食品輻照的研究與應(yīng)用

食品輻照的研究與應(yīng)用

食品輻射是人類利用原子能技術(shù)開(kāi)發(fā)的一種新的食品保護(hù)技術(shù)。近年來(lái),它作為一種提高食品安全和延長(zhǎng)貨架期的技術(shù),得到越來(lái)越多的國(guó)家和國(guó)際組織的關(guān)注和應(yīng)用,也在日益顯現(xiàn)其巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。1食品輻射的原則和優(yōu)勢(shì)1.1x射線輻照mev食品經(jīng)過(guò)一定劑量的電離射線60Coγ或137Csγ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)的輻照,殺滅食品中的害蟲(chóng),消除食品中的病原微生物及其它腐敗細(xì)菌或抑制某些食品中的生物活性和生理過(guò)程,從而達(dá)到食品保藏或保鮮的目的,尤其是γ射線或X射線具有強(qiáng)大的穿透能力,對(duì)經(jīng)過(guò)包裝的農(nóng)副產(chǎn)品及食品同樣可以達(dá)到殺蟲(chóng)、滅菌的目的并可以防止病源微生物及害蟲(chóng)的再度感染,因而可以在常溫下長(zhǎng)期保存。1.2輻照食品的功能與傳統(tǒng)的食品保藏技術(shù)相比較,輻照保藏食品具有很多優(yōu)點(diǎn):(1)食品輻照可以殺菌、消毒,降低食品的病原體污染,降低食物引起的發(fā)病率。食品輻照的主要目的是殺菌,2～7KGy的輻照劑量可以有效殺死常見(jiàn)的致病菌和非芽孢菌,諸如沙門(mén)氏菌、李斯特菌、金黃色葡萄球菌或大腸桿菌O157:H7。這個(gè)劑量主要是應(yīng)用在畜禽肉、蛋制品和魚(yú)制品上。與其它滅菌方式相比較,輻照處理病人用理療食品、航天食品、野營(yíng)食品和SPF動(dòng)物用飼料具有明顯的優(yōu)越性。(2)食品輻照通常又叫“冷巴氏殺菌”。輻照處理的食品幾乎不會(huì)升高溫度(<2℃),特別適用于用傳統(tǒng)方法處理而失去風(fēng)味、芳香性和商品價(jià)值的食品。因?yàn)樗梢匝杆贇缥⑸锒鴾囟炔幻黠@升高,并且還能很好的保持食品的色香味形等外觀品質(zhì),也不改變食品的特性,而且可以最大限度的延長(zhǎng)貨架期。(3)輻照食品不會(huì)留下任何殘留物,也無(wú)污染。這同農(nóng)藥熏蒸(如谷物殺蟲(chóng))和化學(xué)處理相比是一突出優(yōu)點(diǎn),可以減少環(huán)境中化學(xué)藥劑殘留濃度日益增長(zhǎng)而造成的嚴(yán)重危害,也有助于促進(jìn)國(guó)際貿(mào)易。(4)γ射線穿透力強(qiáng),殺蟲(chóng)、滅菌徹底。對(duì)不適用于加熱、熏蒸、濕煮的食品(谷物、果實(shí)、凍肉等)中深藏的害蟲(chóng)、寄生蟲(chóng)和微生物,起到化學(xué)藥品和其它處理方式所不能及的作用。(5)輻照食品應(yīng)用類型廣泛。我國(guó)在1997年批準(zhǔn)了豆類、谷物及其制品,干果果脯類,熟畜禽肉類,冷凍包裝畜禽肉類,香辛料類,新鮮水果、蔬菜類等六大類食品的輻照衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。輻照可以殺死果蔬上的害蟲(chóng),延緩瓜果的衰老,抑制根莖類蔬菜的發(fā)芽,減少腐爛和損失。輻照還可以對(duì)一些食品包裝材料和醫(yī)用器械進(jìn)行滅菌處理。(6)輻照食品節(jié)約能源。據(jù)1976年國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的估計(jì),食品采用冷藏需要消耗能量為324.4kJ/kg,巴氏消毒為829.14kJ/kg,熱消毒為1081.5kJ/kg,脫水處理為2533.5kJ/kg,而輻照消毒只需要22.7kJ/kg,輻照巴氏消毒僅需2.74kJ/kg。因此,輻照處理可以節(jié)約70%～97%的能量。2輻照食品的影響公眾在心理上難以接受輻照食品,原因之一是他們擔(dān)心或者認(rèn)為輻照過(guò)的食品具有放射性;原因之二是不清楚輻照對(duì)食品的營(yíng)養(yǎng)成分到底有多大的影響。其實(shí),這些擔(dān)心是由于對(duì)輻照食品了解甚少造成的。首先,輻照食品不具備產(chǎn)生放射性的條件,一是食品與放射源不會(huì)發(fā)生接觸污染;二是目前應(yīng)用在輻照食品上的電離能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激發(fā)物質(zhì)原子核產(chǎn)生放射性的閾值。自1943年美國(guó)研究人員首次用射線處理食品以來(lái),科學(xué)家們一直在研究輻照對(duì)食品中營(yíng)養(yǎng)成分的影響。輻照可以使食品發(fā)生理化性質(zhì)的變化和生物學(xué)變化,產(chǎn)生少量的所謂“輻解產(chǎn)物”,導(dǎo)致感官品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分的改變。變化的程度和性質(zhì)取決于輻照食品的種類、輻照環(huán)境(主要是氣體和溫度)和輻照劑量。然而到目前為止還沒(méi)有令人滿意的結(jié)果,主要是輻解產(chǎn)物的量很少,而且輻解產(chǎn)物也并非輻照食品所獨(dú)有的,在烹調(diào)、蒸煮過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)類似物質(zhì)。2.1其他化學(xué)成分水分廣泛存在于各類食品中,輻照導(dǎo)致的大多數(shù)其它組分的化學(xué)變化,很大程度上都是這些組分與水輻解的離子和自由基產(chǎn)物相互作用而產(chǎn)生的結(jié)果。輻照純水后,水的輻解中間產(chǎn)物主要有:水合電子e-aq、H原子、OH自由基、HO2自由基和過(guò)氧化氫。具有氧化性的是OH自由基和HO2自由基,具有還原性的是水合電子e-aq和H原子,過(guò)氧化氫是既具有氧化性又具有還原性的。這些活性物質(zhì)的“間接”效應(yīng)或“次級(jí)”效應(yīng)導(dǎo)致食品其它化學(xué)組分的進(jìn)一步變化。如水合電子e-aq作為強(qiáng)還原劑,可以很快與大部分芳香族化合物、羧酸、醛、酮、硫代化合物以及二硫化合物反應(yīng),與氨基酸和糖反應(yīng)較慢。e-aq跟蛋白質(zhì)反應(yīng)時(shí),很容易加成到組氨酸、半胱氨酸和胱氨酸等組成上。e-aq還可以與食品中的較少的組分如維生素、色素等起反應(yīng)。所以,水分輻照后的輻解產(chǎn)物是食品中最重要最活躍的因素。2.2輻照電離能提高蛋白質(zhì)的含量和結(jié)構(gòu)輻照后蛋白質(zhì)的變化取決于輻照劑量、溫度、pH值、氧氣、水的含量和食品的復(fù)雜體系。蛋白質(zhì)由于它的多級(jí)結(jié)構(gòu)而具有獨(dú)特的性質(zhì),對(duì)低劑量輻照表現(xiàn)不敏感。如果輻照的樣品是純蛋白質(zhì)的固體,輻照過(guò)程就不會(huì)產(chǎn)生自由基,也不會(huì)引起蛋白質(zhì)分解;如果輻照的樣品是蛋白質(zhì)的水溶液或者是含有蛋白質(zhì)的混合物,由于在輻照過(guò)程中產(chǎn)生水或者混合物中某種物質(zhì)的自由基,引起蛋白質(zhì)分解,產(chǎn)生了氨基酸。如果輻照含硫的氨基酸如甲硫氨酸、胱氨酸和半胱氨酸,就會(huì)產(chǎn)生一些揮發(fā)性的物質(zhì)諸如硫醇和硫烷。因此,輻照電離能可以使蛋白質(zhì)的末端氨基酸脫氨基和脫羧基,也可以使蛋白質(zhì)的肽鏈斷裂,這些反應(yīng)就導(dǎo)致酰胺類物質(zhì)和相應(yīng)的酸或酮類化合物的產(chǎn)生。如果輻照的樣品是蛋白質(zhì)水溶液,首先會(huì)激發(fā)水合電子和羥基自由基的產(chǎn)生,然后會(huì)導(dǎo)致肽鏈斷裂或者使自由基遷移到易激發(fā)的氨基酸側(cè)鏈上,諸如胱氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、組氨酸、色氨酸和賴氨酸。輻照作用下,蛋白質(zhì)的氫鍵和二硫鍵容易斷裂,導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性,空間構(gòu)象破壞。一方面由于二硫鍵的減少或硫氫鍵的氧化,蛋白質(zhì)分子的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)受到破壞,另一方面由于在其它位置形成了新鍵,使蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。尤其在輻照球蛋白的過(guò)程中,分子間會(huì)形成加速輻解的二硫鍵。以上的這些變化都是相對(duì)于純的化學(xué)物質(zhì)而言,而食品中除蛋白質(zhì)外還包含其它不同的成份,它們各自對(duì)輻照又有相互保護(hù)作用?？傊?蛋白質(zhì)經(jīng)輻照后,可以通過(guò)間接作用(e-aq、H·、OH·)和直接作用而發(fā)生變化。這種變化可作為用來(lái)衡量輻照對(duì)食品中營(yíng)養(yǎng)成份變化的指標(biāo)。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)產(chǎn)生的輻解產(chǎn)物在數(shù)量上是非常小的,可以完全證明輻照沒(méi)有明顯減少蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。大量的輻照實(shí)驗(yàn)也表明,其氨基酸的種類、含量均無(wú)明顯的變化,一些氨基酸的含量還有所增加,但輻照后蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能都發(fā)生了變化,由此也引起了生物體(或生物組織)代謝的延緩或加強(qiáng),或喪失代謝機(jī)能等過(guò)程的發(fā)生。2.3輻照低聚糖的形成機(jī)理對(duì)于糖類化合物,固態(tài)和在溶液的糖輻照后都會(huì)發(fā)生變化。糖類在大劑量輻照過(guò)程中發(fā)生的變化主要是降解作用和輻解產(chǎn)物的形成。固態(tài)的糖輻照后,其輻解產(chǎn)物取決于晶體結(jié)構(gòu)和水分含量,與輻照過(guò)程中的氣體條件無(wú)關(guān)。糖晶體對(duì)輻照極其敏感,一旦輻照的局部能量傳遞到晶格,糖晶體就會(huì)輻解,晶體對(duì)光的散射和透射率降低,其輻解產(chǎn)物與傳遞的能量有直接關(guān)系。輻照糖類可產(chǎn)生以下變化:融點(diǎn)降低和旋光性改變。吸收譜在260～280nm范圍內(nèi),吸收強(qiáng)度也隨時(shí)間減少。輻解產(chǎn)物有:H2、CO、CO2、H2O、CH4、甲醛、乙醛、丙酮、丙醛等等。輻照固態(tài)的糖會(huì)產(chǎn)生具有氧化性的化合物,這也能夠說(shuō)明在氧飽和的水中溶解輻照糖塊其pH會(huì)降低。在輻照糖的水溶液中,水自身輻解產(chǎn)物的間接作用代替了對(duì)糖類的直接作用,尤其是最容易起反應(yīng)的自由基如羥基自由基。與固態(tài)糖類的輻解產(chǎn)物相類似,其旋光性和折射率都會(huì)降低。輻照單糖水溶液會(huì)產(chǎn)生H2、CO、CO2、甲醛、丙醛、乙二醛、醛糖糖酸、糖醛酸、糖聚合體、脫氧化合物。如果有些輻解產(chǎn)物的濃度較高,表現(xiàn)出一定的致癌性風(fēng)險(xiǎn)。在有氧的情況下,羧酸的含量會(huì)增加。輻照低聚糖和多糖,除了上面提及到反應(yīng)外,還發(fā)生糖苷鍵的斷裂。多糖如淀粉被輻照后,黏度會(huì)降低;輻照劑量再高淀粉連凝膠都不能形成,淀粉顆粒變得很脆易碎,增加了α-淀粉酶的反應(yīng)。如果輻照富含糖類的食物,有可能會(huì)形成少量的對(duì)人身體有潛在危害的物質(zhì)(諸如甲醛、丙醛、脫氧糖類),然而由于受輻照食物其它成分不斷反應(yīng)和相互保護(hù)的影響,這些物質(zhì)的含量是非常低的?？傊?在輻照加工中,由于輻照劑量大多控制在10kGy以下,所以糖類的輻照降解和輻解產(chǎn)物是極其微量的。2.4輻照維生素的敏感性維生素對(duì)輻照很敏感,其損失量取決于輻照劑量、溫度、氧氣和食物類型。一般說(shuō)來(lái),低溫缺氧條件下輻照可以減少維生素的損失,低溫密封狀態(tài)下也能減少維生素的損失。不同種類的維生素受輻照的影響程度不一樣,水溶性維生素對(duì)輻照的敏感性從大到小排列如下:硫胺素B1>抗壞血酸C>吡哆醇B6>核黃素B2>葉酸>鈷胺素B12>尼可酸;脂溶性維生素對(duì)輻照的敏感性從大到小排列如下:VE>胡蘿卜素>VA>VK>VD。水溶性維生素對(duì)輻照的敏感性主要取決于它們是處在水溶液中,還是在食品中,或者它們受食品中其它化學(xué)物質(zhì)所保護(hù),其中包括維生素彼此的保護(hù)作用。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,在VB1溶液輻照0.50KGy后,大約損失50%,而全蛋粉輻照同樣劑量后VB1只損失了5%。輻照時(shí)維生素之間的協(xié)同保護(hù)作用也非常明顯。VC和煙酸分別接受大劑量輻照時(shí),VC破壞達(dá)90%,而煙酸相當(dāng)穩(wěn)定。然而當(dāng)二者在一起時(shí),VC的損失不超過(guò)30%,而煙酸破壞增大。不少研究者認(rèn)為在美國(guó)和歐洲的膳食中,輻照造成的維生素?fù)p失不一定很重要,這取決于該輻照食物在整個(gè)膳食結(jié)構(gòu)中所占的比例。在阿根廷輻照對(duì)膳食中維生素影響也得出類似的結(jié)論。舉例來(lái)說(shuō),豬肉是重要的硫胺素源,硫胺素對(duì)輻照又很敏感,但即使美國(guó)市場(chǎng)上所有的豬肉都經(jīng)過(guò)輻照處理,對(duì)美國(guó)人來(lái)說(shuō),硫胺素在膳食中也只損失2.3%,因?yàn)槊绹?guó)人很少吃豬肉。在歐美膳食中,VA、VE的主要來(lái)源是黃油和牛奶,而這二者又不適宜輻照處理。這也是輻照影響VA、VE的研究不多的實(shí)際原因。2.5給魚(yú)類添加肌肽或氧化酶脂肪是食物成分中最不穩(wěn)定的物質(zhì),因此對(duì)輻照十分敏感。輻照可以誘導(dǎo)脂肪加速自動(dòng)氧化和水解反應(yīng),導(dǎo)致令人不快的感官變化和必需脂肪酸的減少;而且輻照后過(guò)氧化物的出現(xiàn)對(duì)敏感性食物成分例如維生素有消極的影響。過(guò)氧化物的產(chǎn)生可以通過(guò)調(diào)整輻照食品的氣體條件和溫度來(lái)改變,也可以給肉類添加肌肽、抗氧化劑來(lái)控制或者給禽類喂養(yǎng)添加抗氧化劑的飼料來(lái)抑制。Ahn等研究認(rèn)為輻照產(chǎn)生的令人不快的氣味與脂肪氧化的程度并沒(méi)有直接關(guān)系,而是與輻照產(chǎn)生的揮發(fā)性成分有直接關(guān)系。輻照脂肪的變化幅度和性狀取決于被輻照食品的組成、脂肪的類型、不飽和脂肪酸的含量、輻照劑量和氧的存在與否等。一般來(lái)說(shuō),輻照飽和脂肪相對(duì)穩(wěn)定,不飽和脂肪則容易發(fā)生氧化;氧化程度與輻照劑量大小成正比;當(dāng)有氧存在時(shí)脂肪則發(fā)生典型的連鎖反應(yīng)。試驗(yàn)驗(yàn)證不同性狀的動(dòng)物和植物脂肪,發(fā)現(xiàn)某些脂肪對(duì)輻照表現(xiàn)很高的穩(wěn)定性。脂溶性VA對(duì)輻照和自動(dòng)氧化過(guò)程比較敏感,一般把VA選為評(píng)判脂肪輻照程度的標(biāo)準(zhǔn)。此外,也可以用酸價(jià)和過(guò)氧化值的變化來(lái)評(píng)定。有證據(jù)表明:與植物脂肪相比較,輻照動(dòng)物脂肪更適宜,因?yàn)樗鼘?duì)自動(dòng)氧化過(guò)程具有較高的抗性,這是通過(guò)測(cè)定過(guò)氧化值得出的。大量試驗(yàn)表明,在劑量低于50KGy時(shí),處于正常的輻照條件下,脂肪質(zhì)量的指標(biāo)只發(fā)生非常微小的變化。3常見(jiàn)的營(yíng)養(yǎng)成分變化3.1環(huán)氧乙烷蒸餾和輻照滅菌對(duì)調(diào)味料品質(zhì)的影響在輻照產(chǎn)業(yè)中,脫水蔬菜、調(diào)味品和干香料的生產(chǎn)量處于首位。這是由于輻照滅菌不但可以保證其衛(wèi)生安全,而且可以更好的保持其固有的品質(zhì)和風(fēng)味。決定香辛料和調(diào)味品品質(zhì)的主要因素是芳香族化合物、揮發(fā)性油和非揮發(fā)性油。M.Vajdj研究了環(huán)氧乙烷熏蒸和輻照滅菌對(duì)香料、調(diào)味品營(yíng)養(yǎng)成分的保持情況,發(fā)現(xiàn)它們都會(huì)使調(diào)味品的揮發(fā)性油和非揮發(fā)性油減少,但是熏蒸法的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于輻照滅菌。輻照滅菌造成非揮發(fā)性油的損失并不多,對(duì)揮發(fā)性油的保持幾乎百分之百。Tjaberg等人用45KGy高劑量輻照各種調(diào)味品后,發(fā)現(xiàn)輻解產(chǎn)物僅占揮發(fā)性物質(zhì)的0.01%,對(duì)其輻射化學(xué)研究證明了所有輻解產(chǎn)物的量都不夠達(dá)到產(chǎn)生毒害的地步。3.2輻照維生素vb1輻照水果、蔬菜的目的有四方面:延長(zhǎng)貨架期,抑制發(fā)芽,改善品質(zhì),檢疫處理。新鮮水果、蔬菜營(yíng)養(yǎng)豐富,主要成分為糖、酸、蛋白質(zhì)和維生素。在不同目的的輻照劑量范圍內(nèi)(<5KGy)這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基本穩(wěn)定,影響最大的是水溶性維生素。據(jù)報(bào)告,水果、蔬菜輻照劑量在<5KGy以下時(shí)VC的損失通常在20%～30%以下。由于輻照還可使抗壞血酸轉(zhuǎn)變?yōu)槊摎淇箟难?后者也有一定的生物活性,故實(shí)際破壞很少。VB1是B族維生素中對(duì)輻照最不穩(wěn)定的維生素。通常它在食品輻照時(shí)所受的破壞與食品熱加工相當(dāng)。在輻照水果、蔬菜時(shí)VB1約破壞63%。B族其它維生素受輻照影響都比VB1小。與水溶性維生素相比脂溶性維生素更容易被破壞。VE是脂溶性維生素中最不穩(wěn)定者。3.3輻照脂肪和理化成分含量、以氧代食輻照肉類和禽類主要是延長(zhǎng)貨架期,防止食源性疾病的發(fā)生。在通常的輻照殺菌劑量中,肉類和禽類的氨基酸含量無(wú)明顯改變,脂肪的輻解產(chǎn)物有所增加,但在天然食品中也都存在,沒(méi)有特征產(chǎn)物,所以營(yíng)養(yǎng)成分不會(huì)受到破壞。在輻照肉類和禽類的研究中,輻照脂肪后其過(guò)氧化物含量會(huì)有明顯的增加;而且輻照后類脂和蛋白質(zhì)的揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生典型的“輻照味”。輻照后的豬肉和牛肉還發(fā)現(xiàn)有“增色”現(xiàn)象:其中瘦肉(在真空無(wú)氧包裝下)更紅,而在室溫條件下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間存放后,這種紅色又會(huì)慢慢褪去。其作用機(jī)制至今尚未完全研究清楚。3.4魚(yú)類的營(yíng)養(yǎng)成分輻照谷類豆類及其制品主要目的是殺蟲(chóng),通常采用1KGy以下的劑量。輻照谷類豆類后,其各個(gè)營(yíng)養(yǎng)成分與對(duì)照均無(wú)明顯差異,主要是對(duì)谷類豆類中某些成分的物性有影響,導(dǎo)致加工品