高能电子束辐照对黄精微生物及品质的影响

2024-01-18徐攀许竞地陈谦邱娅璐高鹏

食品与发酵工业 2024年1期

徐攀,许竞地,陈谦,邱娅璐,高鹏*

1(四川省原子能研究院,四川成都,610101)2(辐照保藏四川省重点实验室,四川成都,610101)

黄精(Polygonatirhizoma)又名鸡头黄精、白及、姜形黄精等,是百合科(Liliaceae)黄精属(Polygonatimill)植物的干燥根茎。《中华人民共和国药典》2020年版记载了滇黄精(PolygonatumkingianumColl.et Hemsl.)、黄精(PolygonatumsibiricumRedoute)和多花黄精(PolygonatumcyrtonemaHua)3种黄精药材[1]。现代药理学研究表明,黄精主要含多糖、甾体皂苷、黄酮、生物碱、蒽醌类化合物及微量元素[2],在抗肿瘤、抗阿尔兹海默症、调节免疫力、降血脂降血糖、保护心脏等方面有较高的药用价值[3]。另外,黄精是一种典型的药食同源产品,已有许多深加工产品,如黄精酒、黄精饼干及黄精馒头等,其嫩叶和茎也可作为蔬菜食用[4]。现黄精已广泛应用于食品、药品、化妆品等领域。

中药材的质量影响其疗效,对中药材进行合理的贮藏养护,能够更好的保护药效,避免药性流失,对提高临床疗效及用药安全性均有重要意义。黄精含糖量高、肉性足、香味浓,炮制后不易干燥,在贮藏中易出现霉变、腐烂、虫蛀等变质现象。对此类药材多采用简单的避光、密闭法进行养护,但贮藏效果差。此外,还有低温冷藏、除氧保鲜、气调贮藏等技术进行养护[5-6],但成本较高。辐照保藏是一种“冷杀菌”技术,其穿透力强、灭菌彻底,适合挥发性、热敏性中药的大批量灭菌[7],能有效减少中药材微生物含量,同时能最大限度的保持中药材的性状及药理活性[8]。研究发现60Co-γ辐照处理黄精可使微生物含量显著减少[9]。除60Co-γ射线外,电子加速器在近几年也运用于中药材保藏[10]。相比γ射线,电子束辐照无需处理放射性废源、加工能力更强、速度更快,在食品贮藏、材料改性等方面均有广泛应用[11-12]。安全、高效、经济的电子束辐照逐步替代60Co-γ射线,成为辐照加工行业主要的发展方向。

目前,研究较多的是60Co-γ辐照处理中药材,关于电子束辐照技术在黄精的应用研究鲜见报道,电子束辐照对黄精微生物杀菌效果及品质的影响还未知。本研究以黄精为试验材料,采用高能电子束辐照处理,评估不同剂量辐照对黄精微生物含量及品质的影响,以期为后续电子束辐照杀菌用于黄精贮藏提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄精购于成都市金牛区荷花池中药材专业市场,淡黄色、片状,厚度约0.2 cm,经西南科技大学侯大斌教授鉴定为黄精(P.sibiricumRedoute)。

NaCl蛋白胨缓冲液(pH 7.0)、胰酪大豆胨液体/琼脂培养基、沙氏葡萄糖琼脂培养基、肠道增菌液体培养基、紫红胆盐葡萄糖琼脂培养基、麦康凯液体/琼脂培养基、RV沙门增菌液培养基、木糖赖氨酸脱氧胆酸盐琼脂培养基,青岛高科技工业园海博生物技术有限公司;重铬酸银剂量计,自制,校准标准为JJG 1028—1991《使用重铬酸银剂量计测量γ射线水吸收剂量标准方法》。

1.2 仪器与方法

SX-500高压灭菌锅,日本Tom Digital Biology公司;CJ-1450超净工作台,苏信环境科技有限公司;PJ-400拍打式无菌均质机,力辰科技公司;ZWY-211C智能全温振荡器,常州金坛精达仪器制造有限公司;TH-02-260B电热恒温鼓风干燥箱,成都易华天宇实验设备有限责任公司;CS-C600色差仪,杭州彩谱科技有限公司;PEN3电子鼻,德国AIRSNSE公司;GJ-2高能电子加速器,四川润祥辐照技术有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 辐照处理

黄精采用20 cm×14 cm聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)/聚乙烯(polyethylene,PE)复合袋包装,每袋80 g,平铺厚度约2 cm,采用高能电子加速器(能量10 MeV,功率20 kW)进行单面辐照,设定剂量2、4、6、8、10 kGy,未辐照样品为对照(CK)。重铬酸银剂量测定样品的实际吸收剂量,为1.8、3.7、6.3、7.8、10.1 kGy。下文以设定剂量表示。

1.3.2 微生物检测

需氧菌总数、霉菌和酵母总数、耐热菌总数、耐胆盐革兰阴性菌、大肠埃希菌及沙门菌按《中华人民共和国药典》2020版(4部)1108中药饮片微生物限度检查法进行检测[1]。

1.3.3 理化品质测定

黄精水分、总灰分及浸出物按《中华人民共和国药典》2020版(4部)中的方法测定[1]。其中水分含量按照通则0832第四法,总灰分按照通则2302,浸出物按照通则2201下的醇溶性热浸法。

1.3.4 色差测定

黄精60 ℃烘干、粉碎,过40目筛,使用色度仪测定其L*、a*、b*值。根据公式(1)计算饱和度C,根据公式(2)计算总色差ΔE,根据公式(3)计算色度指标变异系数(coefficient of variation,CV)[10]。

(1)

(2)

(3)

式中:ΔL*、Δa*、Δb*为辐照处理组与对照组的差值,SD为标准偏差,MN为平均值。

1.3.5 挥发性物质测定

取1.00 g黄精粉置于15 mL顶空瓶中,室温放置2 h。在室温下插入E-nose探头吸取顶端空气进行测定。测试载气为空气,气体流量为400 mL/min,检测时间90 s,自动清洗时间90 s。电子鼻各传感器特点见表1。

表1 PEN3型便携式电子鼻传感器性能描述Table 1 Performance description of REN3 portable electronic nose sensor

1.3.6 数据分析

数据采用SPSS 23.0统计软件进行LSD及Duncan显著差异性(P<0.05)分析;采用Origin 21.0进行绘图;电子鼻数据使用系统自带软件Winmuster进行分析。

2 结果与分析

2.1 对微生物含量的影响

根据《中华人民共和国药典》2020版1107非无菌药品微生物限度标准,非无菌药用原料及辅料的需氧菌总数限度为103CFU/g,霉菌和酵母菌总数限度为102CFU/g,控制菌未做统一要求[1]。由表2可知,CK组中需氧菌总数为2.9×103CFU/g,霉菌和酵母菌总数为4×102CFU/g,不符合药典标准。当黄精经过2 kGy剂量辐照,需氧菌总数降为5×102CFU/g,霉菌和酵母菌总数降为20 CFU/g,达到药典规定的限度标准。虽然药典中对耐热菌和耐胆盐革兰氏阴性菌未做要求,但经过4 kGy剂量辐照,可完全杀灭黄精中的这两类微生物。经过6 kGy剂量辐照,只有少量的需氧菌存活。当辐照剂量达到8 kGy,微生物总数均降至检测限(10 CFU/g)以下。此外,大肠埃希氏菌和沙门氏菌均未检出。

表2 电子束辐照对黄精微生物数量的影响Table 2 Effect of electron beam irradiation on the microbial load in P. sibiricum Redoute

辐照灭菌是利用γ射线、X射线或电子束照射物品,通过直接或间接的作用引起微生物DNA、蛋白质、脂类等有机大分子发生断裂、交联、降解,从而导致微生物死亡[13]。不同种类的微生物对辐照的耐受能力不同,甚至同属、同种的不同菌株间也存在差异。从食品和药材中常有的微生物种类来看,耐辐射性依次为芽胞菌>酵母菌>霉菌>革兰氏阳性菌>革兰氏阴性菌[14-15]。微生物数量越多,杀灭需要的辐照剂量越高。同时,相关研究表明辐照杀菌效果与射线种类、放射源强度、电子束束能、微生物负载基质、辐照温度、包装的气体状态等有关[16]。

有研究表明,黄精经60CO-γ射线辐照后,微生物数量显著减少,并随辐照剂量增加更明显[9];黄芩和南星经5.0 kGy剂量60CO-γ辐照后能达到卫生学标准要求[17]。何毅等[10]采用电子束辐照处理川麦冬,结果表明电子束能明显降低麦冬中需氧菌、酵母及霉菌总数;付孟等[18]采用电子束辐照大黄,发现3～5 kGy及以上剂量辐照使大黄微生物数量降至检测限以下。因此,电子束辐照与60CO-γ辐照效果一致,均能有效杀灭中药材中的微生物,且随着辐照剂量的增加抑菌效果增强。

2.2 对理化品质的影响

根据《中华人民共和国药典》2020版规定黄精水分不得超过18%,总灰分不得超过4%,浸出物不得少于45%,辐照前后的黄精均符合药典规定[1]。由表3可知,不同剂量辐照处理黄精水分含量在17.08%～17.23%,总灰分含量在2.40%～2.50%,均无显著差异(P>0.05)。浸出物含量在49.75%～58.25%,在2 kGy剂量下对浸出物含量无显著影响(P>0.05);当辐照剂量≥4 kGy时,可显著增加浸出物含量(P<0.05),在8 kGy处理组最多,相比CK组,提高17.08%。

表3 电子束辐照对黄精水分、总灰分及浸出物含量的影响Table 3 Effect of electron beam irradiation on moisture, total ash and extracts of P. sibiricum Redoute

本研究发现电子束辐照处理不会影响黄精水分和总灰分含量,与何毅等[10]、付孟等[18]研究结果一致。付孟等[18]在对大黄进行电子束辐照处理,发现辐照可使水溶性浸出物显著增加。相关研究表明,淀粉经60CO-γ辐照处理,分子链断裂、聚合度降低、分子质量变小[19],电离辐射会使肌肉蛋白质水解形成多肽[20]。此外,辐照可导致总黄酮与单个或数个糖分子结合产物的糖苷键断裂产生黄酮苷或黄酮苷元[21]。本研究发现辐照可使黄精浸出物显著增加,推测其原因是辐照后蛋白质、多糖等大分子发生降解,产生如寡糖、有机酸、多肽等,使得其更容易浸出。

2.3 对色泽的影响

由表4可知,在10 kGy剂量范围内,辐照不会对黄精的亮度值及红绿值产生显著影响(P>0.05)。在4 kGy剂量范围内,辐照对黄精的黄蓝值和饱和度无显著影响(P>0.05);当辐照剂量达到6 kGy时,会显著增加其黄蓝值和饱和度(P<0.05)。从变异系数来看,黄精的色度变异系数大小依次为b*值>饱和度C>a*值>L*值,表明电子束辐照对黄精的色泽主要影响在黄蓝值b*上。ΔE值越大说明色泽变化越大,ΔE值<6.0时色差不明显;6.0～12.0时色差较大;>12.0时为不同颜色[22]。ΔE<6.0,表明在10 kGy剂量范围内电子束辐照不会对黄精总色差产生明显影响。

表4 电子束辐照对黄精色泽的影响Table 4 Effect of electron beam irradiation on color of P. sibiricum Redoute

2.4 对挥发性成分的影响

2.4.1 雷达图分析

电子鼻是利用气体传感器的响应值来识别气味,同时结合多元统计学方法获取样品中挥发性物质的完整信息[23]。提取10个传感器的特征值,选择60～62 s的数值绘制雷达指纹图,结果见图1。所有处理组W1W传感器信号最强,其次为W2W和W5C,然后是W1S,表明黄精气味中的主要物质为硫化物、芳香类物质、氮氧化合物及甲烷,且辐照后黄精主要挥发性成分未发生改变。

CK组和辐照组在W2W、W5C、W1S、W2S四个传感器中有差别。在W2W传感器中,随着辐照剂量的增加响应值增大,表明辐照会促进黄精芳香成分的挥发;在W5C传感器中,辐照剂量≥6 kGy时响应值增大,表明当辐照剂量达到6 kGy会促进黄精氮氧化合物挥发;在W1S传感器中,辐照剂量≥4 kGy时响应值增加,表明当辐照剂量超过4 kGy会增加黄精挥发性成分中甲烷物质含量;在W2S传感器中,辐照剂量≥6 kGy时响应值增大,表明当辐照剂量达到6 kGy会增加黄精挥发性成分中醇类、醛酮类化合物含量。

樊萍等[24]在对辐照面包异常气味研究中发现辐照会使芳香族烃类含量显著增加;舒晓燕等[23]研究辐照对白芷挥发性成分的影响中发现辐照会增加甲烷类物质;有关研究表明辐照可使酯类物质转化为醛酮类,此类物质可引起“辐照味”,其含量越高辐照味越浓[25-26]。本实验结果结合前人研究,发现辐照会导致中药材等某些挥发性成分增加。

2.4.2 主成分分析(principal component analysis, PCA)

PCA是一种数据降维处理的方式,通过提取几个主成分因子来代表原始样本的变量,然后根据主成分因子在不同样本中的贡献率来评价样本间的规律性和差异性[27]。选取60～62 s数值,使用电子鼻自带系统进行PCA,结果见图2。第一主成分和第二主成分的贡献率分别为85.55%和12.71%,总贡献率为98.26%,可以较好的反应辐照前后黄精的挥发性气味全部特征信息。CK组和2 kGy处理组有交互,表明样品相似度高;8 kGy处理组和10 kGy处理组也有交叉,说明样品相似度高。同时6 kGy处理组与8～10 kGy处理在第一主成分距离较短,因此需要进一步探究不同样品挥发性物质的区别。

图2 不同剂量辐照处理后黄精气味PCA图Fig.2 Principal component analysis (PCA) of P. sibiricum Redoute odor after different irradiation dose

2.4.3 线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)

LDA是一种经典的有监督数据降维方法,可使相同类别聚在一起,不同类别之间相距较远,能更好的显示样品间的差异[28]。选取60～62 s数值,使用电子鼻自带系统进行LDA,结果见图3。

图3 不同剂量辐照处理后黄精气味LDA图Fig.3 Linear discriminant analysis (LDA) of P. sibiricum Redoute odor after different irradiation dose

图3中,第一主成分贡献率91.15%,第二主成分贡献率3.25%,总贡献率94.40%,可以很好的区分不同样品。在第一象限,CK组和2 kGy处理组聚在一起,4～10 kGy处理组聚在一起,说明CK组和2 kGy处理组挥发性物质相似,4～10 kGy处理组挥发性物质相似,即在2 kGy辐照剂量下对黄精气味无明显影响。