电子束辐照技术及其在食品工业中的应用研究

张 莹 朱加进

（浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州 310058）

近年来，由于食品在保藏过程中被各类致病菌污染，造成食品安全问题层出不穷，各国关注度急剧提高。传统的食品贮藏加工技术，如添加防腐剂、药剂熏蒸、加热灭菌等，不仅破坏食品原有结构，影响食品特有的风味与口感，而且易造成食品的化学污染，危害人体健康。辐照作为一种冷杀菌处理技术，在处理过程中引起食品内部温度变化极小（升高2．8 ℃／10kGy），受到国内外学者的广泛关注。目前中国应用最广泛的是以Co－60 为放射源的γ－射线辐照，其穿透力强，可以有效地杀灭食品中的细菌。但是近年来，由于核泄漏、放射性污染等问题，导致多起安全事故发生，γ－射线辐照的安全问题引发人们的担忧。电子束辐照加工技术，产生和消失通过电子加速器的开关控制，不存在放射性污染、核泄漏等问题，是一种理想的γ－射线辐照替代技术。

电子束辐照加工技术不仅可以彻底杀灭病原微生物，最大限度的保持食品品质，而且可以减少不良风味对食品的影响，延长货架期［1］。与γ－辐射相比，电子束辐照不需要辐射源，可调节功率，与生产线相连接，实现在线对食品辐照，因此得到越来越多的国家以及国际组织的关注。中国“十一五”、“十二五”期间对食品电子束辐照研究加大支持力度。但是利用电子束技术辐照食品的相关研究成果比较少，尚未进入工业化应用。文章就国内外目前在电子束辐照领域的灭菌、加工等现状进行综述，希望电子束辐照能够引起进一步的关注，发挥其巨大的经济和社会效益。

1 电子束辐照的原理

电子束辐照是电离辐射的一种，其原理是利用电子加速器产生的电子束（最大能量10 MeV）辐照食品产生的物理效应、化学效应、以及生物学效应，杀灭虫卵及微生物、推迟成熟、抑制发芽、促进物质转化，从而达到食品保藏和保鲜的目的。与传统的食品保鲜方法相比，不存在化学残留和放射性污染等问题［2］，在常温条件下进行，是目前其它保鲜方法无法替代的一种绿色食品保鲜加工技术。

2 电子束辐照技术优势

电子束辐照作为一种新型绿色物理冷加工技术，存在其独特的技术优势和社会优势。

（1）辐照加工对食品产生的热值极小，可保持一些温度敏感的原料食品的特性，能够最大限度的减小对其特有风味的破坏，是一种理想的冷杀菌方式。

（2）辐照可对不同包装、不同形状、不同结构的食品进行处理，且其射线能够穿透食品包装（当然其穿透力也有一定的限度），进入食品内部，彻底杀菌，避免了食品加工过程中的二次污染问题。

（3）辐照处理操作简单，易于实现规模化大生产。与传统的60Co辐照源相比，电子加速器装置体积小，自动化程度高，加速快，处理时间短，可实现对食品的在线加工处理。

（4）安全卫生，无残留。由于大量使用农药和化学熏蒸剂，粮食和其它食品中农药残留已严重影响了食品的质量。电子束辐照无化学残留，更健康，而且与其它辐照技术如60Co源相比，电子加速器运行安全，事故发生概率较小，避免了放射性废源处理等诸多安全问题。

（5）与传统的食品杀菌处理技术相比，电子束的单位能耗非常低。

3 在食品杀菌方面的应用研究

自1943年美国麻省理学院B．E．Proctor博士［3］第一次用射线辐照汉堡研究食品保藏开始，科学家们一直在研究辐照在食品杀菌领域方面的应用，发现辐照具有独特的技术优势，尤其是电子束辐照杀菌，由于其不存在辐射源，安全性能高，在防止食品中食源性致病微生物污染方面存在着巨大的应用潜能。

3．1 在肉制品杀菌中的应用研究

肉类食品富含人体需要的蛋白质、脂肪、维生素B1、铁等多种营养成分，必需氨基酸数量充足，比例适宜，营养价值极高。但其丰富的营养也成为微生物良好的培养基，极易受微生物污染，发生腐败变质。电子束辐照技术作为一种新型物理冷加工保鲜技术，较之传统的高温高压、加热杀菌灯方式，可以有效地杀灭冷、鲜肉类制品中致病微生物，且不影响其独特的品质，是目前冷鲜肉类制品较好的保鲜技术。文献［4］报道通过对小包装鲜猪肉接种沙门氏菌，用低剂量（1kGy）电子束辐照，2～4 ℃下贮藏14d，结果在真空、CO2或N2充填包装下，样品中已无沙门氏菌存在。Lee等［5］对已感染4 种病毒的碎猪肉用电子束辐照，结果显示4．4～5．2kGy的剂量即能完全灭活4种病毒。Tart等［6］研究了电子束辐照对感染李斯特菌的碎肉的辐照效应，发现电子束对各菌株的处理效果存在差异，灭菌D10剂量在0．37～0．45kGy，因此选择4．5kGy为电子束灭菌的最佳工艺剂量。Whangke等［7］采用电子束辐照鲜猪肉，在束流能量8 MeV，剂量3．5kGy，4 ℃条件下可贮藏6d，该剂量下的电子束辐照能够有效地杀灭需氧和嗜温性细菌。Poonp等［8］报道，用电子束辐照牛肉饼，剂量分别为2，5，10kGy，4 ℃条件下可贮藏21d，其中2kGy对牛肉饼中的腐败菌生长有显著抑制作用，剂量大于5kGy能彻底杀灭各种腐败菌。

对于电子束杀菌方面的研究，中国科学家也在积极探索。刘春泉等［9］研究发现冷冻虾仁中99%以上的微生物可以通过3～5kGy的剂量杀死。陈秀兰等［10］对盐水鸭4℃低温预处理后，用大于6kGy的剂量辐照，其保藏货架期高达2个多月。白艳红等［11］利用电子束辐照技术对冷却猪肉的杀菌和保鲜效果进行研究，以束流能量和辐照吸收剂量为试验因子，以菌落总数为指标，通过响应面分析法研究了电子束辐照杀菌的效果及对货架期的影响。研究结果表明，电子束辐照对冷却猪肉具有杀菌保鲜作用。

3．2 在水果蔬菜及其它食品中的杀菌研究

2006年9月美国发生“有毒菠菜事件”，主要是由于消费者食用感染大肠杆菌的菠菜引起的。这起恶性食品安全问题的本质是生食食品保藏方法不当。有关专家［12］指出生食蔬菜通过辐照杀菌，可以彻底杀死大肠杆菌，避免此类事件再次发生。实际上在此事件之前，就已存在辐照杀菌延长食品货架期的大量研究［13，14］。此后，科学家们对电子束辐照辐杀菌进行了进一步的研究。Carmen Susana Rivera等［15］分别用1．5，2．5kGy辐照夏季黑松糕，大大的降低了其微生物，延长了货架期。C．Gomes等［16］用电子束辐照西兰花头，每5d检测1次其颜色、质地、呼吸速率、失重率、类胡萝卜素含量，发现3kGy可以有效地防止微生物，并能保持整体品质的基本良好。Jack A．Neal等［17］报道1．4kGy可以有效地杀灭菠菜中的需氧菌、乳酸菌、酵母菌和霉菌。Balasubrahmanyam Kottapalli等［18］用电子束辐照处理感染镰刀菌的大麦，然后对辐照后的大麦和由其酿造的啤酒进行指标测定，发现6～8kGy可以明显的抑制大麦的发芽率。经过辐照的大麦酿造的啤酒的脱氧萎镰菌醇的含量降低了60%～100%。试验结果表明：6～8kGy可以有效地防止大麦的镰刀菌感染以及啤酒中脱氧萎镰菌醇的含量。

以上研究表明：电子束辐照技术可以有效地杀灭冷鲜肉制品、果蔬中的致病微生物，可以有效的预防食品安全问题。但是目前研究基本处于电子束辐照杀菌条件选择方面，电子束辐照杀菌机理等深层次研究未见报道，有待进一步研究。

4 对食品品质的影响

辐照可以改变食品的理化性质和生物学性质，并且辐照过程中会产生少量的所谓“辐解产物”的成分，使食品产生一种令人不愉快的气味，影响辐照食品的感官品质［19，20］。然而，这种影响基于辐照食品的种类差异、辐照环境（主要是包装气体和温度）的变化以及辐照剂量的大小，产生的影响程度不同。Adrianne M 等［21］分别用1，2，3kGy辐照剂量辐照即食的法兰克福香肠，32d内测定其外形、香气、滋味和质地，结果表明，储藏时间对其感官的影响远甚于电子束辐照。电子束辐照在可接受程度上影响了鸡肉、腊肉、热狗的香气成分的组成，但是对其质构并没有影响。Paloma Sa′nchez－Bel等［22］分别用3，7，10kGy辐照杏仁，然后在5 个月内测定其化学成分的变化（水分含量、蛋白质、纤维、糖、脂肪含量、有机酸）以及感官特性的变化（酸败、甜度、异味、气味、纹理、色泽）。试验结果表明7kGy为最佳的辐照剂量，既不影响化学成分的变化，又能很好的保持其感官特性。Hyun Joo Kim 等［23］研究了电子束辐照鸡蛋，对其病原体、品质和功能特性的影响。2kGy可以有效地杀灭大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌。虽然鸡蛋的粘性降低，但是其发泡性能经过辐照之后明显加强。笔者建议可以将此种特性加入到打蛋过程中以利于蛋黄和蛋清的分离。Rajeev Bhat等［24］用0，2．5，5，7．5，10，15，30kGy辐照莲子，结果表明，灰分和碳水化合物明显增加，藕粉水溶性下降，油溶性增加，蛋白质溶解度和发泡能力增强，总酚和丹宁含量与辐照剂量成线性关系，而植酸在5kGy时下降，说明电子束辐照可以提高莲子的营养价值。P．Shawrang等［25］分别用10，15，20，25，30kGy高剂量辐照高梁粒，测定其化学成分，发现电子束不影响其化学成分，但是植酸和丹宁含量显著降低，证明电子束可以破坏抗营养物质，提高消化率。Paulo F 等［26］用中等剂量的电子束辐照带包装的新鲜蓝莓，储藏在5 ℃，湿度70．4%，分别在0，3，7，14d检测其理化结构、感官特性，发现1．0～3．2kGy不会影响蓝莓的密度、酸度、水分活性及含量，1．6kGy是一个最佳的辐照剂量。李淑荣等［27］研究发现，花生芹菜等凉菜经过2．0kGy的辐照剂量处理，可以有效杀灭病原菌，同时不影响花生芹菜等凉菜的营养和感官品质。Fan等［12－14］研究发现大多数水果和蔬菜通过优化其储存条件，1～2kGy的辐照处理剂量，不会影响其营养和感官品质。杨俊丽等［28］研究发现用200kGy的高能电子束辐照处理大蒜，不仅可以抑制大蒜呼吸作用，延缓质量损失，且对大蒜鳞茎外皮颜色和大蒜风味品质影响不大。

综上所述，利用一定剂量的电子束辐照食品不仅不会对食品的营养成分和感官产生影响，在一些食品中还能降低其抗营养物质，提高利用率。

5 电子束辐照在其它方面的应用研究

近些年来，除了传统的利用辐照杀菌，研究其对营养品质的影响外，国内外专家还对辐照进行了更深入的研究。张明琦等［29］研究表明，7～10kGy辐照处理能明显降解钝化蟹原肌球蛋白（过敏原），这对于解决很多人对海鲜食物过敏提供了思路。杨俊丽等［28］在研究电子束辐照大蒜对其品质的影响过程中，发现电子束辐照能增加大蒜素的含量，增进大蒜辛辣风味品质。A．S．TEETS等［30］分别用10，20，30kGy辐照杏仁皮，然后从中提取酚类物质，发现10～20kGy可以增加提取量。杨成对等［31］用电子束辐照茶叶，发现可以有效地降解期中拟除虫菊脂类农药。可见，随着国内外研究学者的进一步探索，发现电子束除了杀菌保藏之外，还有很多其它的用途，但是关于一些特殊作用的机理还没有报道，需要进一步研究。

6 世界各国电子束辐照技术应用情况及相关法规

1980年FAO／IAEA／WHO 联合发表文件声明食品辐照平均剂量在10kGy以下，对人体是安全的。1884年，食品法典委员会CAC向其130多个成员国建议使用《CAC标准》及《辐照食品设施推荐规程》。在此之后，国内外对辐照食品做了大量研究，在卫生和安全方面获得了大量的可靠数据，证明辐照食品在卫生上和安全上是可行的。1984年开始，上海医科大学放射医学研究所和中国科学院上海原子核研究所开始对大米、蔬菜、红枣、香肠等30多种辐照食品进行人体试验，通过测定人体临床、尿常规、血象、内分泌、肝功能与肾功能等多种指标，结果显示，辐照食品对人体没有任何影响。1999年FAO／IAEA／WHO 高 剂 量 研 究 小 组 在 其WHO890号文件中发表了辐照食品剂量超过10kGy也是安全的结论。

但是世界各国对辐照食品的态度不一。美国为最早研究和利用开发辐照食品的国家之一，应用最为广泛。美国对于小麦、马铃薯、猪肉、香辛料、谷物等的允许辐照剂量高达30kGy。在美国，辐照除被批准用于灭菌延长货架期之外，还被广泛用于抑制蔬菜发芽、杀灭粮食中害虫、改善肉制品颜色等领域。巴西对辐照食品持乐观态度，已于2001年声明：所有食品均可进行辐照处理。

与美国截然相反，欧盟和日本对辐照技术持谨慎和严格态度。日本目前只允许马铃薯可以进行辐照处理，抑制其发芽。欧盟也只允许“干香草、香料和蔬菜调味料”可以进行辐照处理。加拿大、新西兰、韩国等国家对辐照食品的种类、包装条件均作了非常严格的规定。多数亚洲发展中国家，如马来西亚、孟加拉、泰国等多根据CAC 的《辐照食品法典通用标准》起草了相应的法规。

中国作为研究食品辐照较早的国家，始于20世纪50年代末。1983年颁布了第一部食品辐照标准，促使中国在食品辐照研究领域取得了十分显著的成绩。1996年发布了《辐照食品卫生管理办法》，辐照食品的应用进一步拓展。1997年，中国制定了《辐照冷冻包装畜禽肉类卫生标准》（GB 14891．7——1997），进一步规范了辐照技术在肉类制品企业中的应用。截止2012年中国允许的辐照食品已达7大类56个品种。包括豆类、谷物及其制品；冷冻包装畜禽肉类；水果、蔬菜类；熟畜禽肉类；香辛料类；水产品类，共计56种。在中国辐照保藏加工技术已成为传统食品保藏加工技术的重要完善和补充，具有不可替代的作用。但是电子束辐照加工技术对辐照食品品质产生负面影响，使辐照肉颜色改变，加速脂肪氧化，这些原因严重阻碍了电子束辐照技术在食品中尤其是肉类制品中的工业化应用。如何改进电子束辐照技术对食品感官品质的影响，将成为电子束辐照工业化应用至关重要的因素。

7 电子束辐照技术的展望

电子束作为一种新型绿色冷杀菌技术，在食品保藏应用中具有不可替代的位置。

（1）即食水产品和保健食品的电子束杀菌处理。即食水产品和保健食品对温度比较敏感，因此处理过程中应避免进行热处理消毒。电子束辐照为冷杀菌，基本不改变食品内部温度，在即食水产品和保健食品杀菌保藏方面发挥着越来越重要的作用。

（2）进出口大宗农产品的电子束辐照检疫。电子束具有彻底杀菌杀虫的特点，因此可以应用大功率电子束对进口农产品进行检疫性辐照，杀死进口农产品中有害生物种子以及检疫性害虫，防止外来物种的入侵。电子束将在保障中国农业和生态环境安全方面与植物检疫方面产生积极的影响。

（3）降解有害化学物质残留。食品中农药及兽药残留已成为食品安全亟待解决的问题之一，电子束辐照可以有效的降解化学性污染（农药及兽药等残留量超标），成为解决食品安全的有效方法之一。

一直以来，中国辐照研究技术以γ－射线辐照为主，但是近年来，γ－射线辐照源安全问题凸显，常有人员被误照射等事故发生，使人们“谈源色变”。电子束辐照以电子加速器为辐射源，产生和消失是通过电子加速器的开关控制的，切断电源，辐射射线消失，可控性强，安全性高。所以从社会效益和发展趋势来看，电子束辐照可以作为γ－射线辐射的替代技术，用于工业化食品辐照处理。

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