食品輻照的研究與應用

食品輻照的研究與應用

食品輻射是人類利用原子能技術開發(fā)的一種新的食品保護技術。近年來,它作為一種提高食品安全和延長貨架期的技術,得到越來越多的國家和國際組織的關注和應用,也在日益顯現(xiàn)其巨大的經(jīng)濟和社會效益。1食品輻射的原則和優(yōu)勢1.1x射線輻照mev食品經(jīng)過一定劑量的電離射線60Coγ或137Csγ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)的輻照,殺滅食品中的害蟲,消除食品中的病原微生物及其它腐敗細菌或抑制某些食品中的生物活性和生理過程,從而達到食品保藏或保鮮的目的,尤其是γ射線或X射線具有強大的穿透能力,對經(jīng)過包裝的農副產品及食品同樣可以達到殺蟲、滅菌的目的并可以防止病源微生物及害蟲的再度感染,因而可以在常溫下長期保存。1.2輻照食品的功能與傳統(tǒng)的食品保藏技術相比較,輻照保藏食品具有很多優(yōu)點:(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的致病菌和非芽孢菌,諸如沙門氏菌、李斯特菌、金黃色葡萄球菌或大腸桿菌O157:H7。這個劑量主要是應用在畜禽肉、蛋制品和魚制品上。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、野營食品和SPF動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升高溫度(<2℃),特別適用于用傳統(tǒng)方法處理而失去風味、芳香性和商品價值的食品。因為它可以迅速殺滅微生物而溫度不明顯升高,并且還能很好的保持食品的色香味形等外觀品質,也不改變食品的特性,而且可以最大限度的延長貨架期。(3)輻照食品不會留下任何殘留物,也無污染。這同農藥熏蒸(如谷物殺蟲)和化學處理相比是一突出優(yōu)點,可以減少環(huán)境中化學藥劑殘留濃度日益增長而造成的嚴重危害,也有助于促進國際貿易。(4)γ射線穿透力強,殺蟲、滅菌徹底。對不適用于加熱、熏蒸、濕煮的食品(谷物、果實、凍肉等)中深藏的害蟲、寄生蟲和微生物,起到化學藥品和其它處理方式所不能及的作用。(5)輻照食品應用類型廣泛。我國在1997年批準了豆類、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)生標準。輻照可以殺死果蔬上的害蟲,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。輻照還可以對一些食品包裝材料和醫(yī)用器械進行滅菌處理。(6)輻照食品節(jié)約能源。據(jù)1976年國際原子能機構的估計,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,原因之一是他們擔心或者認為輻照過的食品具有放射性;原因之二是不清楚輻照對食品的營養(yǎng)成分到底有多大的影響。其實,這些擔心是由于對輻照食品了解甚少造成的。首先,輻照食品不具備產生放射性的條件,一是食品與放射源不會發(fā)生接觸污染;二是目前應用在輻照食品上的電離能遠遠低于激發(fā)物質原子核產生放射性的閾值。自1943年美國研究人員首次用射線處理食品以來,科學家們一直在研究輻照對食品中營養(yǎng)成分的影響。輻照可以使食品發(fā)生理化性質的變化和生物學變化,產生少量的所謂“輻解產物”,導致感官品質和營養(yǎng)成分的改變。變化的程度和性質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有令人滿意的結果,主要是輻解產物的量很少,而且輻解產物也并非輻照食品所獨有的,在烹調、蒸煮過程中也會出現(xiàn)類似物質。2.1其他化學成分水分廣泛存在于各類食品中,輻照導致的大多數(shù)其它組分的化學變化,很大程度上都是這些組分與水輻解的離子和自由基產物相互作用而產生的結果。輻照純水后,水的輻解中間產物主要有:水合電子e-aq、H原子、OH自由基、HO2自由基和過氧化氫。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,過氧化氫是既具有氧化性又具有還原性的。這些活性物質的“間接”效應或“次級”效應導致食品其它化學組分的進一步變化。如水合電子e-aq作為強還原劑,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,與氨基酸和糖反應較慢。e-aq跟蛋白質反應時,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。所以,水分輻照后的輻解產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的含量和結構輻照后蛋白質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雜體系。蛋白質由于它的多級結構而具有獨特的性質,對低劑量輻照表現(xiàn)不敏感。如果輻照的樣品是純蛋白質的固體,輻照過程就不會產生自由基,也不會引起蛋白質分解;如果輻照的樣品是蛋白質的水溶液或者是含有蛋白質的混合物,由于在輻照過程中產生水或者混合物中某種物質的自由基,引起蛋白質分解,產生了氨基酸。如果輻照含硫的氨基酸如甲硫氨酸、胱氨酸和半胱氨酸,就會產生一些揮發(fā)性的物質諸如硫醇和硫烷。因此,輻照電離能可以使蛋白質的末端氨基酸脫氨基和脫羧基,也可以使蛋白質的肽鏈斷裂,這些反應就導致酰胺類物質和相應的酸或酮類化合物的產生。如果輻照的樣品是蛋白質水溶液,首先會激發(fā)水合電子和羥基自由基的產生,然后會導致肽鏈斷裂或者使自由基遷移到易激發(fā)的氨基酸側鏈上,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,蛋白質的氫鍵和二硫鍵容易斷裂,導致蛋白質變性,空間構象破壞。一方面由于二硫鍵的減少或硫氫鍵的氧化,蛋白質分子的二級和三級結構受到破壞,另一方面由于在其它位置形成了新鍵,使蛋白結構發(fā)生了變化。尤其在輻照球蛋白的過程中,分子間會形成加速輻解的二硫鍵。以上的這些變化都是相對于純的化學物質而言,而食品中除蛋白質外還包含其它不同的成份,它們各自對輻照又有相互保護作用?？傊?蛋白質經(jīng)輻照后,可以通過間接作用(e-aq、H·、OH·)和直接作用而發(fā)生變化。這種變化可作為用來衡量輻照對食品中營養(yǎng)成份變化的指標。因為蛋白質產生的輻解產物在數(shù)量上是非常小的,可以完全證明輻照沒有明顯減少蛋白質的營養(yǎng)價值。大量的輻照實驗也表明,其氨基酸的種類、含量均無明顯的變化,一些氨基酸的含量還有所增加,但輻照后蛋白質的結構和功能都發(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,或喪失代謝機能等過程的發(fā)生。2.3輻照低聚糖的形成機理對于糖類化合物,固態(tài)和在溶液的糖輻照后都會發(fā)生變化。糖類在大劑量輻照過程中發(fā)生的變化主要是降解作用和輻解產物的形成。固態(tài)的糖輻照后,其輻解產物取決于晶體結構和水分含量,與輻照過程中的氣體條件無關。糖晶體對輻照極其敏感,一旦輻照的局部能量傳遞到晶格,糖晶體就會輻解,晶體對光的散射和透射率降低,其輻解產物與傳遞的能量有直接關系。輻照糖類可產生以下變化:融點降低和旋光性改變。吸收譜在260～280nm范圍內,吸收強度也隨時間減少。輻解產物有:H2、CO、CO2、H2O、CH4、甲醛、乙醛、丙酮、丙醛等等。輻照固態(tài)的糖會產生具有氧化性的化合物,這也能夠說明在氧飽和的水中溶解輻照糖塊其pH會降低。在輻照糖的水溶液中,水自身輻解產物的間接作用代替了對糖類的直接作用,尤其是最容易起反應的自由基如羥基自由基。與固態(tài)糖類的輻解產物相類似,其旋光性和折射率都會降低。輻照單糖水溶液會產生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。如果有些輻解產物的濃度較高,表現(xiàn)出一定的致癌性風險。在有氧的情況下,羧酸的含量會增加。輻照低聚糖和多糖,除了上面提及到反應外,還發(fā)生糖苷鍵的斷裂。多糖如淀粉被輻照后,黏度會降低;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。如果輻照富含糖類的食物,有可能會形成少量的對人身體有潛在危害的物質(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和相互保護的影響,這些物質的含量是非常低的。總之,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物是極其微量的。2.4輻照維生素的敏感性維生素對輻照很敏感,其損失量取決于輻照劑量、溫度、氧氣和食物類型。一般說來,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物質所保護,其中包括維生素彼此的保護作用。據(jù)文獻報道,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%。輻照時維生素之間的協(xié)同保護作用也非常明顯。VC和煙酸分別接受大劑量輻照時,VC破壞達90%,而煙酸相當穩(wěn)定。然而當二者在一起時,VC的損失不超過30%,而煙酸破壞增大。不少研究者認為在美國和歐洲的膳食中,輻照造成的維生素損失不一定很重要,這取決于該輻照食物在整個膳食結構中所占的比例。在阿根廷輻照對膳食中維生素影響也得出類似的結論。舉例來說,豬肉是重要的硫胺素源,硫胺素對輻照又很敏感,但即使美國市場上所有的豬肉都經(jīng)過輻照處理,對美國人來說,硫胺素在膳食中也只損失2.3%,因為美國人很少吃豬肉。在歐美膳食中,VA、VE的主要來源是黃油和牛奶,而這二者又不適宜輻照處理。這也是輻照影響VA、VE的研究不多的實際原因。2.5給魚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,因此對輻照十分敏感。輻照可以誘導脂肪加速自動氧化和水解反應,導致令人不快的感官變化和必需脂肪酸的減少;而且輻照后過氧化物的出現(xiàn)對敏感性食物成分例如維生素有消極的影響。過氧化物的產生可以通過調整輻照食品的氣體條件和溫度來改變,也可以給肉類添加肌肽、抗氧化劑來控制或者給禽類喂養(yǎng)添加抗氧化劑的飼料來抑制。Ahn等研究認為輻照產生的令人不快的氣味與脂肪氧化的程度并沒有直接關系,而是與輻照產生的揮發(fā)性成分有直接關系。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。一般來說,輻照飽和脂肪相對穩(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;當有氧存在時脂肪則發(fā)生典型的連鎖反應。試驗驗證不同性狀的動物和植物脂肪,發(fā)現(xiàn)某些脂肪對輻照表現(xiàn)很高的穩(wěn)定性。脂溶性VA對輻照和自動氧化過程比較敏感,一般把VA選為評判脂肪輻照程度的標準。此外,也可以用酸價和過氧化值的變化來評定。有證據(jù)表明:與植物脂肪相比較,輻照動物脂肪更適宜,因為它對自動氧化過程具有較高的抗性,這是通過測定過氧化值得出的。大量試驗表明,在劑量低于50KGy時,處于正常的輻照條件下,脂肪質量的指標只發(fā)生非常微小的變化。3常見的營養(yǎng)成分變化3.1環(huán)氧乙烷蒸餾和輻照滅菌對調味料品質的影響在輻照產業(yè)中,脫水蔬菜、調味品和干香料的生產量處于首位。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和風味。決定香辛料和調味品品質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香料、調味品營養(yǎng)成分的保持情況,發(fā)現(xiàn)它們都會使調味品的揮發(fā)性油和非揮發(fā)性油減少,但是熏蒸法的損失遠遠多于輻照滅菌。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高劑量輻照各種調味品后,發(fā)現(xiàn)輻解產物僅占揮發(fā)性物質的0.01%,對其輻射化學研究證明了所有輻解產物的量都不夠達到產生毒害的地步。3.2輻照維生素vb1輻照水果、蔬菜的目的有四方面:延長貨架期,抑制發(fā)芽,改善品質,檢疫處理。新鮮水果、蔬菜營養(yǎng)豐富,主要成分為糖、酸、蛋白質和維生素。在不同目的的輻照劑量范圍內(<5KGy)這些營養(yǎng)物質基本穩(wěn)定,影響最大的是水溶性維生素。據(jù)報告,水果、蔬菜輻照劑量在<5KGy以下時VC的損失通常在20%～30%以下。由于輻照還可使抗壞血酸轉變?yōu)槊摎淇箟难?后者也有一定的生物活性,故實際破壞很少。VB1是B族維生素中對輻照最不穩(wěn)定的維生素。通常它在食品輻照時所受的破壞與食品熱加工相當。在輻照水果、蔬菜時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明顯改變,脂肪的輻解產物有所增加,但在天然食品中也都存在,沒有特征產物,所以營養(yǎng)成分不會受到破壞。在輻照肉類和禽類的研究中,輻照脂肪后其過氧化物含量會有明顯的增加;而且輻照后類脂和蛋白質的揮發(fā)性物質會產生典型的“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(在真空無氧包裝下)更紅,而在室溫條件下經(jīng)過一段時間存放后,這種紅色又會慢慢褪去。其作用機制至今尚未完全研究清楚。3.4魚類的營養(yǎng)成分輻照谷類豆類及其制品主要目的是殺蟲,通常采用1KGy以下的劑量。輻照谷類豆類后,其各個營養(yǎng)成分與對照均無明顯差異,主要是對谷類豆類中某些成分的物性有影響,導致加工品