γ辐照食品灭菌的机理及微生物检测

青莉芳，魏敏，杨平华，黎青，刘颖（四川省农业科学研究院生物技术核技术研究所，四川成都610061）



γ辐照食品灭菌的机理及微生物检测

青莉芳，魏敏，杨平华，黎青，刘颖
（四川省农业科学研究院生物技术核技术研究所，四川成都610061）

摘要：辐照是利用原子能射线的辐照能量对食品杀菌处理来保存食品的一种物理方法。将此方法应用于食品杀菌可以有效抑制甚至消灭致病或致腐微生物。本文简要介绍国内外辐照技术的发展、伽马射线来源、本质以及与物质的相互作用和辐照杀菌机理，重点介绍辐照后产品的微生物指标以及辐照工艺的确定，探索了伽玛射线辐照灭菌应用于食品行业的可行性和优势

关键词：γ辐照；食品灭菌；辐照工艺

1895年伦琴发现了x射线，翌年又发现x射线对微生物有灭活作用[1]。此后的几十年是核物理飞速发展的时代，直至1945年美国在日投下了两颗原子弹，导致日本死伤几十万人，结束了第二次世界大战。战后，许多国家的科技工作者开始探索原子能的和平利用。γ辐照灭菌就是和平利用原子能的重要内容之一。为了证明辐照食品的安全性，半个多世纪以来，国际原子能机构（IAEA）、联合国粮农组织（FAO）、世界卫生组织（WHO）三大权威机构，组织了各国知名专家对辐照食品安全性进行了大量深入的研究，于1976年明确指出：食品辐照过程实质是一种物理过程，如加热和冷冻一样，食品辐照卫生安全性评价所提出的问题应该同食品添加剂和污染区别开来，不存在“每日摄入量”和“安全系数”等问题[2]。1983年FAO/WHO采纳了联合专家委员会（JECFI）的意见，正式制定了“辐照食品加工国际通用标准”，该标准至今仍是辐照行业的行动指南[3]。1997年WHO的结论是：在当前技术条件可以达到的任何剂量范围内的辐照食品都是安全的和具有营养适宜性的[3]，即使达到75 kGy剂量处理的食品也可以食用（一般辐照灭菌大多数剂量在10 kGy左右）。

由于有以上科学的权威结论，辐照事业如雨后春笋般兴起，不仅发达国家在大量兴建辐照装置，而且发展中国家和较贫穷、落后的国家也在大量兴建。食品辐照已形成新兴产业，每年以15 %左右快速递增。我国是一个发展中国家，现已建成规模以上的辐照装置100余座，大量用γ射线辐照食品、药品、卫生用品等，正在为我国国民经济作重大贡献。

1　γ射线的来源

能产生γ射线的核素很多，经多年来的筛选，人们选择了钴-60或铯-137这两种核素，尤其是钴-60，它具有诸多优点而被大量广泛采用。我单位对钴-60γ射线应用研究已有半个多世纪，目前有两座钴-60辐照装置，可供科研、中试和生产使用，当前辐照最多的是食品、药品、卫生用品和化工产品。

钴-59，是一种无放射性、性质稳定的金属元素。经提炼加工制成粒状、片状或柱状等。将它放入反应堆中照射，让它的原子核俘获一个中子（n）变成钴-60，这时的钴-60很不稳定，就有了放射性。生产厂家在热室中将钴-60密封成钴棒。钴棒的结构是：中心是钴-60核素，外面有两层不锈钢包鞘分层包装焊接密封。出厂前钴棒表面经严格清洗达标后供辐照厂使用。所以用钴-60辐照食品时，只有γ射线穿过包鞘作用于食品，其放射性核素不会出来污染食品。

γ射线产生的机理是：由于钴-60原子核很不稳定，会自发衰变，放出β射线（β射线是高速电子）变成镍-60，这时镍-60的原子核处于激发态，很快以γ射线（光子）的方式退激而达到稳定状态。

2　γ射线的本质

γ射线的本质是光子，不带电，波长极短，穿透力很强，具有波粒二重性。辐照灭菌主要是它在辐照食品时，产生了电子，这种电子叫做次级电子。次级电子具有很高的能量，它将能量传递给病原微生物的细胞器并将其致死。γ光子的另一大特性就是静止质量为零，因此食品辐照后无残留。

3　γ射线与物质的相互作用

γ射线与物质相互作用，有3种效应即：光电效应、康普顿效应、电子对形成效应[4]。这些效应的发生主要取决于光量子能量（Er=hv）和吸收介质的原子序数Z。在光子能量较低时，光电效应占优势，对于中等能量的光子，康普顿效应占优势，当光子能量较高时，电子对形成效应占优势。对于低Z介质（例如C、N、H、O），γ射线的能量在0.1 Mev～10 Mev之间，康普顿效应占优势。而钴-60核素只能放出1.17 Mev和1.33 Mev两种能量的γ射线，所以我们的辐照灭菌过程是以康普顿效应为主。

4　γ射线的灭菌机理

钴-60γ射线对微生物的作用可以分为直接作用与间接作用。射线作用于微生物后产生了上文所提及的康普顿效应，这时康普顿效应产生的次级电子，具有很高的能量，微生物接收这些能量后，细胞被大量电离，细胞器被破坏，渗透压升高，细胞膜破裂造成微生物直接死亡[5]；这种作用是在辐射剂量够大且被照物含水分时发生。研究表明几乎所有的细胞活动进程都需要酶的参与，而高能量的次级电子打在酶的表面会使其活性降低甚至是失去活性，使微生物不能进行正常的生理过程而产生潜伏期、发病期、死亡期或恢复期；这种情况是在照射剂量不够大的时候发生的。此现象在γ辐照灭菌检测中经常出现：辐照后立即取样和辐照后半月取样检测，其结果差异较大。另外，在对酶制剂（胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、纤维素酶等）的辐照灭菌过程中，既要尽量保留酶的活性，又要对微生物辐射达标，这时的初始含菌量和辐照工艺的制定显得尤为重要。

5　辐照工艺的制定

5.1γ辐照剂量的确定

辐照总剂量的确定，是辐照灭菌工艺中的核心环节。

待灭菌的物品，由于来源、原始染菌水平、物质成分状态以及消毒灭菌要求的指标等不同，照射剂量也有很大的区别，应选择一个既能达到卫生指标要求，又不影响物品原有理化性能的重大改变，并根据辐照装置的运行参数确定总剂量的给予。消毒灭菌剂量选择的理论公式如下：

SD = D10lgNN0

式中：SD为灭菌剂量，kGy；D10值为杀灭初始菌含量90 %的微生物所需要的辐射剂量[6]，kGy；N0为灭菌前的污染菌计数，cfu/g；N为灭菌后的存活菌数，cfu/g。

在辐射灭菌中，并不要求对污染微生物的种类做生物学分类鉴定，对于种类繁多的微生物做出分类学鉴定的任务是十分艰巨的。而且那些对射线敏感的微生物，在辐照灭菌中并不重要。因此在考虑污染微生物种类时，只须测定耐辐射菌的D10值及初始含菌量。国际上一般用短小芽孢杆菌E601作为指示菌。

在食品加工中，特别是国际贸易中，对某些食品的微生物指标有严格的要求；特别重要的是，在大多数食品中，都要求不能有病原微生物，常见的有沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等。短小芽孢杆菌E601、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、黑点曲霉、赭曲霉、黄曲霉等的D10值见表1。

表1　微生物D10值表Table 1 Microorganism D10value table

由表1可以看出，短小芽孢杆菌E601的D10值远远大于其它致病菌和霉菌的D10值，因此在辐照灭菌工艺中，可仅以短小芽孢杆菌作指示菌。

以泡椒凤爪为试验对象，其辐照剂量的确定如下：

试验对象用聚乙烯食品袋抽真空包装，其初始菌落总数为1 000 cfu/g，辐照后菌落总数需＜10 cfu/g。

最终剂量=灭菌剂量+保险剂量（冬季：加20 %灭菌剂量，夏季：加40 %灭菌剂量）

灭菌剂量=1.75×lg101000=5.25 kGy

最终剂量=5.25+1.05=6.30 kGy（冬季适用）

最终剂量=5.25+2.1=7.35 kGy（夏季适用）

5.2辐照后产品的微生物检测

试验分别选在夏季与冬季进行，将泡凤爪分成3个试验组，分别编号为A、B、C，A组、B组、C组分别给予2.45、4.90、7.35 kGy的辐照剂量（夏季），冬季的编号为A1、B1、C1，分别给予2.10、4.20、6.30 kGy的辐照剂量。照后立即做菌落总数[7]、沙门氏菌[8]、大肠菌群[9]、志贺氏菌[10]、金黄色葡萄球菌[11]、霉菌及酵母等微生物检测[12]。

辐照后微生物检测指标如表2、表3。

表2　微生物检测记录表（夏季）Table 2 Microbiological testing record sheet（Summer）

表3　微生物检测记录表（冬季）Table 3 Microbiological testing record sheet（Winter）

从微生物检测记录表可以看出，C、C1组未检出杂菌、沙门氏菌、大肠杆菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌等致病菌以及霉菌酵母等，与理论算出的值相符。符合要求，所以可以确定泡凤爪γ射线辐照灭菌的最终剂量夏季为7.35 kGy，冬季为6.30 kGy。

6　结果与讨论

以上检测结果表明，γ射线辐照泡凤爪，使沙门氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及其他微生物统统被杀灭，效果十分明显，与总剂量给予值相符。从灭菌的角度而言，γ射线对其他食品、调味品、卫生用品等的灭菌效果也非常显著，所以γ射线灭菌被广泛应用。

γ辐照灭菌的关键环节是剂量的给予和给予方式。剂量的给予是指总剂量的确定。总剂量的确定是根据照射前后细菌含量差及各微生物的D10值算出要求剂量的理论值，再考虑温度和湿度等因素给予一定的保险系数求得实施总剂量的给予值。再根据辐照装置空间剂量率的分布参数求得辐照时间，又根据货物的具体情况选择剂量的给予方式，最终形成辐照工艺。

γ辐照致使微生物死亡是个复杂的过程。在放射生物学和相关文献中将细菌的死亡归结为直接死亡和间接死亡。在直接死亡中，一些文献简单将它叙述为γ射线辐照微生物后，微生物细胞内产生大量次级电子，这些高能的次级电子将能量传递给细胞器，细胞器产生电离、裂解、长链断裂，细胞器“碎片化”，从而使细胞内渗透压增加，大量吸水致使细胞膜破裂而死亡。这种将直接死亡完全归结为“渗透压”这种因子，至少是不全面的，其理由如下：渗透压增加有个必要前提，微生物周围的介质含水量大时，当细胞内渗透压增加，周围介质的水分子才会大量进入细胞使细胞膜胀破，食品辐照是这种情况。当水分含量＜8 %的干燥药粉照射时，在菌检时也可以看到微生物大量死亡，这并非是渗透压改变所致。所以，细菌经辐照后的死亡是个非常复杂的过程，有待进一步研究。

参考文献：

[1]范红霞.x射线的发现及其早期研究的历史回顾[D].北京:首都师范大学,2003: 3-8

[2]陈殿华.中国辐照食品的产业化发展[J].核农学报,2004(2):2

[3]施培新.食品辐照加工原理与技术[M].北京:中国农业科技出版社,2004: 1

[4]高峰.γ和物质的相互作用[J].衡阳师范学院学报,2008(3):1

[5]段鑫.x射线对生鲜牛肉的杀菌效果[D].上海:上海海洋大学, 2011: 3

[6]朱述钧.江苏食品辐照现状与发展对策建议[J].江苏农业科学, 2006(1):3

[7]中华人民共和国卫生部.GB 4789.2-2010食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定[S].北京:中国标准出版社,2010

[8]中华人民共和国卫生部.GB 4789.4-2010食品安全国家标准食品微生物学检验沙门氏菌检验[S].北京:中国标准出版社,2010

[9]中华人民共和国卫生部.GB 4789.3-2010食品安全国家标准食品微生物学检验大肠菌群计数[S].北京:中国标准出版社,2010

[10]中华人民共和国卫生部.GB 4789.5-2012食品安全国家标准食品微生物学检验志贺氏菌检验[S].北京:中国标准出版社,2012

[11]中华人民共和国卫生部.GB 4789.10-2010食品安全国家标准食品微生物学检验金黄色葡萄球菌检验[S].北京:中国标准出版社,2010

[12]中华人民共和国卫生部.GB 4789.15-2010食品安全国家标准食品微生物学检验霉菌和酵母计数[S].北京:中国标准出版社, 2010

Mechanism of γ Irradiated Food Sterilization and Microbial Detection

QING Li-fang，WEImin，YANG Ping-hua，LI Qing，LIU Ying
（Institute of Biotechnology and Nuclear Technology，Sichuan Provincial Academy of Agricultural Science，Chengdu 610061，Sichuan，China）

Abstract：Irradiation is the use of atomic energy ray irradiation sterilization of food to a physical method of food preservation.This method is applied to food sterilization can effectively suppress or even eliminate pathogenic micro -organisms causing rot.This article briefly described the development of domestic and irradiation technology，gamma-ray source，the nature and mechanism of interaction with matter and radiation sterilization，focusing on microbiological indicators and irradiated product irradiation process was determined to explore the gamma-ray irradiation sterilization used in food industry，the feasibility and advantages.

Key words：γ irradiated；food irradiation；sterilization process

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.05.051

作者简介：青莉芳（1991—），女（汉），本科，研究方向：食品营养与健康。

收稿日期：2014-12-08