γ輻照食品滅菌的機(jī)理及微生物檢測(cè)

青莉芳，魏敏，楊平華，黎青，劉穎（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院生物技術(shù)核技術(shù)研究所，四川成都610061）

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γ輻照食品滅菌的機(jī)理及微生物檢測(cè)

青莉芳，魏敏，楊平華，黎青，劉穎
（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院生物技術(shù)核技術(shù)研究所，四川成都610061）

摘要：輻照是利用原子能射線的輻照能量對(duì)食品殺菌處理來(lái)保存食品的一種物理方法。將此方法應(yīng)用于食品殺菌可以有效抑制甚至消滅致病或致腐微生物。本文簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)外輻照技術(shù)的發(fā)展、伽馬射線來(lái)源、本質(zhì)以及與物質(zhì)的相互作用和輻照殺菌機(jī)理，重點(diǎn)介紹輻照后產(chǎn)品的微生物指標(biāo)以及輻照工藝的確定，探索了伽瑪射線輻照滅菌應(yīng)用于食品行業(yè)的可行性和優(yōu)勢(shì)

關(guān)鍵詞：γ輻照；食品滅菌；輻照工藝

1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了x射線，翌年又發(fā)現(xiàn)x射線對(duì)微生物有滅活作用[1]。此后的幾十年是核物理飛速發(fā)展的時(shí)代，直至1945年美國(guó)在日投下了兩顆原子彈，導(dǎo)致日本死傷幾十萬(wàn)人，結(jié)束了第二次世界大戰(zhàn)。戰(zhàn)后，許多國(guó)家的科技工作者開(kāi)始探索原子能的和平利用。γ輻照滅菌就是和平利用原子能的重要內(nèi)容之一。為了證明輻照食品的安全性，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）、聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）、世界衛(wèi)生組織（WHO）三大權(quán)威機(jī)構(gòu)，組織了各國(guó)知名專家對(duì)輻照食品安全性進(jìn)行了大量深入的研究，于1976年明確指出：食品輻照過(guò)程實(shí)質(zhì)是一種物理過(guò)程，如加熱和冷凍一樣，食品輻照衛(wèi)生安全性評(píng)價(jià)所提出的問(wèn)題應(yīng)該同食品添加劑和污染區(qū)別開(kāi)來(lái)，不存在“每日攝入量”和“安全系數(shù)”等問(wèn)題[2]。1983年FAO/WHO采納了聯(lián)合專家委員會(huì)（JECFI）的意見(jiàn)，正式制定了“輻照食品加工國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)”，該標(biāo)準(zhǔn)至今仍是輻照行業(yè)的行動(dòng)指南[3]。1997年WHO的結(jié)論是：在當(dāng)前技術(shù)條件可以達(dá)到的任何劑量范圍內(nèi)的輻照食品都是安全的和具有營(yíng)養(yǎng)適宜性的[3]，即使達(dá)到75 kGy劑量處理的食品也可以食用（一般輻照滅菌大多數(shù)劑量在10 kGy左右）。

由于有以上科學(xué)的權(quán)威結(jié)論，輻照事業(yè)如雨后春筍般興起，不僅發(fā)達(dá)國(guó)家在大量興建輻照裝置，而且發(fā)展中國(guó)家和較貧窮、落后的國(guó)家也在大量興建。食品輻照已形成新興產(chǎn)業(yè)，每年以15 %左右快速遞增。我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，現(xiàn)已建成規(guī)模以上的輻照裝置100余座，大量用γ射線輻照食品、藥品、衛(wèi)生用品等，正在為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)作重大貢獻(xiàn)。

1　γ射線的來(lái)源

能產(chǎn)生γ射線的核素很多，經(jīng)多年來(lái)的篩選，人們選擇了鈷-60或銫-137這兩種核素，尤其是鈷-60，它具有諸多優(yōu)點(diǎn)而被大量廣泛采用。我單位對(duì)鈷-60γ射線應(yīng)用研究已有半個(gè)多世紀(jì)，目前有兩座鈷-60輻照裝置，可供科研、中試和生產(chǎn)使用，當(dāng)前輻照最多的是食品、藥品、衛(wèi)生用品和化工產(chǎn)品。

鈷-59，是一種無(wú)放射性、性質(zhì)穩(wěn)定的金屬元素。經(jīng)提煉加工制成粒狀、片狀或柱狀等。將它放入反應(yīng)堆中照射，讓它的原子核俘獲一個(gè)中子（n）變成鈷-60，這時(shí)的鈷-60很不穩(wěn)定，就有了放射性。生產(chǎn)廠家在熱室中將鈷-60密封成鈷棒。鈷棒的結(jié)構(gòu)是：中心是鈷-60核素，外面有兩層不銹鋼包鞘分層包裝焊接密封。出廠前鈷棒表面經(jīng)嚴(yán)格清洗達(dá)標(biāo)后供輻照廠使用。所以用鈷-60輻照食品時(shí)，只有γ射線穿過(guò)包鞘作用于食品，其放射性核素不會(huì)出來(lái)污染食品。

γ射線產(chǎn)生的機(jī)理是：由于鈷-60原子核很不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)衰變，放出β射線（β射線是高速電子）變成鎳-60，這時(shí)鎳-60的原子核處于激發(fā)態(tài)，很快以γ射線（光子）的方式退激而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2　γ射線的本質(zhì)

γ射線的本質(zhì)是光子，不帶電，波長(zhǎng)極短，穿透力很強(qiáng)，具有波粒二重性。輻照滅菌主要是它在輻照食品時(shí)，產(chǎn)生了電子，這種電子叫做次級(jí)電子。次級(jí)電子具有很高的能量，它將能量傳遞給病原微生物的細(xì)胞器并將其致死。γ光子的另一大特性就是靜止質(zhì)量為零，因此食品輻照后無(wú)殘留。

3　γ射線與物質(zhì)的相互作用

γ射線與物質(zhì)相互作用，有3種效應(yīng)即：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)形成效應(yīng)[4]。這些效應(yīng)的發(fā)生主要取決于光量子能量（Er=hv）和吸收介質(zhì)的原子序數(shù)Z。在光子能量較低時(shí)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，對(duì)于中等能量的光子，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，當(dāng)光子能量較高時(shí)，電子對(duì)形成效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。對(duì)于低Z介質(zhì)（例如C、N、H、O），γ射線的能量在0.1 Mev～10 Mev之間，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。而鈷-60核素只能放出1.17 Mev和1.33 Mev兩種能量的γ射線，所以我們的輻照滅菌過(guò)程是以康普頓效應(yīng)為主。

4　γ射線的滅菌機(jī)理

鈷-60γ射線對(duì)微生物的作用可以分為直接作用與間接作用。射線作用于微生物后產(chǎn)生了上文所提及的康普頓效應(yīng)，這時(shí)康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)電子，具有很高的能量，微生物接收這些能量后，細(xì)胞被大量電離，細(xì)胞器被破壞，滲透壓升高，細(xì)胞膜破裂造成微生物直接死亡[5]；這種作用是在輻射劑量夠大且被照物含水分時(shí)發(fā)生。研究表明幾乎所有的細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)程都需要酶的參與，而高能量的次級(jí)電子打在酶的表面會(huì)使其活性降低甚至是失去活性，使微生物不能進(jìn)行正常的生理過(guò)程而產(chǎn)生潛伏期、發(fā)病期、死亡期或恢復(fù)期；這種情況是在照射劑量不夠大的時(shí)候發(fā)生的。此現(xiàn)象在γ輻照滅菌檢測(cè)中經(jīng)常出現(xiàn)：輻照后立即取樣和輻照后半月取樣檢測(cè)，其結(jié)果差異較大。另外，在對(duì)酶制劑（胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、纖維素酶等）的輻照滅菌過(guò)程中，既要盡量保留酶的活性，又要對(duì)微生物輻射達(dá)標(biāo)，這時(shí)的初始含菌量和輻照工藝的制定顯得尤為重要。

5　輻照工藝的制定

5.1γ輻照劑量的確定

輻照總劑量的確定，是輻照滅菌工藝中的核心環(huán)節(jié)。

待滅菌的物品，由于來(lái)源、原始染菌水平、物質(zhì)成分狀態(tài)以及消毒滅菌要求的指標(biāo)等不同，照射劑量也有很大的區(qū)別，應(yīng)選擇一個(gè)既能達(dá)到衛(wèi)生指標(biāo)要求，又不影響物品原有理化性能的重大改變，并根據(jù)輻照裝置的運(yùn)行參數(shù)確定總劑量的給予。消毒滅菌劑量選擇的理論公式如下：

SD = D10lgNN0

式中：SD為滅菌劑量，kGy；D10值為殺滅初始菌含量90 %的微生物所需要的輻射劑量[6]，kGy；N0為滅菌前的污染菌計(jì)數(shù)，cfu/g；N為滅菌后的存活菌數(shù)，cfu/g。

在輻射滅菌中，并不要求對(duì)污染微生物的種類做生物學(xué)分類鑒定，對(duì)于種類繁多的微生物做出分類學(xué)鑒定的任務(wù)是十分艱巨的。而且那些對(duì)射線敏感的微生物，在輻照滅菌中并不重要。因此在考慮污染微生物種類時(shí)，只須測(cè)定耐輻射菌的D10值及初始含菌量。國(guó)際上一般用短小芽孢桿菌E601作為指示菌。

在食品加工中，特別是國(guó)際貿(mào)易中，對(duì)某些食品的微生物指標(biāo)有嚴(yán)格的要求；特別重要的是，在大多數(shù)食品中，都要求不能有病原微生物，常見(jiàn)的有沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等。短小芽孢桿菌E601、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、黑點(diǎn)曲霉、赭曲霉、黃曲霉等的D10值見(jiàn)表1。

表1　微生物D10值表Table 1 Microorganism D10value table

由表1可以看出，短小芽孢桿菌E601的D10值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它致病菌和霉菌的D10值，因此在輻照滅菌工藝中，可僅以短小芽孢桿菌作指示菌。

以泡椒鳳爪為試驗(yàn)對(duì)象，其輻照劑量的確定如下：

試驗(yàn)對(duì)象用聚乙烯食品袋抽真空包裝，其初始菌落總數(shù)為1 000 cfu/g，輻照后菌落總數(shù)需＜10 cfu/g。

最終劑量=滅菌劑量+保險(xiǎn)劑量（冬季：加20 %滅菌劑量，夏季：加40 %滅菌劑量）

滅菌劑量=1.75×lg101000=5.25 kGy

最終劑量=5.25+1.05=6.30 kGy（冬季適用）

最終劑量=5.25+2.1=7.35 kGy（夏季適用）

5.2輻照后產(chǎn)品的微生物檢測(cè)

試驗(yàn)分別選在夏季與冬季進(jìn)行，將泡鳳爪分成3個(gè)試驗(yàn)組，分別編號(hào)為A、B、C，A組、B組、C組分別給予2.45、4.90、7.35 kGy的輻照劑量（夏季），冬季的編號(hào)為A1、B1、C1，分別給予2.10、4.20、6.30 kGy的輻照劑量。照后立即做菌落總數(shù)[7]、沙門氏菌[8]、大腸菌群[9]、志賀氏菌[10]、金黃色葡萄球菌[11]、霉菌及酵母等微生物檢測(cè)[12]。

輻照后微生物檢測(cè)指標(biāo)如表2、表3。

表2　微生物檢測(cè)記錄表（夏季）Table 2 Microbiological testing record sheet（Summer）

表3　微生物檢測(cè)記錄表（冬季）Table 3 Microbiological testing record sheet（Winter）

從微生物檢測(cè)記錄表可以看出，C、C1組未檢出雜菌、沙門氏菌、大腸桿菌、志賀氏菌、金黃色葡萄球菌等致病菌以及霉菌酵母等，與理論算出的值相符。符合要求，所以可以確定泡鳳爪γ射線輻照滅菌的最終劑量夏季為7.35 kGy，冬季為6.30 kGy。

6　結(jié)果與討論

以上檢測(cè)結(jié)果表明，γ射線輻照泡鳳爪，使沙門氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌及其他微生物統(tǒng)統(tǒng)被殺滅，效果十分明顯，與總劑量給予值相符。從滅菌的角度而言，γ射線對(duì)其他食品、調(diào)味品、衛(wèi)生用品等的滅菌效果也非常顯著，所以γ射線滅菌被廣泛應(yīng)用。

γ輻照滅菌的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是劑量的給予和給予方式。劑量的給予是指總劑量的確定。總劑量的確定是根據(jù)照射前后細(xì)菌含量差及各微生物的D10值算出要求劑量的理論值，再考慮溫度和濕度等因素給予一定的保險(xiǎn)系數(shù)求得實(shí)施總劑量的給予值。再根據(jù)輻照裝置空間劑量率的分布參數(shù)求得輻照時(shí)間，又根據(jù)貨物的具體情況選擇劑量的給予方式，最終形成輻照工藝。

γ輻照致使微生物死亡是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。在放射生物學(xué)和相關(guān)文獻(xiàn)中將細(xì)菌的死亡歸結(jié)為直接死亡和間接死亡。在直接死亡中，一些文獻(xiàn)簡(jiǎn)單將它敘述為γ射線輻照微生物后，微生物細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量次級(jí)電子，這些高能的次級(jí)電子將能量傳遞給細(xì)胞器，細(xì)胞器產(chǎn)生電離、裂解、長(zhǎng)鏈斷裂，細(xì)胞器“碎片化”，從而使細(xì)胞內(nèi)滲透壓增加，大量吸水致使細(xì)胞膜破裂而死亡。這種將直接死亡完全歸結(jié)為“滲透壓”這種因子，至少是不全面的，其理由如下：滲透壓增加有個(gè)必要前提，微生物周圍的介質(zhì)含水量大時(shí)，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)滲透壓增加，周圍介質(zhì)的水分子才會(huì)大量進(jìn)入細(xì)胞使細(xì)胞膜脹破，食品輻照是這種情況。當(dāng)水分含量＜8 %的干燥藥粉照射時(shí)，在菌檢時(shí)也可以看到微生物大量死亡，這并非是滲透壓改變所致。所以，細(xì)菌經(jīng)輻照后的死亡是個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，有待進(jìn)一步研究。

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[8]中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB 4789.4-2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)沙門氏菌檢驗(yàn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010

[9]中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB 4789.3-2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)大腸菌群計(jì)數(shù)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010

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[11]中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB 4789.10-2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010

[12]中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB 4789.15-2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)霉菌和酵母計(jì)數(shù)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010

Mechanism of γ Irradiated Food Sterilization and Microbial Detection

QING Li-fang，WEImin，YANG Ping-hua，LI Qing，LIU Ying
（Institute of Biotechnology and Nuclear Technology，Sichuan Provincial Academy of Agricultural Science，Chengdu 610061，Sichuan，China）

Abstract：Irradiation is the use of atomic energy ray irradiation sterilization of food to a physical method of food preservation.This method is applied to food sterilization can effectively suppress or even eliminate pathogenic micro -organisms causing rot.This article briefly described the development of domestic and irradiation technology，gamma-ray source，the nature and mechanism of interaction with matter and radiation sterilization，focusing on microbiological indicators and irradiated product irradiation process was determined to explore the gamma-ray irradiation sterilization used in food industry，the feasibility and advantages.

Key words：γ irradiated；food irradiation；sterilization process

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.05.051

作者簡(jiǎn)介：青莉芳（1991—），女（漢），本科，研究方向：食品營(yíng)養(yǎng)與健康。

收稿日期：2014-12-08