶液[8]，利用8 kGy電子束輻照時，已不能檢測到；濃度為667μg/L的氨基脲的水溶液在輻照4 kGy時，其降解率達(dá)到76%。當(dāng)輻照劑量[9]大于6 kGy時，克倫特羅水溶液降解率可達(dá)95%以上。

上述研究表明：盡管電子束輻照效應(yīng)的研究較之γ射線輻照效應(yīng)的研究無論在范圍還是深度上都尚顯不足，但使用電子束輻照食品能達(dá)到殺滅食品中檢疫性害蟲的目標(biāo)；對食品中食源性微生物污染和致病菌都有著非常好的殺滅效果，在所用劑量范圍內(nèi)對食品品質(zhì)和加工特性影響甚微；對食品中化學(xué)污染成分降解效果顯著。因此電子加速器在食品輻照上技術(shù)是可行的。

2 電子加速器食品輻照的特點

高能電子束和γ射線與物質(zhì)相互作用的初級過程不盡相同，但次級過程是相同的[10]。用電子加速器產(chǎn)生的高能電子束照射可使一些物質(zhì)產(chǎn)生物理、化學(xué)和生物學(xué)效應(yīng)，并能有效地殺滅病菌、病毒和害蟲。在食品輻照中，用電子束殺蟲滅菌要比用γ輻照更具優(yōu)越性，除了人們共知的電子束定向性好，功率密度高，滅菌速度快，滅菌時間短，產(chǎn)品的氧化效應(yīng)小和材料性能退化小等特點之外，由于電子束功率密度高和滅菌速度快，具有輻照時間短的特點。電子束的穿透深度不如γ射線，更適合于小包裝熟食，鮮肉和鮮禽肉食品輻照。

比較從事輻照的裝置，一種是利用60Co-γ源，一種是利用電子加速器。初期投資與運行費用比較見表1，輻射加工處理量及其他方面的比較見表2。從表1分析得知：在初期投資上電子加速器耗資僅為60Co-γ源輻照裝置的一半，在年運行費用比較上加速器比60Co-γ源的一半還要少，更明顯優(yōu)于60Co-γ源輻照裝置。由表2分析得知：從商業(yè)運行考慮，電子加速器的能量利用率為60Co-γ源的2倍（單面輻照）、2.8倍多（雙面輻照）、處理速度為60Co-γ源的3倍，收費僅為60Co-γ源的1/3，更具有商業(yè)競爭優(yōu)勢。

表1 兩種輻照裝置初期投資費用與每年運行費用的比較 （萬美元）

表2 兩種輻照裝置輻射加工處理量及其他方面的比較

綜合分析得出：在食品輻照產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中，與γ輻射源比較，電子加速器占有明顯優(yōu)勢，且加速器運行過程中放射性安全事故概率低，無放射性廢源處理問題，所以從經(jīng)濟(jì)和社會效益來看，加速器更適合于食品輻照產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，具有取代γ輻射源的趨勢。

3 電子加速器食品輻照產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

美國于1943年就已開始進(jìn)行食品輻照的研究[11]，是世界上對輻照技術(shù)保障食品安全研究與應(yīng)用最深入的國家。佛羅里達(dá)州和衣阿華州完成了10 MeV的電子加速器的建設(shè)。佛羅里達(dá)州的加速器主要用于研究柑桔等水果的殺菌、殺蟲、昆蟲不育等，而衣阿華州的設(shè)施主要用于研究禽肉的輻照處理。美國公眾對輻照食品的接受程度在過去的幾年中迅速得到提升，輻射處理已成為美國為解決食品安全問題而提出的最為重要的技術(shù)措施之一。在歐洲，烏克蘭建有2座電子加速器（1.4 Mev及20 kW），在前蘇聯(lián)時代的1983年起就已對輸入的小麥進(jìn)行輻照處理，一座電子加速器的處理能力為200 t/h；法國有2座電子加速器用于食品輻照，主要進(jìn)行香辛料、干燥蔬菜等食品的輻照，年生產(chǎn)量約為6 000 t；英國是世界上開展食品輻照研究最早的國家之一，僅次于美國；比利時應(yīng)用電子加速器輻照香辛料，干燥蔬菜，冷凍水產(chǎn)品等，年產(chǎn)量約為1 萬 t。

國內(nèi)來自輻照行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計表明，2008年全國已建成功率5 kW及以上的輻射加工用電子加速器達(dá)133臺，總功率8 258.2 kW，另有8座大功率電子加速器裝置正在建設(shè)中。但絕大部分電子加速器主要應(yīng)用于新材料的改性與研究，真正應(yīng)用于食品輻照產(chǎn)業(yè)化的僅有為數(shù)不多的幾座，應(yīng)用電子加速器輻照處理的食品在食品輻照總量中占的比例小。分析其原因：（1）電子加速器的研究和應(yīng)用起步較晚，目前國內(nèi)外研究與應(yīng)用集中在新材料改性、醫(yī)療衛(wèi)生用品滅菌消毒領(lǐng)域，在食品輻照領(lǐng)域研究不夠深入，應(yīng)用也尚處于起步階段。（2）電子加速器相比γ輻照源具有眾多優(yōu)點，但也存在穿透能力不夠的問題，因而在食品輻照處理過程中，對不同密度食品的包裝尺寸有嚴(yán)格的要求，而現(xiàn)有食品的包裝難以適應(yīng)電子加速器產(chǎn)業(yè)化輻照。（3）電子加速器的研制和生產(chǎn)目前國內(nèi)已成熟的主要集中在中低能電子加速器，而應(yīng)用于食品產(chǎn)業(yè)化輻照需要高能大功率的電子加速器（一般10 MeV，>10 kW），且對配套裝置也有較高的要求。

4 前景展望

隨著國際經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，農(nóng)產(chǎn)品國際貿(mào)易的擴大以及對食品安全的認(rèn)識和關(guān)注度的提高，食品輻照處理作為保障食品安全的終端保障措施，將愈加受到社會的關(guān)注和重視。近年來我國食品輻照發(fā)展訊猛，據(jù)不完全統(tǒng)計，2008年全國輻照食品加工量達(dá)到17萬t以上，占世界輻照食品總量的36%，對國民經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)超過150億元，同時輻照食品的種類也是世界上應(yīng)用最多的國家。相信食品輻照市場隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平的提高，應(yīng)用前景愈來愈廣闊。

近年來，我國以食品輻照為主的γ輻射源，有人員誤照射、卡源等事故發(fā)生，安全問題凸現(xiàn)，在社會上負(fù)面影響很大，不利于食品輻照技術(shù)的推廣應(yīng)用。電子加速器輻照食品具有處理速度快、能量利用率高、運行成本低、安全無環(huán)境污染問題等獨特的優(yōu)勢。同時電子加速器自動化程度高、系統(tǒng)操作方便、產(chǎn)品吸收劑量均勻、無放射性廢源產(chǎn)生、運行安全。國家在“十一五”期間加大了對電子加速器輻照食品應(yīng)用研究的支持力度，國家發(fā)展與改革委員會也以非核動力應(yīng)用為契機對電子加速器輻射應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化給予了扶持。隨著電子加速器束流能量和束下裝置的提高與完善，在食品輻照加工能力和社會經(jīng)濟(jì)效益方面優(yōu)勢越來越明顯，電子加速器有取代γ輻射源的趨勢，將成為食品輻照的主流。

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