电子束辐照对食品工业的影响

电子束辐照对食品工业的影响

1电子束辐照技术

1.1电子束辐照技术原理

电子束辐照技术是利用电子加速器产生的低能或高能电子束射线(10MeV以下的电子束)，利用高能脉冲直接作用破坏活体生物细胞内DNA或通过间接作用使小分子和水物质发生辐解，形成-OH、-H等活性自由基，与核内物质作用，发生交联反应。

1.2电子束辐照技术特点

电子束辐照是用一种名为“软电子”的微弱电子辐射产品的表面，可有效控制和杀灭微生物。这种电子波最深至产品表面50~150μm处，所以它可杀灭产品表面附着的细菌，并且不引起产品的内部结构营养成分的破坏。目前，电子加速器发展非常迅速，很多人关注到了电子束辐照的优势，世界各国逐渐开始研究电子束辐照对食品的保鲜。国际上允许使用能级低于10MeV的电子束。

1.3电子束辐照装置及系统工作简图

电子加速器是电子束辐照的主要设备，因加速器种类不同，电子束辐照设备的结构和组成也会随之不同，但都分为4个部分：a.加速器主机，分为加速电场系统、控制磁场系统、真空系统；b.离子源或电子枪；c.束流应用装置，分为扫描装置、束下装置、束流靶装置或引出装置；d.控制系统。图1显示了上海束能辐照技术有限公司的ESS-010-03型电子加速器的系统工作图。

2电子束辐照技术在食品工业中的应用

电子束辐照杀菌/虫是近年来世界各国发展迅速、应用广泛的高新绿色技术。电子束辐照技术在水果、蔬菜、肉类等一系列农产品的保鲜中已取得大量的研究性成果，其在脱水蔬菜、香料及调味品等方面的应用也基本进入了工业化生产和商业化贸易，在冷、鲜肉食品以及农、兽药物残留等方面也作了相应的电子束辐照降解等一系列研究，国内外研究学者们也作了相关的有益探索；低剂量电子束辐照草莓、芒果、甜瓜、柑橘、葡萄、梨等新鲜水果，能够有效杀菌/虫，防止微生物的侵染而造成果蔬的腐烂，有效维持果蔬的感官品质和控制致病微生物、虫害，还能够有效地降低它们的呼吸强度，降低营养成分消耗的速度，推迟成熟、以及延长货架期等作用。

2.1控制食品中的有害微生物

由于电子束辐照杀菌不需要对食品加热，因此被称为“coldpasteurization”；食品辐照杀菌必须是有效维持食品原有风味和品质为前提，虽然高剂量能够彻底灭菌，但却使感官品质和营养成分大大降低，所以不能采用，筛选适宜剂量再结合科学的贮藏方法(如冷藏)能显著延长食品储藏期。其中，电子束辐照杀菌，因为不存在辐射源的问题，安全性能也比较高，还能有效地防止食源性致病微生物的污染。除此之外，电子束辐照的穿透距离与被辐照产品的密度有关联，一般来说，电子束穿透的距离较短，但电子束剂量率较快，如果采用动态的传送装置，会使产品吸收剂量的不均匀度小于5%，形状规则，厚度小的产品比较适合，反之，则相反。姚周麟等研究表明利用3~6kGy剂量电子束处理即食鱿鱼丝，可最大限度地控制贮藏期间微生物的繁殖，并较好地保持其感官品质；杨文鸽等报道了3~5kGy辐照剂量能有效杀灭泥蚶肉中的微生物，还能改善其风味，不影响泥蚶肉的良好品质；青椒因受到鲜切等机械损伤，受到微生物的侵染，变得容易腐烂，货架期也明显缩短，酸化亚氯酸钠（ASC）与1kGy电子束辐照结合能有效地杀灭鲜切青椒中的单增李斯特菌、鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌O157:H7，降低了鲜切青椒的腐烂率，较好地维持了鲜切青椒的食用品质，延长了货架

期；Mckee用1.0、1.8kGy剂量的电子束辐照去骨无皮的鸡胸肉，结果显示在辐照后的样品中都未检测出大肠菌、大肠杆菌、嗜冷菌，而对照组却检测出来以上的大量细菌，说明适宜剂量的电子束辐照能有效杀灭去骨无皮的鸡胸肉的微生物；Sarrias等用1.1、7.5kGy剂量的电子束辐照去壳糙米和大米，能杀灭去壳糙米和大米上的大肠菌、大肠杆菌（E.coli）、还原亚硫酸盐的梭菌属、真菌和腊状芽孢杆菌（Bacilluscereus），由此可知，用电子束辐照技术对糙米和大米进行保鲜处理是非常有效的。周仁佳等研究表明：1.5kGy剂量的电子束辐照鲜切哈密瓜可很好地控制细菌、霉菌和酵母菌的生长，其中细菌较容易杀灭，而霉菌和酵母菌次之；杨俊丽等报道：2.0、3.5kGy剂量的电子束辐照草莓，都能够有效控制果实的致病微生物，且有效维持其感官品质和营养成分，得到了较理想的保鲜效果，其中，3.5kGy 剂量的电子束辐照在常温贮藏条件下对草莓的保鲜效果较好，所以采用3.5kGy剂量的电子束辐照草莓是最佳的选择。Kim等研究了2kGy剂量的电子束辐照能有效地杀灭鸡蛋中的鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌，辐照过后的鸡蛋的粘性降低，但是发泡性却增强了，辐照不仅可杀菌，并且还会影响鸡蛋的品质，根据所需有效利用这一特点。因为电子束辐照技术是一种冷杀菌技术，即杀菌的同时不会使食品内部温度的升高，所以有研究表明电子束辐照技术是唯一能对冷冻、冷鲜食品有效杀菌的技术。

2.2控制食品中的害虫

电子束辐照杀虫的原理是利用电子束与害虫相互作用而所产生的物理、化学和生物效应，因为电子加速器产生的高能电子束会破坏害虫的DNA、蛋白质、核酸等大分子物质，导致害虫死亡或不育的一种物理技术，现在电子束辐照杀虫这个功能主要在粮食谷物方面广泛应用。电子束辐照杀虫通过直接杀死害虫或致使害虫不育的方法来有效地控制害虫，是传统的化学熏蒸剂的较为理想的替代技术，传统的化学熏蒸剂有时会有残留物，以致污染粮食谷物，然而电子束辐照技术具有电子束流集中定向，无残毒，不产生放射性废物，低能耗，环

保，运行操作简便等显著优势。储粮的杀虫保藏是电子束辐照技术最早的应用领域之一，美国在1940年代就进行了粮食辐照装置的研究，也已经取得了很多的成果。电子束辐照技术在玉米、谷类、豆类、小麦等进出口粮食或储粮杀虫等方面的研究也越来越成熟。辐照杀虫可分为两种，一是通过辐照致使害虫不育从而达到杀灭害虫；另一种是直接杀虫法。食品加工厂一般采用直接杀虫法，不同的食品采用的电子束辐照剂量不同，这样既可以杀灭各种害虫成虫，又可以保证辐照产品的质量，提高经济效益和商业化应用。电子束辐射处理过的粮食是安全的，并且辐射不会引起环境的任何污染。300Gy剂量的电子束辐照过的鞘翅目储粮害虫一般能够存活20~30d，而没有经过辐照的成虫将能活至大约100d，由此可知，电子束辐照技术能够有效杀死鞘翅目储粮害虫，但研究结果表明300Gy剂量的电子束辐照几乎不会影响蜱螨目和鳞翅目的成虫存活天数，因此，不同目的害虫成虫对电子束辐照剂量的耐受性不同，选择合适剂量的辐照是非常重要的。李淑荣等研究证明：1kGy剂量的电子束辐照稻谷和小麦，不会破坏它们的营养品质和加工特性；高于518Gy剂量的电子束辐照赤拟谷盗的成虫，4周之后就会全部死亡。黄曼等发现0.6、0.3kGy2个剂量的辐照可有效控制和预防粮食储存和物流过程中谷蠹和米象2种害虫。不同种类的害虫对电子束辐照剂量的敏感性相差很大，表2显示了主要储粮害虫成虫的电子束辐照不育剂量和致死天数。从表2中可知，不同目、科、种的储粮害虫成虫的不育剂量和致死天数差异很大，其中，不同目的害虫成虫对电子束辐照剂量的敏感性为：鞘翅目>蜱螨目>鳞翅目。从性别上来讲，雌虫和雄虫的不育剂量也存在很大的差别，一般地雄虫的不育剂量大于雌虫。

2.3抑制发芽、延迟成熟和延长储藏期

采后的果蔬仍是“活”的有机体，还在进行各种生理代谢活动，消耗营养成分和能量，使果蔬变味、变色、失水干缩、甚至腐烂变质。电子束对新鲜果蔬进行辐照后，可以抑制呼吸代谢等相关酶的活性，降低其呼吸作用，延长保鲜期、有效推迟成熟。一些蔬菜，如大蒜、

马铃薯、生姜、洋葱等存在着较短的生理休眠期，这个期间过后便开始生长发芽，消耗自身营养成分，因此品质也就随着快速下降。这类蔬菜如果在它们的生理休眠期进行适宜剂量（0.04~0.08kGy）的电子束辐照就可达到很好的抑芽效果。此外，电子束辐照还能有效地延缓新鲜蘑菇的开伞时间，防止蘑菇子实体的老化褐变。利用电子束辐照技术处理抑制鳞茎和块茎类食品发芽特别有效，电子束辐照处理已经成为抑制鳞茎和块茎类食品发芽的一项非常成熟技术，并在许多国家得到商业化应用。从杨俊丽等研究中看出电子束和60Coγ射线辐照都能抑制大蒜的发芽，但一样的辐照剂量条件下，60Coγ射线不如电子束辐照的抑芽效果；研究结果最后得出电子束辐照最佳抑芽剂量为200Gy，60Coγ射线最佳抑芽剂量为500Gy；电子束因其辐照均匀度高、方便快捷等优点，有可能成为大蒜抑芽商业化的优势力量。

2.4降解食品中的致敏物质和有害残留物

近年来，国内外在辐照脱敏的生物化学效应等方面做了一系列探索性的研究。到2002年时，美国研究发现电子束辐照技术能够破坏链格孢菌、螨等致敏原，并进一步做了免疫机理等方面的研究，证明了电子束辐照能够破坏一些过敏原的表位，使过敏原丧失了致敏活性。张明琦等研究表明7、10kGy剂量的电子束辐照能明显破坏钝化蟹原肌球蛋白(过敏原)，在很多人对海鲜食物过敏等问题上提供了很大的帮助。低剂量的电子束辐照能够使化学污染物或农、兽药残留物分子发生交联、断裂等一系列反应，改变了它们的生物学特性及原有的结构，从而除去了食品中的农、兽药物残留，并且较好地维持食品的食用品质。Getoff研究发现：水溶液经电子束辐照后，水分子将被激发和电离，产生了氢原子（H）、氢自由基（?OH）和水合电子（e-aq）等大量活性离子；Moraese等发现在反应过程中生成的?OH是最活泼的氧化剂之一，能够有效降解溶液中的有机污染物，这就是电子束辐照技术之所以能够降解有机污染物的原理。Liu等实验结果表明，8kGy电子束辐照剂量对呋喃妥因与呋喃唑酮的水溶

液降解率为100%，当辐照剂量降至6kGy，两种药物的降解率小于80%；张娟琴等报道了电子束辐照能加大降解毒死蜱、氯氰菊酯、百菌清和溴氰菊酯这4种药物，并且还证明了它们的降解率随辐照剂量的加大而上升，电子束辐照技术降解产品中的农药残留得到了较好地证明。电子束辐照对水中残留的氯化有机物以及水产品中残留的氯霉素都有降解作用。

3电子束辐照对食品品质的影响

电子束辐照食品的过程中会产生所谓“辐解产物”的气体成分，从而使食品产生难闻的气味，对食品品质造成了很大的影响。研究表明：10kGy剂量的电子束辐照处理1kg食品数小时仅仅引起2.4℃的温升。1.0~1.5kGy剂量辐照能使哈密瓜在10℃下贮藏12d，感官品质良好。Moreno等人利用1.0kGy剂量的电子束辐照能使芒果在12℃下果实品质保持最佳状态达21d。适宜剂量的电子束辐照能提高草莓的自由基清除能力，免于破坏细胞膜的结构，还能降低丙二醛含量的产生，较好地维持了草莓的食用品质。Huang等研究表明了2.5kGy剂量的电子束辐照冷冻贮藏液体蛋黄不会显著影响它的化学、物理及功能性指标，可以较好地保持贮藏液体蛋黄的良好品质，延长其货架期，提高经济效益。辐照加工还可降低火腿中的使用量，最多降低为80%，减少了亚硝酸盐对人体的危害；降低α-淀粉酶的活力、从而降低α-淀粉的代谢能力；辐照过的食品原料熟化时间变短且利于消化；使牛肉嫩化。张振山等研究表明：10kGy的辐照可改善大豆中的浓缩蛋白的功能特性，而20kGy的辐照会破坏蛋白的功能特性，从而影响了大豆的品质，为使辐照不影响大豆的品质，选择辐照剂量变得至关重要。刘冰冰等报道了6kGy辐照会使鱼肉色泽略微变红，其他使用的剂量辐照过红鱼肉的感官品质良好，而且因电子束具有杀菌作用，较好地维持了鱼肉的感官品质，主要体现在色泽、气味、肌肉弹性和组织形态上。周任佳等报道，经小于2kGy剂量的电子束辐照过的鲜切哈密瓜品质维持较好，其中，1.5kGy剂量的辐照效果最好。2.0~3.5kGy电子束辐照可有效抑制草莓致病菌，降低果实腐烂指数，保持较高的新鲜度和硬度，延缓有机酸、可溶性糖

及Vc等营养物质的损耗，达到理想的保鲜效果，且在常温贮藏条件下，3~5kGy辐照对延长草莓保鲜期效果较好；而5.0kGy辐照会破坏草莓的营养品质。Paloma等用3、7、10kGy剂量的电子束辐照杏仁，结果表明7kGy是最合适的辐照剂量，能很好地维持其感官品质和不破坏营养成分。综上所述，在适宜的剂量范围内，辐照杀菌的同时，食品内部温度不会显著升高，还可有效维持食品的色、香、味、形，不破坏产品的营养成分和感官品质。

4电子辐照技术在应用中存在的问题

目前电子束辐照技术的应用受到社会的广泛关注，但其技术参数尚不完善，商业应用也主要参照60Co源辐照标准，且灭菌效果不如γ射线，严重阻碍了电子束辐照技术的商业化应用；因此建立商业应用的电子束辐照标准，完善电子束辐照技术及扩大电子束辐照技术的商业化应用是迫不及待的。Park研究表明在减少牛肉肠馅饼的细菌菌落总数方面，电子束辐照效果不如γ射线辐照（p<0.05）；Song等研究报道小于5kGy的辐照能够显著降低调理发酵牡蛎中的产单核细胞李斯特菌、肠炎弧菌和金黄色葡萄球菌而不影响牡蛎的食品品质，其中γ射线辐照比电子束辐照的杀灭效果更好；刘福莉等研究经γ射线辐照的猪肉火腿肠的细菌总数明显低于经电子束辐照的样品的细菌总数。电子加速器的开发严重滞后，阻碍了电子束辐照技术的应用；汪昌保等研究发现，电子束和γ射线对牛肉火腿中微生物的杀灭效果显著，脂肪、维生素B的含量明显下降，两种处理对牛肉火腿品质影响无明显差异；逯连静研究发现，电子束辐照处理对草菇保鲜效果不佳，辐照组比对照组的样品腐烂较快，贮藏期更短；Vanesa等研究了电子束辐照对碎肉、伊比亚火腿、熏鲑鱼和软奶酪中化学成分的影响，结果表明辐照对所有样品中的自由氨基酸都有显著影响。人们对辐照食品的认识不足，大大制约了食品辐照技术的发展。国内外对辐照食品的态度不一，以欧盟和日本等国家对辐照技术持严格和谨慎的态度，而巴西、美国为代表的国家对辐照食品则持乐观态度。另外，电子束在辐照肉时会加快脂肪的氧化，促使肉的颜色发生改变，影响了食品品质。下一

步将探索如何改善电子束辐照技术对食品品质的影响。目前虽然已有大量实验数据证明辐照不危及食品的安全性，但电子束辐照的食品过程中有无再生毒性物质及致癌物质的生成，食品风味物质及营养成分是否变化或受破坏仍然遭到人们的质疑；电子束辐照食品安全性问题，仍然有待大量的实验数据予以佐证，确保人们的食用安全性。

5电子辐照技术在食品工业中的发展趋势及展望

研究表明利用电子束辐照单独杀虫杀菌与γ射线辐照相似，但剂量偏高，对食品品质会有一定影响，处理成本也高。因此下步将探索电子束辐射与红外线、微波、热处理或化学处理等其他方法相结合的综合利用技术，以期解决电子束辐照技术自身存在的缺点。下一步将研究食品的辐照剂量与杀虫、杀菌效果的关系，提出电子束辐照工业在线杀灭食品虫害的最佳剂量；除此之外，还需继续研究电子束辐照技术对食品品质的影响，因为食品的质量安全是消费者是否接受产品的首要标准。研究学者发现电子束辐照除了杀菌/虫等以上作用之外，还有很多其他用途，但作用机理尚不清楚，需进一步研究；其中，Teets等用10、20、30kGy剂量的电子束辐照杏仁皮，从杏仁皮中提取酚类物质，结果显示10、20kGy能够增加酚类物质的提取量，其中的机理尚待探究。目前电子束辐照食品还面临着识别和消费者的接受性等问题，解决此等问题以及使我国食品辐照技术更好、更快地发展，为我国食品工业的发展贡献力量，应做好以下5个方面工作：a.加大政府科研投入，组织科技攻关：组织全国或区域性的联合攻关研究，探究辐照食品的鉴别技术，争取对某些类别的产品尽快建立起简便、快捷的鉴别方法；b.加大科普宣传力度，提高辐照食品的市场接受程度：充分利用现代化传媒手段，大力宣传辐照技术，出版一些有关辐照食品的科普读物，或者利用开办辐照食品销售专柜等形式，从人们的日常生活入手，逐步消除消费者的恐“核”心理。c.培养专业、创新型人才，充分有效地利用食品辐照技术；d.充分发挥食品辐照加工技术在保障食品卫生安全方面的作用：重点推广食品辐照杀菌的低剂量处理技术，如小包装熟食及即食性方便食

品、预冷小包装鲜肉、调味品、脱水制品、功能性食品、风味品等的杀菌消毒技术；e.加快辐照食品生产的规范化，提高行业的国际竞争能力：完善现有的标准体系，做好现有卫生标准和工艺标准的调整、修订工作，特别要提高工艺标准技术的可操作性，推进辐照食品加工企业的规范化技改进度，条件成熟的企业要尽快组织实施质量认证工作。