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电子束辐照对果蔬品质影响的研究进展

电子束辐照 冷杀菌技术
发布:2020-09-09 10:53:24     来源:北方园艺

电子束辐照是一种利用电子加速器产生的电子束射线能量杀灭果蔬表面微生物,抑制果蔬生理活动,从而延长果蔬货架期的保鲜技术手段。与常规保鲜方法相比,电子束辐照保鲜是冷杀菌技术,杀菌效率高,并能较好的保持其原有感官品质、营养和风味,具有安全高效、无污染、无添加等优点。该研究对电子束辐照的技术特点、对果蔬品质的影响及研究进展、辐照食品安全性进行介绍,并对其应用前景进行展望。

随着生活水平的不断提高,人们对果蔬等农副产品的需求也在提升,但水果蔬菜等产品的生产具有较强的区域性和季节性,以及自身容易腐烂变质,在旺季时大量果蔬因采摘后贮藏不当导致变质、腐烂,从而降低其食用价值和商品价值。据统计,每年果蔬因采后贮藏运输不当,导致果蔬的损耗率高达20%~30%,果蔬损失量高达8000万t,造成750亿元的经济损失;此外,广大消费者对时令水果和蔬菜需求的多样性和迫切性与果蔬淡季调节的矛盾十分突出。

因此,为保证果蔬的供应均衡,需加强生产和供应计划外,最关键的是果蔬的贮藏工作,淡旺季供需矛盾的调节,市场果蔬种类和品质提升。目前,果蔬的贮藏保鲜技术主要是利用物理、化学或生物方法抑制微生物的生长、减缓果蔬的呼吸作用,达到延长货架期的目的,如广泛应用的低温保鲜、涂膜保鲜、气调保鲜、化学添加剂保鲜等。但以上方法存在技术设备昂贵、耗能耗电、操作性不强、有毒残留、工作效率低、无法工业化生产等不足,现需要开发更安全环保、低碳节能、操作简便、易工业化生产的新型果蔬保鲜技术。

辐照技术是和平利用原子能技术的一个重要方面,主要指利用放射源(60 Co或137 Cs)产生的γ射线或电子加速器产生的电子束(β射线或转靶X射线)等照射被辐照物质,产生电离和激发,形成自由基,通过控制辐射条件,使被辐照物质发生物理化学的变化,或使生物体受到不可恢复的损伤和破坏,达到人们所需的预期目标。该技术现已被广泛用于辐照灭菌,食品保鲜,材料改性等领域,目前,辐照技术因其节能、环保、高效的优势,在许多领域逐步取代传统的加工方法,被公认为高技术、高效益的绿色环保和节能型科技加工技术手段。与常规方法相比,食品辐照技术具有突出优势:

1)辐照技术是一种冷杀菌技术,通常在常温下进行,能够很好的保持食品原有的成分风味和营养物质;

2)安全环保,依靠射线能量杀死食品中的微生物和抑制生理活性,无化学添加;

3)杀菌彻底,能够杀灭食品表面和食品内部的微生物、寄生虫和致病菌;

4)操作简单,已进行产业化生产,辐照采用自动化装置,停止辐照后射线立即停止,无放射性残留,也不会诱发产生放射性。

辐照装置主要有60Co放射源和电子加速器,近年来,随着钴源价格的不断攀升和放射源退役处理问题突出,电子束辐照技术在食品保鲜中的研究和应用受到越来越多关注,该研究将从电子束辐照技术优势、电子束辐照对果蔬品质的影响、电子束辐照食品的安全性和电子束辐照技术的发展前景等几个方面对电子束辐照在果蔬保鲜中的应用研究进行介绍。

1 电子束辐照技术

电子加速器和60Coγ射线工作原理相似,都是通过与被加工物质作用使物质发生物理、化学和生物效应,不同的是加速器产生的电子束是高能电子,而60Coγ射线是不带电荷的高能光子[9]。与钴源相比,电子加速器辐照具有以下突出优点:

1)辐照剂量均匀,加工质量高;射线利用率高;

2)加工时间短,工作效率高;

3)可控制性强,通过调节传送速度即可控制辐照剂量;

4)能源主要是电能,关机后无射线,无辐射,无射线废源处理问题,无环境污染隐患,安全可靠。

根据电子束能量的大小,电子加速器可分为3类:

1)低能电子加速器,能量为100~300KeV,主要用于涂层固化、薄膜和片材料的辐射加工、烟气净化等;

2)中能电子加速器,能量为0.3~5.0MeV,主要用于电线电缆、发泡材料、橡胶等产品的辐射加工;

3)高能电子加速器,能量为5~10MeV,主要用于食品保鲜、农产品杀虫、医疗用品辐照消毒等。

2 电子束辐照对果蔬品质的影响研究进展

电子束辐照能够抑制果蔬的呼吸作用,杀虫灭菌,降低乙烯的产生,延长货架期,从而达到保鲜的目的。辐照处理在对果蔬的生理生化等方面产生重要影响的同时并不会改变其营养成分,因此备受青睐。

2.1 对果蔬感官品质的影响

果蔬的外观品质主要包括其硬度、色泽、腐烂指数、气味等,是判断水果新鲜程度的重要指标。周冉冉等[16]研究发现,3.0kGy电子束辐照香菇,其硬度降幅低于对照和其它剂量组。斯琴雅图等用0.9kGy电子束辐照滑菇发现,该剂量对滑菇的护色和保持形态具有非常显著的效果,并延缓褐变,有效降低滑菇的失重。DUAN等通过不同剂量电子束辐照新鲜采摘的蘑菇发现辐照处理后的蘑菇软化推迟。周任佳等通过对鲜切哈密瓜进行电子束辐照发现,在0.5~2.0kGy的辐照剂量范围内,电子束处理的哈密瓜褐变潜力上升较为缓慢,在整个贮藏期电子束处理过鲜切哈密瓜感官品质明显优于对照组,1.5kGy电子束处理的感官品质最佳。

颜色是判断果蔬品质好坏的重要指标,直接影响消费者对产品的接受程度,徐赟等研究发现,辐照处理可以抑制绿色泰芒后熟黄化,且不同品种水果其适宜剂量不同,台湾杨桃的适宜剂量为0.43kGy以下,泰芒、澳芒的辐照剂量应控制在0.85kGy以下,高剂量的电子束辐照易导致果皮褐变。陈志军等对进口葡萄进行电子束辐照研究发现,2.10kGy的辐照剂量下,室温或低温贮藏后,经辐照处理的色泽变化均小于未辐照处理组。这说明了适宜剂量的电子束辐照处理可以抑制果蔬软化,降低腐烂率,提高其感官品质,但不同果蔬其适宜剂量是不同的,且同种类果蔬不同品种之间也存在明显差异。

2.2 对果蔬营养品质的影响

果蔬中富含维生素C、花青素、还原糖、果胶等,这不仅使水果具有良好的口感,也是其营养食用价值所在。辐照保鲜技术不仅要延长其保质期,更要保证其营养品质不受影响。王秋芳等[22]研究表明,0.5~1.0kGy电子束辐照花椰菜,在其储存后期维生素C、可溶性蛋白质含量高于对照组。周慧娟等[23]对猕猴桃进行电子束辐照处理后发现,猕猴桃保鲜的适宜使用范围为0.5~1.0kGy,同时结合低温保藏技术,对可滴定酸、可溶性固形物及维生素C含量的下降抑制效果显著;王秋芳[24]研究发现,剂量1.0kGy以下,电子束辐照能够降低葡萄内维生素C、有机酸、单宁等营养物质的消耗,其中0.7kGy处理的葡萄贮藏到98d时维生素C、可滴定酸及总糖含量显著高于其它处理组。吴庆等[25]研究发现,辐照剂量小于1.6kGy时,经辐照处理泰国杧果的还原糖含量与对照无显著差异,货架期7d后,辐照组的可滴定酸含量高于对照,高于0.8kGy辐照处理时维生素C含量显著下降。雷庆等[26]对草莓进行电子束辐照处理,剂量范围在0~3.0kGy发现,辐照处理组的有机酸下降速度比未辐照组慢,且有机酸、维生素C、总酸含量均高于未辐照组。戚蓉迪等[27]研究表明,0.41kGy电子束辐照甜樱桃其总花青素和单体花青素含量高于对照和其它的剂量电子束处理,同时辐照对可溶性固形物含量影响不大。HYUN-AN等[28]用0.4kGy和1.0kGy剂量辐照柑橘发现,该剂量能够延长其货架期且不会对柑橘的总酚、维生素C、水分含量造成影响。综上所述,在一定剂量范围内,电子束辐照能改善果蔬的感官品质,维持其营养品质不变的同时延长保质期。

2.3 杀虫灭菌

在农产品储藏过程中,害虫对其破坏是非常严重的,通过辐照处理可以使昆虫死亡、缩短寿命、不育、发育迟缓等。电子束辐照可以代替化学杀菌如熏蒸或杀虫剂,用于对抗细菌和其它害虫。灰霉病是世界性的重要病害,对果蔬的危害最为严重,灰霉病主要是由灰葡萄孢所引起,张婷等研究发现,电子束处理可显著抑制灰葡萄孢菌分生孢子的萌发,降低其致病能力,延迟其萌发时间,抑制效果随剂量升高而增加。魏超等采用水洗、辐照、冷热激、含氯消毒剂、清洗剂5种方法对芽苗菜表面微生物进行控制和消除发现,辐照处理对微生物的杀灭能力最强。

周任佳等研究发现,电子束辐照处理能有效的抑制病原微生物的生长,剂量越大,抑制效果越好。13d时,经1.5、2.0kGy辐照处理的鲜切哈密瓜表面细菌、霉菌及酵母菌菌落均降低2个数量级。杨俊丽等通过对草莓进行电子束辐照研究发现,4.0kGy以上的辐照剂量即可达到有效控制草莓中细菌、霉菌及酵母数量的效果。王秋芳等通过对巨峰葡萄辐照研究发现,大肠杆菌对电子束辐照最为敏感,0.4kGy辐照即可完全杀灭,1d后对霉菌进行检测,2.5kGy的辐照灭菌率达到90%。SCHMIDT等通过电子束辐照番茄发现0.7kGy和0.95kGy辐照均能显著降低酵母菌、乳酸菌、沙门氏菌和霉菌数量,其中对沙门氏菌杀灭效果最为明显。综合以上研究证明,电子束辐照可以有效的杀灭水果表面微生物,并在一定的时间内起到抑制作用,降低病虫害。

2.4 抑制成熟延长货架期

大多数水果是呼吸跃变型,具有后熟过程,而果蔬本身就是一个有机生命体,其采摘后仍然进行呼吸作用会成熟衰老,一定剂量的辐照处理可以抑制其呼吸作用,使其处于一种休眠状态,达到延长货架期的作用。国内外已有研究表明,电子束辐照可以延缓香蕉、番茄、车厘子、蘑菇衰老,黄略略等通过电子束辐照糯米糍荔枝发现,辐照处理后的荔枝,其保质期室温下由1d延长至3d,冷藏条件下由10d延长至15d。杨俊丽等研究发现,0.8kGy电子束辐照对大蒜内芽生长有显著的抑制作用,且相同剂下,电子束辐照抑芽效果高于60Coγ射线。张规富等通过辐照发现选用7kGy的剂量辐照鲜雷竹笋,能够延缓新陈代谢抑制相关酶的活性,使雷竹笋的生理活性降低。顾可飞等通过研究表明,低剂量的电子束辐照(≤2kGy)可以在生物学形态上有效延长羊肚菌的货架期。张玥等研究发现0.15kGy电子束辐照处理的板栗,在5℃条件下可以保鲜9个月以上。

2.5 降低农残有毒物质残留

在电子束产生的射线直接或间接作用下,生物大分子或化学污染物分子发生断裂、交联等一系列反应,从而改变分子原有的生物化学性质,降低其毒害性。在果蔬田间种植阶段会喷洒一些除草剂,而这些除草剂难以降解。张娟琴等在对双孢菇辐照处理发现,1~4kGy的电子束辐照在一定程度上能加快双孢菇中4种农药的降解,且降解率随着辐照剂量的增大而增大。罗小虎等[47]研究表明,电子束剂量在0~50kGy时,可以降解玉米中AFB1(黄曲霉毒素B1),50kGy剂量辐照时,AFB1降解率高于90%,且在玉米籽中的降解效果优于玉米粉。李克等[48]研究发现,1~10kGy的电子束辐照能显著降解玉米中呕吐毒素和玉米赤霉烯酮。LIU 等指出,8.0kGy的电子束辐照剂量,对浓度为2.8×10-5 mol·L-1呋喃唑酮代谢物水溶液的降解率达到100%。陈其勇等[50]研究发现,10kGy剂量辐照下,吡虫啉降解率达到80%。

3 电子束辐照食品的安全性和可接受度

辐照技术是通过辐照装置产生的射线对物品进行处理,产品接受到的是射线的能量,而不是放射性物质。早在20世纪60年代,国际上就有关于食品辐照安全性论证和试验,经过长时期的动物试验和人体试验证明,在一定剂量范围照射下的农副产品及其加工及制品不会产生放射性和有毒物质。1980 年11 月联合国粮农组织(FAO)、国际原子能机构(IAEA)和世界卫生组织(WHO)3个国际组织的联合专家委员会,联合发表调查结论:“任何食品总体平均剂量低于10kGy,没有毒理学危险,用该剂量辐照的食品不再要求做毒理学试验,同时在营养学和微生物学上也是安全的”。我国卫生部自1997年陆续颁布了辐照水果、农产品等七大类的国家标准,这给辐照技术的安全使用提供了标准支撑。2003年CAC(国家食品法典委员会)批准必要时可以采取10kGy以上的辐照剂量,CAC对电子束的安全性特别标准:10Mev以下的电子束辐照食品是安全的。将辐照剂量控制在一定范围内,食品中的糖分,纤维素和蛋白质都是稳定的,不会破坏食品的营养成分,到目前为止,还未发现辐照产生有毒物质。

辐照食品商业化的关键取决于社会公众的接受度,电子束辐照以电子加速器产生的电子束为辐照源,其产生和消失通过电子加速器开关控制,安全性高,可控性强,因此,电子束辐照在此方面的接受程度远大于钴源辐照。我国是世界上最大的辐照食品生产国和消费国,据不完全统计,2015年全球辐照食品产量约70万t,而我国年产量占一半左右。我国民众对辐照食品的接受度非常高,20世纪70年代已在成都、上海、南京、北京等城市商场开设专柜出售辐照食品,72%~90%的消费者反映积极,愿意购买辐照食品,目前,标注“辐照食品”或“采用辐照技术处理”的辐照食品与常规食品一样公开售卖。

4 电子束辐照在果蔬保鲜中的应用前景

电子束在果蔬保鲜中的应用研究已有几十年的历史,但实际商业化生产应用的较少,原因可能主要有:

1)许多果蔬不易运输或搬运,且货架期短,辐照保鲜会较大增加企业生产成本;

2)果蔬保鲜辐照剂量较低,加工工艺较为复杂,需开展大量工艺研究和试验;

3)电子束辐照标准缺乏,实际生产过程中存在无标可依的实际问题。

因此,电子束辐照技术若要在果蔬保鲜中从试验阶段走向产业化,可从以下几个方面入手:

1)选择经济价值高的产品,开展特色高值果蔬的电子束辐照保鲜研究,提质增效,赋予产品更长保质期和更高品质;

2)推动已有科研成果的技术转化,优化电子束辐照加工工艺,满足实际生产需求;

3)建立和修改电子束辐照加工工艺标准,为企业生产提供政策支持和依据。

随着钴源价格的飞涨和各项成本的增加,电子加速器辐照装置的研究,电子束在果蔬保鲜中的研究和应用将会越来越广,尤其是在进出口检验检疫方面。我国在广西凭祥建立的中国-东盟凭祥水果辐照检疫处理中心已于2016年4月开始试运行,主要用于东南亚地区的各种进出口热带水果。随着“一带一路”的推进和国际贸易的深入发展,辐照技术在水果保鲜和进出口检疫方面将会有很大的发展前景。

5 结论

电子束辐照具有射线利用率高、加工效率高、绿色安全、无污染等优势,电子束能够杀虫灭菌、抑制果蔬发芽、降低采后呼吸强度、延迟成熟和衰老,保持果蔬原有感官品质和营养性质,从而延长货架期。辐照食品是安全的,且民众对辐照食品的接受度很高。

目前,果蔬的电子束辐照保鲜在商业化应用方面存在很大困难,但随着电子束技术的发展和技术优势的显现,以及科技成果转化力度和相关工艺标准的建立,电子束在果蔬保鲜和进出口检验检疫等方面将会有非常大的市场潜力和应用前景。


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