第四章-食品的辐照加工技术

第四章食品的辐照加工技术概述辐照产生的效应和对食品成分的影响影响辐照加工效果的因素辐照技术在食品加工中的应用§4.1概述一、食品辐照技术的概念食品辐照技术即把食品直接放置于辐照场中，利用辐照源所放射出来的α、γ射线或电子束，通过直接或间接作用在食品中引起一系列的化学、生物学变化，杀灭食品中的微生物与害虫，从而达到杀菌保鲜的作用。由于食品辐照加工过程中无需对食品进行加热，所以又被称为“冷巴斯德杀菌法”。随着辐照食品化学的发展，辐照技术也愈来愈多地直接用于食品加工，以期改善食品的加工工艺，提高制品的质量和产量。辐照食品标签二、食品辐照技术的发展辐照食品技术的发展经历了漫长的岁月。早在伦琴发现X射线的第二年(即1896年)，Minck就提出了X—射线对细菌的作用与实际应用问题；1898年第一次证明了X射线对病原菌有致死作用；1899年证实了它对寄生虫有致死作用。这些早期发现推动了电离辐照在粮食和其他农产品的辐照保藏方面的应用。朗纳(Runnen)1916年证实，经X射线处理后的昆虫烟草甲不能繁殖。辐照杀菌保藏技术最早出现在1930年，已收入美国专利集中。第二次世界大战以后，随着放射性同位素的大量应用和电子加速器的问世，食品辐照加工有了明显发展，目前食品辐照加工技术已经成为食品工业的重要组成部分。伦琴三、食品辐照加工技术的优点①能耗低。如冷藏食品每吨耗能90kWh，巴斯德消毒为230kWh，而辐照消毒仅为0.76kWh。由此可见，辐照保藏能大幅降低能耗。②应用范围广，有利于辐照装置的综合利用。由于射线的穿透力强可杀灭大小包装、散装、液体、固体干货、鲜果内部的病菌和害虫，对于一些难于进行加热、熏蒸、湿蒸杀菌的食品、药品尤其适用。③辐照加工属于冷加工，不会引起食品内部温度的明显升高，因而，易于保持食品的色香味和外观品质。例如：辐照马铃薯不仅可抑制发芽，而且辐照产品饱满不发皱，硬度好，养分也没有明显的损失，与冷藏或化学保藏的马铃薯比较有较强的竞争力。④食品辐照是物理加工过程，不需要化学药物，没有药物残留，放射性不污染环境，是一种安全的食品加工方法。⑤辐照加工可以优化食品的加工工艺，提高产品质量。例如：辐照牛肉更嫩滑，辐照酒可以提高陈酿度，辐照的大豆易于消化吸收等。⑥辐照加工可杀灭沙门氏茵和寄生虫，改进食品卫生质量，高剂量完成的无菌食品适于医院特需病人、宇航员及航海、登山、探险和地质人员的特殊需要。辐照食品能在常温下长期保存，便于运输和国际贸易。⑦辐照装置的一次投资很大，但与肉类的低温库相比并不高，而建成后的运转费用远低于冷藏法，所以辐照处理的总成本与较低。§4.2辐照生产的效应和对食品成分的影响一、辐照源目前用于食品的辐照源主要有三种：γ射线X射线电子束射线1.γ射线主要由放射性较高、半衰期长的放射性同位素获得，常用的放射性元素有60Co和137Cs；2.X射线是X射线发生器工作在5兆电子伏的最大能量时产生的电子束；3.电子射线由电子加速器获的。它们共同特点是波长很短一般在10-8～10-12m范围内，具有足够的破坏共价键的能量而对生物体造成影响，并且将高能量转移到靶物时，无明显的升温现象，可保持原有食品的特性，具有较强的穿透力。三种射线穿透力比较，其中γ射线穿透力最强，能穿透较大较厚食品，且辐照剂量各部位均匀，适用于完整食品及各种包装食品的内部处理。X射线与电子射线穿透力较弱，可用于食品表面处理，及片状食品的处理，对内部不宜辐照的食品更为适用。国际辐照单位和测定委员会将辐照剂量定义为：电离辐照某一体积源物质的平均能量与该体积元物质的质量之比，即：dDdm辐照吸收剂量是指任意介质吸收电离辐射的物理量，它与辐射效应相关，而与电离辐射的种类及能量无关。国际单位为戈瑞（Gy）：1Gy=1J/kg=100Rad在食品辐照处理中，一般用食品对辐照线的吸收剂量作为衡量辐照效果的标准。1.化学效应辐照对食品及其他生物物质的化学效应，至今还有许多机理未弄清。但一般认为，电离辐照使食品或其他生物体产生各种离子、粒子或质子的基本过程可分为直接作用(效应)和间接作用(效应)。直接效应使物质形成离子、激发态分子或分子碎片。间接效应是辐照直接作用形成产物间的相互作用，生成与原始物质不同的化合物。直接效应无需特殊条件，而间接效应与温度等其他条件有关。电离辐照处理的食品也会发生若干化学变化，而且剂量越大，变化程度越大。食品辐照后，含有不饱和脂肪酸的脂肪发生了氧化变化；碳水化合物有可能因辐照而使糖水解以及淀粉的氧化和降解；蛋白质中的部分氨基酸可能会发生分解、氧化，部分蛋白质发生交联或者裂解。但是在适宜剂量下这些变化不明显，而且这些变化在采用其他方法加工时也同样存在。食品中的维生素对辐照较为敏感。脂溶性的维生素E和维生素A对辐照的敏感性最强，水溶性的维生素C和维生素B1的敏感性强，只有维生素B5对辐照不敏感。但辐照处理对维生素的破坏程度要比热处理小。如果在冷冻状态下照射，维生素的敏感性更弱。只有食品受到25～50kGy高剂量辐照后，其维生素的破坏程度才与热处理相当。二、辐照产生的基本效应2生物学效应辐照使细胞分子产生一系列的生理生化反应，干扰微生物代谢，特别是其中的脱氧核糖核酸。破坏细胞膜，引起酶系统紊乱致死.水分子辐照后离子化，形成H+、OH-、H2O2等基团。这些中间产物能在不同途径中进行反应，在水的间接作用下，使生物活性物质钝化，细胞受损，当损伤到一定程度时，就使细胞生理机能完全丧失。3生理学效应通过辐照可以抑制水果后熟。其机理主要是改变体内乙烯的生产率从而影响其生理活动。辐照还可以改变蔬菜的呼吸强度，防止老化，其效果与辐照剂量有关。对根菜类辐照可抑制其发芽。1.辐照对食品感观的影响首先辐照后的食品会产生异味，这主要是食品中的蛋白质和氨基酸等含氮物质经照射后会产生NH3、H2S、酰胺和碳基化合物。脂肪经照射后会产生碳基化合物和过氧化物等，而导致食品的酸败，其酸败的程度主要是取决于照射剂量、温度、氧的含量和温度等。其次是色泽的变化。辐照处理不同食品对色素的影响不同。植物性色素对辐照较稳定，动物性色素对辐照较敏感。如在空气中辐照火腿会严重褐变，牛肉在用50kGy剂量辐照时也发生揭变。因此，为了防止褐变的发生，目前采用在真空包装条件下辐照处理。三、辐照对食品质量的影响辐照加工对结晶氨基酸只发生直接作用，而对氨基酸溶液则发生直接和间接两种作用。间接作用是指由于辐照使水产生电离而生成的羟基自由基、氢原子和过氧自由基等与氨基酸发生化学反应；关于氨基酸溶液的辐照降解产物，现在已基本研究清楚。例如，在无氧条件下辐照丙氨酸可形成丙酸、甲烷、乙基胺、CO、丙酮酸、乙醛等；在有氧条件下，还会产生乙酸和甲酸；甘氨酸的辐照降解产物与此类似。这说明辐照可使氨基酸溶液脱氨，而且碳链部分亦有分解。各种氨基酸有其不同的结构，因而其水溶液的辐照降解产物也不同。在进行大剂量的辐照时，胱氨酸溶液的辐照降解产物中有H2S气味，说明辐照降解发生在-S-S-键的位置。蛋氨酸的辐照降解产物中有硫酸，导致溶液有较强的烂白菜味道。2.辐照对蛋白质的影响蛋白质水溶液的辐照降解常见的有下列几种：(1)蛋白质吸收光谱的改变蛋白质溶液经辐照后可见光部分吸收光谱改变不大，而紫外线部分发生明显变化，不同种类的蛋白质对辐照的敏感性不同。盐类对其有保护作用。光谱改变的程度也与pH值和蛋白质的浓度有关。(2)分子聚合作用蛋白质分子经辐照而产生聚合作用，其结果使相对分子质量增加，体积增大。(3)H2S的释放蛋白质中－SH基的增加常表示－S—S－键发生分解。－SH增加若伴随游离氨基酸产生，则表示蛋白质有分解；若不伴随游离氨基酸的产生，则仅为变性。无论是哪种情况，在辐照降解产物中都有可能产生H2S。(4)粘度的改变通常辐照后蛋白质溶液的粘度比未辐照前有所增加。在一定辐照剂量范围内，粘度增加与剂量呈线性关系；而当辐照剂量较低时粘度反而降低。(5)其他变化辐照可使蛋白质分子发生裂解和聚合，裂解和聚合是同时发生的，只是主次不同而已；辐照可使蛋白质结构和抗原性发生变化；辐照使蛋白质电泳性和阴阳离子结合能发生变化；辐照后蛋白质中形成羰基；辐照后蛋白质的酶解能力发生变化等。电磁辐照对稀水溶液中单糖的作用主要是通过间接反应产生，其辐照降解产物取决于糖本身的性质。例如，葡萄糖辐照后可生成葡萄糖醛酸、葡萄糖酸、糖二酸、乙二酸、阿拉伯糖、赤藓糖、甲醛和二羟丙酮。水溶液中单糖的辐照降解主要是羟基的氧化。在干燥的条件下对食品进行辐照时，食品中的糖类可与蛋白质或氨基酸发生聚合反应而生成褐色的聚合物，这就是典型的美拉德反应。寡多糖的辐照降解产物与单糖相似；纤维素和淀粉类的多糖的辐照降解产物为蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、糊精等单糖和低聚糖；果胶是几种糖的混合物，经辐照后会发生解聚作用；糖原是动物组织内的多糖，辐照降解产物是类似的小分子糖类。例如，木材纤维素经65～75kGy剂量的辐照后，其水溶性固形物的含量增加，生成戊糖和还原糖类；将葡聚糖和淀粉辐照降解，生成葡萄糖、麦芽糖等。3.辐照对碳水化合物的影响4.辐照对脂肪的影响脂类的辐照降解产物主要是由长链脂断裂而形成的烃类，在有氧存在下由自由基引发反应形成烃的过氧化物，以及过氧化物分解产生的过氧化氢和氧化生成的醛酮类产物。脂类辐照变化取决于脂肪的类型、吸收剂量、温度、氧化速度和环境条件等。通常，动物性脂肪进行辐照时比植物性脂肪更容易发生化学变化。采用低温处理和除氧(充氮、抽真空和充惰性气体等)可以减少化学反应的发生。辐照会引起脂类的一些氧化反应，生成酮、醛等有难闻气味的物质，导致脂肪变质，消化速度下降。在实际辐照加工过程中，脂肪会受到周围环境的保护作用，脂肪的变化很小，所以辐照加工食品并不会因为脂肪类的变化而失去营养价值。5.辐照对维生素的影响维生素是食品中重要的微量营养素，许多食品加工的方法都会引起维生素的损失，电离辐照引起的损失最多的营养素也是维生素。维生素分为水溶性维生素和脂溶性维生素两大类。由于化学结构的差异，电离辐照对它们的影响也不尽相同，而且与其存在的环境密切相关。溶液中维生素C、维生素B2和烟酸受不同剂量辐照时的相对敏感性维生素剂量/kGy浓度/μg•mL-1保存率/％维生素C0.1010098.00.2510085.60.5010068.71.5010019.82.001003.5维生素B22.505089.6烟酸（单独使用）4.001072.0烟酸＋草酸4.001034.5烟酸＋维生素C4.001014.0油溶性的耐辐射性大小：维生素K维生素D维生素A维生素E维生素E受影响最大，最容易损失。辐照食品中维生素E的损失食品射线种类剂量/kGy损失/%全乳（全脂奶粉）γ1.5很大γ2.440γ4.860乳粉（全粉）β1.036乳脂γ16.882～83人造奶油β1.056坚果（整果）β1.019坚果（研压）β1.032猪油（O2）β1.056猪油（N2）γ5.05γ20.015γ80.046蛋粉β1.017牛肉（N2）γ2.0无损失猪肉（O2）γ3.037猪肉（O2）β2.0有些损失§4.3影响辐照加工效果的因素一、辐照剂量剂量的大小直接影响辐照的作用效果，不同的剂量有不同的用途。剂量越大，杀菌效果越好，但负作用也随之增加。为了保证产品质量，通常应根据食品种类及处理指标将剂量限制在一个合适范围内。不同辐照剂量的用途剂量用途产品实例低剂量（≤1kGy）防止污染和延迟成熟抑制土豆发芽，延缓成熟过程杀死小麦、水果、蔬菜中的害虫和幼虫杀死食物中的寄生虫土豆、洋葱、香蕉、芒果、脱水蔬菜、谷物鲜肉中等剂量（1～10kGy）杀菌减少环境中微生物和食物中的寄生虫减少食物中的病源性微生物草莓、葡萄、脱水蔬菜、新鲜或冷冻的鱼类、肉类高剂量（10～58kGy）灭菌食品灭菌消灭致病菌食品添加剂或配料的灭菌海鲜、肉类、香料等二、介质与状态辐照介质的组成会影响辐照对微生物的灭菌效果：不同物品种类，其合适的辐照剂量差异很大也会改变辐照效果。如辐照前肉类食品中加入少许三聚磷酸钠和氯化钠，可以防止汁液在辐照时渗出，保护食品的水