電子自旋共振波譜法對干果類輻照食品的鑒定

宋業(yè)萍，王傳現(xiàn)*，楊振宇，仲維科，耿金培，陸 地，丁卓平,*

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2.上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135；3.中國檢驗檢疫科學(xué)研究院，北京 100025；4.煙臺出入境檢驗檢疫局，山東 煙臺 264000)

電子自旋共振波譜法對干果類輻照食品的鑒定

宋業(yè)萍1，王傳現(xiàn)2,*，楊振宇2，仲維科3，耿金培4，陸 地4，丁卓平1,*

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2.上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135；3.中國檢驗檢疫科學(xué)研究院，北京 100025；4.煙臺出入境檢驗檢疫局，山東 煙臺 264000)

研究電子自旋共振波譜法對干果類輻照食品的鑒定。分析開心果、核桃、桂圓的電子自旋共振波譜特征和樣品干燥溫度對信號強度的影響。結(jié)果表明：電子自旋共振特征峰信號強度與吸收劑量呈正相關(guān)，檢測限為0.5kGy；進(jìn)一步干燥時，開心果和核桃的最佳溫度為40℃，桂圓的最佳溫度為55℃；電子自旋共振特征峰的信號強度受微波功率影響，檢測開心果、核桃、桂圓最佳的微波功率依次為0.59、0.37、0.24mW。通過電子自旋共振特征峰可判定干果是否經(jīng)過輻照處理。

電子自旋共振波譜；干果；輻照食品

食品輻照技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展起來的一種滅菌保鮮技術(shù)，是以輻照加工技術(shù)為基礎(chǔ)，運用γ射線或電子加速器產(chǎn)生的高能射線對食品進(jìn)行加工處理，在能量的傳遞和轉(zhuǎn)移過程中，產(chǎn)生物理效應(yīng)和生物效應(yīng)，達(dá)到殺蟲、殺菌、抑制生理過程、提高食品衛(wèi)生質(zhì)量、保持營養(yǎng)品質(zhì)及風(fēng)味、延長貨架期的目的[1]。

隨著新興工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，近年來輻照保鮮技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品加工行業(yè)，該技術(shù)已經(jīng)解決了美國及其他地區(qū)的由致病菌引起的食源性疾病。由于人們對輻照食品安全知識了解不深，對輻照食品具有一定的恐懼心理，輻照食品的安全性在社會上還存在一些爭議[2]；在國際貿(mào)易方面，有些國家允許輸出本國輻照食品，卻禁止其他國家的輻照食品的輸入[3]。這些使得我國不得不對輻照食品的檢測投入大量的精力，制定出更有權(quán)威性的檢測輻照食品的方法。

為了延長干果類的貯藏期、減少蟲害作用，輻照保鮮技術(shù)也被經(jīng)用于這類食品的生產(chǎn)加工過程中。干果類食品因果皮中含有大量的纖維素經(jīng)輻照后會生成穩(wěn)定的長壽命自由基(含有未成對電子)，通過電子自旋共振(electron spin resonance，ESR)波譜可檢測其自由基順磁中心，由于每一種輻照食品有其特征電子自旋共振波譜，因此可對食品是否經(jīng)過輻照進(jìn)行定性判斷。電子自旋共振波譜已成為發(fā)達(dá)國家公認(rèn)的輻照食品檢測標(biāo)準(zhǔn)方法[4-5]，但我國在這方面的研究仍略顯單薄。為此，本實驗對干果類食品的電子自旋共振波譜進(jìn)行探討。

1 材料與方法

1.1 材料

從當(dāng)?shù)刭徺I新鮮的開心果(水分含量30%～35%)、核桃(去青皮，水分含量30%～45%)、桂圓(水分含量80%～90%)。

1.2 儀器與設(shè)備

ESR儀(X波段)、ESR管(內(nèi)徑5.0mm) 德國Bruker公司；DKNC812送風(fēng)定溫恒溫器 雅馬拓科技貿(mào)易(上海)有限公司；真空干燥箱 上海道京儀器有限公司；SEY-20紅外線快速水分儀 濰坊中特電子儀器有限公司；電動粉碎機 上海日暉微電機廠；電子天平(感量1mg) 蘇州中澤儀器有限公司；解剖刀。

1.3 方法

1.3.1 干燥樣品的制備

開心果和核桃都屬于脂肪含量較高、外殼堅硬的堅果，并且水分含量相似，所以可以采取同樣的干燥方法。目前，國外主要采用低溫?zé)犸L(fēng)干燥方法對核桃進(jìn)行干燥。熱風(fēng)干燥的速率比自然干燥快6倍，一般在24h內(nèi)就可以將堅果干燥到安全水分含量(低于8%)[6]。實驗中采用送風(fēng)定溫恒溫器對新鮮的開心果、核桃進(jìn)行干燥，干燥溫度43℃、時間24h；若溫度過高會使核仁內(nèi)含的油脂敗壞，并破壞核仁種皮的天然化合物[6]。

新鮮桂圓水分含量達(dá)到80%～90%，且無油脂，因此采用送風(fēng)定溫恒溫器干燥時，溫度可高達(dá)60℃，時間為24h，最終水分含量低于10%，若溫度過高會引起果殼的褐變[7]。

1.3.2 樣品的輻照處理

將干燥樣品在正常的室溫條件下密封裝入聚乙烯袋中。用60Coγ射線在室溫、有氧環(huán)境條件下分別照射，輻照劑量為0.5、1、2、3、5、10、20kGy[8]，未經(jīng)輻照的樣品作為0kGy對照。

1.3.3 樣品前處理

用解剖刀將樣品的外殼與果肉分離，去肉留殼。將樣品殼置于真空干燥箱(開心果、核桃為40℃，桂圓為55℃)3h，使樣品達(dá)到盡可能完全干燥的程度。3h后，取出樣品使其冷卻。最后用電動粉碎機將樣品粉碎，使其內(nèi)徑約為3～3.5mm。

1.3.4 ESR測量

將0.3g樣品置于ESR管中，擦凈管外壁，置于諧振腔中。ESR工作參數(shù)如下，磁場：中心磁場3509.8G，掃場寬度200G；微波輻射：微波頻率9.5～10.0GHz，功率0.4～1.0mW；信號通道：時間常數(shù)40.960ms，掃描時間41.943s；信號接收：調(diào)制頻率100kHz，調(diào)制振幅0.2～1.0mT，增益103～105；溫度：室溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 干果類輻照食品的ESR波譜特征

圖1 不同吸收劑量開心果的ESR圖譜Fig.1 ESR spectrum of pistachio with different absorben doses

從圖1可明顯看出，未輻照的開心果經(jīng)檢測后，ESR圖譜中間位置會出現(xiàn)兩個明顯的峰；輻照后的開心果經(jīng)檢測，圖譜中出現(xiàn)4個峰，包含上述中間的兩個大峰和左(低磁場)右(高磁場)兩側(cè)兩個相對較小的峰，這兩峰磁場寬度約為(60.5±0.5)G(圖2)。由此可見，兩個小峰是輻照樣品經(jīng)ESR儀檢測后形成的特征峰，這主要是由纖維素經(jīng)輻照后產(chǎn)生的長壽命自由基引起的[9]。因此，可根據(jù)特征峰來定性的判斷干果類食品是否經(jīng)過輻照。

圖2 20kGy開心果ESR圖譜Fig.2 ESR spectrum of 20 kGy pistachio

圖3 吸收劑量與ESR特征峰信號強度的關(guān)系Fig.3 Relationship between absorbent dose and ESR signal intensity of characteristic peak

ESR 譜圖上下峰值高度為 ESR信號強度，特征峰上下高度則為ESR輻照特征峰信號強度，實驗中選用左側(cè)特征峰進(jìn)行定量分析。從圖1還可以看出，隨著輻照吸收劑量的增加，ESR特征峰信號強度顯著增加，特征峰也變得越來越明顯，這正說明了ESR特征峰信號強度與吸收劑量正相關(guān)。圖3顯示，室溫貯存30d、0.5～10kGy的開心果、核桃、桂圓輻照吸收劑量與ESR特征峰信號強度的關(guān)系曲線，可以看出在同一吸收劑量下，開心果、核桃的ESR特征峰信號強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于桂圓，這是由它們外殼中的纖維素含量高于桂圓的纖維素含量引起的[10]，纖維素的含量越高，輻照產(chǎn)生的纖維素自由基越多，檢測到的特征峰信號強度越大[11]。輻照吸收劑量為0.5～10kGy的3種干果其吸收劑量與ESR特征峰信號強度滿足以下關(guān)系式：

式中：X為吸收劑量kGy；Y為ESR特征峰信號強度。

可以看出，在0.5～10kGy的劑量范圍內(nèi)，吸收劑量與ESR特征峰的信號強度有良好的線性相關(guān)性。利用ESR掃描檢測，這3種干果類的檢出限都可以低達(dá)0.5kGy(輻照貯藏期為30d)。0.5kGy開心果的ESR特征峰信號強度為6560±100，0.5kGy核桃的ESR特征峰信號強度為2013±100，0.5kGy桂圓的ESR特征峰信號強度為1297±100。由此可見，ESR法在鑒別干果類輻照食品上有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 樣品干燥溫度對ESR特征峰信號強度的影響

干果類的干燥程度會影響輻照保鮮效果，水分含量越大，保鮮時間越短。雖然樣品前處理過程中已經(jīng)將樣品進(jìn)行了初步的干燥，但是果殼中還存有部分的水分，若水分含量過大時，會導(dǎo)致樣品檢測前儀器的調(diào)諧失敗而停止檢測。因此需要進(jìn)一步的真空干燥處理。研究發(fā)現(xiàn)，干果類的干燥溫度對其ESR特征峰信號強度有一定的影響。從圖4可以看到，在相同的貯藏條件下(30d，室溫)，輻照吸收劑量為10kGy的核桃經(jīng)真空干燥3h，當(dāng)干燥溫度低于40℃時，隨著溫度的升高，ESR特征峰信號強度增大，干燥溫度高于40℃時，隨著溫度的升高，ESR特征峰信號強度減小。其原因是，低溫干燥未能使核桃達(dá)到盡干的狀態(tài)，且在檢測過程中水分的存在會導(dǎo)致噪音信號較大；而過高的溫度會加速纖維素自由基的衰減，影響到檢測的準(zhǔn)確性[12]。因此，實驗選擇核桃進(jìn)一步的干燥溫度為40℃，同樣得到開心果的干燥溫度為40℃，桂圓的干燥溫度為55℃。

圖4 10kGy的核桃干燥溫度與ESR特征峰信號強度的關(guān)系Fig.4 Relationship between drying temperature of 10 kGy walnut and ESR signal intensity of characteristic peak

2.3 ESR測定參數(shù)的優(yōu)化確定

2.3.1 微波功率的選擇

為了能夠檢測到低輻照劑量樣品的特征峰，需要在檢測的過程中不停的進(jìn)行著參數(shù)的優(yōu)化。經(jīng)過多次的摸索發(fā)現(xiàn)，微波功率對特征峰強度的影響很大，并且不同樣品檢測時所需的最佳微波功率有所不同。圖5是輻照貯藏期為30d、吸收劑量為20kGy的開心果經(jīng)過12次ESR衰減掃描所形成的圖譜。比較得知，當(dāng)微波功率為0.37mW時，核桃的輻照特征峰更為明顯；同樣優(yōu)化參數(shù)得到微波功率為0.59mW時，開心果的輻照特征峰更為顯著；微波功率為0.24mW時，桂圓的輻照特征峰更為突出。

圖5 20kGy的開心果微波功率與ESR特征峰信號強度的關(guān)系Fig.5 Relationship between microwave power for 20 kGy pistachio and ESR signal intensity of characteristic peak

2.3.2 掃描次數(shù)的確定

隨著樣品貯藏時間的延長，輻照產(chǎn)生的纖維素自由基會慢慢地衰減，ESR特征峰信號強度也會隨之變?nèi)鮗13-15]，這使得低輻照劑量樣品的ESR特征峰難以檢出，即使通過增加增益放大信號強度也難以判斷特征峰是否存在。這就需要采取多次累加掃描方式來解決這一難題。實驗規(guī)定只要在滿足3倍信噪比、累加次數(shù)n≤30的情況下出現(xiàn)ESR特征峰，均可定性判斷樣品經(jīng)過輻照。雖然也可通過無限制地加大累加次數(shù)對低輻照劑量樣品進(jìn)行掃描，但這需要消耗大量的時間，而且較低的輻照劑量對食品的保鮮效果并不明顯，所以把最大的累加掃描次數(shù)定為30次。圖6顯示了輻照貯藏期為30d、吸收劑量為1kGy的桂圓經(jīng)過1次掃描和30次累加掃描的區(qū)別，1次掃描圖譜中難以辨別輻照特征峰，而30次累加掃描曲線中輻照特征峰則較為清晰。所以，對于這種低輻照劑量的樣品，多次累加掃描則顯得十分必要。

圖6 1kGy的桂圓不同次數(shù)掃描的ESR圖譜Fig.6 ESR spectrum of 1 kGy longan with different sweep numbers

3 結(jié) 論

干果經(jīng)輻照處理，通過ESR儀掃描檢測，根據(jù)劑量不同出現(xiàn)不同信號強度的特征峰，依據(jù)這些特征峰可以定性判斷食品是否經(jīng)過輻照。ESR特征峰信號強度與輻照劑量呈正相關(guān)，且滿足一定的關(guān)系方程。ESR特征峰信號強度受樣品的干燥溫度影響很大，實驗過程中應(yīng)盡可能使樣品達(dá)到盡干的狀態(tài)。檢測不同樣品所需的最佳微波功率不同，且微波功率會影響特征峰的信號強度?？梢酝ㄟ^多次累加掃描來檢測低輻照吸收劑量的樣品，掃描次數(shù)最多為30次。ESR特征峰信號強度受樣品的種類、產(chǎn)地、貯藏時間、濕度等影響很大[16-17]，這給ESR檢測方法確定食品的輻照吸收劑量帶來較大困難，這也是今后研究工作的重點。

[1] 唐超. 輻照食品國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 品牌與標(biāo)準(zhǔn)化, 2011, 16(2)∶ 19.

[2] 張宏. 輻照食品的衛(wèi)生安全性研究和管理現(xiàn)狀[J]. 中國食品衛(wèi)生雜志, 2005, 17(4)∶ 352-355.

[3] 李戈, 顧紹平, 于文軍. 世界主要貿(mào)易國有關(guān)輻照食品的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求[J]. 食品工業(yè)科技, 2002, 23(11)∶ 86-89.

[4] EN 1787∶2000. Foodstuffs∶ detection of irradiated food containing cellulose, method by ESR spectroscopy (Method also adopted by the Codex Alimentarius Commission as a General Method).

[5] EN 1786∶1996. Foodstuffs∶ detection of irradiated food containing bone,method by ESR spectroscopy (Method also adopted by the Codex Alimentarius Commission as a General Method).

[6] 梁勤安, 楊軍. 核桃初加工工藝及關(guān)鍵設(shè)備[J]. 農(nóng)機化研究, 2003, 1(1)∶ 154-157.

[7] 林山海. 殼果、谷物的干燥特性曲線及其節(jié)能與應(yīng)用[J]. 福建農(nóng)機,2008(3)∶ 68-70.

[8] 趙小俊, 傅俊杰, 譚瑗瑗, 等. 基于電子自旋共振(ESR)技術(shù)檢測輻照玫瑰花茶[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報, 2010, 36(6)∶ 670-630.

[9] GOKTUG B, HENRY D. Identification of irradiated Turkish foodstuffs combining various physical detection methods[J]. Food Control, 2004,15(2)∶ 81-91.

[10] 石柳, 王金華, 熊智, 等. 澳洲堅果殼中纖維素和木質(zhì)素成分分析[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 48(11)∶ 2846-2848.

[11] 李偉明, 哈益明, 張彥立. ESR法檢測含纖維素輻照食品的研究進(jìn)展[J]. 輻射研究與輻射工藝學(xué)報, 2010, 28(3)∶ 129-133.

[12] 趙永富, 哈益明, 劉婷, 等. 電子自旋共振波譜法檢測含骨類食品的初步研究[J]. 輻射研究與輻射工藝學(xué)報, 2007, 25(5)∶ 279-282.

[13] 陳德平, 許立憲, 巫德輝, 等. 電子自旋共振技術(shù)在輻照食品分析檢測中的應(yīng)用[J]. 檢驗檢疫科學(xué), 2007, 17(1)∶ 98-101.

[14] ERIC M, PETER H, HELENE C, et al. Detection of irradiated ingredients in low quantity in non-irradiated food matrix. 1. Extraction and ESR analysis of bones from mechanically recovered poultry meat[J].Food Chemistry, 2005, 53(10)∶ 3769-3773.

[15] ERIC M, PETER H, HELENE C, et al. Detection of irradiated ingredients in low quantity in non-irradiated food matrix. 2. Extraction and ESR analysis of mechanically recovered poultry meat and TL analysis of spices[J]. Food Chemistry, 2005, 53(10)∶ 3774-3778.

[16] DESROSIERS M F, MCLAUGHLIN W L. Examination of gammairradiation fruits and vegetables by electron spin resonance spectroscopy[J]. Radiation Physics and Chemistry, 1989, 34(6)∶ 895-898.

[17] 萬小娟, 王佳, 鄭建飛, 等. 含纖維素輻照食品的ESR法研究[J]. 核技術(shù), 2008, 31(8)∶ 629-631.

Identification of Irradiated Dried Nuts by ESR Spectroscopy

SONG Ye-ping1，WANG Chuan-xian2,*，YANG Zhen-yu2，ZHONG Wei-ke3，GENG Jin-pei4，LU Di4，DING Zhuo-ping1,*
(1. College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；2. Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Shanghai 200135, China；3. Chinese Academy of Inspection and Quarantine,Beijing 100025, China；4. Yantai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Yantai 264000, China)

Electron spin resonance (ESR) spectroscopy is an effective method to identify irradiated dried nuts. In this experiment, ESR spectral characteristics of pistachio, walnut and longan were determined and the effect of drying temperature of samples on ESR signal intensity was also explored. The results showed that ESR signal intensity of characteristic peak was positively correlated with irradiation dose, and the detection limit of irradiation was 0.5 kGy. However, during further drying,the optimal temperature was 40 ℃ for pistachio and walnut, and 55 ℃ for longan. ESR signal intensity of characteristic peak was also affected by microwave power. The optimal microwave power were 0.59, 0.37 mW and 0.24 mW for pistachio, walnut and longan, respectively. Therefore, ESR characteristic peak can qualitatively determine the irradiation of dried nuts, which can provide a theoretical basis for detecting the dried nuts by ESR.

electron spin resonance；dried nuts；irradiated food

TS297.3

A

1002-6630(2012)10-0260-04

2011-05-19

國家質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(200910142)；上海市教育委員會學(xué)科建設(shè)資助項目(J50704)

宋業(yè)萍(1986—)，女，碩士研究生，研究方向為食品檢測。E-mail：songyeping86@163.com

*通信作者：王傳現(xiàn)(1975—)，男，高級工程師，博士，研究方向為食品檢測。E-mail：chuanxian.wang@163.com

丁卓平(1957—)，女，教授，研究方向為食品檢測。E-mail：zpding@shou.edu.com