電子束輻照技術及其在食品工業(yè)中的應用研究

張 瑩 朱加進

（浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，浙江 杭州 310058）

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

電子束輻照加工技術不僅可以徹底殺滅病原微生物，最大限度的保持食品品質，而且可以減少不良風味對食品的影響，延長貨架期［1］。與γ－輻射相比，電子束輻照不需要輻射源，可調節(jié)功率，與生產線相連接，實現在線對食品輻照，因此得到越來越多的國家以及國際組織的關注。中國“十一五”、“十二五”期間對食品電子束輻照研究加大支持力度。但是利用電子束技術輻照食品的相關研究成果比較少，尚未進入工業(yè)化應用。文章就國內外目前在電子束輻照領域的滅菌、加工等現狀進行綜述，希望電子束輻照能夠引起進一步的關注，發(fā)揮其巨大的經濟和社會效益。

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生的電子束（最大能量10 MeV）輻照食品產生的物理效應、化學效應、以及生物學效應，殺滅蟲卵及微生物、推遲成熟、抑制發(fā)芽、促進物質轉化，從而達到食品保藏和保鮮的目的。與傳統(tǒng)的食品保鮮方法相比，不存在化學殘留和放射性污染等問題［2］，在常溫條件下進行，是目前其它保鮮方法無法替代的一種綠色食品保鮮加工技術。

2 電子束輻照技術優(yōu)勢

電子束輻照作為一種新型綠色物理冷加工技術，存在其獨特的技術優(yōu)勢和社會優(yōu)勢。

（1）輻照加工對食品產生的熱值極小，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其特有風味的破壞，是一種理想的冷殺菌方式。

（2）輻照可對不同包裝、不同形狀、不同結構的食品進行處理，且其射線能夠穿透食品包裝（當然其穿透力也有一定的限度），進入食品內部，徹底殺菌，避免了食品加工過程中的二次污染問題。

（3）輻照處理操作簡單，易于實現規(guī)模化大生產。與傳統(tǒng)的60Co輻照源相比，電子加速器裝置體積小，自動化程度高，加速快，處理時間短，可實現對食品的在線加工處理。

（4）安全衛(wèi)生，無殘留。由于大量使用農藥和化學熏蒸劑，糧食和其它食品中農藥殘留已嚴重影響了食品的質量。電子束輻照無化學殘留，更健康，而且與其它輻照技術如60Co源相比，電子加速器運行安全，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題。

（5）與傳統(tǒng)的食品殺菌處理技術相比，電子束的單位能耗非常低。

3 在食品殺菌方面的應用研究

自1943年美國麻省理學院B．E．Proctor博士［3］第一次用射線輻照漢堡研究食品保藏開始，科學家們一直在研究輻照在食品殺菌領域方面的應用，發(fā)現輻照具有獨特的技術優(yōu)勢，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用潛能。

3．1 在肉制品殺菌中的應用研究

肉類食品富含人體需要的蛋白質、脂肪、維生素B1、鐵等多種營養(yǎng)成分，必需氨基酸數量充足，比例適宜，營養(yǎng)價值極高。但其豐富的營養(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。電子束輻照技術作為一種新型物理冷加工保鮮技術，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、鮮肉類制品中致病微生物，且不影響其獨特的品質，是目前冷鮮肉類制品較好的保鮮技術。文獻［4］報道通過對小包裝鮮豬肉接種沙門氏菌，用低劑量（1kGy）電子束輻照，2～4 ℃下貯藏14d，結果在真空、CO2或N2充填包裝下，樣品中已無沙門氏菌存在。Lee等［5］對已感染4 種病毒的碎豬肉用電子束輻照，結果顯示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感染李斯特菌的碎肉的輻照效應，發(fā)現電子束對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菌。Poonp等［8］報道，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對牛肉餅中的腐敗菌生長有顯著抑制作用，劑量大于5kGy能徹底殺滅各種腐敗菌。

對于電子束殺菌方面的研究，中國科學家也在積極探索。劉春泉等［9］研究發(fā)現冷凍蝦仁中99%以上的微生物可以通過3～5kGy的劑量殺死。陳秀蘭等［10］對鹽水鴨4℃低溫預處理后，用大于6kGy的劑量輻照，其保藏貨架期高達2個多月。白艷紅等［11］利用電子束輻照技術對冷卻豬肉的殺菌和保鮮效果進行研究，以束流能量和輻照吸收劑量為試驗因子，以菌落總數為指標，通過響應面分析法研究了電子束輻照殺菌的效果及對貨架期的影響。研究結果表明，電子束輻照對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月美國發(fā)生“有毒菠菜事件”，主要是由于消費者食用感染大腸桿菌的菠菜引起的。這起惡性食品安全問題的本質是生食食品保藏方法不當。有關專家［12］指出生食蔬菜通過輻照殺菌，可以徹底殺死大腸桿菌，避免此類事件再次發(fā)生。實際上在此事件之前，就已存在輻照殺菌延長食品貨架期的大量研究［13，14］。此后，科學家們對電子束輻照輻殺菌進行了進一步的研究。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，延長了貨架期。C．Gomes等［16］用電子束輻照西蘭花頭，每5d檢測1次其顏色、質地、呼吸速率、失重率、類胡蘿卜素含量，發(fā)現3kGy可以有效地防止微生物，并能保持整體品質的基本良好。Jack A．Neal等［17］報道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，然后對輻照后的大麥和由其釀造的啤酒進行指標測定，發(fā)現6～8kGy可以明顯的抑制大麥的發(fā)芽率。經過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%。試驗結果表明：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，可以有效的預防食品安全問題。但是目前研究基本處于電子束輻照殺菌條件選擇方面，電子束輻照殺菌機理等深層次研究未見報道，有待進一步研究。

4 對食品品質的影響

輻照可以改變食品的理化性質和生物學性質，并且輻照過程中會產生少量的所謂“輻解產物”的成分，使食品產生一種令人不愉快的氣味，影響輻照食品的感官品質［19，20］。然而，這種影響基于輻照食品的種類差異、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內測定其外形、香氣、滋味和質地，結果表明，儲藏時間對其感官的影響遠甚于電子束輻照。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，但是對其質構并沒有影響。Paloma Sa′nchez－Bel等［22］分別用3，7，10kGy輻照杏仁，然后在5 個月內測定其化學成分的變化（水分含量、蛋白質、纖維、糖、脂肪含量、有機酸）以及感官特性的變化（酸敗、甜度、異味、氣味、紋理、色澤）。試驗結果表明7kGy為最佳的輻照劑量，既不影響化學成分的變化，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，對其病原體、品質和功能特性的影響。2kGy可以有效地殺滅大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌。雖然雞蛋的粘性降低，但是其發(fā)泡性能經過輻照之后明顯加強。筆者建議可以將此種特性加入到打蛋過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，蛋白質溶解度和發(fā)泡能力增強，總酚和丹寧含量與輻照劑量成線性關系，而植酸在5kGy時下降，說明電子束輻照可以提高蓮子的營養(yǎng)價值。P．Shawrang等［25］分別用10，15，20，25，30kGy高劑量輻照高梁粒，測定其化學成分，發(fā)現電子束不影響其化學成分，但是植酸和丹寧含量顯著降低，證明電子束可以破壞抗營養(yǎng)物質，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莓，儲藏在5 ℃，濕度70．4%，分別在0，3，7，14d檢測其理化結構、感官特性，發(fā)現1．0～3．2kGy不會影響藍莓的密度、酸度、水分活性及含量，1．6kGy是一個最佳的輻照劑量。李淑榮等［27］研究發(fā)現，花生芹菜等涼菜經過2．0kGy的輻照劑量處理，可以有效殺滅病原菌，同時不影響花生芹菜等涼菜的營養(yǎng)和感官品質。Fan等［12－14］研究發(fā)現大多數水果和蔬菜通過優(yōu)化其儲存條件，1～2kGy的輻照處理劑量，不會影響其營養(yǎng)和感官品質。楊俊麗等［28］研究發(fā)現用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，延緩質量損失，且對大蒜鱗莖外皮顏色和大蒜風味品質影響不大。

綜上所述，利用一定劑量的電子束輻照食品不僅不會對食品的營養(yǎng)成分和感官產生影響，在一些食品中還能降低其抗營養(yǎng)物質，提高利用率。

5 電子束輻照在其它方面的應用研究

近些年來，除了傳統(tǒng)的利用輻照殺菌，研究其對營養(yǎng)品質的影響外，國內外專家還對輻照進行了更深入的研究。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（過敏原），這對于解決很多人對海鮮食物過敏提供了思路。楊俊麗等［28］在研究電子束輻照大蒜對其品質的影響過程中，發(fā)現電子束輻照能增加大蒜素的含量，增進大蒜辛辣風味品質。A．S．TEETS等［30］分別用10，20，30kGy輻照杏仁皮，然后從中提取酚類物質，發(fā)現10～20kGy可以增加提取量。楊成對等［31］用電子束輻照茶葉，發(fā)現可以有效地降解期中擬除蟲菊脂類農藥。可見，隨著國內外研究學者的進一步探索，發(fā)現電子束除了殺菌保藏之外，還有很多其它的用途，但是關于一些特殊作用的機理還沒有報道，需要進一步研究。

6 世界各國電子束輻照技術應用情況及相關法規(guī)

1980年FAO／IAEA／WHO 聯合發(fā)表文件聲明食品輻照平均劑量在10kGy以下，對人體是安全的。1884年，食品法典委員會CAC向其130多個成員國建議使用《CAC標準》及《輻照食品設施推薦規(guī)程》。在此之后，國內外對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據，證明輻照食品在衛(wèi)生上和安全上是可行的。1984年開始，上海醫(yī)科大學放射醫(yī)學研究所和中國科學院上海原子核研究所開始對大米、蔬菜、紅棗、香腸等30多種輻照食品進行人體試驗，通過測定人體臨床、尿常規(guī)、血象、內分泌、肝功能與腎功能等多種指標，結果顯示，輻照食品對人體沒有任何影響。1999年FAO／IAEA／WHO 高 劑 量 研 究 小 組 在 其WHO890號文件中發(fā)表了輻照食品劑量超過10kGy也是安全的結論。

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

與美國截然相反，歐盟和日本對輻照技術持謹慎和嚴格態(tài)度。日本目前只允許馬鈴薯可以進行輻照處理，抑制其發(fā)芽。歐盟也只允許“干香草、香料和蔬菜調味料”可以進行輻照處理。加拿大、新西蘭、韓國等國家對輻照食品的種類、包裝條件均作了非常嚴格的規(guī)定。多數亞洲發(fā)展中國家，如馬來西亞、孟加拉、泰國等多根據CAC 的《輻照食品法典通用標準》起草了相應的法規(guī)。

中國作為研究食品輻照較早的國家，始于20世紀50年代末。1983年頒布了第一部食品輻照標準，促使中國在食品輻照研究領域取得了十分顯著的成績。1996年發(fā)布了《輻照食品衛(wèi)生管理辦法》，輻照食品的應用進一步拓展。1997年，中國制定了《輻照冷凍包裝畜禽肉類衛(wèi)生標準》（GB 14891．7——1997），進一步規(guī)范了輻照技術在肉類制品企業(yè)中的應用。截止2012年中國允許的輻照食品已達7大類56個品種。包括豆類、谷物及其制品；冷凍包裝畜禽肉類；水果、蔬菜類；熟畜禽肉類；香辛料類；水產品類，共計56種。在中國輻照保藏加工技術已成為傳統(tǒng)食品保藏加工技術的重要完善和補充，具有不可替代的作用。但是電子束輻照加工技術對輻照食品品質產生負面影響，使輻照肉顏色改變，加速脂肪氧化，這些原因嚴重阻礙了電子束輻照技術在食品中尤其是肉類制品中的工業(yè)化應用。如何改進電子束輻照技術對食品感官品質的影響，將成為電子束輻照工業(yè)化應用至關重要的因素。

7 電子束輻照技術的展望

電子束作為一種新型綠色冷殺菌技術，在食品保藏應用中具有不可替代的位置。

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

（2）進出口大宗農產品的電子束輻照檢疫。電子束具有徹底殺菌殺蟲的特點，因此可以應用大功率電子束對進口農產品進行檢疫性輻照，殺死進口農產品中有害生物種子以及檢疫性害蟲，防止外來物種的入侵。電子束將在保障中國農業(yè)和生態(tài)環(huán)境安全方面與植物檢疫方面產生積極的影響。

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

一直以來，中國輻照研究技術以γ－射線輻照為主，但是近年來，γ－射線輻照源安全問題凸顯，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，產生和消失是通過電子加速器的開關控制的，切斷電源，輻射射線消失，可控性強，安全性高。所以從社會效益和發(fā)展趨勢來看，電子束輻照可以作為γ－射線輻射的替代技術，用于工業(yè)化食品輻照處理。

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