辐照技术在食品保藏中的应用

辐照技术在食品保藏中的应用

肉食是人类营养的必要手段。它富含蛋白质、脂肪、氨基酸、维生素和其他营养成分。因此，在储存、运输和加工过程中，受到物理、化学和生物因素的影响，导致腐败和变质。其中，生物因素（主要是微生物污染）是影响肉样质量和安全的主要因素。微生物大量繁殖不仅使肉的感官性质如颜色、气味和质地等发生变化,破坏肉的营养价值,而且会导致病原体和毒素的形成,对人体健康产生潜在的危害。为确保肉品的质量和安全,国内外众多专家致力于各种有效的肉品保藏技术的研究和应用。辐照处理不仅能有效杀灭或减少肉中的食源性致病微生物和寄生虫,提高其卫生安全性、延长其保质期,并可最大程度地保持肉品的原有营养价值和感官特征,因此备受人们关注。1食品辐射技术1.1辐照食品的应用进展食品辐照技术是人类利用核技术开发出来的一项新型的食品保藏技术,在保障食品的卫生安全,延长货架期等方面发挥着重要作用。自1896-1902年Mink和Prescott分别发现了电离辐射的杀菌作用后,食品辐照技术已有探索,正式开始进行系统研究与应用则在20世纪50年代初,80年代中期在食品行业中逐渐兴起。其原理是利用放射性60Co或137Cs发出的γ射线、或电子加速器产生的电子束(最大能量10MeV)或X射线(最大能量5MeV)辐照食品产生的物理效应、化学效应和生物效应,抑制发芽、推迟成熟、促进物质转化、杀虫灭菌和防止霉变等,从而达到食品保藏或保鲜的目的。历经几十年的研究和探索,食品辐照已被证明是一种高效、无公害的物理加工手段,可有效地应用于食品保藏,并越来越受到世界各国的重视。1980年FAO(联合国粮农组织)/IAEA(国际原子能机构)/WHO(世界卫生组织)根据长期的毒理学、营养学和微生物学实验及辐射化学分析结果,得出结论:任何食品当其总体平均吸收剂量不超过10kGy时就没有毒理学危险,不再要求做毒理学实验,同时营养学和微生物学也是安全的。1999年FAO/IAEA/WHO高剂量研究小组在WHO890号报告中宣布:超过10kGy高剂量辐照食品也是安全的结论。目前国内外辐照食品发展较快,由20世纪80年代初23个国家批准的38种,发展到目前的45个国家(地区)批准的500多种(类)食品可以辐照后上市,年销售总量达30万吨以上,辐照食品主要集中在肉类、水果、蔬菜、粮食制品等方面。1984-1994年,我国共批准了土豆等18种辐照食品的卫生标准;1996年颁布《辐照食品卫生管理办法》;1997年颁布六大类(香辛料类、干果果脯类、熟食禽肉类、冷冻包装畜禽肉、新鲜蔬菜与水果类、豆类、谷类及其制品)辐照食品的类别卫生标准。2001年l2月正式颁布了l7种(类)农副产品辐照工艺的国家标准。2002年我国辐照食品和农产品的总量为10万多吨,主要辐照产品为香辛料、脱水蔬菜和谷物。1.2食品辐射保险装置1.2.1辐照ro装置此类辐照装置的放射源为60Co或137Cs。因137Cs的γ射线辐射能量较低,裂变产物分离成本较高,137Cs不易水井贮藏等,故目前使用很少,一般采用60Co作辐射源。γ射线穿透能力强,可以直接加工包装好的食品,不仅辐照均匀而且避免了辐照食品的二次污染,所以这种辐照装置几乎适用于所有的食品辐照处理。但对于那些只要求作表面处理的食品,用这种装置进行处理,效率不高,还可能造成对食品内部的影响。γ辐照装置技术成熟,操作简单,稳定可靠,但钴源较贵,需要定期补充,加工成本较高。为了获得良好的辐照效果,需要专门的产品传输系统。目前我国拥有γ射线辐照装置150多座,其中设计装源容量1.11×1016Bq以上的60Co辐照装置有50余座;设计装源容量1.11×1016Bq以下的装置有80余座;全国实际装源容量约为48.1×1016Bq。其中90%的辐照装置在不断地进行食品辐照保藏研究与生产加工。1.2.2电子加速器和电子档案电子束辐照装置是指用电子加速器产生的电子束进行辐照加工产品的装置,其适用范围不如上一类辐照器广泛,原因是电子束的穿透能力不强,只能用于食品的表面辐射处理。由于电子加速器产生的电子束辐射功率大、剂量率高、加工速度快、产量大、辐照成本低、便于大规模的生产等优点,越来越受到食品辐照研究人员和生产部门的关注。但其需要适用的产品传输系统,运行技术要求较高。使用时必须注意电子束能量不能超过10MeV,以免食品被放射性污染。目前我国电子辐照加速器已达到了45台,总功率达2005kW。1.2.3电子束辐照的应用X射线辐照加工应用是对电子束辐射加工的补充和对60Co产生的γ射线的一种替代办法。X射线穿透力强,3MeV电子束产生的X射线与60Co-γ射线具有相似的穿透特性,因此适合于厚物品以及大型包装物的辐射加工,特别是电子加速器上装有X射线转化靶时,就可以根据产品的要求,既可以用电子束也可以用X射线进行辐照。目前由于技术和经济上的原因,X射线的辐射加工应用仍处于开发试验阶段,但这可能是今后的一个发展方向。1.3辐照处理是提高食品品质的重要环节。在一般意义上可分辐照技术属于冷处理技术,是一种物理保藏方法,与许多传统保藏方法相比有不可比拟的优点:(1)射线穿透能力强,可对预先包装好或烹调好的食品通过剂量控制和辐照工艺进行快速、均匀、彻底处理,相对于热处理杀菌而言过程较易控制。(2)辐照处理是“冷加工”,可最大程度地保持食品的原有营养价值和感官特征,有的甚至提高食品的工艺品质。特别适用于传统处理方法可导致失去原有风味、芳香性和商品价值的食品,因为辐照处理可以迅速杀灭或减少食品中的微生物而不引起其温度明显升高,如10kGy/h的吸收剂量引起食品温度增高只有2.78℃。牛肉经1-10kGy的剂量辐照,其蛋白纤维会降解,把长链的大分子降解成较小的链结构,使纤维的分子量降低,牛肉会变得特别鲜嫩。(3)无残留、无污染。辐照处理不同于化学防腐、腌制方法处理,不会造成食品的化学物质残留和环境污染,并且对一些污染残留还有一定的降解作用。(4)可对包装、捆扎好的食品进行杀菌处理,避免食品在生产和制备过程中出现交叉污染。(5)杀菌效果好,可通过调整辐照剂量达到对各类食品杀菌的要求。(6)节约能源,与热处理、干澡和冷冻保藏食品法相比,能耗降低几倍到几十倍。(7)操作简便,加工过程易控制,可连续作业等,因此适于大规模加工。如美国采用电子加速器辐照装置处理鸡肉,年处理能力为32万吨鸡肉。1.4食品样品的序列2辐射保护肉品的影响因素辐照处理可有效控制肉中的食源性致病菌,杀灭寄生虫和减少腐败微生物。影响肉中微生物对辐照敏感性的因素很多,主要影响因素如下:2.1辐照对牛肉品质的影响肉类食品中的细菌存活率与辐照剂量呈反比关系,剂量越大,杀菌效果越好。研究表明:在0.1-1Gy的剂量范围内,可抑制微生物的生长和繁殖,提高动物性食品的保质期;5-10kGy的剂量范围内,可杀灭某些非芽孢致病菌(如沙门氏菌、大肠杆菌和葡萄球菌等);10-50kGy的剂量范围内,可杀死除芽孢以外的所有微生物。Vrbain和Giddings研究表明,真空包装的新鲜冷藏牛排用0.5kGy辐照,其杂菌数可以降低2个数量级,若辐照到1Gy或2.5kGy,则杂菌数分别降3或4个数量级。Thayer和Boyd将4.6×103cfu/g浓度的蜡样杆菌芽胞接种在机械脱骨的鸡肉上,5℃下辐照,剂量为3kGy时总数降低2个数量级,若辐照4.5kGy芽胞数下降3个数量级,6kGy已能明显抑制芽胞的生长繁殖。腊牛肉经7kGy、10kGy辐照处理,其大肠杆菌和菌落总数均大幅减少,大肠杆菌由2×107cfu/g下降到2×103cfu/g。值得一提的是:辐照剂量过大,会对肉品的品质造成影响。因此为了保证产品质量,通常应根据食品种类及处理指标将剂量限制在一个合适范围内。表1是美国FDA自1963年来陆续批准使用的不同食品的推荐剂量范围。2.2在食品处理前后,对肉品进行加热处理温度是决定肉品保质的重要因素,绝大多数微生物(包括致病菌在内)0℃左右都不能繁殖,某些嗜冷菌在低温下其繁殖速度也大大减慢。一般肉类的D值随温度降低而升高,如鸡肉和牛肉中肠出血性大肠杆菌在3-5℃辐照时其D值为0.25kGy,-5℃到-15℃下时为0.3-0.45kGy。低温下辐射可以阻止或减缓辐射分解,有效防止辐照异味及风味变化,减少营养成分的损失,提高辐照食品的品质,因此对肉品在辐照前应先进行适当的加热处理,以提高辐照效果。李宗军研究表明:(1)降低辐照温度,增加辐照剂量,能延长肉品货架期;(2)低剂量时(如1.0KGy),温度越低,灭菌的效果越差,肉品的货架期越低;(3)低温可以减少辐照异味的形成;(4)经25℃/2.5KGy辐照后,肉品贮藏在更低的温度环境下,货架期可延长10-15d,低温不仅可以抑制微生物的生长繁殖,而且可以降低化学反应的速度,防止异味的形。2.3其他食品的辐照效果辐照时的气体环境对微生物的敏感性有影响。1988年Patterson在比较产品包装在空气、CO2、N2中的辐照效果时发现:N2包装的食品所含细菌对辐照的抵抗力明显强于其他两种气体。此外,肉品若在有氧的环境中,氧因辐照极易生成具有强氧化性的臭氧,致使肉品氧化脱色,影响产品的感官品质,故对肉品采用充气包装和真空包装,然后进行辐照处理,效果较好。李宗军研究表明真空包装的牛羊肉辐照后的货架期优于普通包装的产品。张海伟等研究表明在降低辐照及贮藏过程中冷却肉的脂肪氧化方面,真空包装要优于有氧包装。2.4脱骨鸡肉和烘烤牛肉和肉汁中kgy辐照介质的组成会影响辐照对微生物的灭菌效果,如李斯特菌在碎牛肉中的D值为0.51-1.0kGy,在脱骨鸡肉中为0.27-0.77kGy,在烤牛肉和肉汁中为0.40-0.64kGy。此外,食品添加剂也会影响辐照效果,如辐照前肉类食品中加入少许三聚磷酸钠和氯化钠,可以防止汁液在辐照时渗出,保护肉品的水分,又可增加微生物对辐照的敏感性,降低辐照剂量。2.5清除抗菌辐照加工一般认为,微生物体的生存方式越简单,其对电离辐照的适应能力越强。如病毒对辐照的抵抗能力高于细菌,细菌高于霉菌,因此能够完全清除肉类中霉菌的辐照加工,并不一定能够消灭所有细菌。肉品辐照时要充分考虑所受污染的微生物种类,而选择合适的辐照剂量。2.6肉毒梭状芽孢杆菌的筛选微生物的繁殖速度及微生物群构成种类取决于水分活度(Aw)。大多数细菌只能繁殖于Aw高于0.85的基质中,如肉毒梭状芽孢杆菌水分活度要求为0.94-0.96,沙门氏菌为0.92,多数细菌为0.90,金黄色葡萄球菌为0.87-0.88。当将水分活度降至0.7左右时,绝大部分的微生物均被抑制。因此肉品辐照时应考虑其水分活度大小而采取合适的剂量。3辐射对肉的营养成分的影响肉品辐照杀菌的同时,也影响其成分的分子结构变化,其变化程度与辐照条件(如剂量、温度等)有关。3.1辐照食品的营养品质指标和氨基酸组分测定蛋白质分子经辐照后会发生变性现象。蛋白质分子发生裂解以及裂解后的小分子聚合、释放H2S、粘度和电泳性质有变化、形成碳基、结构和抗原性的改变、蛋白质酶解能力的变化和氨基酸的破坏等,这些变化会使蛋白质的颜色发生改变,使核蛋白失去生物学功能以及食品的功能性质发生改变等。经对辐照食品中蛋白质、氨基酸和酶解产物的分析研究表明,经适宜剂量(50kGy以下)辐照的食品,蛋白质营养成分无明显变化,氨基酸组分恒定。经7kGy辐照的腊牛肉,其蛋白质的损失仅为0.2%,影响较小。3.2辐照处理的肉样中脂肪氧化的变化脂肪分子经辐照后会发生氧化、脱羟、氢化、脱氢等作用,产生典型的氧化产物、过氧化物和还原产物。其取决于脂肪的种类、饱和程度、辐照剂量、氧存在与否等条件。饱和脂肪一般是稳定的,不饱和脂肪易氧化,氧化程度与辐照剂量成正比。对植物油和鱼油进行辐照的结果表明,只有较大剂量(100kGy以上)辐照时,其物理性质,如熔点、折射率、介电常数、粘度和密度才发生显著变化。研究表明腊牛肉经过商业辐照剂量(≤7kGy)辐照处理,脂肪并未产生重大的营养损失,损失仅为0.4%。Monty(1960)、Moore(1961)、Nessett(1957)等也曾报道经过辐照处理的脂肪其营养价值和含量并未发生变化。动物性食品经40-50kGy的射线辐照后,脂肪的同化作用和热能价值并不发生改变,营养价值变化不大。3.2小麦麸糖辐照对糖质和营养价值的影响碳水化合物分子经辐照后相对比较稳定,只在大剂量辐照后才引起氧化和分解,如多糖类会放出H2、CO、CO2等气体,而且变得易于水解,粘度下降,熔点和旋光度下降。一般情况下,糖对辐照是很稳定的,采用杀菌剂量辐照,对糖的消化率和营养价值几乎没有影响。使用20-50kGy的剂量不会使糖类食品的品质发生变化。3.4维生素a和b、c、b的敏感性维生素分子对辐照较为敏感,脂溶性维生素中以维生素E、K最为敏感,水溶性中以维生素C、B的敏感性最强,只有维生素B1对辐照不敏感。若维生素与食品中的其他成分复合存在将会降低其对辐照的敏感程度。研究表明:20-25kGy剂量的辐照对维生素的破坏程度与加热相同。4有诱导放射性辐照肉品的卫生安全性关系到食用者的健康和肉品辐照技术的发展前途,受到许多国家的重视,其范围包括5个方面:(1)有无残留放射性及诱导放射性;(2)辐照肉品的营养卫生;(3)有无病原菌的危害;(4)辐照肉品有无产生毒性;(5)有无致畸、致癌、致突变效应。肉品进行辐照时是外照射,因没有直接接触放射性核素,因此不会污染放射性物质,故也不存在残留问题。至于诱导放射性,即指因辐射引起肉品的构成元素变成放射性元素问题。肉品辐照中使用的60Coγ射线能量只有1.17-1.33MeV,137Cs则更低只有0.66MeV,加速器产生的电子和X射线的能量的分别不大于10MeV和5MeV,它们的能量都低于在食品中可能诱导放射性的能量阈值,因此不会产生诱导放射性核素及其化合物。早在1926年德国就进行了辐照食品的动物饲喂实验,在过去的40多年中许多国家对辐照制品的大鼠、小鼠及其他动物的喂养实验进行了广泛、深入地研究。我国华西医科大学用60Coγ射线辐照处理的鲜猪肉饲喂大鼠,结果表明26KGy和52KGy辐照处理的鲜猪肉饲喂大鼠的健康状况良好,这些动物实验均未发现实验动物有致畸、致突变和致癌作用。在动物实验基础上,一些国家进行了辐照肉品的人体食用实验。如美国Natick对54种辐照食品包括肉类11种,鱼类5种进行了人体食用实验,结果无一例出现毒性反应。所以,食用辐照肉类食品是非常安全的。5辐照处理的鲜食猪肉保鲜技术根据食品辐照杀菌目的的不同,采用的辐照剂量也不同。目前国际上常采用高、中、低3种辐照剂量,其中高剂量放射线照射能完全杀灭食品的芽孢微生物,达到无菌状态,这种方法称为辐射灭菌,肉品通常采用的剂量为20-50kGy;中等剂量辐射能杀灭无芽孢病原微生物,这种方法称为辐射消毒,肉品常采用的剂量为5-7.5kGy;低剂量辐射能够杀死部分腐败微生物,延长产品贮藏期,这种方法称为辐射防腐,肉品常采用的剂量为0.5Gy。人们对辐照杀灭肉中各类微生物进行了大量研究,认为辐照是杀灭肉类中致病菌、腐败菌,延长产品货架期的最佳处理途径。真空包装的鲜猪里脊经3.0KGy辐照处理后,其冷藏保鲜期为90d左右,而未经辐照处理的鲜肉保鲜期只有41d。李宗军研究表明:真空包装的牛、羊肉经2-4.0KGy低温辐照,2±1℃环境下贮藏,货架期可达到60d。冷冻虾仁经3-5kGy的剂量辐照后,-7℃下贮存,保鲜期比对照组延长6个月,具且有与鲜活虾仁相似的品质。用2.0KGy、3.0KGy、