輻照技術(shù)在食品保藏上的應(yīng)用

輻射保藏食品是一種利用電離輻射法延長保藏時(shí)間、提高食品質(zhì)量的新食品加工保藏技術(shù)。它是利用放射性60Co或137Cs發(fā)出的γ射線或利用電子加速器產(chǎn)生的電子束(最大能量10MeV)或X射線(最大能量5MeV)在一定的劑量范圍內(nèi)輻射食品,輻照在食品中引起一系列化學(xué)變化,可以殺滅食品中的害蟲,消除食品中病原微生物及其它腐敗細(xì)菌,或抑制食品(如水果、蔬菜等活機(jī)體)的生理生化過程(發(fā)芽和成熟),從而達(dá)到食品保藏或保鮮的目的。近50年來的廣泛研究,證實(shí)了輻照技術(shù)可有效地應(yīng)用于食品保藏上,并越來越受到世界各國的重視。1976年,聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)、國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和世界衛(wèi)生組織(WHO)聯(lián)合組成的專家委員會對食品輻照的有效性和安全性進(jìn)行了研究,第一次無條件地批準(zhǔn)了雞肉、番木瓜、馬鈴薯、草莓和小麥等5種輻照食品,同時(shí)還暫定批準(zhǔn)了輻照稻米、魚和洋蔥供人食用。接著又批準(zhǔn)了香料、酶制劑和鮮豬肉3種輻照食品。1980年10月,聯(lián)合專家委員會在全面審查了30年來世界各國在食品輻照工業(yè)、輻射化學(xué)、輻照食品營養(yǎng)學(xué)、放射生物學(xué)、微生物學(xué)和毒理學(xué)等方面所取得的成果之后,正式向全世界宣布,經(jīng)平均劑量10kGy以下輻照的任何食品都不存在毒理學(xué)和營養(yǎng)學(xué)方面的任何問題,不存在任何危害,是衛(wèi)生安全的。1輻照殺菌的特點(diǎn)輻照保藏不同于化學(xué)熏蒸法、腌制法,不需要加入添加物,與加熱、冷凍等方法一樣,是一種物理保藏法,且屬于冷處理技術(shù),具有許多傳統(tǒng)保藏法不可比擬的優(yōu)點(diǎn):(1)射線穿透力強(qiáng),可對預(yù)先包裝好的或烹調(diào)好的食品通過劑量控制和輻照工藝進(jìn)行均勻徹底處理,相比于熱處理殺菌,輻照過程較易控制;(2)輻照處理是“冷加工”,可保持食品原有的鮮度和風(fēng)味,有的甚至可提高食品的工藝質(zhì)量;(3)輻照食品不會留下任何殘留物,不污染環(huán)境,可提高食品衛(wèi)生質(zhì)量并有利于環(huán)保;(4)節(jié)省能源,與熱處理、干燥和冷凍保藏食品法相比,能耗降低幾倍到十幾倍;(5)可對包裝、捆扎好的食品進(jìn)行殺菌處理,消除了在食品生產(chǎn)和制備過程中可能出現(xiàn)的嚴(yán)重交叉污染問題;(6)殺菌效果好,并可通過調(diào)整輻照劑量達(dá)到對各類食品殺菌的要求;(7)輻照滅菌速度快,操作簡便,加工易控制,可連續(xù)加工,既經(jīng)濟(jì),又省力,適于大規(guī)模加工。2電離輻射對活細(xì)胞和食品養(yǎng)分的影響2.1輻照生物活性成分的影響有直接作用影響與間接作用影響兩種。直接作用是活細(xì)胞中的生物分子直接受到電離輻射的作用而吸收輻射能量并導(dǎo)致機(jī)體損傷的作用過程,其中脫氧核酸所受影響最大。如果電離輻射首先與機(jī)體中的水分子作用,產(chǎn)生氫原子、羥自由基、水合電子等活性粒子,這些活性粒子再與生物分子如蛋白質(zhì)、核酸、酶等作用,致使生物體的功能、代謝與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而遭受損傷,這種作用過程為間接作用。由于活細(xì)胞均含有大量水份,輻照產(chǎn)生的總效應(yīng)中通常主要是間接作用所產(chǎn)生的效應(yīng),除非在極端情況下,如干燥及冷凍情況下,直接作用才有可能成為主要的作用過程。與加熱等方法一樣,微生物對放射線的敏感性也受到各種因素的影響,主要包括射線種類、照射的劑量率、分次照射與二次照射、溫度、氧、水分、pH、介質(zhì)成份等影響。一般在食品溫度0～65℃范圍內(nèi)時(shí)影響不大,但在高溫或0℃以下時(shí)則影響較大,主要是受到了高溫殺菌的協(xié)同效應(yīng),在0℃以下輻照時(shí),微生物因受凍結(jié)損傷,其抗輻射力有所減弱。再如氧的存在可使菌的營養(yǎng)細(xì)胞對輻射的敏感性增加2～3倍。圖1為不同氧的濃度對放射線殺滅大腸桿菌的效果。2.2活性物質(zhì)的氧化在輻射殺菌的同時(shí),食品作為有機(jī)生物活性材料也同時(shí)受到輻射作用,其組成分子會產(chǎn)生離子、自由基等各種活性粒子。這些活性粒子引起的化學(xué)反應(yīng),會影響食品成分的分子結(jié)構(gòu)的變化,影響程度與輻射條件(如劑量、溫度等)有關(guān)。水的間接效應(yīng)中所產(chǎn)生的游離基,直接參與氧化還原反應(yīng)。有機(jī)化合物因輻射而分解的產(chǎn)物很復(fù)雜,它取決于原物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和輻照條件,故不能確定某一種化合物輻照后的特定產(chǎn)物。2.2.1蛋白質(zhì)的變化蛋白質(zhì)分子經(jīng)輻照后會發(fā)生變性現(xiàn)象。如紫外線吸收光譜發(fā)生變化、蛋白質(zhì)分子發(fā)生裂解以及裂解后的小分子聚合、釋放H2S、粘度和電泳性質(zhì)有變化、形成羰基、結(jié)構(gòu)和抗原性的改變以及蛋白質(zhì)酶解能力的變化和氨基酸的破壞等。這些變化會使蛋白質(zhì)的顏色發(fā)生改變、使核蛋白失去生物過程中的功能以及食品的功能性質(zhì)發(fā)生改變等。經(jīng)對輻照食品中蛋白質(zhì)、氨基酸和酶解產(chǎn)物的分析,以及用輻照食品飼養(yǎng)動物進(jìn)行的研究,都證明了經(jīng)適宜劑量(50kGy以下)照射的食品,蛋白質(zhì)營養(yǎng)成份無明顯變化,氨基酸組分恒定。2.2.2輻照脂肪氧化脂肪分子經(jīng)輻照后會發(fā)生氧化、脫羧、氫化、脫氫等作用,產(chǎn)生典型的氧化產(chǎn)物、過氧化物和還原產(chǎn)物。它取決于脂肪的類型、不飽和程度、照射劑量、氧的存在與否等等。飽和脂肪一般是穩(wěn)定的,不飽和脂肪則易氧化,氧化程度與照射劑量成正比。并且對許多植物油和魚油進(jìn)行輻照的結(jié)果表明,只有較大劑量(100kGy以上)輻照時(shí),其物理性質(zhì)如熔點(diǎn)、折射率、介電常數(shù)、粘度和密度才發(fā)生顯著變化。同時(shí),研究還表明,用40～50kGy的射線輻照后,脂肪的同化作用和熱能價(jià)值并不發(fā)生改變,營養(yǎng)價(jià)值毫無變化。2.2.3輻照糖。條件二,糖是一種熱輻射劑,主要導(dǎo)致受輻射的方向碳水化合物分子經(jīng)輻照后相對比較穩(wěn)定,只在大劑量輻照后才引起氧化和分解,如多糖類會放出H2、CO、CO2等氣體,而且變得易于水解和松脆,粘度下降,熔點(diǎn)和旋光度下降,但主要還是引起光譜和多糖結(jié)構(gòu)的變化。一般情況下,糖對輻照是很穩(wěn)定的,只要采用殺菌劑量照射,對糖的消化率和營養(yǎng)價(jià)值幾乎沒有影響。使用20～50kGy的劑量不會使糖類的食品質(zhì)量發(fā)生變化,其營養(yǎng)價(jià)值并不因射線照射而改變。2.2.4輻照溫度和時(shí)間對克氏原螯蝦幼魚敏感性的影響維生素分子對照射較為敏感,特別是維生素E和維生素K更敏感,水溶性維生素亦較敏感。水的間接作用有較大影響。如果在低氧或密封條件下輻照,敏感性會大大減弱。而維生素B(煙酸)對輻照很不敏感,維生素D對輻照也相當(dāng)穩(wěn)定,用約10kGy量級的γ射線輻照魚油時(shí),沒有發(fā)現(xiàn)維生素D被破壞。純維生素溶液對輻射很敏感,若與食品中其他物質(zhì)復(fù)合存在時(shí),其敏感性也會降低。研究還表明:食品受20～25kGy劑量照射后維生素的破壞程度與加熱相同。3輻照食品對營養(yǎng)的影響輻照食品的衛(wèi)生安全性關(guān)系到食用者的健康和食品輻照技術(shù)的前途,受到許多國家的重視,其范圍包括5個(gè)方面:(1)有無殘留放射性及誘導(dǎo)放射性;(2)輻照食品的營養(yǎng)衛(wèi)生;(3)有無病原菌的危害;(4)輻照食品有無產(chǎn)生毒性;(5)有無致畸、致癌、致突變效應(yīng)。食品在進(jìn)行輻照時(shí)是外照射,沒有直接接觸放射性核素,因此,不會污染放射性物質(zhì),這與核爆炸和核源泄漏事故截然不同,故不存在殘留問題。至于誘導(dǎo)放射性,即指因輻射引起食品的構(gòu)成元素變成放射性元素問題。事實(shí)上目前國際上輻照食品中使用的60Coγ射線能量只有1.17～1.33MeV,Cs則更低,只有0.66MeV,電子束能量也在10MeV以下,它們的能量都低于在食品中可能誘導(dǎo)放射性的能量閾值,當(dāng)然也就不會產(chǎn)生誘導(dǎo)放射性核素及其化合物。關(guān)于輻照食品的營養(yǎng)問題,和其他食品加工技術(shù)一樣,輻照也將使食品發(fā)生理化性質(zhì)的變化,變化程度取決于輻照食品的種類和輻照劑量。在高劑量的照射下,食品中氨基酸也僅被破壞10%左右,蛋白質(zhì)的色、香、味及營養(yǎng)價(jià)值有一定程度下降,但不明顯改變食物中蛋白質(zhì)的含量。脂肪的氫化在適度劑量范圍內(nèi)是很少發(fā)生的,至于維生素的變化,與其他殺菌方法相類似(見表1)。從表1可知,輻射對食品維生素的影響程度與熱消毒處理的影響無明顯差別。如果在低溫缺氧條件下輻射,還可減少營養(yǎng)成份的損失,見表2。食品營養(yǎng)衛(wèi)生和輻射化學(xué)的研究結(jié)果已經(jīng)證明,輻照食品富于營養(yǎng),而且也不可能產(chǎn)生毒性反應(yīng)。近40多年來,根據(jù)長期與短期動物飼養(yǎng)試驗(yàn),觀察臨床癥狀、血液學(xué)、病理學(xué)、繁殖及致畸等項(xiàng)目,沒有發(fā)現(xiàn)食物產(chǎn)生毒性反應(yīng)及致畸、致癌、致突變現(xiàn)象,此外,用輻照飼料飼養(yǎng)家畜以及用輻照食品長期飼養(yǎng)有免疫缺陷的動物,均未發(fā)現(xiàn)任何病理變化。這其中,美國進(jìn)行的兩項(xiàng)動物喂飼試驗(yàn)(輻照牛肉及輻照雞肉的毒理研究試驗(yàn))研究時(shí)間最長,耗資最大。從受試動物胚胎期起,整個(gè)試驗(yàn)期間,直至死亡都需對選中的動物進(jìn)行試驗(yàn)和觀察。測試項(xiàng)目包括受試動物的生長及體重、飼料消耗、生殖機(jī)能、壽命、病狀、眼睛檢查、小便分析、精液檢查、有的還進(jìn)行血液及肝功能測試以及畸變和誘變試驗(yàn)等,其結(jié)果證明是安全的。我國“六五”以來也先后對經(jīng)過輻射的大米、豬肉、香腸、土豆、洋蔥、大蒜、蘑菇、花生等進(jìn)行過人體試食和動物喂養(yǎng)試驗(yàn),測試了體重、血液學(xué)、肝腎功能、血液酶活力、心電圖、B超、外周血淋巴細(xì)胞染色體、畸變分析(包括多倍體)、姐妹染色體交換(SCE)、人尿Ames試驗(yàn)等20余項(xiàng)指標(biāo),結(jié)果未發(fā)現(xiàn)任何不良作用。在大量毒理學(xué)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,在1992年5月召開的食品輻照評議會上,WHO作出了重要結(jié)論:在優(yōu)化的操作條件下,從毒理學(xué)觀點(diǎn)出發(fā),輻照處理不會產(chǎn)生有害于人體健康的物質(zhì)成分。1995年,WHO在“輻照食品在安全營養(yǎng)上有效性”的研究報(bào)告中再次強(qiáng)調(diào):只要按照良好生產(chǎn)操作規(guī)程,輻照食品在安全性上和營養(yǎng)上可說是安全可靠的。因?yàn)?從毒理學(xué)的觀點(diǎn)來說,輻照處理在食品組成上所引發(fā)的變化對人體健康無害,輻照也不會改變食品中微生物菌叢的平衡,以致消費(fèi)者遭受微生物的危害。此外,輻照亦不會導(dǎo)致食品中的營養(yǎng)成分大量損失,使個(gè)人或社會整體的營養(yǎng)狀況受損。4種不同的應(yīng)用各種食品用各種不同劑量處理可以產(chǎn)生不同效果,也就有各種不同的應(yīng)用。它們的照射劑量可能相差幾倍甚至幾百倍,一般按其照射劑量可分為低劑量(1kGy以下)、中劑量(1～10kGy)、高劑量(10kGy以上)等3類。4.1低劑量輻射4.1.1極低劑量輻照處理蔬菜、水果在采摘以后還是一個(gè)有生命的有機(jī)活體,它們?nèi)匀辉谶M(jìn)行呼吸,仍然會成熟,在保存過程中可能還會發(fā)芽生長(如土豆、大蒜、洋蔥、生姜、甘薯、板栗等),它們一旦發(fā)芽后,不僅影響感官,更重要的是降低了產(chǎn)品質(zhì)量甚至產(chǎn)生有毒物質(zhì)。若以極低劑量(0.05～0.15kGy)輻照處理,使這些植物體在采摘后處于一種“休眠狀態(tài)”,從而達(dá)到抑制發(fā)芽的目的。如果根莖作物尚處于休眠狀態(tài),采用0.1kGy劑量照射,對阻止其貯存期間的發(fā)芽都有效。實(shí)驗(yàn)證明,0.1kGy的劑量就能抑制土豆的發(fā)芽,同時(shí)還能消滅土豆莖蛾的卵及其早期幼蟲。4.1.2輻照和死亡成蟲輻照能殺死棲生于食品中的昆蟲和寄生蟲。實(shí)驗(yàn)證明,用大約1kGy的劑量輻照大米、小麥、干菜豆、谷粉和通心面,可以消滅象鼻蟲和易與之相混淆的面象蟲;用0.13～0.25kGy的劑量輻照能阻止幼蟲發(fā)育為成蟲,用0.4～1kGy的劑量輻照后能阻止所有卵、幼蟲和蛹的發(fā)育;用1kGy的劑量足以使某些昆蟲在數(shù)日內(nèi)死亡;0.25kGy的劑量能使昆蟲在數(shù)周內(nèi)死亡或使存活的昆蟲不育;旋毛蟲的不育劑量約為0.12kGy,抑制其成熟需0.2～0.3kGy,使其死亡需7kGy。4.1.3延長保藏期用1kGy以下的劑量輻照可抑制多種水果、蔬菜中的酶活性,也可相應(yīng)降低植物體的生命活力,從而延長其成熟,減少腐爛,延長保藏期。如對香蕉、芒果、番木瓜、常青果、柑桔、蘑菇、蘆筍、蕃茄等都有效。其中,芒果用0.25～0.35kGy劑量輻照,就可延遲其成熟與老化,而不影響其品質(zhì)和主要營養(yǎng)成份,達(dá)到延長貨架期的目的。4.2中劑量輻射4.2.1保藏期的確定利用輻照對食品進(jìn)行消毒與防腐,亦稱輻照巴氏殺菌法。前者是殺滅食品中除病毒與生芽胞菌以外的非芽胞病原菌,主要是沙門氏菌,為人們提供衛(wèi)生食品,所需劑量為2～8kGy;后者是殺滅腐敗微生物,延長食品的保藏期,采用的劑量在0.4～1.0kGy之間。輻照巴氏殺菌特別適用于保藏在冷凍條件下的未烹調(diào)預(yù)包裝食品及真空包裝的預(yù)烹調(diào)肉類制品,如火腿片、凍魚與鮮魚經(jīng)中等劑量0.15～2.5kGy輻照后保藏期可延長2～5倍。例如,用1.5～2.5kGy的劑量輻照處理鱈魚,在2～3℃的冷藏條件下可保藏3個(gè)月,而未經(jīng)處理的鱈魚則只能保藏1個(gè)月。實(shí)驗(yàn)還表明,用8kGy的劑量殺滅沙門氏菌后的雞肉在-30℃下可保藏2年,雞肉的質(zhì)地和色、香、味均未變化。4.2.2可延長水果的輻照保藏期造成新鮮農(nóng)副產(chǎn)品(如魚肉、水果或蔬菜等)霉變的大多數(shù)微生物對低劑量輻照很敏感,采用1～5kGy劑量輻照可使霉變微生物減少好幾成,因此可以延長這些食品的貨架期,若采用較低劑量(1～2kGy)輻照草莓、芒果、桃子等水果,可以有效地控制霉菌生長,減少這些水果在運(yùn)輸銷售期間的損失,保藏期得到延長。水果的輻照保藏若與其他保鮮措施相結(jié)合則效果更佳。但輻照與其他技術(shù)一樣,不可能使質(zhì)量低劣或已經(jīng)腐敗的食品變好。4.2.3輻照對不同脫水蔬菜的復(fù)水作用大豆經(jīng)2.5kGy或5kGy的劑量輻照后,可改進(jìn)豆奶和豆腐的品質(zhì),并提高產(chǎn)率。對葡萄進(jìn)行輻照處理,可以提高出汁率;輻照處理過的脫水蔬菜(如脫水蘑菇、脫水刀豆之類)復(fù)水性能良好,復(fù)原速度和品質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過沒有經(jīng)過輻照處理的產(chǎn)品,減少了烹調(diào)時(shí)間。用2～4kGy輻照薯干酒和劣質(zhì)酒,可以加速陳化,消除雜味而改善品質(zhì)。牛肉經(jīng)1～10kGy的劑量輻照,其蛋白纖維會降解,從長鏈的大分子降解成較小的鏈結(jié)構(gòu),使纖維的分子量降低,牛肉會變得特別鮮嫩。4.3保味制劑的使用高劑量輻照常用于香料和調(diào)味品的消毒。香料與調(diào)味品在生產(chǎn)加工過程中常常會沾染微生物和昆蟲,特別是霉菌和耐熱芽胞細(xì)菌。由于它們的色、香、味對熱敏感,高熱處理會影響產(chǎn)品營養(yǎng)成份與風(fēng)味,一般采用化學(xué)藥品,如環(huán)氧乙烷熏蒸殺菌,但化學(xué)藥品不僅會存在藥物殘留,而且還會與食品中的組成成分發(fā)生反應(yīng),生成對人體有害的氧乙醇鹽或多氧乙醇鹽。而對香料和調(diào)味品進(jìn)行保味殺蟲滅菌輻照保藏,不僅可有效地使傳染性微生物失去活性,并且可保持原有的風(fēng)味,如辣椒粉經(jīng)5kGy劑量的輻照后,樣品中已檢測不出霉菌。作香料用的干香蔥粉經(jīng)4kGy劑量的輻照,微生物數(shù)量顯著減少,經(jīng)10kGy的劑量輻照,細(xì)菌數(shù)量減少到10個(gè)以下;用于提取黃蒿油的黃蒿籽在保藏期易于生蟲霉?fàn)€變質(zhì),用7.5～12.5kGy的劑量照射不僅消滅了蟲害,而且其主要化合物如香料油、脂肪酸和糖在含量上沒有受到影響,還改進(jìn)了香料油的提取,并可得到好的風(fēng)味質(zhì)量。目前,在國際市場上有上百種輻照香料與調(diào)味品銷售,其中有的輻照劑量高達(dá)30kGy。5輻照食品的立法和管理我國目前擁有γ射線輻照裝置150多座,其中設(shè)計(jì)裝源容量1.11×1016Bq以上的60Co輻照裝置有50余座;設(shè)計(jì)裝源容量1.11×1016Bq以下的裝置有80余座;全國實(shí)際裝源容量約為48.1×1016Bq;電子輻照加速器目前已達(dá)到了45臺,總功率達(dá)2005kW。其中90%的輻照裝置都在不斷地進(jìn)行食品輻照保藏研究與生產(chǎn)加工。同時(shí),我國在輻照食品的研究與推廣方面位居亞洲領(lǐng)先地位。從1958年開始進(jìn)行輻照保鮮研究至今,已在輻照食品的生產(chǎn)工藝、衛(wèi)生安全、輻照裝置和劑量檢測等方面做了大量工作。至今,我國已有28個(gè)省、市、自治區(qū)的200多個(gè)單位對禽蛋、肉類、水產(chǎn)品、鮮干果、蔬菜、香料和調(diào)味品以及名特土產(chǎn)品進(jìn)行了輻照保藏研究,其中,牛肉脯、捆蹄、脫水蔬菜、新鮮人參、荔枝、蘋果、草莓、梨、柑桔、酒、枸杞子、桂圓干、生姜、蕃茄、醬油、香煙、明膠、蜂制品、杭白菊等20多種食品已通過技術(shù)鑒定。在這些大量科研成果的基礎(chǔ)上,衛(wèi)生部1984～1994年10年間先后批準(zhǔn)頒布了:馬鈴薯、洋蔥、大蒜、大米、花生仁、蘑菇、香腸、蘋果、扒雞、花粉、果脯、生杏仁、番茄、豬肉、荔枝、蜜桔、薯干酒、熟肉制品等18種輻照食品的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。1996年又正式頒布了“輻照食品衛(wèi)生管理辦法”,1997年公布了“輻照食品類別衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)”,以進(jìn)一步對進(jìn)口食