近年来,国内外由微生物污染引起的食品安全事件屡见不鲜,这不仅造成了巨大的经济损失,而且严重危害人民的身体健康[1],因此,微生物污染问题是影响食品工业发展的重点问题。目前,食品工业常用的杀菌技术包括高温灭菌、超高温瞬时灭菌、超高压杀菌、微波杀菌、紫外线杀菌和化学抑菌等,其中高温灭菌会一定程度造成食品感官品质下降,超高压杀菌食品应用范围较小,紫外线杀菌穿透力弱,存在杀菌不彻底的缺点,添加防腐剂或杀菌剂则存在化学残留问题,而辐照杀菌可以弥补上述杀菌技术的不足。根据辐射源不同,辐照杀菌可分为由60Co或137Cs产生的γ射线辐照杀菌、利用电子束产生的X射线辐照杀菌(≤5 MeV)和电子束辐照杀菌(≤10 MeV)[2]。辐照杀菌利用电离辐射与物质相互作用,打断氢键、使双键氧化、破坏环状结构或使某些分子聚合等方式,破坏和改变生物大分子的结构,从而抑制或杀死微生物,对食品进行“冷”杀菌,其设备操作简便,无废水废气排出,且根据大量的毒理学研究表明,在一定辐照剂量下,辐照食品不会产生放射性物质和有毒物质,辐照杀菌引起食品组成的变化不会对人体健康产生危害,因此辐照杀菌具有简便、环保和安全的优点[3]。随着辐照装置技术的日渐成熟,食品辐照杀菌技术逐步实现了工业化,现已有60多个国家批准了辐照杀菌在食品工业中的应用[4]。因此,本文综述了辐照杀菌的原理、特点和对食品品质、营养成分的影响及控制,以期为辐照杀菌技术在食品领域的应用提供理论参考,促进食品行业的健康发展。
1 辐照杀菌的原理及优缺点
1.1 辐照杀菌的原理
辐照杀菌是指食品经过一定剂量波长极短的高能射线(如γ射线、电子束和X射线)照射后,可以杀灭食品表面(或内部)的病原微生物或其他腐败微生物的过程。如图1所示,辐照杀菌根据作用方式不同分为直接作用和间接作用。直接作用是射线直接作用于蛋白质、脂类和核酸,使其发生断裂、交联、降解等一系列化学反应,改变其生物化学性质,导致其结构破坏和功能丧失,从而达到杀死微生物的目的。间接作用是通过辐照使水分子发生辐解,形成水合电子、氢原子、羟自由基、过氧化氢等带电物质,再作用于生物大分子,使其发生氧化还原反应,导致其结构破坏,降低或失去生物功能,从而达到杀死微生物的目的。研究表明[5],间接作用引起的DNA损伤是微生物致死的主要原因。另外,不同种类的微生物对辐照的敏感性不同,如ZHANG等[6]采用150 keV低能X射线对接种于干豆蔻中的不同菌种进行辐照杀菌处理。结果表明,鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌O157∶H7、金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌的D10值(杀灭90%微生物所需的辐照剂量)分别为53.57、71.43、114.64、87.74 Gy。此外,同一微生物对不同射线的敏感性也有差异[7],如徐毓谦等[8]研究射线类型对英诺克李斯特菌辐照杀菌效果的影响,研究发现γ射线和电子束辐照杀灭英诺克李斯特菌的D10值分别是 0.788、0.872 kGy。
图1 辐照杀菌的原理
Fig.1 Principle of irradiation sterilization
1.2 辐照杀菌的优缺点
和其他杀菌技术相比,辐照杀菌技术具有以下优点:(1)辐照射线穿透力强,可以对包装好的食品进行均匀彻底的杀菌,避免包装过程中的二次污染[9];(2)对固态、液态、干湿食品及不同大小食品均可进行辐照杀菌处理;(3)可在冷冻或常温下进行杀菌,且杀菌基本不会使食品内部升温,能够较好地保持食品的色香味及营养物质[10];(4)在辐照射线的直接(或间接)作用下,生物大分子(或有害有毒分子)会发生断裂、交联、降解等一系列化学反应,降低其毒性。比如辐照杀菌能降低食品中过敏原的致敏性[11],降解农药及真菌毒素等有毒物质[12];(5)相对于超高温瞬时杀菌,辐照杀菌能耗可以降低几倍甚至几十倍,节约能源[13]。
然而,辐照杀菌亦有不足之处:(1)常用的60Co-γ辐照使用放射性核素具有很强的放射性,需要一定的安全防护措施,严防泄露,且不能随时关停,具有一定的安全问题[14];(2)电子束辐照穿透力弱,只能对较小食品或食品表面进行杀菌,应用范围小;(3)X射线是通过电子束照射重金属靶转换而来,其转换效率仅有8%～17%,其他以热能损失,能量的利用率低[15]。
2 辐照杀菌对食品品质的影响
根据卫生部颁布的现行标准GB 14891.1—GB 14891.8,目前我国允许应用辐照技术处理食品的范围如表1所示。大量研究通常采用低辐照剂量(≤1 kGy)对新鲜水果类、新鲜蔬菜类、干果果脯类、猪肉、豆类、谷类及其制品进行杀虫、杀菌、抑制发芽和推迟后熟;中辐照剂量(1～10 kGy)对冷鲜肉、水产品、熟食、花粉、脱水蔬菜及其他加工制品进行杀菌、防霉;高辐照剂量(10～50 kGy)对肉、家禽、海鲜和食品添加剂进行灭菌[4]。
表1 我国允许应用辐照技术的食品种类及目的
Table 1 The types and purposes of food that china allows the application of irradiation technology
国标辐照剂量适用范围目的GB14891.1—1997≤8 kGy熟畜禽肉类食品杀菌,致病菌不得检出GB14891.2—1994≤8 kGy花粉杀菌、防霉,致病菌不得检出,霉菌数不得超过100个/gGB14891.3—19970.4～1.0 kGy干果果脯类食品杀虫、杀菌,不得检出活虫及活虫卵,致病菌不得检出GB14891.4—1997≤10 kGy香辛料类杀菌、防霉,致病菌不得检出,霉菌数不得超过100个/gGB14891.5—1997≤1.5 kGy新鲜水果、蔬菜类抑制发芽,推迟后熟GB14891.6—1994≤0.65 kGy猪肉猪肉旋毛虫灭活,不能发育为成虫在动物肠道内寄生GB14891.7—1997≤2.5 kGy冷冻包装畜禽肉类杀灭沙门氏菌,不得检出沙门氏菌GB14891.8—1997豆类≤0.2 kGy,谷类0.4～0.6 kGy豆类、谷类及其制品杀虫,不得检出活虫及活虫卵
2.1 辐照杀菌对食品色泽的影响
食品色泽是评价食品感官品质的重要指标,会直接影响消费者对食品的认可性和满意度。研究发现,辐照杀菌会影响鲜肉、肉制品和果蔬的色泽。辐照杀菌会使肉品的色泽加深或变暗,也可以使其他食品的色泽保持不变甚至发生改善。FENG等[16]采用电子束对冷鲜猪肉进行辐照杀菌,在试验的辐照剂量范围内(0～5.6 kGy)冷鲜猪肉的亮度和黄度没有规律性变化, 而其红度随着辐照剂量的增加而色泽变深。这是因为冷鲜肉的色泽变化主要由肌红蛋白分子决定,而辐照杀菌会降低氧化-还原电位(oxidation-reduction potential, ORP),产生CO气体,增加羧基肌红蛋白的形成,而羧基肌红蛋白颜色较深,从而使鲜肉的色泽加深。另外,RODRIGUES等[17]研究了γ射线辐照对香肠色泽的影响。研究发现,在试验辐照剂量范围内(1.5～4.5 kGy),辐照杀菌导致香肠的红度降低,但贮藏30 d后,经辐照杀菌处理过香肠的红度开始和未辐照杀菌处理香肠的色泽趋同,原因是辐照香肠会形成绿色素,导致辐照香肠红度降低,随着时间的推移,产生的绿色素会逐渐消失,从而引起辐照香肠红度恢复。果蔬中的色素物质主要包括叶绿素、类胡萝卜素和花青素,其中花青素是鲜艳果蔬色泽的主要来源。研究表明,辐照杀菌往往会影响花青素含量,在低剂量(1 kGy)下,辐照处理对果蔬中花青素影响较小;当辐照剂量增大到2.10 kGy,辐照杀菌开始降解果蔬中花青素,而且降解作用会随着辐照剂量的增大而增强[18]。MANKAÏ等[19]研究了电子束辐照对树莓色泽的影响;辐照组(0.5～2 kGy)和未辐照组相比,树莓黄度显著下降;贮藏14 d后测得,辐照(1、2 kGy)组样品整体色泽变化明显,1 kGy辐照样品的总色差从3变为11,2 kGy辐照样品的总色差从4变为15,辐照杀菌改变了色素浓度,该变化可能与辐照杀菌对细胞结构的影响有关,也可能是花青素与辐照产物形成副产物。MAKARI等[20]采用不同辐照剂量(0～6 kGy)对开心果进行杀菌处理,发现在试验辐照剂量下叶绿素和类胡萝卜素含量均降低了,使开心果的颜色变深。
2.2 辐照杀菌对食品风味的影响
经辐照的食品容易产生一种“辐照味”,严重影响食品的风味,使消费者产生不愉快的感觉[21]。研究表明,辐照杀菌产生异味主要源于辐照作用产生的硫化物、挥发胺和醛类物质。戚文元等[22]研究不同辐照剂量(0～8 kGy)对罗非鱼片的挥发性盐基氮和嗅感的影响,发现用8 kGy辐照剂量处理罗非鱼片有辐照异味产生;并且用8 kGy以上辐照剂量处理蒸煮小龙虾,会使小龙虾含硫挥发性物质的含量增加,产生明显的辐照异味[23]。FENG等[24]研究了电子束射线(0～4.5 kGy)对生牛肉圆眼品质特性的影响,研究得出辐照杀菌生牛肉圆眼时,生牛肉圆眼的硫化挥发物在辐照后显著增加,证明了硫化物形成与辐照异味密切相关。此外,随着辐照剂量的增加,食品中酮和醛类化合物的含量也在增加,导致辐照食品产生辐照异味[25]。LI等[26]研究γ射线辐照对猪肌肉蛋白乳剂品质变化的影响,发现3 kGy辐照剂量会明显促进肌浆蛋白乳液中的脂质氧化,并通过启动蛋白氧化反应促进了辐照异味的产生。研究还得出,苯甲醛是辐照猪肌肉蛋白乳剂产生异味的主要原因之一。
3 辐照杀菌对食品营养成分的影响
辐照杀菌通过直接或间接作用影响食品营养成分,其主要是通过间接作用使水发生辐解,产生离子和自由基,影响食品营养成分。食品中水分含量越多,营养成分越容易受到辐照杀菌影响,但辐照杀菌食品使用辐照剂量较小,食品中物质成分复杂,物质成分之间起相互保护作用。因此,辐照杀菌对食品营养成分影响较小,不会明显降低食品的营养价值[27]。
3.1 蛋白质与氨基酸
蛋白质是食品中的重要营养成分,构成蛋白质的成分包括必需氨基酸和非必需氨基酸。辐照杀菌不会改变蛋白质的含量,但可能使蛋白质结构发生巯基氧化、脱氨脱羧和交联降解等作用,破坏蛋白质的α-螺旋结构,产生较小的肽链[28]。DRIL等[29]研究电子束辐照杀菌对蘑菇蛋白质含量和多肽分子的影响,在试验辐照剂量(3～9 kGy)范围内发现,电子束辐照杀菌会将蛋白质降解成氨基酸,提高蘑菇中游离氨基酸的含量,提高蘑菇蛋白的生物学价值。顾可飞等[30]研究了电子束辐照对氨基酸质量浓度与结构的影响,研究结果表明,当辐照剂量为1 kGy时,辐照杀菌对胱氨酸、蛋氨酸质量浓度影响较大,分别降低了65%和52%;酪氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和脯氨酸质量浓度略有下降;当辐照剂量为10 kGy时,胱氨酸质量浓度降低了80%,蛋氨酸未检出,酪氨酸、苯丙氨酸、组氨酸、脯氨酸质量浓度也大幅度降低,其他氨基酸质量浓度均有不同程度降低。原因可能是胱氨酸和蛋氨酸均含有C—S键,此键可能对辐照比较敏感,其他氨基酸含有环状结构,环状结构在辐照作用下也不稳定。
3.2 脂肪
脂肪是人体需要的六大营养素之一,供给机体所需能量和必需脂肪酸,也是食品中最不稳定的营养素之一,易受到辐照杀菌的影响。如辐照杀菌产生的自由基会引起自由基的链式反应,加速食品脂肪氧化的过程,从而使辐照食品的酸价、过氧化值和羰基价增大[31]。另外用γ射线对肉乳液进行辐照杀菌时,会引起肉乳液酸价、过氧化值和羰基价升高[32]。
3.3 碳水化合物
碳水化合物是生命细胞结构的主要成分及供能物质,不易受到辐照杀菌的影响,往往只有高剂量辐照才会引起碳水化合物的降解和氧化。MULEY等[33]用高剂量γ射线(100 kGy)对壳聚糖进行辐照灭菌处理,发现壳聚糖分子质量由337.7 kDa降低到82.2 kDa,用紫外可见光谱和红外光谱表征。结果表明,辐照后壳聚糖骨架发生了轻微的变化,但通常辐照食品杀菌不会使用高剂量。例如我国国家标准规定的最高辐照剂量仅为10 kGy,而美国国家航空航天局规定冷冻包装肉类辐照剂量可达44 kGy,但肉类中碳水化合物较少。果蔬和谷物中碳水化合物含量高,但辐照杀菌剂量较低,故辐照杀菌对这些食品中碳水化合物的影响很小。石彬等[34]通过8 kGy辐照杀菌猕猴桃后,贮藏60 d,发现其可溶性还原糖含量和对照组没有显著性差异,但在辐照初期,辐照猕猴桃中的可溶性还原糖含量显著高于未辐照组,这可能是由于辐照加速了淀粉前期的降解。
3.4 维生素
维生素是人和动物为维持正常的生理功能而必须从食物中获得的一类微量有机物,在人体生长、代谢和发育过程中发挥着重要作用。辐照杀菌对维生素的作用比较复杂,不同种类的维生素对辐照敏感性不同,一般水溶性维生素对辐照杀菌较为敏感。ROBICHAUD等[35]对婴儿配方奶粉进行辐照杀菌,发现奶粉样品中的维生素C含量没有显著变化,而调成液体的奶粉样品的维生素C含量随辐照剂量(0～10 kGy)增加而降低,这可能与样品中的水分含量有关,因为维生素C溶于样品中的水,与辐照后产生的自由基发生反应,从而造成了维生素C含量降低。有研究表明,低剂量(0.5 kGy)γ射线辐照可以有效地提高大豆油稳定性和保留抗氧化剂(如维生素E等脂溶性抗氧化剂)[36];但也有相关研究得出不一致的结果,如ARSHAD[37]采用7 kGy辐照剂量对冷冻鸭肉进行杀菌,导致样品中维生素A和维生素E含量均有所下降,这可能是由于辐照剂量增加引起的。
4 辐照杀菌对食品品质不良影响的控制
由辐照杀菌引起食品品质的损失程度受辐照剂量、辐照种类、温度、包装形式、抗氧化剂和联合杀菌方式的影响。
4.1 辐照剂量
辐照剂量是影响食品品质的重要因素之一。通常情况下,高剂量辐照对食品品质影响大,反之则对食品品质影响小。对果蔬进行辐照杀菌时,较高剂量辐照会对果蔬表皮造成损伤,加快水分蒸发,提高失重率,不利于贮藏保存;而低剂量辐照对果蔬营养物质的影响很小。罗梦等[38]采用不同剂量(0.25～1.0 kGy)的γ射线对椪柑进行辐照处理。试验得出,当辐照剂量为0.50 kGy时,可以有效抑制指状青霉及其他微生物的生长繁殖,抑制椪柑呼吸强度和丙二醛含量的升高,延缓椪柑可溶性固形物、可滴定酸和抗坏血酸含量的下降,保持椪柑果实细胞内过氧化物酶的活性,降低贮藏过程中椪柑果实质量的损失率;当辐照剂量为1.0 kGy时,椪柑果实的失重率高于对照组,果实的表面出现红褐色斑点。另外,采用辐照杀菌处理肉类食品时,发现较低辐照剂量能保持肉类食品的色泽,减少辐照异味的产生。GUNTHER等[39]研究表明,用<3 kGy的辐照剂量对生鲜猪肉处理时,对其色泽具有一定的促进作用。因此,降低辐照剂量,可控制辐照杀菌对食品品质的不良影响。
4.2 辐照种类
辐照射线根据来源不同分成γ射线、X射线和电子束,3种辐照射线特性的比较见表2。常用的辐照方式有60Co-γ辐照和电子束辐照,X射线辐照的研究很少。相较于γ射线辐照和X射线辐照,电子束辐照的穿透力较弱,适合表面辐照杀菌。SOKOVNIN[40]研究了包装鸡蛋表面杀菌工艺,利用电子加速器进行辐照杀菌试验。得出辐照剂量>5 kGy的电子束辐照足以对卵表面进行充分杀菌,其内部辐照剂量不超过80 mGy,不会导致蛋白或蛋黄发生生物学变化。γ射线辐照和X射线辐照的作用方式相同,但效果不同。研究表明,与γ射线辐照的病原体相比,低能X射线辐照病原体的D10值显著高于γ射线照射的病原体的D10值[41];与电子束或X射线辐照相比,γ射线辐照显著提高了熟牛肉饼的过氧化值;采用γ射线和X射线对猪肉香肠杀菌时,X射线辐照引起猪肉香肠的过氧化值明显升高;采用γ射线和电子束对猪肉香肠杀菌时,γ射线辐照猪肉香肠的红度增加,而电子束辐照猪肉香肠的红度减少[42]。
表2 不同辐照射线特性比较[43]
Table 2 Characteristics comparison of different irradiated rays[43]
项目γ射线电子束X射线辐照来源γ辐射源电子加速器加速电子撞击金属靶辐照性质辐照电磁波光子高速电子流带电粒子电磁波光子作用方式康普顿和电子对效应电离激发康普顿和电子对效应带电性不带电1个负电荷不带电穿透力强较弱强食品中辐照能量限值5 MeV10 MeV5 MeV设备装备费用较高较低较高照射物体大小大小物体均可限于小物体大小物体均可照射物体种类液、固物体均可液、固物体均可液、固物体均可辐照设施占地广占地较少占地较少对环境影响放射性污染安全安全
4.3 温度
温度是影响化学反应速率与进程的重要因素。辐照杀菌会使水分子发生辐解产生自由基,发生氧化反应,降低辐照杀菌的环境温度可以一定程度影响食品中水的流动性,限制水辐解物的扩散,减少氧化反应的发生,从而有效降低辐照杀菌对食品品质的不良影响。研究得出,在低温条件下对肉制品进行辐照杀菌,可以显著降低辐照杀菌对肉制品色泽、风味的影响。TSUZUKI等[44]在不同条件下对生牛肝进行γ射线辐照杀菌,结果表明,γ射线辐照引起的不饱和脂肪酸氧化受样品温度的影响,降低环境温度可以抑制辐照杀菌引起的氧化反应。
4.4 包装控制
包装控制主要通过改变包装中气体成分和含量来控制食品的氧化过程,降低辐照食品的氧化程度,减少辐照食品的不良影响。研究表明,真空包装可以有效抑制辐照食品的氧化过程。冯晓琳等[45]研究了辐照杀菌对真空包装冷鲜猪肉品质的影响,结果表明,辐照剂量在1.9～5.6 kGy范围内增加时,真空包装冷鲜猪肉的脂肪氧化程度未发生明显变化,也未出现明显异味,随着贮藏时间的延长,辐照异味还会有所下降。蒋慧亮等[46]研究了气调包装与辐照杀菌相结合对保藏期的影响,得出当气调包装内CO2含量高于50%时,对蚌肉的保鲜效果相差不大(P>0.05);当气调包装中O2含量为20%时,可提高蚌肉的色泽度,改善蚌肉的感官品质,延长蚌肉的保藏期。
4.5 抗氧化剂
抗氧化剂是一类阻止发生氧化不良影响的物质,能帮助捕获并中和自由基,防止或延缓食品氧化,提高食品稳定性和延长贮存期的食品添加剂[47]。抗氧化剂对辐照诱导氧化具有一定的抑制作用,与辐照杀菌联用可以有效降低氧化反应的发生。AKHTER等[32]使用低剂量γ射线对添加和未添加天然抗氧化剂的肉乳液进行辐照杀菌,结果表明,天然抗氧化剂对辐照诱导氧化具有一定的抑制作用,同时低剂量γ射线杀菌与迷迭香提取物联合应用可延长肉乳液的保质期。韩俐羽[48]研究了不同抗氧化剂对应急食品中脂肪氧化的抑制作用,结果表明,不同抗氧化剂对各种辐照食品的过氧化值影响不同,且不同辐照剂量下,抗氧化剂抑制氧化反应的效果不同,这可能是由于不同抗氧化剂对辐照杀菌的敏感性不同,辐照杀菌会使部分抗氧化剂发生降解。
4.6 与其他杀菌方式联用
单一的杀菌方式易对食品品质造成较大影响,如单一热杀菌处理需要的温度高,时间长;单一化学杀菌需要较大剂量;单一辐照杀菌需要较高剂量。相对而言,联合杀菌是一种高效、节能且对食品品质影响较小的杀菌方式。MALLIKARJUNAN等[49]分别对即食柠檬米和罗望子米的保藏期进行研究,结果表明,用5 kGy辐照剂量对柠檬米处理,可以使产品在常温下保存3个月;用1 kGy辐照剂量对罗望子米处理,然后在80 ℃下热处理20 min的联合处理,也达到了3个月的保藏期。相对于单独热杀菌需要的121 ℃和辐照杀菌的5 kGy,80 ℃下热处理联合1 kGy的辐照杀菌就可以达到相同的保藏要求。此外,与单独辐照相比,γ射线辐照或X射线辐照与植物精油联合使用,通常也能提高杀菌效果[41]。
5 结束语
总之,辐照杀菌作为一种有效的杀菌方式,能较好的杀灭病原微生物,较好的处理包装食品,防止对食品造成二次污染,尤其适用传统杀菌效果差、对品质影响大的食品,具有巨大的市场需求和发展潜力。辐照杀菌用于食品贮藏研究时,会对食品风味和营养成分造成影响,并提出了相应的控制措施。比如辐照杀菌会使食品产生异味,可以采用气调、真空包装、低温和添加抗氧化剂等方法有效降低辐照不良影响,还可以与其他传统的高压、高温、微波、红外、烟熏、腌制等杀菌方法相结合,产生协同作用来降低辐照剂量,借助集成创新来保障食品质量安全与延长食品保质期。目前人们对辐照杀菌的研究还不够深入,例如辐照杀菌的食品种类还比较少,消费者对辐照食品的了解也比较少。其次,辐照食品的推广还存在着消费者的接受问题。首先,建议我国的食品辐照杀菌应与国际领域接轨,有助于辐照食品的进出口贸易;另外,通过加大辐照食品的科学宣传,让更多的人了解辐照食品,提供权威信息,推进辐照食品商业化,引导消费者正确认识和接受辐照食品;最后建立更加完善的法律法规,全面规范技术参数,实现精准化辐照,使辐照杀菌能在食品工业中更好地发挥优势。
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