電子束輻照技術(shù)及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究

張 瑩 朱加進(jìn)

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

近年來(lái)，由于食品在保藏過(guò)程中被各類(lèi)致病菌污染，造成食品安全問(wèn)題層出不窮，各國(guó)關(guān)注度急劇提高。傳統(tǒng)的食品貯藏加工技術(shù)，如添加防腐劑、藥劑熏蒸、加熱滅菌等，不僅破壞食品原有結(jié)構(gòu)，影響食品特有的風(fēng)味與口感，而且易造成食品的化學(xué)污染，危害人體健康。輻照作為一種冷殺菌處理技術(shù)，在處理過(guò)程中引起食品內(nèi)部溫度變化極小（升高2．8 ℃／10kGy），受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前中國(guó)應(yīng)用最廣泛的是以Co－60 為放射源的γ－射線輻照，其穿透力強(qiáng)，可以有效地殺滅食品中的細(xì)菌。但是近年來(lái)，由于核泄漏、放射性污染等問(wèn)題，導(dǎo)致多起安全事故發(fā)生，γ－射線輻照的安全問(wèn)題引發(fā)人們的擔(dān)憂。電子束輻照加工技術(shù)，產(chǎn)生和消失通過(guò)電子加速器的開(kāi)關(guān)控制，不存在放射性污染、核泄漏等問(wèn)題，是一種理想的γ－射線輻照替代技術(shù)。

電子束輻照加工技術(shù)不僅可以徹底殺滅病原微生物，最大限度的保持食品品質(zhì)，而且可以減少不良風(fēng)味對(duì)食品的影響，延長(zhǎng)貨架期［1］。與γ－輻射相比，電子束輻照不需要輻射源，可調(diào)節(jié)功率，與生產(chǎn)線相連接，實(shí)現(xiàn)在線對(duì)食品輻照，因此得到越來(lái)越多的國(guó)家以及國(guó)際組織的關(guān)注。中國(guó)“十一五”、“十二五”期間對(duì)食品電子束輻照研究加大支持力度。但是利用電子束技術(shù)輻照食品的相關(guān)研究成果比較少，尚未進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。文章就國(guó)內(nèi)外目前在電子束輻照領(lǐng)域的滅菌、加工等現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，希望電子束輻照能夠引起進(jìn)一步的關(guān)注，發(fā)揮其巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 電子束輻照的原理

電子束輻照是電離輻射的一種，其原理是利用電子加速器產(chǎn)生的電子束（最大能量10 MeV）輻照食品產(chǎn)生的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、以及生物學(xué)效應(yīng)，殺滅蟲(chóng)卵及微生物、推遲成熟、抑制發(fā)芽、促進(jìn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到食品保藏和保鮮的目的。與傳統(tǒng)的食品保鮮方法相比，不存在化學(xué)殘留和放射性污染等問(wèn)題［2］，在常溫條件下進(jìn)行，是目前其它保鮮方法無(wú)法替代的一種綠色食品保鮮加工技術(shù)。

2 電子束輻照技術(shù)優(yōu)勢(shì)

電子束輻照作為一種新型綠色物理冷加工技術(shù)，存在其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和社會(huì)優(yōu)勢(shì)。

（1）輻照加工對(duì)食品產(chǎn)生的熱值極小，可保持一些溫度敏感的原料食品的特性，能夠最大限度的減小對(duì)其特有風(fēng)味的破壞，是一種理想的冷殺菌方式。

（2）輻照可對(duì)不同包裝、不同形狀、不同結(jié)構(gòu)的食品進(jìn)行處理，且其射線能夠穿透食品包裝（當(dāng)然其穿透力也有一定的限度），進(jìn)入食品內(nèi)部，徹底殺菌，避免了食品加工過(guò)程中的二次污染問(wèn)題。

（3）輻照處理操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化大生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的60Co輻照源相比，電子加速器裝置體積小，自動(dòng)化程度高，加速快，處理時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)對(duì)食品的在線加工處理。

（4）安全衛(wèi)生，無(wú)殘留。由于大量使用農(nóng)藥和化學(xué)熏蒸劑，糧食和其它食品中農(nóng)藥殘留已嚴(yán)重影響了食品的質(zhì)量。電子束輻照無(wú)化學(xué)殘留，更健康，而且與其它輻照技術(shù)如60Co源相比，電子加速器運(yùn)行安全，事故發(fā)生概率較小，避免了放射性廢源處理等諸多安全問(wèn)題。

（5）與傳統(tǒng)的食品殺菌處理技術(shù)相比，電子束的單位能耗非常低。

3 在食品殺菌方面的應(yīng)用研究

自1943年美國(guó)麻省理學(xué)院B．E．Proctor博士［3］第一次用射線輻照漢堡研究食品保藏開(kāi)始，科學(xué)家們一直在研究輻照在食品殺菌領(lǐng)域方面的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)輻照具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是電子束輻照殺菌，由于其不存在輻射源，安全性能高，在防止食品中食源性致病微生物污染方面存在著巨大的應(yīng)用潛能。

3．1 在肉制品殺菌中的應(yīng)用研究

肉類(lèi)食品富含人體需要的蛋白質(zhì)、脂肪、維生素B1、鐵等多種營(yíng)養(yǎng)成分，必需氨基酸數(shù)量充足，比例適宜，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高。但其豐富的營(yíng)養(yǎng)也成為微生物良好的培養(yǎng)基，極易受微生物污染，發(fā)生腐敗變質(zhì)。電子束輻照技術(shù)作為一種新型物理冷加工保鮮技術(shù)，較之傳統(tǒng)的高溫高壓、加熱殺菌燈方式，可以有效地殺滅冷、鮮肉類(lèi)制品中致病微生物，且不影響其獨(dú)特的品質(zhì)，是目前冷鮮肉類(lèi)制品較好的保鮮技術(shù)。文獻(xiàn)［4］報(bào)道通過(guò)對(duì)小包裝鮮豬肉接種沙門(mén)氏菌，用低劑量（1kGy）電子束輻照，2～4 ℃下貯藏14d，結(jié)果在真空、CO2或N2充填包裝下，樣品中已無(wú)沙門(mén)氏菌存在。Lee等［5］對(duì)已感染4 種病毒的碎豬肉用電子束輻照，結(jié)果顯示4．4～5．2kGy的劑量即能完全滅活4種病毒。Tart等［6］研究了電子束輻照對(duì)感染李斯特菌的碎肉的輻照效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)電子束對(duì)各菌株的處理效果存在差異，滅菌D10劑量在0．37～0．45kGy，因此選擇4．5kGy為電子束滅菌的最佳工藝劑量。Whangke等［7］采用電子束輻照鮮豬肉，在束流能量8 MeV，劑量3．5kGy，4 ℃條件下可貯藏6d，該劑量下的電子束輻照能夠有效地殺滅需氧和嗜溫性細(xì)菌。Poonp等［8］報(bào)道，用電子束輻照牛肉餅，劑量分別為2，5，10kGy，4 ℃條件下可貯藏21d，其中2kGy對(duì)牛肉餅中的腐敗菌生長(zhǎng)有顯著抑制作用，劑量大于5kGy能徹底殺滅各種腐敗菌。

對(duì)于電子束殺菌方面的研究，中國(guó)科學(xué)家也在積極探索。劉春泉等［9］研究發(fā)現(xiàn)冷凍蝦仁中99%以上的微生物可以通過(guò)3～5kGy的劑量殺死。陳秀蘭等［10］對(duì)鹽水鴨4℃低溫預(yù)處理后，用大于6kGy的劑量輻照，其保藏貨架期高達(dá)2個(gè)多月。白艷紅等［11］利用電子束輻照技術(shù)對(duì)冷卻豬肉的殺菌和保鮮效果進(jìn)行研究，以束流能量和輻照吸收劑量為試驗(yàn)因子，以菌落總數(shù)為指標(biāo)，通過(guò)響應(yīng)面分析法研究了電子束輻照殺菌的效果及對(duì)貨架期的影響。研究結(jié)果表明，電子束輻照對(duì)冷卻豬肉具有殺菌保鮮作用。

3．2 在水果蔬菜及其它食品中的殺菌研究

2006年9月美國(guó)發(fā)生“有毒菠菜事件”，主要是由于消費(fèi)者食用感染大腸桿菌的菠菜引起的。這起惡性食品安全問(wèn)題的本質(zhì)是生食食品保藏方法不當(dāng)。有關(guān)專(zhuān)家［12］指出生食蔬菜通過(guò)輻照殺菌，可以徹底殺死大腸桿菌，避免此類(lèi)事件再次發(fā)生。實(shí)際上在此事件之前，就已存在輻照殺菌延長(zhǎng)食品貨架期的大量研究［13，14］。此后，科學(xué)家們對(duì)電子束輻照輻殺菌進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。Carmen Susana Rivera等［15］分別用1．5，2．5kGy輻照夏季黑松糕，大大的降低了其微生物，延長(zhǎng)了貨架期。C．Gomes等［16］用電子束輻照西蘭花頭，每5d檢測(cè)1次其顏色、質(zhì)地、呼吸速率、失重率、類(lèi)胡蘿卜素含量，發(fā)現(xiàn)3kGy可以有效地防止微生物，并能保持整體品質(zhì)的基本良好。Jack A．Neal等［17］報(bào)道1．4kGy可以有效地殺滅菠菜中的需氧菌、乳酸菌、酵母菌和霉菌。Balasubrahmanyam Kottapalli等［18］用電子束輻照處理感染鐮刀菌的大麥，然后對(duì)輻照后的大麥和由其釀造的啤酒進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)6～8kGy可以明顯的抑制大麥的發(fā)芽率。經(jīng)過(guò)輻照的大麥釀造的啤酒的脫氧萎鐮菌醇的含量降低了60%～100%。試驗(yàn)結(jié)果表明：6～8kGy可以有效地防止大麥的鐮刀菌感染以及啤酒中脫氧萎鐮菌醇的含量。

以上研究表明：電子束輻照技術(shù)可以有效地殺滅冷鮮肉制品、果蔬中的致病微生物，可以有效的預(yù)防食品安全問(wèn)題。但是目前研究基本處于電子束輻照殺菌條件選擇方面，電子束輻照殺菌機(jī)理等深層次研究未見(jiàn)報(bào)道，有待進(jìn)一步研究。

4 對(duì)食品品質(zhì)的影響

輻照可以改變食品的理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)，并且輻照過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生少量的所謂“輻解產(chǎn)物”的成分，使食品產(chǎn)生一種令人不愉快的氣味，影響輻照食品的感官品質(zhì)［19，20］。然而，這種影響基于輻照食品的種類(lèi)差異、輻照環(huán)境（主要是包裝氣體和溫度）的變化以及輻照劑量的大小，產(chǎn)生的影響程度不同。Adrianne M 等［21］分別用1，2，3kGy輻照劑量輻照即食的法蘭克福香腸，32d內(nèi)測(cè)定其外形、香氣、滋味和質(zhì)地，結(jié)果表明，儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)其感官的影響遠(yuǎn)甚于電子束輻照。電子束輻照在可接受程度上影響了雞肉、臘肉、熱狗的香氣成分的組成，但是對(duì)其質(zhì)構(gòu)并沒(méi)有影響。Paloma Sa′nchez－Bel等［22］分別用3，7，10kGy輻照杏仁，然后在5 個(gè)月內(nèi)測(cè)定其化學(xué)成分的變化（水分含量、蛋白質(zhì)、纖維、糖、脂肪含量、有機(jī)酸）以及感官特性的變化（酸敗、甜度、異味、氣味、紋理、色澤）。試驗(yàn)結(jié)果表明7kGy為最佳的輻照劑量，既不影響化學(xué)成分的變化，又能很好的保持其感官特性。Hyun Joo Kim 等［23］研究了電子束輻照雞蛋，對(duì)其病原體、品質(zhì)和功能特性的影響。2kGy可以有效地殺滅大腸桿菌和鼠傷寒沙門(mén)氏菌。雖然雞蛋的粘性降低，但是其發(fā)泡性能經(jīng)過(guò)輻照之后明顯加強(qiáng)。筆者建議可以將此種特性加入到打蛋過(guò)程中以利于蛋黃和蛋清的分離。Rajeev Bhat等［24］用0，2．5，5，7．5，10，15，30kGy輻照蓮子，結(jié)果表明，灰分和碳水化合物明顯增加，藕粉水溶性下降，油溶性增加，蛋白質(zhì)溶解度和發(fā)泡能力增強(qiáng)，總酚和丹寧含量與輻照劑量成線性關(guān)系，而植酸在5kGy時(shí)下降，說(shuō)明電子束輻照可以提高蓮子的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。P．Shawrang等［25］分別用10，15，20，25，30kGy高劑量輻照高梁粒，測(cè)定其化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)電子束不影響其化學(xué)成分，但是植酸和丹寧含量顯著降低，證明電子束可以破壞抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)，提高消化率。Paulo F 等［26］用中等劑量的電子束輻照帶包裝的新鮮藍(lán)莓，儲(chǔ)藏在5 ℃，濕度70．4%，分別在0，3，7，14d檢測(cè)其理化結(jié)構(gòu)、感官特性，發(fā)現(xiàn)1．0～3．2kGy不會(huì)影響藍(lán)莓的密度、酸度、水分活性及含量，1．6kGy是一個(gè)最佳的輻照劑量。李淑榮等［27］研究發(fā)現(xiàn)，花生芹菜等涼菜經(jīng)過(guò)2．0kGy的輻照劑量處理，可以有效殺滅病原菌，同時(shí)不影響花生芹菜等涼菜的營(yíng)養(yǎng)和感官品質(zhì)。Fan等［12－14］研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)水果和蔬菜通過(guò)優(yōu)化其儲(chǔ)存條件，1～2kGy的輻照處理劑量，不會(huì)影響其營(yíng)養(yǎng)和感官品質(zhì)。楊俊麗等［28］研究發(fā)現(xiàn)用200kGy的高能電子束輻照處理大蒜，不僅可以抑制大蒜呼吸作用，延緩質(zhì)量損失，且對(duì)大蒜鱗莖外皮顏色和大蒜風(fēng)味品質(zhì)影響不大。

綜上所述，利用一定劑量的電子束輻照食品不僅不會(huì)對(duì)食品的營(yíng)養(yǎng)成分和感官產(chǎn)生影響，在一些食品中還能降低其抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)，提高利用率。

5 電子束輻照在其它方面的應(yīng)用研究

近些年來(lái)，除了傳統(tǒng)的利用輻照殺菌，研究其對(duì)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響外，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家還對(duì)輻照進(jìn)行了更深入的研究。張明琦等［29］研究表明，7～10kGy輻照處理能明顯降解鈍化蟹原肌球蛋白（過(guò)敏原），這對(duì)于解決很多人對(duì)海鮮食物過(guò)敏提供了思路。楊俊麗等［28］在研究電子束輻照大蒜對(duì)其品質(zhì)的影響過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)電子束輻照能增加大蒜素的含量，增進(jìn)大蒜辛辣風(fēng)味品質(zhì)。A．S．TEETS等［30］分別用10，20，30kGy輻照杏仁皮，然后從中提取酚類(lèi)物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)10～20kGy可以增加提取量。楊成對(duì)等［31］用電子束輻照茶葉，發(fā)現(xiàn)可以有效地降解期中擬除蟲(chóng)菊脂類(lèi)農(nóng)藥。可見(jiàn)，隨著國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的進(jìn)一步探索，發(fā)現(xiàn)電子束除了殺菌保藏之外，還有很多其它的用途，但是關(guān)于一些特殊作用的機(jī)理還沒(méi)有報(bào)道，需要進(jìn)一步研究。

6 世界各國(guó)電子束輻照技術(shù)應(yīng)用情況及相關(guān)法規(guī)

1980年FAO／IAEA／WHO 聯(lián)合發(fā)表文件聲明食品輻照平均劑量在10kGy以下，對(duì)人體是安全的。1884年，食品法典委員會(huì)CAC向其130多個(gè)成員國(guó)建議使用《CAC標(biāo)準(zhǔn)》及《輻照食品設(shè)施推薦規(guī)程》。在此之后，國(guó)內(nèi)外對(duì)輻照食品做了大量研究，在衛(wèi)生和安全方面獲得了大量的可靠數(shù)據(jù)，證明輻照食品在衛(wèi)生上和安全上是可行的。1984年開(kāi)始，上海醫(yī)科大學(xué)放射醫(yī)學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院上海原子核研究所開(kāi)始對(duì)大米、蔬菜、紅棗、香腸等30多種輻照食品進(jìn)行人體試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定人體臨床、尿常規(guī)、血象、內(nèi)分泌、肝功能與腎功能等多種指標(biāo)，結(jié)果顯示，輻照食品對(duì)人體沒(méi)有任何影響。1999年FAO／IAEA／WHO 高 劑 量 研 究 小 組 在 其WHO890號(hào)文件中發(fā)表了輻照食品劑量超過(guò)10kGy也是安全的結(jié)論。

但是世界各國(guó)對(duì)輻照食品的態(tài)度不一。美國(guó)為最早研究和利用開(kāi)發(fā)輻照食品的國(guó)家之一，應(yīng)用最為廣泛。美國(guó)對(duì)于小麥、馬鈴薯、豬肉、香辛料、谷物等的允許輻照劑量高達(dá)30kGy。在美國(guó)，輻照除被批準(zhǔn)用于滅菌延長(zhǎng)貨架期之外，還被廣泛用于抑制蔬菜發(fā)芽、殺滅糧食中害蟲(chóng)、改善肉制品顏色等領(lǐng)域。巴西對(duì)輻照食品持樂(lè)觀態(tài)度，已于2001年聲明：所有食品均可進(jìn)行輻照處理。

與美國(guó)截然相反，歐盟和日本對(duì)輻照技術(shù)持謹(jǐn)慎和嚴(yán)格態(tài)度。日本目前只允許馬鈴薯可以進(jìn)行輻照處理，抑制其發(fā)芽。歐盟也只允許“干香草、香料和蔬菜調(diào)味料”可以進(jìn)行輻照處理。加拿大、新西蘭、韓國(guó)等國(guó)家對(duì)輻照食品的種類(lèi)、包裝條件均作了非常嚴(yán)格的規(guī)定。多數(shù)亞洲發(fā)展中國(guó)家，如馬來(lái)西亞、孟加拉、泰國(guó)等多根據(jù)CAC 的《輻照食品法典通用標(biāo)準(zhǔn)》起草了相應(yīng)的法規(guī)。

中國(guó)作為研究食品輻照較早的國(guó)家，始于20世紀(jì)50年代末。1983年頒布了第一部食品輻照標(biāo)準(zhǔn)，促使中國(guó)在食品輻照研究領(lǐng)域取得了十分顯著的成績(jī)。1996年發(fā)布了《輻照食品衛(wèi)生管理辦法》，輻照食品的應(yīng)用進(jìn)一步拓展。1997年，中國(guó)制定了《輻照冷凍包裝畜禽肉類(lèi)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 14891．7——1997），進(jìn)一步規(guī)范了輻照技術(shù)在肉類(lèi)制品企業(yè)中的應(yīng)用。截止2012年中國(guó)允許的輻照食品已達(dá)7大類(lèi)56個(gè)品種。包括豆類(lèi)、谷物及其制品；冷凍包裝畜禽肉類(lèi)；水果、蔬菜類(lèi)；熟畜禽肉類(lèi)；香辛料類(lèi)；水產(chǎn)品類(lèi)，共計(jì)56種。在中國(guó)輻照保藏加工技術(shù)已成為傳統(tǒng)食品保藏加工技術(shù)的重要完善和補(bǔ)充，具有不可替代的作用。但是電子束輻照加工技術(shù)對(duì)輻照食品品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，使輻照肉顏色改變，加速脂肪氧化，這些原因嚴(yán)重阻礙了電子束輻照技術(shù)在食品中尤其是肉類(lèi)制品中的工業(yè)化應(yīng)用。如何改進(jìn)電子束輻照技術(shù)對(duì)食品感官品質(zhì)的影響，將成為電子束輻照工業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要的因素。

7 電子束輻照技術(shù)的展望

電子束作為一種新型綠色冷殺菌技術(shù)，在食品保藏應(yīng)用中具有不可替代的位置。

（1）即食水產(chǎn)品和保健食品的電子束殺菌處理。即食水產(chǎn)品和保健食品對(duì)溫度比較敏感，因此處理過(guò)程中應(yīng)避免進(jìn)行熱處理消毒。電子束輻照為冷殺菌，基本不改變食品內(nèi)部溫度，在即食水產(chǎn)品和保健食品殺菌保藏方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

（2）進(jìn)出口大宗農(nóng)產(chǎn)品的電子束輻照檢疫。電子束具有徹底殺菌殺蟲(chóng)的特點(diǎn)，因此可以應(yīng)用大功率電子束對(duì)進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行檢疫性輻照，殺死進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品中有害生物種子以及檢疫性害蟲(chóng)，防止外來(lái)物種的入侵。電子束將在保障中國(guó)農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境安全方面與植物檢疫方面產(chǎn)生積極的影響。

（3）降解有害化學(xué)物質(zhì)殘留。食品中農(nóng)藥及獸藥殘留已成為食品安全亟待解決的問(wèn)題之一，電子束輻照可以有效的降解化學(xué)性污染（農(nóng)藥及獸藥等殘留量超標(biāo)），成為解決食品安全的有效方法之一。

一直以來(lái)，中國(guó)輻照研究技術(shù)以γ－射線輻照為主，但是近年來(lái)，γ－射線輻照源安全問(wèn)題凸顯，常有人員被誤照射等事故發(fā)生，使人們“談源色變”。電子束輻照以電子加速器為輻射源，產(chǎn)生和消失是通過(guò)電子加速器的開(kāi)關(guān)控制的，切斷電源，輻射射線消失，可控性強(qiáng)，安全性高。所以從社會(huì)效益和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，電子束輻照可以作為γ－射線輻射的替代技術(shù)，用于工業(yè)化食品輻照處理。

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