高能電子束輻照對(duì)大米中微生物的殺滅效果

陳曉平，孟 巖，金 玉，王 歡，張 青

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

高能電子束輻照對(duì)大米中微生物的殺滅效果

陳曉平，孟 巖，金 玉，王 歡，張 青

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)方法，以輻照劑量、輻照時(shí)間、物料厚度為變量，研究高能電子束輻照對(duì)大米中微生物的影響，探明高能電子束輻照對(duì)大米中主要微生物產(chǎn)生明顯作用效果的最佳作用條件。結(jié)果表明，不同輻照條件對(duì)大米中菌落總數(shù)、霉菌和酵母菌以及大腸桿菌殺菌效果不同。隨著輻照劑量的增大，對(duì)大米中微生物殺菌效果越好。正交試驗(yàn)優(yōu)化得出高能電子束輻照最佳條件為：輻照劑量4 kGy、輻照時(shí)間6 s、輻照物料厚度10.5 cm。此條件下，測(cè)得大米中菌落總數(shù)為82 CFU/g，霉菌和酵母菌總數(shù)為2 CFU/g，大腸菌群未檢出，高能電子束輻射對(duì)大米中微生物殺滅率均超過(guò)99%。

高能電子束；大米；微生物

陳曉平， 孟巖， 金玉， 等. 高能電子束輻照對(duì)大米中微生物的殺滅效果［J］. 食品科學(xué)， 2016， 37（6）: 63-66. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201608011. http://www.spkx.net.cn

CHEN Xiaoping， MENG Yan， JIN Yu， et al. Killing effect of high energy electron beam irradiation on main microorganisms in rice［J］. Food Science， 2016， 37（8）: 63-66. （in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201608011.

http://www.spkx.net.cn

大米是我國(guó)居民的主要糧食，我國(guó)人口多，隨著我國(guó)糧食需求的不斷增加，糧食中致病微生物生長(zhǎng)繁殖引發(fā)的健康問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。稻谷在脫殼過(guò)程中，米粒易被劃傷，機(jī)器上的交鏈孢霉、蠕孢霉等少數(shù)真菌的菌絲可以通過(guò)米粒損傷部位伸入到皮層和淀粉層中［1］。大米在儲(chǔ)藏過(guò)程中會(huì)感染黃曲霉、青霉、白曲霉、灰綠曲霉等多種致病菌。據(jù)研究資料［2］表明，影響大米儲(chǔ)藏安全性及食用安全性的微生物主要有霉菌、酵母菌、大腸桿菌。

面對(duì)糧谷在加工、運(yùn)輸、貯藏過(guò)程中致病微生物的危害儲(chǔ)藏過(guò)程中致病微生物的危害，輻照技術(shù)有望成為最有前途的現(xiàn)代儲(chǔ)糧技術(shù)之一［3-4］。其基本原理是利用60Co、137Cs等放射源產(chǎn)生的γ射線(xiàn)、電子加速器產(chǎn)生的X射線(xiàn)（5 MeV以下）或高能電子束（10 MeV以下）輻照食品，抑制食品中的生物體新陳代謝或生長(zhǎng)發(fā)育，甚至使其死亡，從而達(dá)到消毒滅菌、減少損失的目的［5］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，放射性同位素60Co存在殘留核廢料處理等諸多弊端，相比之下，電子加速器照射裝置具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。高能電子束無(wú)廢料處理，射線(xiàn)呈直線(xiàn)形輻照，能量定向集中，與鈷源的半球形輻照相比，高能電子束利用率更高。并且，高能電子束輻照時(shí)間短，吸收劑量均勻，可控性強(qiáng)，在輻照過(guò)程中未添加任何化學(xué)試劑，無(wú)有害物質(zhì)殘留，無(wú)二次污染，不存在毒理危害；經(jīng)過(guò)高能電子束輻照的物質(zhì)溫度變化很小，在降低危害的同時(shí)避免物質(zhì)變性，在降解有害物質(zhì)和殺滅微生物方面有很大潛力；與其他放射源輻照裝置相比，高能電子束投資較少，運(yùn)行費(fèi)用較低，有望成為綠色儲(chǔ)藏加工過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)［6-7］。大量國(guó)內(nèi)外研究表明，一定劑量的高能電子束在不改變品質(zhì)前提下抑制蔬菜水果呼吸強(qiáng)度，殺滅干果類(lèi)食品中微生物，延長(zhǎng)貨架期；降解畜禽肉及茶葉中有毒、有害農(nóng)藥殘留、降解污泥中有毒有機(jī)污染物；降低水溶液中亞硝酸鹽含量；分解氯霉素且產(chǎn)物安全無(wú)毒；研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輻照劑量為7 kGy時(shí)，糧谷中伏馬菌素B1完全被破壞［8-21］。

本實(shí)驗(yàn)以輻照劑量、輻照時(shí)間、物料厚度為研究條件，采用高能電子束輻照大米，研究不同條件下高能電子束輻照對(duì)大米中微生物殺滅效果量效關(guān)系，以期為利用高能電子束輻照糧谷類(lèi)食品食用安全性和優(yōu)良儲(chǔ)藏的研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

選用當(dāng)季新磨吉林永吉縣大米，品種為超級(jí)稻。米粒完整，表面無(wú)明顯霉變。

煌綠乳糖膽鹽肉湯、結(jié)晶紫中性紅膽鹽瓊脂、孟加拉紅培養(yǎng)基（均為分析純） 北京奧博興生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2儀器與設(shè)備

SPX-250B-Z生化培養(yǎng)箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司醫(yī)療設(shè)備廠(chǎng)；HS-840-U超凈工作臺(tái) 蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠(chǎng)；GK9-013槍式縫包機(jī) 上工申貝集團(tuán)股份有限公司。

1.3方法

1.3.1輻照處理

材料的輻照工作在吉林省意孚電子加速器有限責(zé)任公司進(jìn)行，輻照源為電子加速器產(chǎn)生的高能電子束（9.5 MeV）。

1.3.2前處理方法

購(gòu)置當(dāng)季新磨大米，用55 cm×26 cm編織袋包裝后編號(hào)、封口，編織袋平放，輻照面積1.43 m2為固定值，選定輻照劑量、輻照時(shí)間和物料厚度對(duì)其進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。

1.3.3指標(biāo)測(cè)定

菌落總數(shù)測(cè)定：參照GB 4789.2—2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn)：菌落總數(shù)測(cè)定》方法；霉菌和酵母菌測(cè)定：參照GB 4789.15—2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn)：霉菌和酵母計(jì)數(shù)》方法；大腸桿菌數(shù)測(cè)定：參照GB 4789.3—2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn)：大腸菌群計(jì)數(shù)》方法。

根據(jù)上述方法測(cè)得大米在未輻照時(shí)的菌落總數(shù)為3.85×105CFU/g，霉菌和酵母菌總數(shù)為2.35×102CFU/g，大腸菌群總數(shù)為5.25×102CFU/g。

1.3.4單因素試驗(yàn)

1.3.4.1輻照劑量對(duì)大米中微生物殺滅效果的量效關(guān)系

當(dāng)輻照時(shí)間3 s、輻照的物料厚度3.5 cm時(shí)，調(diào)節(jié)功率分別為0、2.27、3.65、4.34、7.11、7.89 kW，掃描寬度為74 cm，使輻照劑量分別為0（未輻照）、1、2、3、4、5 kGy，采用1.3.3節(jié)的方法測(cè)定不同輻照劑量條件下高能電子束輻照對(duì)大米中菌落總數(shù)、霉菌和酵母菌、大腸桿菌的殺滅效果。

1.3.4.2輻照時(shí)間對(duì)大米中微生物殺滅效果的量效關(guān)系

調(diào)節(jié)功率4.34 kW、掃描寬度74 cm，使輻照劑量3 kGy、物料厚度3.5 cm，調(diào)節(jié)傳送帶速度，使輻照時(shí)間為2、3、4、5、6 s時(shí)，采用1.3.3節(jié)的方法測(cè)定不同輻照時(shí)間條件下高能電子束輻照對(duì)大米中菌落總數(shù)、霉菌和酵母菌、大腸桿菌的殺滅效果。

1.3.4.3物料厚度對(duì)大米中微生物殺滅效果的量效關(guān)系

調(diào)節(jié)功率4.34 kW、掃描寬度74 cm，固定輻照劑量3 kGy、輻照時(shí)間3 s，分別裝入5、10、15、20、25 kg大米，當(dāng)輻照面積一定時(shí)，物料厚度分別為3.5、7.0、10.5、14.0、17.5 cm。采用1.3.3節(jié)的方法測(cè)定不同物料厚度條件下高能電子束輻照對(duì)大米中菌落總數(shù)、霉菌和酵母菌、大腸桿菌的殺滅效果。

1.3.5正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，量定三因素三水平正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and their coded levels used in orthogonal array design

2　結(jié)果與分析

2.1輻照劑量對(duì)大米中微生物殺滅效果的量效關(guān)系

由圖1可知，大米中微生物殺滅率隨高能電子束劑量變化而變化。當(dāng)輻照劑量為1 kGy時(shí)，絕大多數(shù)微生物不耐受，大米中菌落總數(shù)下降了95%，霉菌和酵母菌數(shù)降低了54%，此劑量條件下高能電子束輻照對(duì)大腸桿菌殺滅效果更好，達(dá)到99.4%。隨著輻照劑量增加，大米中微生物的殺滅率繼續(xù)增大。輻照劑量增大到3 kGy時(shí)，高能電子束輻照對(duì)大米中微生物殺滅效果最明顯；輻照劑量為5 kGy時(shí)，大米中無(wú)微生物檢出。但輻照劑量過(guò)高，大米呈現(xiàn)微黃色，影響大米的感官特性。因此，最宜輻照劑量為3 kGy。

圖1　不同輻照劑量對(duì)大米中微生物的殺滅效果Fig.1 Effect of different irradiation doses on microbial inactivation of rice

2.2輻照時(shí)間對(duì)大米中微生物殺滅效果的量效關(guān)系

由圖2可知，不同輻照時(shí)間條件下大米中微生物殺滅率呈上升趨勢(shì)。輻照時(shí)間越長(zhǎng)，大米中菌落總數(shù)殺滅效果越好。當(dāng)輻照時(shí)間為6 s時(shí)，大米中菌落總數(shù)為3.9×103CFU/g ，霉菌和酵母菌總數(shù)為22 CFU/g，大腸菌群未檢出。相比其他輻照時(shí)間條件下各種微生物數(shù)量，大米中各種微生物殺滅率最大，微生物減少最明顯，因此最宜輻照時(shí)間為6 s。

2.3物料厚度對(duì)大米中微生物殺滅效果的量效關(guān)系

圖3　不同物料厚度對(duì)大米中微生物的殺滅效果Fig.3 Effect of different material thicknesses on microbial inactivation of rice

由圖3可知，不同輻照物料厚度的大米微生物殺滅效果不同。物料越厚，大米中微生物殺滅效果越差，物料厚度與大米中微生物殺滅效果呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)物料厚度由17.5 cm降至3.5 cm時(shí)，大米菌落總數(shù)由2.53×104CFU/g降至1.9×104CFU/g，減少25%；霉菌和酵母菌總數(shù)由1.38×102CFU/g降至71 CFU/g，減少48.5%；大腸菌群由4 CFU/g降至1 CFU/g，減少75%。隨著物料厚度的增加，大米中微生物殺滅率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)物料厚度為3.5 cm時(shí)，大米中的菌落總數(shù)、霉菌和酵母菌以及大腸菌群與其他物料厚度相比數(shù)量最少。因此，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，最佳物料厚度為3.5 cm。

2.4正交試驗(yàn)結(jié)果

不同輻照條件對(duì)大米菌落總數(shù)、霉菌和酵母菌、大腸菌群殺滅效果正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　不同輻照條件對(duì)大米中微生物殺滅效果的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal array design with experimental results for the optimization of irradiation conditions

根據(jù)表2正交試驗(yàn)分析可知，以上3 個(gè)因素對(duì)大米中微生物殺滅效果的影響效果依次為輻照劑量＞輻照時(shí)間＞物料厚度。高能電子束輻照抑制大米中微生物的適宜條件為A3B3C3，即輻照劑量4 kGy、輻照時(shí)間6 s、輻照物料厚度10.5 cm。按照以上條件做3 次平行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得此時(shí)大米中菌落總數(shù)為82 CFU/g，霉菌和酵母菌總數(shù)2 CFU/g，大腸菌群未檢出。該條件下菌落總數(shù)、霉菌和酵母菌及大腸菌群均少于表2中任一組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此條件是最佳結(jié)果。

3　結(jié) 論

目前，大米保鮮的方法主要有熏蒸法、氣調(diào)法、保鮮劑法。近年來(lái)關(guān)于高能電子束輻照技術(shù)在糧谷食品保鮮及儲(chǔ)藏的研究也很多。研究者［22-23］采用高能電子束輻照散糧后，高能電子束能有效地殺滅儲(chǔ)糧害蟲(chóng)。Hayashi等［24］發(fā)現(xiàn)，用4 kGy電子束輻照糙米、小麥、莽麥等糧谷后，細(xì)菌總數(shù)降至100 CFU/g以下。本實(shí)驗(yàn)與其研究結(jié)果相同。嚴(yán)建民等［25］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，高能電子束輻照麥類(lèi)及面粉的有效防霉殺蟲(chóng)劑量約為1.5 kGy。

本研究采用正交試驗(yàn)優(yōu)化高能電子束輻照對(duì)大米中微生物殺滅條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高能電子束適宜輻照劑量4 kGy、適宜輻照時(shí)間6 s、適宜物料厚度10.5 cm。此時(shí)大米中菌落總數(shù)為82 CFU/g，霉菌和酵母菌總數(shù)為2 CFU/g，大腸菌群未檢出，此條件下高能電子束輻照對(duì)大米中主要微生物殺滅效果最明顯，高能電子束輻照對(duì)大米中微生物殺滅率超過(guò)99%。

［1］ 胡堅(jiān)， 劉巧瑜， 趙思明. 大米生產(chǎn)線(xiàn)上細(xì)菌和霉菌的分布特性［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2009， 40（5）: 136-138. DOI:10.3969/ j.issn.1000-1298.2009.5.090529.

［2］ 周裔彬， 桂祖祥. 淺述大米中的微生物與大米的關(guān)系［J］. 食品科技，1997， 22（4）: 7-8. DOI:10.13684/j.cnki.spkj.1997.04.002.

［3］ 梁宏斌. 輻照技術(shù)在食品保藏中的應(yīng)用［J］. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2002， 18（3）: 346-349. DOI:10.3969/ j.issn.1672-0946.2002.03.032.

［4］ YU Ying， WANG Jing. Effect of γ-ray irradiation on starch granule structure and physicochemical properties of rice［J］. Food Research International， 2007， 40（2）: 297-303. DOI:10.1016/ j.foodres.2006.03.001.

［5］ 哈益明. 輻照食品及其安全性［M］. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社， 2006: 4-7.

［6］ 鄭瑞生， 王則全. 食品物理冷殺菌技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 糧食與油脂，2011（2）: 1-3. DOI:10.3969/j.issn.1008-9578.2011.02.001.

［7］ 張振山， 劉雙燕， 劉玉蘭， 等. 輻照在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］. 中國(guó)調(diào)味品， 2013， 38（11）: 113-116. DOI:10.3969/ j.issn.1000-9973.2013.11.029.

［8］ 劉斌， 熊善柏， 熊光權(quán)， 等. 輻照技術(shù)在食品污染物控制方面的研究進(jìn)展［J］. 核農(nóng)學(xué)報(bào)， 2010， 24（4）: 784-789. DOI:10.11869/ hnxb.2010.04.0784.

［9］ 朱佳廷， 馮敏， 唐玉新， 等. 輻照對(duì)桂圓干的殺菌效果及營(yíng)養(yǎng)成分的影響［J］. 核農(nóng)學(xué)報(bào)， 2011， 25（1）: 79-82. DOI:10.11869/ hnxb.2011.01.0079.

［10］ 黃佳佳， 徐振林， 羅翠紅， 等. 電子束輻照在食品中獸藥殘留降解的應(yīng)用［J］. 食品工業(yè)科技， 2011， 32（1）: 313-316. DOI:10.13386/ j.issn1002-0306.2011.01.062.

［11］ 周任佳， 喬勇進(jìn)， 王海宏， 等. 高能電子束輻照對(duì)鮮切哈密瓜生理化品質(zhì)的影響［J］. 核農(nóng)學(xué)報(bào)， 2012， 26（2）: 300-305. DOI:10.11869/ hnxb.2012.02.0300.

［12］ BAIDAK A， BADALI M， LAVERNE J A. Role of the low-energy excited states in the radiolysis of aromatic liquids［J］. The Journal of Physical Chemistry A， 2011， 115（26）: 7418-7427. DOI:10.1021/ jp202802a.

［13］ 賈倩， 李淑榮， 高美須， 等. 電子束輻照對(duì)素雞殺菌效果及品質(zhì)特性影響的研究［J］. 核農(nóng)學(xué)報(bào)， 2012， 26（2）: 295-299. DOI:10.11869/ hnxb.2012.02.0295.

［14］ HORNI A， HESSE M， ALTORFER H. Identification and evaluation of radiolysis products of irradiated chloramphenicol by HPLC-MS and HPLC-DAD［J］. Chromatographia， 2001， 55（1）: 13-18. DOI:10.1007/ BF02492308.

［15］ 毛青秀， 鄧鋼橋， 李文革， 等. 輻照對(duì)水溶液中亞硝酸鹽降解效果研究［J］. 激光生物學(xué)報(bào)， 2013， 22（3）: 225-229. DOI:10.3969/ j.issn.1007-7146.2013.03.006.

［16］ 王秋芳， 喬勇進(jìn)， 陳召亮， 等. 高能電子束輻照對(duì)花椰菜保鮮效果的研究［J］. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 34（1）: 133-136. DOI:10.7685/ j.issn.1000-2030.2011.01.025.

［17］ SHAMSUZZAMAN K， CHUANQUI-OFFERMANNS N，SHOEMAKER L， et al. Microbiological and other characteristics of chicken breast meat following electron beam and sous-vide treatments［J］. Food Protection， 1992， 55（7）: 528-533.

［18］ ZHAO Peng， ZHAO Tong， JOSEPH R R， et al. Development of a model， for evaluation of microbial cross contamination in the kitchen［J］. Food Protection， 1998， 61（8）: 960-963.

［19］ 孫永亮， 李欣， 王潔， 等. 電子束輻照技術(shù)在剩余污泥處理中的應(yīng)用［J］. 原子核物理評(píng)論， 2013， 30（1）: 72-78. DOI:10.11804/ NuclPhysRev.30.01.072.

［20］ WANG Jianlong， WANG Jiazhuo. Application of radiation technology to sewage sludge processing: a review［J］. Journal of Hazardous Materials， 2007， 143: 2-7.

［21］ AZIZ N H， El-FAR F M， SHAHI A A M， et al. Control of Fusarium moulds and fumonisin B1in seeds by gammairradiation［J］. Food Control， 2007， 18（11）: 1337-1342. DOI:10.1016/ j.foodcont.2005.12.013.

［22］ 黃曼， 胡碧君， 羅柏流， 等. 電子束輻照防治儲(chǔ)糧害蟲(chóng)及對(duì)小麥品質(zhì)影響的研究［J］. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 30（4）: 17-20.

［23］ 郭東全， 范家霖， 張建偉， 等. 電子束輻照防治不同品系米象成蟲(chóng)及對(duì)大米蒸煮品質(zhì)的影響［J］. 糧食儲(chǔ)藏， 2014， 43（6）: 1-6. DOI:10.3969/j.issn.1000-6958.2014.06.001.

［24］ HAYASHI T， OKADOME H. Low energy electron effects on the sterility and viscosity of grains［J］. Journal of Food Science， 1997，62（4）: 858-860. DOI:10.1111/j.1365-2621.1997.tb15472.x.

［25］ 嚴(yán)建民， 朱佳廷， 馮敏， 等. 麥類(lèi)及面粉輻照殺蟲(chóng)防霉劑量［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2012， 40（2）: 260-262. DOI:10.3969/j.issn.1002-1302.2012.12.104.

Killing Effect of High Energy Electron Beam Irradiation on Main Microorganisms in Rice

CHEN Xiaoping， MENG Yan， JIN Yu， WANG Huan， ZHANG Qing
（College of Food Science and Engineering， Jilin Agricultural University， Changchun 130118， China）

The killing effect of high energy electron beam （HEEB） irradiation on main microorganisms in rice as a function of irradiation dose， irradiation time and material thickness was examined using single factor and orthogonal array experiments， aiming to find the optimal conditions for microbial inactivation of rice. Results showed that the efficacy of HEEB irradiation against the total number of colonies， total combined molds and yeasts count （TYMC） and E. coli. varied with the treatment conditions， showing a positive correlation with irradiation dose. The optimum conditions for HEEB irradiation were determined as follows: irradiation dose， 4 kGy； irradiation time， 6 s； and material thickness， 10.5 cm. Under these conditions， the total number of colonies in rice was 82 CFU/g， the total number of mold and yeast colonies was 2 CFU/g，and E. coli was not detected. Thus， the microbial inactivation efficiency of HEEB irradiation for rice was more than 99%.

high energy electron beam； rice； microorganisms

10.7506/spkx1002-6630-201608011

TS205.9

A

1002-6630（2016）08-0063-04

2105-05-13

吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（20140204037NY）

陳曉平（1963—），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称飞锘瘜W(xué)與功能食品。E-mail：512399773@qq.com

引文格式：