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第四章食品的辐射保藏第一节概述一、食品辐射保藏的发展史二、辐射保藏食品的优缺点（一）优点（1）杀死微生物效果显著，剂量可根据需要进行调节；（2）一定的剂量（5kGy）照射不会使食品发生感官上的明显变化；（3）即使使用高剂量（10kGy）照射，食品中总的化学变化也很微小；（4）没有非食品物质残留；（5）产生的热量极少，可以忽略不计，可保持食品原有的特性。在冷冻状态下也能进行辐射处理；（6）放射线的穿透能力强、均匀、瞬间即逝，而且对其辐射过程可以进行准确控制；（7）食品进行辐射处理时，对包装无严格要求。（二）缺点（1）经过杀菌剂量的照射，一般情况下，酶不能完全被钝化；（2）经辐射处理后，食品所发生的化学变化从量上来讲虽然是微乎其微的，但敏感性强的食品和经高剂量照射的食品可能会发生不愉快的感官性质变化。这些变化是因游离基的作用而产生的；（3）有些专家认为，辐照会诱发食品产生致突变、致畸形、致癌和有毒因子。后来的研究则认为这是没有根据的；（4）辐射这种保藏方法不适用于所有的食品，要有选择性地应用；（5）能够致死微生物的剂量对人体来说是相当高的，所以必须非常谨慎，做好运输及处理食品的工作人员的安全防护工作。为此，要对辐射源进行充分遮蔽，必须经常、连续对照射区和工作人员进行监测检查。三、食品辐照发展方向食品辐射保藏的研究，国际上一直有两种发展方向，即高剂量辐射、低剂量辐射。（一）高剂量辐射以美国为主的一些国家发展高剂量辐射研究，进行牛肉、鸡肉的辐射灭菌。该方法着重于卫生安全性，但成本高。（二）中低剂量辐射该方法是食品辐射处理的主要方向，具有成本低、适于大量推广等优点。第二节辐射的基本原理一、放射性强度单位居里（Ci）：1居里的任意放射性强度是每秒有3.7×1010次核衰变数。毫居里（mCi）：1毫居里的任意放射性强度是每秒有3.7×107次核衰变数。微居里（μCi）：1微居里的任意放射性强度是每秒有3.7×104次核衰变数。贝可[勒尔]（Bq）：每秒钟1次衰变。1Ci=3.7×1010Bq。放射性比度（比放射性）：是单位质量的物质内所含的放射性强度，单位为Bq/g。放射性浓度：单位容积的溶液内所含的放射性强度，单位为Bq/mL。二、辐射源用于食品的辐射源有三种：放射性燃料、电子加速器、X-射线源。食品辐射处理时，希望使用具有良好穿透力的散射物，目的是使食品表面的微生物和酶钝化，而且产生的这种作用可以深入到食品内部。另外，又不希望使用高能散射物，以免使食品中的原子遭到破坏，并使食品呈放射性。所以食品辐射保藏处理主要用γ-射线和β-粒子。为了保证被辐射的食品不产生放射性物质，应选择合适的辐射源。目前，允许使用的辐射源有60Co、137Cs、不超过10MeV的加速电子；X-射线源，其束能不超过5MeV。（一）放射性燃料可采用经过核反应堆使用后的废铀燃料元素。这些废燃料仍具有强的放射性，可经合适屏蔽和封闭来使用。（二）电子加速器电子加速器又称静电加速器或范德格拉夫加速器，该装置可产生β-粒子或电子。（三）X-射线源采用高能电子束轰击高质量的金属靶（如金靶）时，电子被吸收，其能量的一小部分转变为短波长的电磁射线（X-射线）。三、辐射能量及剂量单位（一）辐射能量食品辐射处理，一般是指用有限种类的辐射能进行加工，统称为电离辐射。选用各种电离辐射的依据：是其穿透力和不在受处理的食品中诱发产生放射性，也不会在食品中产生显著的热量。所以食品的辐射保藏也称为冷杀菌食品保藏。（二）辐射的剂量单位1．辐射量（辐照量）辐射量概念仅用于X-射线和γ-辐射光子。单位：伦琴（R）；国际单位：库/千克（C/kg）1R=2.58×10-4C/kg单位时间内的照射量称为照射量率，简称辐照率。2．吸收剂量吸收剂量：在一定范围内的某点处，单位质量被辐照物质所吸收的辐射能的量称为吸收剂量（D）。国际辐射单位和测定委员会把吸收剂量定义为：电离辐射某一体积元物质的平均能量，与该体积元物质的质量之比。吸收剂量的单位：戈瑞（Gy）；拉德（Rad）；1Gy=1J/kg=100Rad吸收剂量率（）：是吸收剂量随时间的变化率。D注意：食品辐射处理中，为获得食品所受辐射效应的准确数据，可信赖的辐射量是吸收剂量。在任何既定的辐照条件下，由于不同食品具有不同的辐射吸收性质，故必须规定被辐照特定食品的吸收剂量，才能有效地促使食品中微生物、酶和其他成分发生变化。（三）剂量的分布及测定方法1．剂量的分布在食品辐射中，处于不同位置的食品受到的辐射剂量是不同的，为确保辐射效果，国际和国内的标准都要求最高剂量和最低剂量的比值要小于2。辐照工厂中把这个比值定为1.7，以确保辐照产品的质量。注意：食品辐射时，除要控制最大剂量和最小剂量之外，还有一个重要因素——辐照的剂量率。高剂量率可缩短照射的时间，因此减少对食品本身伤害，从而提高产品的品质。2．剂量的测定方法一般采用量热剂进行测量，它是根据吸收体的热性能，测量物质中射线消散的总能量或能量消散速率。第三节辐射引发的食品化学和生物化学效应物质受到辐射时发生变化的过程：（1）吸收辐射能；（2）发生一系列辐射性化学变化；（3）发生一系列生物化学性变化；（4）细胞或个体死亡或出现遗传变异等生物效应，剂量小时，辐射损伤可得到恢复。一、食品的辐射化学效应（一）直接作用生物学家提出了射线与基质直接碰撞的靶理论，认为辐照作用主要是由于这种直接碰撞引起的。（二）间接作用水受到辐射后可产生氢和过氧化氢，并形成水合电子（还原剂）、氢氧基（氧化剂）、氢基（氧化剂或还原剂）三种中间产物。从而导致一系列氧化还原反应。约束间接作用的途径：1．在冻结状态下辐射，可减少游离基的产生量，并阻止游离基的扩散和移动，降低游离基与食品组分的接触几率。2．在真空中或惰性气体环境中辐射，以减少水生成氢和过氧化氢的反应。但该方法会降低辐射处理的效果。3．添加游离基的接受体（如Vc），消耗游离基，从而减少游离基对食品的损伤。但该方法会降低辐射对微生物和酶的作用。（三）辐射对食品成分的影响1．氨基酸和蛋白质蛋白质的结构会发生改变，导致分子变性，发生凝聚、粘度下降和溶解度降低等变化。不同的氨基酸也会发生相应的变化，其中含有巯基或二硫基的氨基酸或蛋白质的敏感性极强。2．酶（1）水存在时，辐射处理更容易导致酶失活；（2）适当提高温度（-10℃）有利于酶的失活；（3）辐射对酶活的降低作用因酶的种类不同而有所差异。3．碳水化合物（1）低分子糖类受到辐射时，随着辐射剂量的增加，都会出现旋光度降低、褐变、还原性和吸收光谱的变化，并可产生氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等物质。（2）高分子糖经辐射后会发生熔点降低、旋光度降低、吸收光谱变化、褐变、结构变化等现象。4．脂类辐射对脂类所产生的影响可分为三个方面：（1）整个理化性质发生变化；（2）受辐射感应而发生自动氧化变化；（3）发生非自动氧化性的辐射分解。5．维生素（1）脂溶性维生素中VE的辐射敏感性最强；（2）水溶性维生素中VB1、Vc对辐射最不稳定；（3）维生素的辐射稳定性与辐射时食品组成、气相条件、温度及其他环境因素有关；（4）食品中的维生素比单纯溶液中的维生素稳定性强。二、食品的辐射生物学效应(一)微生物1．直接作用靶学说（target-theory）：电离辐射离子贯穿或贴近穿入微生物细胞的敏感部分（DNA）而使之死亡。辐射一方面可使DNA的碱基发生分解或氢键断裂，另一方面使糖和磷酸的结合部位破坏，即DNA的主链断裂。其中后者的破坏性更大。2．间接作用弥散学说（间接作用学说）：辐射使细胞内各种物质，尤其是细胞内外大量存在的水分子生成游离基，使细胞内正常的氧化—还原反应体系遭到破坏，而引起死亡。（二）昆虫辐射对昆虫有三种作用后果：1．立即死亡立即致死量：昆虫受到辐射后立即死亡所需要的剂量为立即致死量。这种剂量具有杀虫迅速的优点，但费用很高。2．缓期致死缓期致死剂量：昆虫受到辐射后要经过一个星期以上的潜伏期才能大量死亡所需要的剂量为缓期致死剂量。3．不孕不孕剂量：昆虫受到射线照射后，丧失生殖能力，产生不孕现象所需的剂量为不孕剂量。用不孕剂量不仅可以降低照射费用，而且可以避免高剂量照射对食品引起的不良影响。（三）植物辐射在植物性食品上的应用主要是：抑制块茎、鳞茎类发芽，推迟蘑菇破膜开伞，调节后熟和衰老。1．抑制发芽原因：（1）核酸和核苷酸的代谢被破坏，分生组织受到伤害变质。（2）核蛋白发生变性。（3）植物激素代谢与抑制发芽的关系尚不明确。2．调节呼吸和后熟（1）对呼吸跃变型果实，经适当剂量的辐射后，一般会表现为后熟被抑制、呼吸跃变后延、叶绿素分解减慢。原因：“修复反应”：认为辐射使果蔬受到伤害，要修复这些伤害需要一定的时间，因而使后熟推迟。（2）对非呼吸跃变型的果实，经辐射后，反而会促进成熟。3．辐射与乙烯代谢（1）不论是呼吸跃变型果实，还是非呼吸跃变型果实，辐射都会对乙烯的产量有瞬时性的促进，从而使呼吸增强。但这只是瞬时的，短暂的，很快就会恢复。（2）呼吸跃变型果实经适当剂量辐射后，会抑制内源乙烯的产生。（这是造成后熟推迟的原因之一）4．辐射与组织褐变组织褐变是辐射伤害最明显、最早表现的症状，它是酶褐变，酚类物质在氧化酶催化下的结果。第四节辐射在食品保藏中的应用一、应用于食品上的辐射类型（一）辐射阿氏杀菌辐射阿氏杀菌又称商业性杀菌，所使用的辐射剂量可以使食品中的微生物数量减少到零或有限个数。剂量范围为：10-50kGy。（二）辐射巴氏杀菌此杀菌方法只杀灭无芽孢病原细菌（除病毒外）。剂量范围：5-10kGy。（三）辐射耐贮杀菌这种辐射处理能提高食品的贮藏性，降低腐败菌的原发菌数，延长新鲜食品的后熟期及保藏期。剂量范围：5kGy以下。二、确定辐射剂量的决定因素（一）食品的耐辐射性食品的化学成分、物理结构在品质被认为受到损坏之前，所能接受的变化程度很不相同，因而，可根据品质的可接受性来确定辐射剂量的上限。（二）微生物的耐辐射性食品中最能耐受辐射处理的微生物为肉毒梭状芽孢杆菌。DM值：指能减少90%菌群的辐射剂量。12DM可以提供广泛范围的安全性。钝化系数（inactivationfactor）：表示受到一定剂量照射后存活菌数减少至1个时的原菌数的值。DM值的计算方法：法1：由存活曲线求出；法2：由公式求出：N0：原发菌数；N：经Di照射后的存活菌数。NNDDiMlglg0（三）酶的耐辐射性酶比微生物更能耐受电离辐射。酶分解单位（DE）：酶活性降低90%的辐射剂量的变化称为酶分解单位，用DE表示。由于破坏酶所需的辐射剂量很高，在安全的辐射剂量内对酶的破坏是有限的，所以，辐射处理时，常用加热的方法来达到灭酶的效果。（四）辐射费用高剂量会增加辐射费用。三、食品辐射保藏的工艺食品辐射的工艺流程：采收或制备→预处理包装→运输→辐照→后处理贮存↖↑↗↑↑品质检查剂量控制品质检查（一）食品的品质与辐照效果辐射食品的品质受辐射前食品品质的影响，因此，必须保证食品辐射前的品质。（二）辐照食品的包装1．高剂量的辐射会使金属包装受到损坏。2．辐射处理会使塑料包装的食品产生异味。3．金属箔和各种复合包装材料可承受高剂量照射。4．低剂量条件下，玻璃纸、人造纤维、聚乙烯膜、聚氯乙烯膜、尼龙、复合薄膜、玻璃容器及金属容器均可使用。（三）辐照时期辐照时期的选择应根据辐照处理的目的。1．一般，产品收获或加工后要尽可能快的辐照。放置时间越长，辐照效果越差。2．为延长休眠期、抑制发芽，在生理休眠期结束前辐射的效果好。如，对跃变型果实，应在呼吸跃变前进行，而不是刚采收后。3．马铃薯在采后一个月，伤呼吸完成，进入休眠期时进行。4．洋葱在休眠期照射比休眠期结束后照射引起的褐变程度低，故应在采收后尽快照射。（四）影响食品辐照的因素1．温度（1）常温下辐射，温度对杀菌效果的影响不大。（2）在0℃以下的低温下进行辐射，温度对辐射杀菌的影响结果表现不一，要视菌的种类而定。（3）冰点以下进行辐射时，辐射不产生间接作用或间接作用不显著，因此，微生物的抗辐射作用增强。但冻结工艺控制不当时，由于细胞膜受到损伤，微生物对辐射的敏