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辐照技术在果蔬贮藏保鲜中的应用研究进展

食品保鲜 辐照保鲜 辐照杀菌 电子束辐照
发布:2020-12-09 14:19:41     来源:刘泽松:《保鲜与加工》

近年来,随着社会的发展和人们生活品质的提高,对果品、蔬菜等农副产品的需求量日益增长。但是果蔬生产具有较强的季节性和地域性,在生产旺季贮运过程中因采后处理不当导致大量果蔬腐烂变质,经济损失严重。据商业部统计,我国果蔬每年因采后处理不当导致的损耗率高达20%~30%,果蔬损失达8 000万t,是发达国家的4~6倍。因此,如何解决果蔬淡旺季贮运保鲜技术问题尤为重要。

辐照保鲜技术始于上世纪40年代,是利用电子射线、x射线、γ射线等射线照射食品,杀灭害虫,消除病原微生物及其他腐败菌或抑制食品中某些代谢反应和生物活性,以达到延长贮藏保鲜期的目的。

辐照保鲜技术具有杀菌效果显著、实施剂量可调,保护果蔬外形、组织结构、原有的色、香、味和营养成分,同时具有方法简单、无污染、无残留等优点。

研究发现,果蔬经一定剂量的辐照处理后,新陈代谢和呼吸作用受到抑制,膜脂过氧化反应减弱,成熟衰老进程延缓,保鲜期延长。根据辐照的来源不同,可将辐照保鲜技术分为γ等射线辐照、电子束辐照、紫外辐照以及LED光辐照等。

本文拟从这四种辐照技术的作用原理、应用及可能存在的问题进行概述,以期为今后果蔬贮藏辐照保鲜技术的深入研究和应用提供参考。

1 辐照技术的基本原理及特点

辐照技术是一种果蔬贮运的新型物理保鲜技术,在应用过程中果蔬本身的温度变化不大,可最大限度地保持其外观品质和营养成分,其作用的基本原理是利用电离辐射或放射性元素(60Co、137Cs)等产生的γ、β、x射线以及电子加速器产生的高能电子束等辐照处理果蔬,抑制其生理代谢活动,减少乙烯的产生,杀灭害虫,消除果蔬中的病原微生物及其他腐败细菌,从而达到果蔬贮藏保鲜的目的。

辐照技术作为一种物理保鲜技术,与其他物理保鲜技术一样,无需加入添加物,且具有以下特点:最大限度地保持果蔬的外形及原有的风味和成分;安全环保、无污染;易于操作、杀菌彻底以及处理效率高、低耗能、低成本。

2 辐照技术在果蔬贮藏保鲜中的应用

辐照技术不仅影响果蔬贮藏中的生理生化变化,而且对其原有的风味物质和营养成分无影响,而且辐照射线(除紫外线外)具有较强的穿透力,可带包装处理,减少污染,还能进行工业化批量生产,实现自动监控,因此备受青睐。

近年来,国内外学者对多种果蔬的辐照保鲜技术进行研究,取得较好的进展。研究发现,一定剂量的辐照后可抑制果蔬的代谢活动,减轻腐烂和霉变,在电镜下可观察到果蔬的果皮细胞膜、叶绿体、线粒体等细胞结构的损伤受到一定程度的抑制,果皮细胞的衰老被显著延缓,从而果蔬成熟被延迟,货架期得到延长。

2.1 γ射线辐照保鲜技术

γ射线辐照技术是用钴等放射性元素产生的γ射线具有较强的穿透力,辐照果蔬后可影响其生理生化变化,同时保持其原有的风味和营养成分,对表面微生物起到破坏其内部的DNA、RNA或蛋白质等有机分子,从而使细菌、病毒、微生物死亡,以达到延长果蔬贮藏期的目的。

研究发现,2.5 kGy的60Coγ射线辐照处理不仅有效地抑制蓝莓果实表面微生物的生长和繁殖,降低腐烂率,还可抑制其呼吸强度和硬度的下降,降低乙烯生成量,调节自我保护酶,从而达到延长保鲜期的目的,而低剂量0.15 kGy和0.3 kGy的γ射线辐照对蓝莓果实品质无显著影响,但能改善不同品种的保鲜期。

Jesus Filho等发现,尽管对照组草莓的抗坏血酸含量、硬度和失重的保持好于2.0 kGy剂量的γ射线处理的草莓果实,但二者外观接受度保持一致,而且辐照处理可有效钝化嗜温需氧菌的活性,显著降低了霉菌和酵母菌的数量。同时Hussain等发现,李子经60Coγ射线辐照后也能有效抑制果实表面的微生物生长,从而延长李子的贮藏保鲜期。

Koike等发现,60Coγ射线辐照还可降低蔬菜上的细菌数量,破坏其表面微生物真菌。沙糖橘经60Coγ射线辐照处理后同样能延长保鲜期,且其抗坏血酸等营养物质的含量不受影响。Najafabadi等发现,红枣经2.5 kGy剂量的γ射线辐照后,果实品质得到提高,使得总单体花青素和总酚含量显著增加。Gloria等发现,香蕉经1.0 kGy的γ射线辐照后减缓了淀粉的降解以及果糖和葡萄糖的形成与积累,延缓了果实成熟,能减少其在贮藏过程中的损失。Wang等[19]发现,3.0 kGy剂量的γ射线辐照处理能有效抑制竹笋中苯丙氨酸解氨酶(PAL)、过氧化物酶(POD)和多酚氧化酶活性(PPO)的活性,从而延缓其褐变,并且还能延缓其木质化进程,同时降低了竹笋主要营养成分的流失,证明了辐照处理是一种能较好地延长竹笋贮藏期的保鲜方法。甘蓝经60Coγ射线辐照后,可增强细胞内亚麻酸的释放,从而增加其组织内挥发性油类物质反式己二烯含量,同时增加了挥发性油类物质中黑芥子油苷和异硫氰酸丙酯的含量,改善了甘蓝的营养品质,延长其保鲜期。

γ射线虽对微生物有强烈的致死效果,但其对维持植物中营养物质的作用不如其他辐照技术显著,并且其成本较高,在使用过程及废弃物处置中还存在安全性和环境问题。有研究发现,柑橘等水果对γ射线较敏感,在一定程度上限制了其在果蔬保鲜领域的应用。

2.2 电子束辐照保鲜技术

电子束辐射保鲜技术的原理是利用电子加速器产生的高能电子束(最大能量10 MeV)射线辐照果蔬,通过高能脉冲直接作用使其表面微生物发生一系列理化反应,从而抑制呼吸活动、内源乙烯的产生及酶活性,防止腐烂,并能延缓果蔬成熟,延长保鲜期。

Kong等对蓝莓的研究发现,小于3.0 kGy的电子束辐照可有效抑制蓝莓中大肠杆菌的生长,同时不影响其主要的营养物质和抗氧化活性,延长保鲜期。甜樱桃经电子束辐照处理后,果实霉变率和失重率也显著降低,说明电子束辐射能较好抑制微生物生长。

Ramakrishnan等在模拟运输和市场条件下,采用低剂量(0.4 k Gy和1.0 kGy)电子束辐照葡萄柚和柠檬,4℃下贮藏20 d,发现1.0 kGy辐照的两种水果除失重有较小变化外,硬度几乎无变化,可溶性固形物和可滴定酸含量保持恒定,贮藏10 d后游离糖含量显著增加,VC含量下降,该剂量辐照处理可最大限度地减少贮藏期间果品品质的下降。

黄略略等发现,荔枝经0.5 k Gy电子束辐照处理后,结合低温贮藏可显著减缓其失重率、VC含量和可滴定酸含量的下降,更好地保持了果肉的风味和品质。

王秋芳等对花椰菜的研究发现,1.0 kGy剂量电子束辐照处理抑制了表面微生物的数量,降低了失重率的升高和VC和可溶性蛋白的损失,减少了MDA含量的积累,提高了贮藏期间的感官品质,从而延长了货架期。

此外,王海宏等还采用0~1.0 kGy剂量的电子束处理不同成熟度的番茄,发现电子束辐照能显著延缓番茄货架期间的后熟转红,且在供试范围内剂量越高,抑制效果越明显,对失重、皱缩和霉变现象无影响,可减少绿熟期番茄的乙烯释放量和乙烯合成关键酶基因的表达量,对高成熟度番茄可促进乙烯生成。因此,0~1.0 kGy剂量的电子束处理可延长较低采摘成熟度的番茄的贮藏期,促进高成熟度番茄的衰败。

电子束虽然成本较低,不会产生危险废弃物,但其穿透能力较差,因此这种处理方法不适用于很多类型的食品。

2.3 紫外辐照保鲜技术

紫外线因波长不同分为UV-A、UV-B和UV-C三种。其中UV-A是指波长为350~320 nm的长波紫外线,UV-B是波长为320~280 nm的中波紫外线,波长短于280 nm的短波紫外线则是UV-C,且波长在250~270 nm的紫外线具有较强的杀菌能力。

近年来,紫外辐照被广泛应用于果蔬的贮藏保鲜中,一定剂量的紫外线辐照处理可控制果蔬表面的微生物和病原菌生长繁殖,减轻果实腐烂,刺激防御机制相关的物质和酶活性,降低乙烯的生成,抑制果实中细胞壁降解酶活性,延长果蔬的保鲜期。

在紫外辐照保鲜的应用中,UV-A因其在果蔬贮藏保鲜中的效果不显著,因此相关研究较少。Csepregi等发现,采后UV-A和UV-B辐照处理可能导致葡萄浆果皮黄酮醇-糖苷含量和总抗氧化能力出现短暂的下降,诱导采后酚类代谢。Aiamla-or等发现,UV-A辐照处理西兰花后对其花蕾黄化无抑制作用。而Ponte等发现,在采前进行UV-A辐照处理可增加番茄果实的成熟同步性和营养特性,使其对消费者具有更好的吸引力。

UV-B辐照主要靠破坏细胞内的DNA和蛋白质,从而影响果蔬组织内一系列的生理代谢过程。Aiamla-or等发现,19.0 kJ·m-2 UV-B辐照处理可有效抑制采后西兰花的黄化,延缓叶绿素含量的降低,降低叶绿素降解相关的基因BoSGR和BoNYC1的表达,起到较好的保鲜作用。Castagna等也发现,番茄经UV-B处理后可提高其抗坏血酸和类胡萝卜素的含量,但对硬度有不良影响。

目前对UV-C辐照作用机制的阐述还不明确,大致为两种观点。一种认为UV-C可直接杀死残留在果蔬表面的致病菌;另一种观点认为UV-C辐照可诱导果蔬的防御机制,从而抵御致病菌的侵染,防止腐烂变质。

Sripong等研究了山竹的UV-B和UV-C辐照处理,发现UV-C比UV-B辐照具有更强的杀菌能力,可有效防治山竹果实的腐烂病,13.0 kJ·m-2 UV-C辐照最有效,可诱导植物防御相关的关键酶活性,包括苯丙氨酸解氨酶(PAL)、过氧化物酶(POD)、几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶,也可影响总酚和过氧化氢(H2O2)含量。此外,UV-C辐照还可延缓果实的失重、呼吸速率、果皮和花萼的颜色变化,有效保持了山竹花萼中的叶绿素含量。

焦中高等发现,短波UV-C处理对樱桃可有效保持其可滴定酸、总酚、总黄酮、花色苷的含量,激发果实中多酚和花色苷等生物活性物质的合成与积累,显著提高了果实的抗氧化能力,延长樱桃的贮藏保鲜时间。

同时,张娜等也发现,UV-C处理可抑制西兰花表面微生物的生长,延缓花球的腐烂。UV-C处理能有效杀灭樱桃番茄的酵母和霉菌等微生物,而且其硬度和色泽不受影响,可显著延长其保鲜期。UV-C处理还能有效杀灭樱桃番茄表面的鼠伤寒沙门氏菌。此外,Mansourbahmani等研究发现,经3.0和4.5 kJ·m-2UV-C处理后的番茄,果实具有较高的硬度和苯酚含量,果胶甲基酯酶(PME)活性、果胶酶(PG)活性、乙烯含量和腐烂受到抑制,因此可延长番茄贮藏期。

紫外辐照一定程度上能延长商品货架期,但低剂量紫外辐照不能完全杀灭微生物,微生物会出现光复活现象,且其穿透力较低,影响了其在果蔬保鲜领域的应用。

2.4 LED光辐照保鲜技术

LED辐照保鲜技术是通过发射不同颜色的光对果蔬进行照射,与各种植物进行光合作用来实现光谱的基本吻合,提高光能的利用率,可进一步降低果蔬的呼吸作用,提升感官品质,延缓生理老化,以达到杀菌和延长贮藏期的效果。

LED辐照能采用指定的光源来促进光合作用,减少营养物质的消耗,但其灭菌机制尚不清楚,且运用LED辐照进行保鲜需长时间对果蔬进行照射,其设备运行成本较高。

 

3 研究趋势和存在的问题

目前关于果蔬辐照处理的研究正日益增多,其研究主要集中在水果采后贮藏保鲜领域,主要研究其对采后水果生理代谢活动及其可能的机理方面,在蔬菜保鲜上的应用还较少,且辐照处理的研究多集中在单一辐照层面上。辐照技术对果蔬采后保鲜有较好的效果,但其作用机制较为模糊,未来可对其机制进行深入研究。

虽然关于果蔬辐照处理的研究正日益增多,不同的果蔬经辐照处理之后,都能不同程度地延长其贮藏期,降低其营养物质流失的速度,对果蔬保鲜的研究具有重大意义。但仍然存在着诸多的问题,如不同种类的水果和蔬菜对辐照种类、剂量的选择都有着不同的需求,同种蔬菜在不同采后季节对辐照的条件也有所不同,并且没有一定的规律性。要在安全的辐照剂量范围内,为每一种果蔬找到适宜的辐照保鲜方法,还需要进行更多的研究。并且放射性物质会对人体会造成巨大的危害,怎样减少辐照保鲜应用中人的参与,成为关键问题。

此外,放射性物质辐照处理要求的操作环境严苛,且成本高。由于现有技术的局限性,如何寻找一种适宜的辐照处理技术应用于果蔬保鲜并安全地将其进行大规模的推广和应用成为目前亟需解决的问题。

4 展望

辐照保鲜技术是物理保鲜技术的一种,具有环保、节能、无残留等优点,可保持食品原有的口感和风味,在食品保鲜领域得到广泛应用,只要控制好剂量,既能延长食品的保鲜期,又不会对人体产生毒副作用。因此,我们应该加大对辐照果蔬的种类、剂量范围、质量标准和安全性等方面的研究,加快其在工业生产上的应用。

对此,笔者对辐照保鲜技术的研究提出几点建议:

一是采用两种或多种辐照技术复合处理,如紫外辐照不具有穿透性,对果蔬表面和内部侵染的病原微生物的杀菌效果不明显,抑制果蔬腐烂效果亦不相同,因此可采用紫外辐照结合LED辐照技术,取长补短,以便研究更有效的果蔬贮藏保鲜方法;

二是可以将辐照技术和其他保鲜处理技术联合使用,以期进一步提高保鲜效果,低温能抑制植物组织的呼吸强度,抑制其酶活性,而γ射线能很好地抑制微生物生长,采用复合处理技术能更好地延长商品的货架期;

三是开发便携式辐照设备,使其可以快速方便地安装在运输工具上或超市仓库中,减少果蔬在运输中或售卖时的变质和腐烂,以进一步延长其保鲜期;

四是加大关于辐照技术安全性的宣传力度,直接辐照虽然对人体会产生巨大的危害,但是目前研究发现果蔬经辐照后并不会产生安全问题,因此辐照过的果蔬是可以放心摄入的。

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