輻照技術在食品保藏中的應用

肉食是人類營養的必要手段。它富含蛋白質、脂肪、氨基酸、維生素和其他營養成分。因此，在儲存、運輸和加工過程中，受到物理、化學和生物因素的影響，導致腐敗和變質。其中，生物因素（主要是微生物污染）是影響肉樣質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如顏色、氣味和質地等發生變化,破壞肉的營養價值,而且會導致病原體和毒素的形成,對人體健康產生潛在的危害。為確保肉品的質量和安全,國內外眾多專家致力于各種有效的肉品保藏技術的研究和應用。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,提高其衛生安全性、延長其保質期,并可最大程度地保持肉品的原有營養價值和感官特征,因此備受人們關注。1食品輻射技術1.1輻照食品的應用進展食品輻照技術是人類利用核技術開發出來的一項新型的食品保藏技術,在保障食品的衛生安全,延長貨架期等方面發揮著重要作用。自1896-1902年Mink和Prescott分別發現了電離輻射的殺菌作用后,食品輻照技術已有探索,正式開始進行系統研究與應用則在20世紀50年代初,80年代中期在食品行業中逐漸興起。其原理是利用放射性60Co或137Cs發出的γ射線、或電子加速器產生的電子束(最大能量10MeV)或X射線(最大能量5MeV)輻照食品產生的物理效應、化學效應和生物效應,抑制發芽、推遲成熟、促進物質轉化、殺蟲滅菌和防止霉變等,從而達到食品保藏或保鮮的目的。歷經幾十年的研究和探索,食品輻照已被證明是一種高效、無公害的物理加工手段,可有效地應用于食品保藏,并越來越受到世界各國的重視。1980年FAO(聯合國糧農組織)/IAEA(國際原子能機構)/WHO(世界衛生組織)根據長期的毒理學、營養學和微生物學實驗及輻射化學分析結果,得出結論:任何食品當其總體平均吸收劑量不超過10kGy時就沒有毒理學危險,不再要求做毒理學實驗,同時營養學和微生物學也是安全的。1999年FAO/IAEA/WHO高劑量研究小組在WHO890號報告中宣布:超過10kGy高劑量輻照食品也是安全的結論。目前國內外輻照食品發展較快,由20世紀80年代初23個國家批準的38種,發展到目前的45個國家(地區)批準的500多種(類)食品可以輻照后上市,年銷售總量達30萬噸以上,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,我國共批準了土豆等18種輻照食品的衛生標準;1996年頒布《輻照食品衛生管理辦法》;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)輻照食品的類別衛生標準。2001年l2月正式頒布了l7種(類)農副產品輻照工藝的國家標準。2002年我國輻照食品和農產品的總量為10萬多噸,主要輻照產品為香辛料、脫水蔬菜和谷物。1.2食品輻射保險裝置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,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。但對于那些只要求作表面處理的食品,用這種裝置進行處理,效率不高,還可能造成對食品內部的影響。γ輻照裝置技術成熟,操作簡單,穩定可靠,但鈷源較貴,需要定期補充,加工成本較高。為了獲得良好的輻照效果,需要專門的產品傳輸系統。目前我國擁有γ射線輻照裝置150多座,其中設計裝源容量1.11×1016Bq以上的60Co輻照裝置有50余座;設計裝源容量1.11×1016Bq以下的裝置有80余座;全國實際裝源容量約為48.1×1016Bq。其中90%的輻照裝置在不斷地進行食品輻照保藏研究與生產加工。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生的電子束進行輻照加工產品的裝置,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,只能用于食品的表面輻射處理。由于電子加速器產生的電子束輻射功率大、劑量率高、加工速度快、產量大、輻照成本低、便于大規模的生產等優點,越來越受到食品輻照研究人員和生產部門的關注。但其需要適用的產品傳輸系統,運行技術要求較高。使用時必須注意電子束能量不能超過10MeV,以免食品被放射性污染。目前我國電子輻照加速器已達到了45臺,總功率達2005kW。1.2.3電子束輻照的應用X射線輻照加工應用是對電子束輻射加工的補充和對60Co產生的γ射線的一種替代辦法。X射線穿透力強,3MeV電子束產生的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射線轉化靶時,就可以根據產品的要求,既可以用電子束也可以用X射線進行輻照。目前由于技術和經濟上的原因,X射線的輻射加工應用仍處于開發試驗階段,但這可能是今后的一個發展方向。1.3輻照處理是提高食品品質的重要環節。在一般意義上可分輻照技術屬于冷處理技術,是一種物理保藏方法,與許多傳統保藏方法相比有不可比擬的優點:(1)射線穿透能力強,可對預先包裝好或烹調好的食品通過劑量控制和輻照工藝進行快速、均勻、徹底處理,相對于熱處理殺菌而言過程較易控制。(2)輻照處理是“冷加工”,可最大程度地保持食品的原有營養價值和感官特征,有的甚至提高食品的工藝品質。特別適用于傳統處理方法可導致失去原有風味、芳香性和商品價值的食品,因為輻照處理可以迅速殺滅或減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1-10kGy的劑量輻照,其蛋白纖維會降解,把長鏈的大分子降解成較小的鏈結構,使纖維的分子量降低,牛肉會變得特別鮮嫩。(3)無殘留、無污染。輻照處理不同于化學防腐、腌制方法處理,不會造成食品的化學物質殘留和環境污染,并且對一些污染殘留還有一定的降解作用。(4)可對包裝、捆扎好的食品進行殺菌處理,避免食品在生產和制備過程中出現交叉污染。(5)殺菌效果好,可通過調整輻照劑量達到對各類食品殺菌的要求。(6)節約能源,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)操作簡便,加工過程易控制,可連續作業等,因此適于大規模加工。如美國采用電子加速器輻照裝置處理雞肉,年處理能力為32萬噸雞肉。1.4食品樣品的序列2輻射保護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,殺滅寄生蟲和減少腐敗微生物。影響肉中微生物對輻照敏感性的因素很多,主要影響因素如下:2.1輻照對牛肉品質的影響肉類食品中的細菌存活率與輻照劑量呈反比關系,劑量越大,殺菌效果越好。研究表明:在0.1-1Gy的劑量范圍內,可抑制微生物的生長和繁殖,提高動物性食品的保質期;5-10kGy的劑量范圍內,可殺滅某些非芽孢致病菌(如沙門氏菌、大腸桿菌和葡萄球菌等);10-50kGy的劑量范圍內,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,其雜菌數可以降低2個數量級,若輻照到1Gy或2.5kGy,則雜菌數分別降3或4個數量級。Thayer和Boyd將4.6×103cfu/g濃度的蠟樣桿菌芽胞接種在機械脫骨的雞肉上,5℃下輻照,劑量為3kGy時總數降低2個數量級,若輻照4.5kGy芽胞數下降3個數量級,6kGy已能明顯抑制芽胞的生長繁殖。臘牛肉經7kGy、10kGy輻照處理,其大腸桿菌和菌落總數均大幅減少,大腸桿菌由2×107cfu/g下降到2×103cfu/g。值得一提的是:輻照劑量過大,會對肉品的品質造成影響。因此為了保證產品質量,通常應根據食品種類及處理指標將劑量限制在一個合適范圍內。表1是美國FDA自1963年來陸續批準使用的不同食品的推薦劑量范圍。2.2在食品處理前后,對肉品進行加熱處理溫度是決定肉品保質的重要因素,絕大多數微生物(包括致病菌在內)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℃輻照時其D值為0.25kGy,-5℃到-15℃下時為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味變化,減少營養成分的損失,提高輻照食品的品質,因此對肉品在輻照前應先進行適當的加熱處理,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,能延長肉品貨架期;(2)低劑量時(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25℃/2.5KGy輻照后,肉品貯藏在更低的溫度環境下,貨架期可延長10-15d,低溫不僅可以抑制微生物的生長繁殖,而且可以降低化學反應的速度,防止異味的形。2.3其他食品的輻照效果輻照時的氣體環境對微生物的敏感性有影響。1988年Patterson在比較產品包裝在空氣、CO2、N2中的輻照效果時發現:N2包裝的食品所含細菌對輻照的抵抗力明顯強于其他兩種氣體。此外,肉品若在有氧的環境中,氧因輻照極易生成具有強氧化性的臭氧,致使肉品氧化脫色,影響產品的感官品質,故對肉品采用充氣包裝和真空包裝,然后進行輻照處理,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于普通包裝的產品。張海偉等研究表明在降低輻照及貯藏過程中冷卻肉的脂肪氧化方面,真空包裝要優于有氧包裝。2.4脫骨雞肉和烘烤牛肉和肉汁中kgy輻照介質的組成會影響輻照對微生物的滅菌效果,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滲出,保護肉品的水分,又可增加微生物對輻照的敏感性,降低輻照劑量。2.5清除抗菌輻照加工一般認為,微生物體的生存方式越簡單,其對電離輻照的適應能力越強。如病毒對輻照的抵抗能力高于細菌,細菌高于霉菌,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菌。肉品輻照時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成種類取決于水分活度(Aw)。大多數細菌只能繁殖于Aw高于0.85的基質中,如肉毒梭狀芽孢桿菌水分活度要求為0.94-0.96,沙門氏菌為0.92,多數細菌為0.90,金黃色葡萄球菌為0.87-0.88。當將水分活度降至0.7左右時,絕大部分的微生物均被抑制。因此肉品輻照時應考慮其水分活度大小而采取合適的劑量。3輻射對肉的營養成分的影響肉品輻照殺菌的同時,也影響其成分的分子結構變化,其變化程度與輻照條件(如劑量、溫度等)有關。3.1輻照食品的營養品質指標和氨基酸組分測定蛋白質分子經輻照后會發生變性現象。蛋白質分子發生裂解以及裂解后的小分子聚合、釋放H2S、粘度和電泳性質有變化、形成碳基、結構和抗原性的改變、蛋白質酶解能力的變化和氨基酸的破壞等,這些變化會使蛋白質的顏色發生改變,使核蛋白失去生物學功能以及食品的功能性質發生改變等。經對輻照食品中蛋白質、氨基酸和酶解產物的分析研究表明,經適宜劑量(50kGy以下)輻照的食品,蛋白質營養成分無明顯變化,氨基酸組分恒定。經7kGy輻照的臘牛肉,其蛋白質的損失僅為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輻照后會發生氧化、脫羥、氫化、脫氫等作用,產生典型的氧化產物、過氧化物和還原產物。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。飽和脂肪一般是穩定的,不飽和脂肪易氧化,氧化程度與輻照劑量成正比。對植物油和魚油進行輻照的結果表明,只有較大劑量(100kGy以上)輻照時,其物理性質,如熔點、折射率、介電常數、粘度和密度才發生顯著變化。研究表明臘牛肉經過商業輻照劑量(≤7kGy)輻照處理,脂肪并未產生重大的營養損失,損失僅為0.4%。Monty(1960)、Moore(1961)、Nessett(1957)等也曾報道經過輻照處理的脂肪其營養價值和含量并未發生變化。動物性食品經40-50kGy的射線輻照后,脂肪的同化作用和熱能價值并不發生改變,營養價值變化不大。3.2小麥麩糖輻照對糖質和營養價值的影響碳水化合物分子經輻照后相對比較穩定,只在大劑量輻照后才引起氧化和分解,如多糖類會放出H2、CO、CO2等氣體,而且變得易于水解,粘度下降,熔點和旋光度下降。一般情況下,糖對輻照是很穩定的,采用殺菌劑量輻照,對糖的消化率和營養價值幾乎沒有影響。使用20-50kGy的劑量不會使糖類食品的品質發生變化。3.4維生素a和b、c、b的敏感性維生素分子對輻照較為敏感,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,只有維生素B1對輻照不敏感。若維生素與食品中的其他成分復合存在將會降低其對輻照的敏感程度。研究表明:20-25kGy劑量的輻照對維生素的破壞程度與加熱相同。4有誘導放射性輻照肉品的衛生安全性關系到食用者的健康和肉品輻照技術的發展前途,受到許多國家的重視,其范圍包括5個方面:(1)有無殘留放射性及誘導放射性;(2)輻照肉品的營養衛生;(3)有無病原菌的危害;(4)輻照肉品有無產生毒性;(5)有無致畸、致癌、致突變效應。肉品進行輻照時是外照射,因沒有直接接觸放射性核素,因此不會污染放射性物質,故也不存在殘留問題。至于誘導放射性,即指因輻射引起肉品的構成元素變成放射性元素問題。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放射性的能量閾值,因此不會產生誘導放射性核素及其化合物。早在1926年德國就進行了輻照食品的動物飼喂實驗,在過去的40多年中許多國家對輻照制品的大鼠、小鼠及其他動物的喂養實驗進行了廣泛、深入地研究。我國華西醫科大學用60Coγ射線輻照處理的鮮豬肉飼喂大鼠,結果表明26KGy和52KGy輻照處理的鮮豬肉飼喂大鼠的健康狀況良好,這些動物實驗均未發現實驗動物有致畸、致突變和致癌作用。在動物實驗基礎上,一些國家進行了輻照肉品的人體食用實驗。如美國Natick對54種輻照食品包括肉類11種,魚類5種進行了人體食用實驗,結果無一例出現毒性反應。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根據食品輻照殺菌目的的不同,采用的輻照劑量也不同。目前國際上常采用高、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,達到無菌狀態,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,延長產品貯藏期,這種方法稱為輻射防腐,肉品常采用的劑量為0.5Gy。人們對輻照殺滅肉中各類微生物進行了大量研究,認為輻照是殺滅肉類中致病菌、腐敗菌,延長產品貨架期的最佳處理途徑。真空包裝的鮮豬里脊經3.0KGy輻照處理后,其冷藏保鮮期為90d左右,而未經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2-4.0KGy低溫輻照,2±1℃環境下貯藏,貨架期可達到60d。冷凍蝦仁經3-5kGy的劑量輻照后,-7℃下貯存,保鮮期比對照組延長6個月,具且有與鮮活蝦仁相似的品質。用2.0KGy、3.0KGy、