輻照技術(shù)在食品保藏中的應(yīng)用

輻照技術(shù)在食品保藏中的應(yīng)用

肉食是人類營(yíng)養(yǎng)的必要手段。它富含蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸、維生素和其他營(yíng)養(yǎng)成分。因此，在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和加工過(guò)程中，受到物理、化學(xué)和生物因素的影響，導(dǎo)致腐敗和變質(zhì)。其中，生物因素（主要是微生物污染）是影響肉樣質(zhì)量和安全的主要因素。微生物大量繁殖不僅使肉的感官性質(zhì)如顏色、氣味和質(zhì)地等發(fā)生變化,破壞肉的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,而且會(huì)導(dǎo)致病原體和毒素的形成,對(duì)人體健康產(chǎn)生潛在的危害。為確保肉品的質(zhì)量和安全,國(guó)內(nèi)外眾多專家致力于各種有效的肉品保藏技術(shù)的研究和應(yīng)用。輻照處理不僅能有效殺滅或減少肉中的食源性致病微生物和寄生蟲(chóng),提高其衛(wèi)生安全性、延長(zhǎng)其保質(zhì)期,并可最大程度地保持肉品的原有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和感官特征,因此備受人們關(guān)注。1食品輻射技術(shù)1.1輻照食品的應(yīng)用進(jìn)展食品輻照技術(shù)是人類利用核技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的一項(xiàng)新型的食品保藏技術(shù),在保障食品的衛(wèi)生安全,延長(zhǎng)貨架期等方面發(fā)揮著重要作用。自1896-1902年Mink和Prescott分別發(fā)現(xiàn)了電離輻射的殺菌作用后,食品輻照技術(shù)已有探索,正式開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)研究與應(yīng)用則在20世紀(jì)50年代初,80年代中期在食品行業(yè)中逐漸興起。其原理是利用放射性60Co或137Cs發(fā)出的γ射線、或電子加速器產(chǎn)生的電子束(最大能量10MeV)或X射線(最大能量5MeV)輻照食品產(chǎn)生的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng),抑制發(fā)芽、推遲成熟、促進(jìn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、殺蟲(chóng)滅菌和防止霉變等,從而達(dá)到食品保藏或保鮮的目的。歷經(jīng)幾十年的研究和探索,食品輻照已被證明是一種高效、無(wú)公害的物理加工手段,可有效地應(yīng)用于食品保藏,并越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。1980年FAO(聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織)/IAEA(國(guó)際原子能機(jī)構(gòu))/WHO(世界衛(wèi)生組織)根據(jù)長(zhǎng)期的毒理學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)和微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)及輻射化學(xué)分析結(jié)果,得出結(jié)論:任何食品當(dāng)其總體平均吸收劑量不超過(guò)10kGy時(shí)就沒(méi)有毒理學(xué)危險(xiǎn),不再要求做毒理學(xué)實(shí)驗(yàn),同時(shí)營(yíng)養(yǎng)學(xué)和微生物學(xué)也是安全的。1999年FAO/IAEA/WHO高劑量研究小組在WHO890號(hào)報(bào)告中宣布:超過(guò)10kGy高劑量輻照食品也是安全的結(jié)論。目前國(guó)內(nèi)外輻照食品發(fā)展較快,由20世紀(jì)80年代初23個(gè)國(guó)家批準(zhǔn)的38種,發(fā)展到目前的45個(gè)國(guó)家(地區(qū))批準(zhǔn)的500多種(類)食品可以輻照后上市,年銷售總量達(dá)30萬(wàn)噸以上,輻照食品主要集中在肉類、水果、蔬菜、糧食制品等方面。1984-1994年,我國(guó)共批準(zhǔn)了土豆等18種輻照食品的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn);1996年頒布《輻照食品衛(wèi)生管理辦法》;1997年頒布六大類(香辛料類、干果果脯類、熟食禽肉類、冷凍包裝畜禽肉、新鮮蔬菜與水果類、豆類、谷類及其制品)輻照食品的類別衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。2001年l2月正式頒布了l7種(類)農(nóng)副產(chǎn)品輻照工藝的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2002年我國(guó)輻照食品和農(nóng)產(chǎn)品的總量為10萬(wàn)多噸,主要輻照產(chǎn)品為香辛料、脫水蔬菜和谷物。1.2食品輻射保險(xiǎn)裝置1.2.1輻照ro裝置此類輻照裝置的放射源為60Co或137Cs。因137Cs的γ射線輻射能量較低,裂變產(chǎn)物分離成本較高,137Cs不易水井貯藏等,故目前使用很少,一般采用60Co作輻射源。γ射線穿透能力強(qiáng),可以直接加工包裝好的食品,不僅輻照均勻而且避免了輻照食品的二次污染,所以這種輻照裝置幾乎適用于所有的食品輻照處理。但對(duì)于那些只要求作表面處理的食品,用這種裝置進(jìn)行處理,效率不高,還可能造成對(duì)食品內(nèi)部的影響。γ輻照裝置技術(shù)成熟,操作簡(jiǎn)單,穩(wěn)定可靠,但鈷源較貴,需要定期補(bǔ)充,加工成本較高。為了獲得良好的輻照效果,需要專門(mén)的產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)。目前我國(guó)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(guó)實(shí)際裝源容量約為48.1×1016Bq。其中90%的輻照裝置在不斷地進(jìn)行食品輻照保藏研究與生產(chǎn)加工。1.2.2電子加速器和電子檔案電子束輻照裝置是指用電子加速器產(chǎn)生的電子束進(jìn)行輻照加工產(chǎn)品的裝置,其適用范圍不如上一類輻照器廣泛,原因是電子束的穿透能力不強(qiáng),只能用于食品的表面輻射處理。由于電子加速器產(chǎn)生的電子束輻射功率大、劑量率高、加工速度快、產(chǎn)量大、輻照成本低、便于大規(guī)模的生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到食品輻照研究人員和生產(chǎn)部門(mén)的關(guān)注。但其需要適用的產(chǎn)品傳輸系統(tǒng),運(yùn)行技術(shù)要求較高。使用時(shí)必須注意電子束能量不能超過(guò)10MeV,以免食品被放射性污染。目前我國(guó)電子輻照加速器已達(dá)到了45臺(tái),總功率達(dá)2005kW。1.2.3電子束輻照的應(yīng)用X射線輻照加工應(yīng)用是對(duì)電子束輻射加工的補(bǔ)充和對(duì)60Co產(chǎn)生的γ射線的一種替代辦法。X射線穿透力強(qiáng),3MeV電子束產(chǎn)生的X射線與60Co-γ射線具有相似的穿透特性,因此適合于厚物品以及大型包裝物的輻射加工,特別是電子加速器上裝有X射線轉(zhuǎn)化靶時(shí),就可以根據(jù)產(chǎn)品的要求,既可以用電子束也可以用X射線進(jìn)行輻照。目前由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的原因,X射線的輻射加工應(yīng)用仍處于開(kāi)發(fā)試驗(yàn)階段,但這可能是今后的一個(gè)發(fā)展方向。1.3輻照處理是提高食品品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。在一般意義上可分輻照技術(shù)屬于冷處理技術(shù),是一種物理保藏方法,與許多傳統(tǒng)保藏方法相比有不可比擬的優(yōu)點(diǎn):(1)射線穿透能力強(qiáng),可對(duì)預(yù)先包裝好或烹調(diào)好的食品通過(guò)劑量控制和輻照工藝進(jìn)行快速、均勻、徹底處理,相對(duì)于熱處理殺菌而言過(guò)程較易控制。(2)輻照處理是“冷加工”,可最大程度地保持食品的原有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和感官特征,有的甚至提高食品的工藝品質(zhì)。特別適用于傳統(tǒng)處理方法可導(dǎo)致失去原有風(fēng)味、芳香性和商品價(jià)值的食品,因?yàn)檩椪仗幚砜梢匝杆贇缁驕p少食品中的微生物而不引起其溫度明顯升高,如10kGy/h的吸收劑量引起食品溫度增高只有2.78℃。牛肉經(jīng)1-10kGy的劑量輻照,其蛋白纖維會(huì)降解,把長(zhǎng)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(huì)變得特別鮮嫩。(3)無(wú)殘留、無(wú)污染。輻照處理不同于化學(xué)防腐、腌制方法處理,不會(huì)造成食品的化學(xué)物質(zhì)殘留和環(huán)境污染,并且對(duì)一些污染殘留還有一定的降解作用。(4)可對(duì)包裝、捆扎好的食品進(jìn)行殺菌處理,避免食品在生產(chǎn)和制備過(guò)程中出現(xiàn)交叉污染。(5)殺菌效果好,可通過(guò)調(diào)整輻照劑量達(dá)到對(duì)各類食品殺菌的要求。(6)節(jié)約能源,與熱處理、干澡和冷凍保藏食品法相比,能耗降低幾倍到幾十倍。(7)操作簡(jiǎn)便,加工過(guò)程易控制,可連續(xù)作業(yè)等,因此適于大規(guī)模加工。如美國(guó)采用電子加速器輻照裝置處理雞肉,年處理能力為32萬(wàn)噸雞肉。1.4食品樣品的序列2輻射保護(hù)肉品的影響因素輻照處理可有效控制肉中的食源性致病菌,殺滅寄生蟲(chóng)和減少腐敗微生物。影響肉中微生物對(duì)輻照敏感性的因素很多,主要影響因素如下:2.1輻照對(duì)牛肉品質(zhì)的影響肉類食品中的細(xì)菌存活率與輻照劑量呈反比關(guān)系,劑量越大,殺菌效果越好。研究表明:在0.1-1Gy的劑量范圍內(nèi),可抑制微生物的生長(zhǎng)和繁殖,提高動(dòng)物性食品的保質(zhì)期;5-10kGy的劑量范圍內(nèi),可殺滅某些非芽孢致病菌(如沙門(mén)氏菌、大腸桿菌和葡萄球菌等);10-50kGy的劑量范圍內(nèi),可殺死除芽孢以外的所有微生物。Vrbain和Giddings研究表明,真空包裝的新鮮冷藏牛排用0.5kGy輻照,其雜菌數(shù)可以降低2個(gè)數(shù)量級(jí),若輻照到1Gy或2.5kGy,則雜菌數(shù)分別降3或4個(gè)數(shù)量級(jí)。Thayer和Boyd將4.6×103cfu/g濃度的蠟樣桿菌芽胞接種在機(jī)械脫骨的雞肉上,5℃下輻照,劑量為3kGy時(shí)總數(shù)降低2個(gè)數(shù)量級(jí),若輻照4.5kGy芽胞數(shù)下降3個(gè)數(shù)量級(jí),6kGy已能明顯抑制芽胞的生長(zhǎng)繁殖。臘牛肉經(jīng)7kGy、10kGy輻照處理,其大腸桿菌和菌落總數(shù)均大幅減少,大腸桿菌由2×107cfu/g下降到2×103cfu/g。值得一提的是:輻照劑量過(guò)大,會(huì)對(duì)肉品的品質(zhì)造成影響。因此為了保證產(chǎn)品質(zhì)量,通常應(yīng)根據(jù)食品種類及處理指標(biāo)將劑量限制在一個(gè)合適范圍內(nèi)。表1是美國(guó)FDA自1963年來(lái)陸續(xù)批準(zhǔn)使用的不同食品的推薦劑量范圍。2.2在食品處理前后,對(duì)肉品進(jìn)行加熱處理溫度是決定肉品保質(zhì)的重要因素,絕大多數(shù)微生物(包括致病菌在內(nèi))0℃左右都不能繁殖,某些嗜冷菌在低溫下其繁殖速度也大大減慢。一般肉類的D值隨溫度降低而升高,如雞肉和牛肉中腸出血性大腸桿菌在3-5℃輻照時(shí)其D值為0.25kGy,-5℃到-15℃下時(shí)為0.3-0.45kGy。低溫下輻射可以阻止或減緩輻射分解,有效防止輻照異味及風(fēng)味變化,減少營(yíng)養(yǎng)成分的損失,提高輻照食品的品質(zhì),因此對(duì)肉品在輻照前應(yīng)先進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜崽幚?以提高輻照效果。李宗軍研究表明:(1)降低輻照溫度,增加輻照劑量,能延長(zhǎng)肉品貨架期;(2)低劑量時(shí)(如1.0KGy),溫度越低,滅菌的效果越差,肉品的貨架期越低;(3)低溫可以減少輻照異味的形成;(4)經(jīng)25℃/2.5KGy輻照后,肉品貯藏在更低的溫度環(huán)境下,貨架期可延長(zhǎng)10-15d,低溫不僅可以抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖,而且可以降低化學(xué)反應(yīng)的速度,防止異味的形。2.3其他食品的輻照效果輻照時(shí)的氣體環(huán)境對(duì)微生物的敏感性有影響。1988年P(guān)atterson在比較產(chǎn)品包裝在空氣、CO2、N2中的輻照效果時(shí)發(fā)現(xiàn):N2包裝的食品所含細(xì)菌對(duì)輻照的抵抗力明顯強(qiáng)于其他兩種氣體。此外,肉品若在有氧的環(huán)境中,氧因輻照極易生成具有強(qiáng)氧化性的臭氧,致使肉品氧化脫色,影響產(chǎn)品的感官品質(zhì),故對(duì)肉品采用充氣包裝和真空包裝,然后進(jìn)行輻照處理,效果較好。李宗軍研究表明真空包裝的牛羊肉輻照后的貨架期優(yōu)于普通包裝的產(chǎn)品。張海偉等研究表明在降低輻照及貯藏過(guò)程中冷卻肉的脂肪氧化方面,真空包裝要優(yōu)于有氧包裝。2.4脫骨雞肉和烘烤牛肉和肉汁中kgy輻照介質(zhì)的組成會(huì)影響輻照對(duì)微生物的滅菌效果,如李斯特菌在碎牛肉中的D值為0.51-1.0kGy,在脫骨雞肉中為0.27-0.77kGy,在烤牛肉和肉汁中為0.40-0.64kGy。此外,食品添加劑也會(huì)影響輻照效果,如輻照前肉類食品中加入少許三聚磷酸鈉和氯化鈉,可以防止汁液在輻照時(shí)滲出,保護(hù)肉品的水分,又可增加微生物對(duì)輻照的敏感性,降低輻照劑量。2.5清除抗菌輻照加工一般認(rèn)為,微生物體的生存方式越簡(jiǎn)單,其對(duì)電離輻照的適應(yīng)能力越強(qiáng)。如病毒對(duì)輻照的抵抗能力高于細(xì)菌,細(xì)菌高于霉菌,因此能夠完全清除肉類中霉菌的輻照加工,并不一定能夠消滅所有細(xì)菌。肉品輻照時(shí)要充分考慮所受污染的微生物種類,而選擇合適的輻照劑量。2.6肉毒梭狀芽孢桿菌的篩選微生物的繁殖速度及微生物群構(gòu)成種類取決于水分活度(Aw)。大多數(shù)細(xì)菌只能繁殖于Aw高于0.85的基質(zhì)中,如肉毒梭狀芽孢桿菌水分活度要求為0.94-0.96,沙門(mén)氏菌為0.92,多數(shù)細(xì)菌為0.90,金黃色葡萄球菌為0.87-0.88。當(dāng)將水分活度降至0.7左右時(shí),絕大部分的微生物均被抑制。因此肉品輻照時(shí)應(yīng)考慮其水分活度大小而采取合適的劑量。3輻射對(duì)肉的營(yíng)養(yǎng)成分的影響肉品輻照殺菌的同時(shí),也影響其成分的分子結(jié)構(gòu)變化,其變化程度與輻照條件(如劑量、溫度等)有關(guān)。3.1輻照食品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)和氨基酸組分測(cè)定蛋白質(zhì)分子經(jīng)輻照后會(huì)發(fā)生變性現(xiàn)象。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、形成碳基、結(jié)構(gòu)和抗原性的改變、蛋白質(zhì)酶解能力的變化和氨基酸的破壞等,這些變化會(huì)使蛋白質(zhì)的顏色發(fā)生改變,使核蛋白失去生物學(xué)功能以及食品的功能性質(zhì)發(fā)生改變等。經(jīng)對(duì)輻照食品中蛋白質(zhì)、氨基酸和酶解產(chǎn)物的分析研究表明,經(jīng)適宜劑量(50kGy以下)輻照的食品,蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)成分無(wú)明顯變化,氨基酸組分恒定。經(jīng)7kGy輻照的臘牛肉,其蛋白質(zhì)的損失僅為0.2%,影響較小。3.2輻照處理的肉樣中脂肪氧化的變化脂肪分子經(jīng)輻照后會(huì)發(fā)生氧化、脫羥、氫化、脫氫等作用,產(chǎn)生典型的氧化產(chǎn)物、過(guò)氧化物和還原產(chǎn)物。其取決于脂肪的種類、飽和程度、輻照劑量、氧存在與否等條件。飽和脂肪一般是穩(wěn)定的,不飽和脂肪易氧化,氧化程度與輻照劑量成正比。對(duì)植物油和魚(yú)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。研究表明臘牛肉經(jīng)過(guò)商業(yè)輻照劑量(≤7kGy)輻照處理,脂肪并未產(chǎn)生重大的營(yíng)養(yǎng)損失,損失僅為0.4%。Monty(1960)、Moore(1961)、Nessett(1957)等也曾報(bào)道經(jīng)過(guò)輻照處理的脂肪其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和含量并未發(fā)生變化。動(dòng)物性食品經(jīng)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值變化不大。3.2小麥麩糖輻照對(duì)糖質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的影響碳水化合物分子經(jīng)輻照后相對(duì)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(huì)放出H2、CO、CO2等氣體,而且變得易于水解,粘度下降,熔點(diǎn)和旋光度下降。一般情況下,糖對(duì)輻照是很穩(wěn)定的,采用殺菌劑量輻照,對(duì)糖的消化率和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值幾乎沒(méi)有影響。使用20-50kGy的劑量不會(huì)使糖類食品的品質(zhì)發(fā)生變化。3.4維生素a和b、c、b的敏感性維生素分子對(duì)輻照較為敏感,脂溶性維生素中以維生素E、K最為敏感,水溶性中以維生素C、B的敏感性最強(qiáng),只有維生素B1對(duì)輻照不敏感。若維生素與食品中的其他成分復(fù)合存在將會(huì)降低其對(duì)輻照的敏感程度。研究表明:20-25kGy劑量的輻照對(duì)維生素的破壞程度與加熱相同。4有誘導(dǎo)放射性輻照肉品的衛(wèi)生安全性關(guān)系到食用者的健康和肉品輻照技術(shù)的發(fā)展前途,受到許多國(guó)家的重視,其范圍包括5個(gè)方面:(1)有無(wú)殘留放射性及誘導(dǎo)放射性;(2)輻照肉品的營(yíng)養(yǎng)衛(wèi)生;(3)有無(wú)病原菌的危害;(4)輻照肉品有無(wú)產(chǎn)生毒性;(5)有無(wú)致畸、致癌、致突變效應(yīng)。肉品進(jìn)行輻照時(shí)是外照射,因沒(méi)有直接接觸放射性核素,因此不會(huì)污染放射性物質(zhì),故也不存在殘留問(wèn)題。至于誘導(dǎo)放射性,即指因輻射引起肉品的構(gòu)成元素變成放射性元素問(wèn)題。肉品輻照中使用的60Coγ射線能量只有1.17-1.33MeV,137Cs則更低只有0.66MeV,加速器產(chǎn)生的電子和X射線的能量的分別不大于10MeV和5MeV,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,因此不會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)放射性核素及其化合物。早在1926年德國(guó)就進(jìn)行了輻照食品的動(dòng)物飼喂實(shí)驗(yàn),在過(guò)去的40多年中許多國(guó)家對(duì)輻照制品的大鼠、小鼠及其他動(dòng)物的喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了廣泛、深入地研究。我國(guó)華西醫(yī)科大學(xué)用60Coγ射線輻照處理的鮮豬肉飼喂大鼠,結(jié)果表明26KGy和52KGy輻照處理的鮮豬肉飼喂大鼠的健康狀況良好,這些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有致畸、致突變和致癌作用。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,一些國(guó)家進(jìn)行了輻照肉品的人體食用實(shí)驗(yàn)。如美國(guó)Natick對(duì)54種輻照食品包括肉類11種,魚(yú)類5種進(jìn)行了人體食用實(shí)驗(yàn),結(jié)果無(wú)一例出現(xiàn)毒性反應(yīng)。所以,食用輻照肉類食品是非常安全的。5輻照處理的鮮食豬肉保鮮技術(shù)根據(jù)食品輻照殺菌目的的不同,采用的輻照劑量也不同。目前國(guó)際上常采用高、中、低3種輻照劑量,其中高劑量放射線照射能完全殺滅食品的芽孢微生物,達(dá)到無(wú)菌狀態(tài),這種方法稱為輻射滅菌,肉品通常采用的劑量為20-50kGy;中等劑量輻射能殺滅無(wú)芽孢病原微生物,這種方法稱為輻射消毒,肉品常采用的劑量為5-7.5kGy;低劑量輻射能夠殺死部分腐敗微生物,延長(zhǎng)產(chǎn)品貯藏期,這種方法稱為輻射防腐,肉品常采用的劑量為0.5Gy。人們對(duì)輻照殺滅肉中各類微生物進(jìn)行了大量研究,認(rèn)為輻照是殺滅肉類中致病菌、腐敗菌,延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期的最佳處理途徑。真空包裝的鮮豬里脊經(jīng)3.0KGy輻照處理后,其冷藏保鮮期為90d左右,而未經(jīng)輻照處理的鮮肉保鮮期只有41d。李宗軍研究表明:真空包裝的牛、羊肉經(jīng)2-4.0KGy低溫輻照,2±1℃環(huán)境下貯藏,貨架期可達(dá)到60d。冷凍蝦仁經(jīng)3-5kGy的劑量輻照后,-7℃下貯存,保鮮期比對(duì)照組延長(zhǎng)6個(gè)月,具且有與鮮活蝦仁相似的品質(zhì)。用2.0KGy、3.0KGy、