电子束辐照技术在食品工业中的应用研究与进展

　　摘要：电子束辐照技术作为食品工业中的绿色高新技术，近年来在食品质量安全控制领域引起了社会的高度重视。本文结合国内外食品辐照加工研究与应用实例，介绍了电子束辐照技术的原理、特点和装置，在食品工业中的应用，其中包括杀菌、杀虫、抑制发芽、延迟成熟、降解食品中有害残留物等，电子束辐照技术对食品品质的影响研究和进展情况，在应用中存在的问题,以及在食品工业中的发展趋势及展望。

　　关键词：电子束，杀菌，杀虫，食品辐照，食品品质

　　近年来，由于食品在贮藏过程中被各种致病菌污染而引起的食源性致病菌食品安全事故在世界范围内频繁发生，成为全球关注的热点问题。电子束辐照技术以其灭菌彻底、低能耗、无污染、不破坏营养成份、无毒物残留、有效控制食源性疾病等优越性，受到各国的广泛重视，食品辐照也成为了辐照技术的主要应用领域之一。

　　目前以60Co为放射源的γ-射线辐照在我国使用的最为广泛，能够有效地杀灭食品中的各种微生物，但是却存在放射性污染、核泄漏等一系列问题，致使γ-射线辐照的安全问题让人们越来越担忧。然而电子束辐照技术不存在以上等问题，此点受到社会的广泛的重视，以致电子辐照技术有望成为γ-射线辐照理想的替代技术；电子束辐照技术可有效延缓生理代谢、抑制微生物繁殖，并且能够很好地维持食品原有的风味和品质，提高社会对辐照食品的接受性。相比于传统的食品保鲜方法，电子束辐照不存在放射性污染及农、兽药物残留等问题，且节省能源，具有特别显著的优势。

　　电子束流的稳定性随着电子加速器设备的不断改进和完善得到了很大的提高，使得电子束辐照在经济效益和加工能力方面占据了很大的优势。本文结合商业化应用中的实例与长期从事食品电子束辐照技术研究经历，就电子束辐照技术领域的灭菌，杀虫，抑制发芽、延迟成熟和延长储藏期，降解食品中的致敏物质和抗生素、农药残留、兽药残留等有害残留物，以及发展前景等进行综述，以期能够进一步加大社会对食品电子束辐照技术的支持力度，发挥其巨大的社会和经济效益。

　　1、电子束辐照技术

　　食品辐照技术是利用60Co或137Se等放射源产生的γ射线、电子加速器产生的10MeV以下的高能电子束及5MeV以下的X射线，对食品进行辐照的高新非热加工技术。但我国《辐射食品卫生管理办法》仅允许使用前两种。相对于其它辐射源，电子束辐照技术设备辐照效率高，可操作性强，并且对食品品质破坏较小。

　　电子束辐照比60Coγ射线辐照有许多自身的优势，这正是电子束辐照技术快速发展的重要原因：a.电子束辐照设备不需要辐射源，可实现连续在线作业，同时具有能够调节功率大小的特点；b.电子束辐照的利用率能够达到60%，60Co的射线利用率最高也只有20%左右，所以电子加速器能够有效地大量处理食品；c.单台加速器的输出功率能达几kW，大者可达到200kW，而一座大型100万局里的60Co的辐照源的功率只有15kW；d.相比于γ射线辐照，高脂高蛋白食品经电子束辐照产生的异味较少；e.电子束辐照能利用的能区宽，还可根据需要设计制造多能区之间转换，但γ射线辐照不能；f.加速器产生的电子束剂量率高，方向一致，集中性好，能实现短时间内高剂量的辐照，而γ射线向周围发散，辐射不均匀且剂量率低；g.电子束辐照不会对工作人员和周围环境产生放射性危害，特别安全可靠；h.相比于γ射线，电子束辐照无放射性核素衰变，无废旧辐射源处理等问题，设备装置较为简单，所需维护、运行费用也较低。

　　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[15]。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。

　　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[4]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，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。