食品加工與保藏 輻照

食品加工與保藏原理

第8～11章黃建oanjr@126.com第八章食品的輻照食品輻照的特點及進展食品輻照技術基礎食品的輻照及輻照保藏原理食品輻照工藝及條件控制食品輻照的安全與法規(guī)第一節(jié)食品輻照的特點及進展一、食品輻照的定義

1.食品輻照

利用射線照射食品（包括食品原料、半成品），抑制食物發(fā)芽和延遲新鮮食物生理成熟過程的發(fā)展，或對食品進行消毒、殺蟲、殺菌、防霉等加工處理，達到延長食品保藏期，穩(wěn)定、提高食品質量的處理技術。2.輻照食品

用鈷60（60Co）、銫137（137Cs）產(chǎn)生的γ射線或電子加速器產(chǎn)生的低于10MeV電子束照射的食品。二、食品輻照技術的特點“冷殺菌”能耗低穿透力強污染小改進食品工藝和質量殺滅不同種類微生物所需輻照劑量不同常需與其他保藏技術結合設備投資大，運行成本高需提供安全防護措施防止輻射線泄漏三、國內(nèi)外食品輻照的進展1896年，Minck提出X射線對原生蟲有致死作用。二戰(zhàn)以后，世界各國對輻照食品展開大量研究。1963年，F(xiàn)DA允許輻照用于香料的殺菌與滅蟲、果蔬的保藏。1976年，F(xiàn)AO/IAEA/WHO評定五種輻照產(chǎn)品（馬鈴薯、小麥、雞肉、木瓜、草莓）是絕對安全的。1980年，F(xiàn)AO/IAEA/WHO認為，受輻照食品平均吸收劑量達到10kGy時，沒有毒性危害。1999年，F(xiàn)AO/IAEA/WHO指出，超過10kGy劑量的食品也是衛(wèi)生安全的。2003年，CAC修訂《輻照食品國際通用標準》和《食品輻照加工工藝國際推薦準則》，在法規(guī)上突破了食品輻照加工中10kGy的最大吸收劑量的限制。第二節(jié)輻照的基本概念一、放射性同位素與輻射1.放射性同位素

有些同位素的質子數(shù)和中子數(shù)差異較大，其原子核是不穩(wěn)定的，它們按照一定的規(guī)律（指數(shù)規(guī)律）衰變，其衰變過程中伴有各種輻射線產(chǎn)生，這些不穩(wěn)定同位素稱為放射性同位素。2.放射性同位素產(chǎn)生的輻射線類型a射線：帶正電荷原子核，穿透物質的能力很小。b射線：正電子流，穿透物質的能力居中。g射線：光子流，穿透物質的能力很強，電離能力較小。X射線：原子核外電子，穿透物質能力強，電離能力小。3.放射性同位素產(chǎn)生的輻射線特點射線輻射的結果能使被輻射物質產(chǎn)生電離作用，因此常稱為電離輻射。半衰期越短的放射性同位素衰變得越快，即在單位時間內(nèi)放射出的射線越多。

60Co的半衰期為5.27年，137Cs為30年。二、輻照量單位與吸收劑量輻照用單位國際單位常用單位輻照能量JeV放射性強度BqCi照射量C·kg-1R吸收劑量Gy,J·kg-1rad1.吸收劑量單位吸收劑量：被照射物質所吸收的射線能量。單位：戈瑞（Gray,Gy）、拉德（rad）1Gy：1kg的受照物質吸收1J的輻射能量。

1Gy=100rad=1J·kg-11rad＝100erg·g-1=6.24×1013eV·g-1吸收劑量率：單位時間的吸收劑量，Gy/s。2.吸收劑量的測量國家基準Fricke劑量計（硫酸亞鐵劑量計）絕對測量方法用于校準各類劑量計和刻度輻射場國家傳遞標準劑量測量體系丙氨酸/ESR劑量計、硫酸鈰-亞鈰劑量計、重鉻酸鉀（銀）-高氯酸劑量計便于測量值的比對，用于校準常規(guī)劑量計和刻度輻射場。常規(guī)劑量計無色與染色塑料薄膜輻照后變色。相對測量劑量計，必須經(jīng)國家基準或傳遞標準劑量進行校準。主要用于食品輻照現(xiàn)場輻照物品的日常劑量監(jiān)測。1.輻射源放射性同位素60Co輻射源（γ射線）137Cs輻射源（γ射線）電子加速器X射線（能級≤5MeV）電子射線（能級≤10MeV）三、食品輻照裝置60Co制備方法

將自然界中存在的穩(wěn)定同位素59Co金屬制成棒形、長方形、薄片形、顆粒形、圓筒形或所需要的形狀，置于反應堆活性區(qū)，經(jīng)中子一定時間照射，少量59Co原子吸收一個中子后即生成60Co輻射源。137Cs制備方法

由核燃料的渣滓中提取。電子加速器

利用電磁場的作用，使電子獲得較高的能量，將電能轉變成輻射能，產(chǎn)生高能電子射線或X射線的裝置。X射線：用高能電子來轟擊重金屬靶，其能量的一小部分轉變?yōu)槎滩ㄩL的電磁射線，即X射線。具有高穿透能力，能量級限制在5MeV以下。電子射線（人工b射線源）：利用加速器產(chǎn)生的電子流與放射性同位素中的b射線具有相同性質。穿透性差，一般只用于食品表層的輻照。2.安全防護措施屏蔽材料：鉛、鐵、混凝土、水送排風設備自動輸送系統(tǒng)報警系統(tǒng)一、食品輻照的物理學效應1.g射線和X射線的作用康普頓散射如果射線的光子與被照射物的電子發(fā)生彈性碰撞，當光子的能量略大于電子在原子中的結合能時，光子把部分能量傳遞給電子，自身的運動方向發(fā)生偏轉，朝著另一方向散射，獲得能量的電子（也稱次電子、康普頓電子）從原子中逸出。第三節(jié)食品輻照保藏原理感生放射性如果g射線和X射線的能量大于某一閾值時，會使被照射物產(chǎn)生放射性（感生放射性）。為了嚴防輻照食品誘發(fā)放射線，必須謹慎選用不產(chǎn)生誘發(fā)放射線的輻射源。2.電子射線的作用庫侖散射

當輻射源射出的電子射線（高速離子流）通過被照射物時，受到原子核庫侖場的作用，會發(fā)生沒有能量損失的偏轉，稱庫侖散射。軔致輻射、契連科夫效應電子射線在原子核庫侖場作用下，本身速度減慢的同時放射出光子，稱軔致輻射。

軔致輻射放出的光子能量有的相當于g射線和X射線，有的在可見光或紫外線范圍，后者稱為契連科夫效應。為了防止被照射物質誘發(fā)產(chǎn)生放射性，食品輻照采用的電子加速器的能量水平一般不超過10MeV。二、食品輻照的化學效應食品輻照可能引起化學變化的物質食品本身包裝材料附著在食品表面及內(nèi)部的生物體

食品輻照引起食品成分的變化初級輻射使物質形成離子、激發(fā)態(tài)分子或分子碎片，由激發(fā)分子可進行單分子分解產(chǎn)生新的分子產(chǎn)物或自由基，內(nèi)轉化成較低的激發(fā)狀態(tài)。次級輻射是初級輻射的產(chǎn)物相互作用，生成與原始物質不同的化合物。

輻照化學效應的強弱——G值

指介質中每吸收100eV能量而分解或形成的物質（分子、原子、離子和原子團等）的數(shù)目，即輻射產(chǎn)額。

G值大，輻照引起的化學效應較強烈；G值相同者，吸收劑量大者引起的化學效應較強烈。1.水水的間接作用：水分子經(jīng)輻照后，激發(fā)和電離而形成的某些具有高度活性的中間產(chǎn)物（e水化、OH·、H·）會導致食品和其他生物物質發(fā)生變化。含水量大的食品，水的間接作用可能是化學變化的唯一重要原因；甚至在水含量低的體系中，間接作用仍然是主要的影響因素；對于含水量很小的食品，有機分子的輻照直接作用是化學變化的主要原因。2.蛋白質和酶（1）蛋白質結構破壞：二硫鍵、氫鍵、鹽鍵、醚鍵斷裂使三級結構和二級結構遭到破壞；巰基氧化、脫氨基作用、脫羧作用、氧化作用使一級結構發(fā)生變化。輻射交聯(lián)：形成二硫鍵或酪氨酸和苯丙氨酸的苯環(huán)偶合，引起蛋白質發(fā)生凝聚作用，甚至出現(xiàn)不溶解的聚集體。輻照降解。例如：X射線照射血纖蛋白產(chǎn)生較小碎片，卵清蛋白在等電點照射黏度減小。高劑量輻照含蛋白質食品產(chǎn)生的各種揮發(fā)性輻解產(chǎn)物（輻照味），大部分是通過間接作用產(chǎn)生的。（2）酶影響酶的輻照效應的因素：酶濃度：稀溶液對輻照敏感。環(huán)境條件：溫度、－SH、pH值、含氧量。溫度升高、-SH的存在、有氧存在都會提高酶的敏感性。環(huán)境條件越復雜，酶的輻照敏感性越低。在食品復雜體系中，多數(shù)食品酶對輻射的阻力甚至大于肉毒芽孢桿菌孢子。這給輻照滅酶保藏帶來一定限制，而用以殺死污染酶制劑的微生物則具有優(yōu)勢。3.糖純態(tài)糖類經(jīng)輻照后有明顯的降解作用和輻解產(chǎn)物形成。輻照固態(tài)糖時，水對糖有保護作用。輻照糖溶液時，輻照除對糖和水有直接作用外，還有水的間接作用。糖類輻照后的熔點、折射率、旋光度和顏色的變化是微小的。輻照會引起多糖鏈的斷裂。蛋白質和氨基酸對糖類輻解有保護作用。4.脂類輻照誘導自氧化產(chǎn)物和非氧化的輻照產(chǎn)物。飽和脂肪酸比不飽和脂肪酸穩(wěn)定。輻照誘發(fā)的氧化變化程度與劑量和劑量率有關。脂肪輻照氧化與分解的影響因素：溫度、氧、脂肪成分、氧化強化劑、抗氧化劑等。5.維生素脂溶性維生素中，VA和VE對輻照最敏感；VD穩(wěn)定。水溶性維生素中，VB1和VC最敏感。維生素輻照損失的影響因素：劑量、溫度、氧氣、食品類型。無氧和低溫可減少輻照損失。6.食品包裝材料某些高分子材料輻照后發(fā)生降解、交聯(lián)、不飽和鍵的活化、析出氣體（H2）、促進氧化并形成氧化物。大多數(shù)聚合物（包括玻璃）在輻照下顏色由黃色（無色）變?yōu)楹稚ㄗ詈笞優(yōu)楹谏］椪瞻褪蠝缇鷹l件（10～30kGy）下，所有用于包裝食品的薄膜的性質基本未受影響。三、食品輻照的生物學效應直接作用和間接作用。輻照對活體組織的損傷與其代謝反應、機體輻照損傷后的恢復能力、輻照劑量有關。生物體細胞在高活性的代謝狀態(tài)下對輻照的敏感性比在休眠期時大得多。輻照處于生長階段的生物將影響細胞組織的成熟、新陳代謝和生殖等。1.微生物（1）電離輻射對微生物作用的影響因素輻照量微生物的種類及狀態(tài)菌株濃度（細菌數(shù)）培養(yǎng)介質化學成分和物理狀態(tài)輻照后的貯藏條件（2）輻照滅菌劑量的確定D=D10lg(N0/N)N0——最初微生物數(shù)；N——使用D劑量后殘留微生物數(shù)；D——輻照的劑量，Gy；D10——微生物殘存數(shù)減少到原數(shù)10％時的劑量，Gy。（3）輻照對微生物的作用輻照微生物引起其新陳代謝紊亂，過一段時間才死亡。輻照劑量越高，對細菌的殺滅率越強。帶芽孢菌體比無芽孢菌體對輻照有較強的抵抗力。酵母與霉菌對輻照的敏感性與非芽孢細菌相當。殺滅引起水果腐敗和軟化的霉菌或酵母所需的劑量常高于水果的耐輻照量。抑制病毒活性通常采用加熱與輻照并舉的方法，以減少高輻照劑量對新鮮食品質量的影響。2.蟲類（1）昆蟲輻照對昆蟲的效應與其組成細胞的效應密切相關。視劑量不同，高劑量輻照對昆蟲有損傷作用（致死、“擊倒”、縮短壽命、推遲換羽、延遲發(fā)育、減少進食量、抑制呼吸）；低劑量反效應（延長壽命、增加產(chǎn)卵、增進卵的孵化、促進呼吸）。一次給予足夠劑量比分次逐步增加的殺滅效果好。升高溫度可增加輻照敏感性。降低大氣氧壓則會增加耐輻照性。（2）寄生蟲

視不同劑量，可使寄生蟲不育、生長受到抑制甚至致死。

豬肉中旋毛蟲，不育劑量0.12kGy，致死劑量7.5kGy；牛肉中絳蟲，致死劑量3.0-5.0kGy。3.果蔬對于具有呼吸高峰的果實，若在高峰前對果實進行輻照處理，由于干擾了果實體內(nèi)乙烯的合成，就能夠抑制其高峰的出現(xiàn)，延長果實的貯存期。輻照能使水果中的化學成分變化，如維生素C的破壞，原果膠變成果膠質及果膠酸鹽，纖維素及淀粉的降解，某些酸的破壞及色素的變化等。輻照可改變蔬菜的呼吸率，防止老化，改變化學成分。馬鈴薯、洋蔥等經(jīng)輻照后可抑制發(fā)芽。輻照蘑菇可防止開傘，延長保鮮期。四、食品輻照保藏的基本原理食品輻照時，射線把能量或電荷傳遞給食品上的微生物和昆蟲，引起的各種效應會造成它們體內(nèi)的酶鈍化和各種損傷，迅速影響其整個生命過程，導致代謝、生長異常、損傷擴大直至生命死亡。輻射對鮮活食品所產(chǎn)生的影響是進一步延緩了其后熟的進程，符合儲藏的需要。在正常的輻照條件下食品成分發(fā)生的變化較小，而對生命活動影響較大。第四節(jié)食品輻照工藝及條件控制一、食品輻照的分類1.按輻照方式分類靜態(tài)輻照動態(tài)輻照動態(tài)步進輻照產(chǎn)品流動輻照2.按輻照劑量分類低劑量輻照（1kGy以下）：抑制發(fā)芽，殺滅害蟲、寄生蟲，推遲生理反應（熟化作用）。中劑量輻照（1～10kGy）：延長貨架期，減少腐敗微生物和降低致病菌數(shù)量，食品品質改善。高劑量輻照（10～50kGy）：工業(yè)殺菌（結合溫和的熱處理），某些食品添加劑和配料的抗污染。二、食品輻照的應用范圍類別輻照處理的目的豆類谷類及其制品控制生蟲干果果脯類控制生蟲，減少損失，延長儲藏期熟畜禽肉類滅菌、延長保質期冷凍分割畜禽肉類殺滅沙門氏菌干香料殺菌、防霉、延長保質期新鮮水果蔬菜類抑制發(fā)芽、儲藏保鮮、延緩后熟、延長貨架期薯干酒改進品質花粉保鮮、防霉、延長儲存期豬肉滅活旋毛蟲食品輻照的其他應用——檢疫處理

與其他處理方法的對比處理方法處理費用處理對象寄主商品的耐受性處理速度殘留輻照處理中等所有害蟲非常好快無熱蒸汽處理中等主要是實蠅好中等無熱空氣處理中等主要是實蠅好中等無熱水處理較低主要是實蠅好快無冷藏處理太貴大部分害蟲可接受慢無熏蒸處理較低大部分害蟲非常好快有三、食品輻照工藝及影響因素1.輻照工藝流程

食品的預處理（包裝）和質量檢查（微生物、感官品質等）→原材料或半成品→（運行參數(shù)設定、工藝劑量設定）輻照處理（運行參數(shù)監(jiān)測）→輻照產(chǎn)品→微生物抽檢、輻照質量檢查、輻照產(chǎn)品標記→產(chǎn)品庫存控制和出庫2.輻照包裝產(chǎn)品應具有外包裝，包裝材料或容器經(jīng)輻照后仍具有對食品的保護功能。包裝材料應采用食品級、耐輻照、保護性材料。（GBT18524-2001附錄B）包裝材料最大輻照劑量/kGy尼龍1110玻璃10聚乙烯-紙-鋁層合薄膜35木材35（波蘭），10（印度）3.輻照前要求脫水蔬菜水分含量＜13%，初始含菌量＜1×106/g香料和調味品水分含量＜13.5%，初始含菌量＜1×107/g4.輻照工藝參數(shù)加工能力輻照裝置在一定時間內(nèi)能夠處理的產(chǎn)品量。輻照效率輻照一定時間間隔內(nèi)，經(jīng)輻照的全部產(chǎn)品中吸收的產(chǎn)生輻射效應所需的能量在輻射源發(fā)射的總能量中所占的份額。吸收劑量不均勻度特定工藝輻照下全部產(chǎn)品中最大吸收劑量與最小吸收劑量的比值。

不均勻度是反映輻照質量的一個指標。與輻射的穿透能力，源與產(chǎn)品間的幾何排布，產(chǎn)品組成、大小、密度及照射方式等有關。輻照工藝劑量食品輻照過程中為在產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生預期輻射效應、達到輻照質量要求所規(guī)定的劑量范圍或劑量限值。一般情況下食品不得進行重復照射。但下列食品除外，其總的累積吸收劑量不得大于10kGy：a)對含水量低的產(chǎn)品進行輻照殺蟲處理；b)用小于1kGy的劑量輻照過的原料制成的產(chǎn)品；c)為達到預期效果，可將所需的全部吸收劑量分多次進行照射的食品；d)含5％以下輻照配料的食品。最低有效劑量食品輻照時為達到某種輻照目的所需的最低劑量，即工藝劑量的下限值。

例如，脫水蔬菜4kGy；初始含菌量＜1×106/g的香料和調味料，4kGy；初始含菌量＜1×107/g的，6kGy。最高耐受劑量食品輻照時不會對食品的品質和功能特性產(chǎn)生危害的最高劑量，即工藝劑量的上限值。

例如，脫水蔬菜和香料和調味料均為10kGy。5.影響食品輻照效果的因素輻照劑量劑量越高，食品保藏時間越長。同等的輻照劑量，較高的劑量率可獲得較好的輻照效果。

食品接受輻照時的狀態(tài)食品種類含水量污染的微生物、蟲害種類及數(shù)量食品生長發(fā)育階段、成熟狀況、品質等

輻照過程環(huán)境條件氧氣：可增加微生物對輻照的敏感性2~3倍，對輻照化學效應生成物也有影響。溫度：適當提高溫度可降低輻照劑量，減少對果蔬的損傷；凍結點以下的低溫輻照可大大減少肉類輻照味及減少維生素的損失。壓力：適當加壓、加熱，可使細菌孢子萌發(fā)，再使用較小劑量，可以把需要高劑量輻照殺滅的孢子殺死。

輻照與其他保藏方法的協(xié)同作用熱處理氣調保藏腌制冷藏化學保藏（如防腐劑、抗氧化劑）6.輻照食品的檢驗輻照引起食品的外觀、形狀、溫度及組成上的變化是十分微小的。因此檢測食品是否已被輻照和估測輻照食品的吸收劑量是困難的。電離輻射與食品物質的相互作用，可在食品組分上誘發(fā)復雜的化學變化，這些變化是由自由基過程產(chǎn)生的。不是所有化學變化的結果都能用來指示食品是否已被輻照，只有其中的一些輻照專一性輻解產(chǎn)物、一些在食品輻照前后含量有明顯變化的產(chǎn)物、以及輻照在食品組成上誘導的某些化學特性，才能用于輻照食品的檢測。檢測方法利用揮發(fā)性碳氫化合物和烷基環(huán)丁酮或有機過氧化合物檢測含脂輻照食品利用生成的長壽命的自由基檢測輻照食品——電子自旋共振法（ESR）用O－酪氨酸方法來檢測含蛋白質食品利用乙醇的輻照化學變化檢測輻照酒利用熱釋光和化學發(fā)光技術檢測輻照食品第五