电子束食品辐照的研究现状与应用特点.pdf

文章编号:100028551(2007)012061204 电子束食品辐照的研究现状与应用特点 哈益明 1 施惠栋 2 王 锋 1 刘志 3 谢宗传 2 (1 1 中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100094; 21 宁波超能科技股份有限公司,浙江 宁波 315470; 31 清华大学工程物理系,北京 100084) 摘 要:结合近年来国内外文献报道以及国内电子加速器辐照食品加工的现状,介绍了电子束辐照食品 加工的研究现状与应用特点。 关键词:加速器;电子束;食品辐照 APPLICATION AND CHARACTERISTICS OF FOOD IRRADIATION BY ELECTRON BEAM HA Y i2ming 1 SHI Hui2dong 2 WANG Feng 1 LIU Zhi2tao 3 XIE Z ong2chuan 2 (1 1Institute of Agro2Science,Chinese Academy of Agricultural,Beijing 100094; 21Ningbo Superpower High2Tech Co. ,LTD,Ningbo,Zhejing 315470; 31Engineering Physics Department of Tsinghua University,Beijing 100084) Abstract :The application , characteristics and update development of food irradiation by electron beam are introduced in this paper. Key words:accelerator;electron beam; food irradiation 收稿日期:2006209218 作者简介:哈益明(19572 ) , 男,山东蓬莱人,教授,博士生导师,从事农产品加工贮藏与研究工作。Tel ,E2mail :hayiming 食品辐照以其减少农产品和食品的损失,提高食 品质量,控制食源性疾病等独特的技术优势,越来越受 到世界各国的重视。据联合国粮农组织(FAO)、 国际 原子能机构(IAEA)、 世界卫生组织(WHO)公布的统计 报告显示,全世界已有40多个国家批准辐照食品200 余种,年市场销售总量达40万吨左右,食品辐照加工 已经被FAOIAEAWHO推荐为国际重点推广项目。 食品辐照加工用射线源主要有射线、 电子束两大类 型,其中我国钴源射线应用较为广泛。但随着电子 加速器束流能量和束下装置的提高和完善,电子束辐 照在加工能力和经济效益方面表现出越来越大的优 势,近年来已成为新型辐照加工装置的核心设备。来 自辐照行业协会的统计表明,2005年全国已建成功率 5KW及以上的辐射加工用电子加速器达83台,总功 率近6469KW ,另有8座大功率电子加速器装置正在建 设中。由于加速器具有自动化程度高、 可实现在线生 产以及无放射性废源产生等优点,同时电子束能量可 以通过加速电压来调节,系统操控比较方便,且线量平 坦,产品吸收剂量均匀。因此,电子束辐照有望成为食 品辐照加工的发展方向。国家在 “十一五” 期间将加大 电子束辐照食品应用研究的支持力度,国家发展与改 革委员会也已以非核动力应用为契机对电子束辐射应 用的产业化给予了扶持。但目前我国食品辐照无论是 基础研究还是商业化应用,研究成果大都集中在钴源 射线的加工应用领域,电子束食品辐照的基础研究 和应用开发还相当薄弱,笔者拟就目前国内外该领域 的研究现状及电子束食品辐照的应用特点作一综述, 以期起到抛砖引玉的效果,推动国内电子束食品辐照 应用的发展。 1 电子束食品辐照的杀虫灭菌效果 研究表明电子束食品辐照在解决食品安全问题中 具有独特的技术特色和优势,特别是在防止食品中食 源性致病微生物污染和进出口检疫方面存在着巨大的 应用潜力。 16 核 农 学 报 2007 ,21(1) :6164 Journal of Nuclear Agricultural Sciences 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 111 减少食品中食源性致病微生物污染 冷、 鲜动物源性食品由于其独特的物理状态和品 质特征,常用的高温高压、 巴氏灭菌等灭菌手段已无能 为力,而电子束辐照处理则是目前较好的冷鲜食品灭 菌保鲜技术。Luchsinger等研究报道利用电子束0 3185kGy辐照无骨猪肉,可以有效杀灭冷鲜肉中的大 肠杆菌和沙门氏菌。同时经电子束辐照后的纸箱包装 产品在冷冻或冷藏条件下贮藏,其品质、 口味均无影 响,但较长时间存放会影响产品光泽 1 ,2 。Zhao用 1kGy低剂量电子束辐照小包装新鲜猪肉,猪肉样品辐 照前接种沙门氏菌10 3104 个g ,包装气体有空气、 真 空、25 %CO2、50 %CO2、72 %CO2等。辐照后24 下贮藏14d ,结果在真空或CO2或N2充填包装下,样 品中已无沙门氏菌存在。除CO2处理导致新鲜猪肉颜 色略有变深外,猪肉的风味、 品质均无明显变化 3 。对 感染4种病毒的碎猪肉进行电子束辐照,发现414 5124kGy的辐照就能使病毒完全失活 4 ;Tarte等研究 了电子束辐照对碎肉中李氏特菌的辐照效应,发现各 菌株对电子束的敏感性不同,灭菌D10剂量在01372 01447kGy之间,为此他建议电子束灭菌的工艺剂量采 用415kGy 5 ;Shamsuzzaman等用电子束处理腌制鸡脯 肉时,在219kGy辐照后2 下贮藏8周,微生物指标达 到要求,且对品质无影响 6 ;Blank等研究了一种真菌 孢子对射线和电子束辐照后的抗性,表明在相同吸 收剂量下,两者灭菌效果基本相似 7 。对于冷、 鲜动物 源性食品电子束灭菌保鲜研究,国内外学者也作了有 益地探索。如Fielding等探讨了电子束辐照对不同pH 下大肠杆菌成活和修复的影响;Blank等研究了电子束 辐照奶酪的灭菌效果;Huang等研究了电子束对冷冻 贮藏液体蛋黄的物理、 物理化学、 功能性等各指标 的 810影响。 在杀灭植物源性食品的微生物及致病菌污染方面 电子束辐照更显示出独特的技术优势和显著的效果。 Hayashi采用10kGy电子束辐照黑胡椒、 葱粉、 蒜粉、 白 胡椒等8种调味品,均能将其细菌含量总数降到100 个g以下,而对质量无明显影响 11 ;Sitton等研究了0 1012kGy电子束辐照接种Tilletia controversa和T. tritici两种菌株孢子的小麦,前一种菌完全被杀灭的剂 量为416417kGy ,而后一种则为1012kGy。显示出杀 灭真菌孢子像射线一样需要较高的杀灭剂量。对辐 照后小麦加工品质的研究表明,电子束辐照处理除降 低了小麦表面的光泽和吸水率外,对其营养品质和加 工特性无明显影响 12 。Hayashi用电子束辐照糙米、 小 麦、 莽麦等,发现4kGy辐照时细菌总数降至100个g 以下,其粘度不受影响,也没有引起淀粉的降解 11 。 上述研究表明:尽管电子束辐照效应的研究较之 射线辐照效应的研究无论在范围还是深度上都尚显 不足,但其对食品中的食源性微生物污染和致病菌都 有着非常好的杀灭效果,是保障食品质量安全的有效 技术手段,且在所用剂量范围内对食品品质和加工特 性影响甚微。 112 杀灭进出口农产品中的检疫性害虫 杀灭食品中检疫性害虫的目标主要包括:若辐照 处理时害虫的虫态为成虫态;则幼虫应在其发育成成 虫前死亡;若辐照处理时为成虫,则应保证成虫没有繁 殖下一代的能力。大量研究表明,如果要求电子束辐 照处理后商品中的害虫在一天内死亡,需较高剂量的 辐照处理,而高剂量的辐照处理会严重影响商品的品 质。采用较低剂量 (200 500Gy)的辐照处理,保证害 虫在一定时间内死亡或无繁殖能力,也可达到相同的 检疫目的。 李淑荣采用电子束对赤拟谷盗成虫、 卵、 幼虫和蛹 进行了辐照效应试验,结果表明:赤拟谷盗不同发育阶 段对电子束辐照的敏感程度不同,卵最为敏感,辐照的 剂量高于210Gy不能孵化;305Gy的剂量可以完全阻 止其幼虫发育为成虫;高于305Gy的剂量虽然能羽化 为成虫,但羽化后的成虫不能正常存活;采用518Gy以 上剂量辐照的成虫,在4周后死亡率为100 % ,可作为 辐照防治赤拟谷盗的有效剂量 13 。Drake等研究表明, 用016kGy的剂量即能杀死甜樱桃表皮中的几种害虫, 满足检疫要求,且辐照后l 以下贮藏14d ,对其可溶 性物质、 酸度和风味无影响 14 。 国际粮农组织(FAO)把包括电子束在内的辐照处 理确定为一种有效的检疫处理方法。在其研究议定书 中规定了标准的实验条件和方法,包括检疫害虫和商 品的确定及鉴定、 辐照处理有效水平的确定、 辐照害虫 敏感期、 剂量学方法、 数据处理、 实验规模和商品的辐 照耐受性等。近年来,针对进口量大的植物和植物产 品中的外来有害物种,我国在 “十一五” 期间提出研究 新型物理和非化学熏蒸的口岸除害处理技术和装备的 科技支撑计划。以水果、 原木上携带的检疫性实蝇、 小 蠹、 天牛等危险性农林害虫为对象,利用高能射线(高 能电子束或X射线)辐照、 热和微波及熏蒸以外的其 他化学除害处理技术,重点研究针对进出境原木及其 制品、 水果、 种子、 苗木携带有害生物杀灭技术方法、 设 备、 安全有效处理的参数和标准。 26核 农 学 报21卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2 电子束辐照对食品中化学污染物的降解作 用 2002年,中国与欧盟等国围绕动物源性食品化学 污染物残留问题引发了一系列贸易纷争。2005年,我 国农产品质量安全普查数据显示:蜂蜜抽检样品中禁 用药氯霉素检出率68 %、 超标率4113 %;四环素检出 率37 %、 超标率1212 %。奶粉和生鲜牛奶抽检样品的 抗生素不合格率分别为36 %和6103 %。食品化学污 染不仅危害人和动物的健康,而且影响全球食品贸易 的正常往来,使我国食品出口遭受严重损失。 随着现代分析技术的发展,分析化学的下限已进 入 gkg数量级,分析精度也大大提高。电子束辐照 显露出对食品中化学污染物的降解作用引起了研究者 的关注。清华大学研究了盐酸克伦特罗、 呋喃唑酮、 呋 喃妥因以及一些代谢产物水溶液的电子束辐照降解效 果。浓度为30mgL的呋喃唑酮和呋喃妥因水溶液,在 吸收剂量为8kGy时,已不能检测到;浓度为667gL 的氨基脲(呋喃西林的代谢产物)的水溶液在吸收剂量 为4kGy时,其降解率达到76 %。当辐照剂量大于 6kGy时,克伦特罗水溶液降解率可达95 %以上 15 ,16 。 瑞士的科学家研究了氯霉素及其眼膏(CAPEO)辐照降 解机制,证实了氯霉素辐照降解的可能性;比利时的研 究人员研究发现,当氯霉素电子束辐照降解的剂量率 为3115kGys ,吸收剂量15kGy和465kGy ,没有特别物 质生成 17 。浙江宁波超能科技股份有限公司采用高 能电子束辐照虾仁中的氯霉素残留。单因子试验、 模 拟试验和生产试验表明,电子束辐照冷冻虾仁可以降 解其中氯霉素,当氯霉素残留量为114gkg ,经6kGy 辐照,剂量率013kGys ,可降低到011gkg以下的水 平。辐照10kGy ,虾仁感观指标、 营养成份、 理化指标、 微量元素和重金属元素的含量均无明显变化 18 ,19 。东 南大学卫生毒理学教研组对残留18gL氯霉素的虾 仁进行10kGy辐照的毒理试验,40 烘干,磨粉的样品 进行急性毒性遗传特性和30d喂养试验,结果均为阴 性。我国饮用水都用氯气处理,水中不可避免地产生 微量含氯有机物 20 ,电子束辐照可以降解水中的氯化 烷类有机物。利用电子束辐照茶叶降解其中拟除虫菊 脂类农药试验结果表明,用预冷和重复辐照3次共30 kGy ,可以部分降解拟除虫菊脂类农药,但还需结合其 他前处理措施即能达到出口标准 ( 0 11g kg) 。 3 电子束食品辐照的特点与应用领域 311 电子束食品辐照的技术特点 电子束辐照有以下几方面的特点和优点 :1) 设备 操作可控性强。电子束由电子加速器产生,它的产生 和消失是通过加速器的电源开关控制,电离辐射能量 的大小也是通过加速器的加速电压来调节,系统操控 比较方便。电子束能量在一定范围内连续可调,线量 平坦,束下装置大都采用传送装置,产品吸收剂量均 匀。 2) 装置安全,控制可靠。电子加速器较钴源装置 体积小,自动化程度高,能够连续快速加工,可实现对 辐照食品的在线生产。辐照室通过合理设计、 施工和 严格使用管理,作业时完全可以避免电子射线泄漏。 加速器还配有臭氧触媒处理装置,实现装置对外臭氧 的零排放。加速器断电即切断辐射源,安全可靠,无放 射性废源的产生。 3) 杀虫效果好。传统的化学熏蒸杀 虫剂对杀灭虫卵效果较差。通过适当剂量电子束辐 照,不仅百分之百杀灭粮虫粮菌,还能杀死粮食、 林木 中的其他虫卵,具有全相灭害能力。 4) 辐照灭菌彻底 有效。利用电子束对大部分食品进行辐照灭菌,其效 果与采用射线辐照基本一样。特别是对密度较低的 食品或食品表面的灭菌,电子束的灭菌效果尤为有效。 电子束辐照技术无放射残留、 无任何毒性和化学物残 留,辐照时无须拆除产品的包装,无二次污染,对食品 品质及营养影响小,具有较好的环保性能。 5) 降解对 食用安全不利的农药及兽药残留。电子束辐照已成为 目前解决食品安全的有效方法之一,国内在射线辐照 降解化学污染物方面已申请或获得了专利。 312 电子束辐照食品的应用领域及前景 电子束辐照食品保鲜的应用领域如下 :1) 小包装 食品的电子束辐照。随着快餐食品、 方便食品、 旅游食 品、 软罐头食品的发展,对于这些食品的保鲜和延长保 质期,采用电子束辐照是最有效和最安全的。由于加 速器体积小,占地少,能够连续在线快速加工,可作为 食品加工企业最后一个消毒车间。 2 ) 调味品的电子 束辐照。2005年我国辐照食品产值达35亿元,产量达 1415万吨,占世界辐照食品产量 (40 万吨)的36 % ,居 世界首位。其中香辛料、 脱水蔬菜、 大蒜及大蒜制品是 主要辐照产品,尤其是香辛料出口数量大,已接近辐照 食品总量的一半。电子束辐照调味品的比重逐年提 高,如方便面调味品包装体积小,利用加速器输出剂量 率高的特点,对其进行大批量快速辐照,不仅效果好, 产量也大。 3) 保健食品的电子束辐照。保健食品一般 36 1期电子束食品辐照的研究现状与应用特点 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 不能进行热处理消毒和添加化学防腐剂,因此只能进 行辐照冷加工灭菌,当前市场供应的很多保健食品大 部分都是经辐照灭菌的。因其密度低,包装小,电子束 辐照有很大的优越性。 4) 食品的电子束杀虫灭菌。对 于容易诱发食源性疾病的动物源性食品,利用电子束 辐照处理是保障食用安全的有效措施。如美国1997 年有1万吨碎牛肉被大肠杆菌0157污染,1998年有7 千吨快餐肉被李斯德菌污染。我国近期出现的福寿螺 管圆线虫病、 小龙虾携带肺吸虫、 淡水鱼中有肝吸虫等 水产品有害食源性寄生虫等。要杀灭这些污染菌和寄 生虫,采用电子束辐照不仅效果颇佳,加工能力强,还 能快速进行。 5) 电子束辐照降解。尽管辐照有害物降 解效应在检测上要求较高,但辐照对食品中化学污染 物的降解作用,随着国际贸易的发展和消费者对食品 安全的极大关注,也逐步显露出来。 6) 电子束辐照检 疫。可以将大功率加速器安装在我国主要农产品进口 的港口,进行农产品的检疫性辐照,以杀灭其中检疫性 害虫和杂草种子。在防止外来生物入侵,保障我国农 业和环境的安全,电子束辐照应用将会产生积极的效 果。 参考文献: 1 Luchsinger S E, D H Kropf , et al. Sensory analysis and consumer acceptance of irradiated boneless pork chops. J Food Sci , 1996 ,61 (6) : 12611266 2 Luchsinger S E, Kropf D H, et al. Color and oxidative rancidity of gamma and electron beam2irradiated boneless pork chops. J Food Sci , 1996 ,61 (5) : 10001005 3 Zhao P , Zhao T, et al. Development of a model for evaluation of microbial cross2contamination in the kitchen. 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