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1電子束輻照技術

1.1電子束輻照技術原理

電子束輻照技術是利用電子加速器產生的低能或高能電子束射線(10MeV以下的電子束)，利用高能脈沖直接作用破壞活體生物細胞內DNA或通過間接作用使小分子和水物質發生輻解，形成-OH、-H等活性自由基，與核內物質作用，發生交聯反應。

1.2電子束輻照技術特點

電子束輻照是用一種名為“軟電子”的微弱電子輻射產品的表面，可有效控制和殺滅微生物。這種電子波最深至產品表面50~150μm處，所以它可殺滅產品表面附著的細菌，并且不引起產品的內部結構營養成分的破壞。目前，電子加速器發展非常迅速，很多人關注到了電子束輻照的優勢，世界各國逐漸開始研究電子束輻照對食品的保鮮。國際上允許使用能級低于10MeV的電子束。

1.3電子束輻照裝置及系統工作簡圖

電子加速器是電子束輻照的主要設備，因加速器種類不同，電子束輻照設備的結構和組成也會隨之不同，但都分為4個部分：a.加速器主機，分為加速電場系統、控制磁場系統、真空系統；b.離子源或電子槍；c.束流應用裝置，分為掃描裝置、束下裝置、束流靶裝置或引出裝置；d.控制系統。圖1顯示了上海束能輻照技術有限公司的ESS-010-03型電子加速器的系統工作圖。

2電子束輻照技術在食品工業中的應用

電子束輻照殺菌/蟲是近年來世界各國發展迅速、應用廣泛的高新綠色技術。電子束輻照技術在水果、蔬菜、肉類等一系列農產品的保鮮中已取得大量的研究性成果，其在脫水蔬菜、香料及調味品等方面的應用也基本進入了工業化生產和商業化貿易，在冷、鮮肉食品以及農、獸藥物殘留等方面也作了相應的電子束輻照降解等一系列研究，國內外研究學者們也作了相關的有益探索；低劑量電子束輻照草莓、芒果、甜瓜、柑橘、葡萄、梨等新鮮水果，能夠有效殺菌/蟲，防止微生物的侵染而造成果蔬的腐爛，有效維持果蔬的感官品質和控制致病微生物、蟲害，還能夠有效地降低它們的呼吸強度，降低營養成分消耗的速度，推遲成熟、以及延長貨架期等作用。

2.1控制食品中的有害微生物

由于電子束輻照殺菌不需要對食品加熱，因此被稱為“coldpasteurization”；食品輻照殺菌必須是有效維持食品原有風味和品質為前提，雖然高劑量能夠徹底滅菌，但卻使感官品質和營養成分大大降低，所以不能采用，篩選適宜劑量再結合科學的貯藏方法(如冷藏)能顯著延長食品儲藏期。其中，電子束輻照殺菌，因為不存在輻射源的問題，安全性能也比較高，還能有效地防止食源性致病微生物的污染。除此之外，電子束輻照的穿透距離與被輻照產品的密度有關聯，一般來說，電子束穿透的距離較短，但電子束劑量率較快，如果采用動態的傳送裝置，會使產品吸收劑量的不均勻度小于5%，形狀規則，厚度小的產品比較適合，反之，則相反。姚周麟等研究表明利用3~6kGy劑量電子束處理即食魷魚絲，可最大限度地控制貯藏期間微生物的繁殖，并較好地保持其感官品質；楊文鴿等報道了3~5kGy輻照劑量能有效殺滅泥蚶肉中的微生物，還能改善其風味，不影響泥蚶肉的良好品質；青椒因受到鮮切等機械損傷，受到微生物的侵染，變得容易腐爛，貨架期也明顯縮短，酸化亞氯酸鈉（ASC）與1kGy電子束輻照結合能有效地殺滅鮮切青椒中的單增李斯特菌、鼠傷寒沙門氏菌、大腸桿菌O157:H7，降低了鮮切青椒的腐爛率，較好地維持了鮮切青椒的食用品質，延長了貨架期；Mckee用1.0、1.8kGy劑量的電子束輻照去骨無皮的雞胸肉，結果顯示在輻照后的樣品中都未檢測出大腸菌、大腸桿菌、嗜冷菌，而對照組卻檢測出來以上的大量細菌，說明適宜劑量的電子束輻照能有效殺滅去骨無皮的雞胸肉的微生物；Sarrias等用1.1、7.5kGy劑量的電子束輻照去殼糙米和大米，能殺滅去殼糙米和大米上的大腸菌、大腸桿菌（E.coli）、還原亞硫酸鹽的梭菌屬、真菌和臘狀芽孢桿菌（Bacilluscereus），由此可知，用電子束輻照技術對糙米和大米進行保鮮處理是非常有效的。周仁佳等研究表明：1.5kGy劑量的電子束輻照鮮切哈密瓜可很好地控制細菌、霉菌和酵母菌的生長，其中細菌較容易殺滅，而霉菌和酵母菌次之；楊俊麗等報道：2.0、3.5kGy劑量的電子束輻照草莓，都能夠有效控制果實的致病微生物，且有效維持其感官品質和營養成分，得到了較理想的保鮮效果，其中，3.5kGy劑量的電子束輻照在常溫貯藏條件下對草莓的保鮮效果較好，所以采用3.5kGy劑量的電子束輻照草莓是最佳的選擇。Kim等研究了2kGy劑量的電子束輻照能有效地殺滅雞蛋中的鼠傷寒沙門氏菌和大腸桿菌，輻照過后的雞蛋的粘性降低，但是發泡性卻增強了，輻照不僅可殺菌，并且還會影響雞蛋的品質，根據所需有效利用這一特點。因為電子束輻照技術是一種冷殺菌技術，即殺菌的同時不會使食品內部溫度的升高，所以有研究表明電子束輻照技術是唯一能對冷凍、冷鮮食品有效殺菌的技術。

2.2控制食品中的害蟲

電子束輻照殺蟲的原理是利用電子束與害蟲相互作用而所產生的物理、化學和生物效應，因為電子加速器產生的高能電子束會破壞害蟲的DNA、蛋白質、核酸等大分子物質，導致害蟲死亡或不育的一種物理技術，現在電子束輻照殺蟲這個功能主要在糧食谷物方面廣泛應用。電子束輻照殺蟲通過直接殺死害蟲或致使害蟲不育的方法來有效地控制害蟲，是傳統的化學熏蒸劑的較為理想的替代技術，傳統的化學熏蒸劑有時會有殘留物，以致污染糧食谷物，然而電子束輻照技術具有電子束流集中定向，無殘毒，不產生放射性廢物，低能耗，環保，運行操作簡便等顯著優勢。儲糧的殺蟲保藏是電子束輻照技術最早的應用領域之一，美國在1940年代就進行了糧食輻照裝置的研究，也已經取得了很多的成果。電子束輻照技術在玉米、谷類、豆類、小麥等進出口糧食或儲糧殺蟲等方面的研究也越來越成熟。輻照殺蟲可分為兩種，一是通過輻照致使害蟲不育從而達到殺滅害蟲；另一種是直接殺蟲法。食品加工廠一般采用直接殺蟲法，不同的食品采用的電子束輻照劑量不同，這樣既可以殺滅各種害蟲成蟲，又可以保證輻照產品的質量，提高經濟效益和商業化應用。電子束輻射處理過的糧食是安全的，并且輻射不會引起環境的任何污染。300Gy劑量的電子束輻照過的鞘翅目儲糧害蟲一般能夠存活20~30d，而沒有經過輻照的成蟲將能活至大約100d，由此可知，電子束輻照技術能夠有效殺死鞘翅目儲糧害蟲，但研究結果表明300Gy劑量的電子束輻照幾乎不會影響蜱螨目和鱗翅目的成蟲存活天數，因此，不同目的害蟲成蟲對電子束輻照劑量的耐受性不同，選擇合適劑量的輻照是非常重要的。李淑榮等研究證明：1kGy劑量的電子束輻照稻谷和小麥，不會破壞它們的營養品質和加工特性；高于518Gy劑量的電子束輻照赤擬谷盜的成蟲，4周之后就會全部死亡。黃曼等發現0.6、0.3kGy2個劑量的輻照可有效控制和預防糧食儲存和物流過程中谷蠹和米象2種害蟲。不同種類的害蟲對電子束輻照劑量的敏感性相差很大，表2顯示了主要儲糧害蟲成蟲的電子束輻照不育劑量和致死天數。從表2中可知，不同目、科、種的儲糧害蟲成蟲的不育劑量和致死天數差異很大，其中，不同目的害蟲成蟲對電子束輻照劑量的敏感性為：鞘翅目>蜱螨目>鱗翅目。從性別上來講，雌蟲和雄蟲的不育劑量也存在很大的差別，一般地雄蟲的不育劑量大于雌蟲。

2.3抑制發芽、延遲成熟和延長儲藏期

采后的果蔬仍是“活”的有機體，還在進行各種生理代謝活動，消耗營養成分和能量，使果蔬變味、變色、失水干縮、甚至腐爛變質。電子束對新鮮果蔬進行輻照后，可以抑制呼吸代謝等相關酶的活性，降低其呼吸作用，延長保鮮期、有效推遲成熟。一些蔬菜，如大蒜、馬鈴薯、生姜、洋蔥等存在著較短的生理休眠期，這個期間過后便開始生長發芽，消耗自身營養成分，因此品質也就隨著快速下降。這類蔬菜如果在它們的生理休眠期進行適宜劑量（0.04~0.08kGy）的電子束輻照就可達到很好的抑芽效果。此外，電子束輻照還能有效地延緩新鮮蘑菇的開傘時間，防止蘑菇子實體的老化褐變。利用電子束輻照技術處理抑制鱗莖和塊莖類食品發芽特別有效，電子束輻照處理已經成為抑制鱗莖和塊莖類食品發芽的一項非常成熟技術，并在許多國家得到商業化應用。從楊俊麗等研究中看出電子束和60Coγ射線輻照都能抑制大蒜的發芽，但一樣的輻照劑量條件下，60Coγ射線不如電子束輻照的抑芽效果；研究結果最后得出電子束輻照最佳抑芽劑量為200Gy，60Coγ射線最佳抑芽劑量為500Gy；電子束因其輻照均勻度高、方便快捷等優點，有可能成為大蒜抑芽商業化的優勢力量。

2.4降解食品中的致敏物質和有害殘留物

近年來，國內外在輻照脫敏的生物化學效應等方面做了一系列探索性的研究。到2002年時，美國研究發現電子束輻照技術能夠破壞鏈格孢菌、螨等致敏原，并進一步做了免疫機理等方面的研究，證明了電子束輻照能夠破壞一些過敏原的表位，使過敏原喪失了致敏活性。張明琦等研究表明7、10kGy劑量的電子束輻照能明顯破壞鈍化蟹原肌球蛋白(過敏原)，在很多人對海鮮食物過敏等問題上提供了很大的幫助。低劑量的電子束輻照能夠使化學污染物或農、獸藥殘留物分子發生交聯、斷裂等一系列反應，改變了它們的生物學特性及原有的結構，從而除去了食品中的農、獸藥物殘留，并且較好地維持食品的食用品質。Getoff研究發現：水溶液經電子束輻照后，水分子將被激發和電離，產生了氫原子（H）、氫自由基（•OH）和水合電子（e-aq）等大量活性離子；Moraese等發現在反應過程中生成的•OH是最活潑的氧化劑之一，能夠有效降解溶液中的有機污染物，這就是電子束輻照技術之所以能夠降解有機污染物的原理。Liu等實驗結果表明，8kGy電子束輻照劑量對呋喃妥因與呋喃唑酮的水溶液降解率為100%，當輻照劑量降至6kGy，兩種藥物的降解率小于80%；張娟琴等報道了電子束輻照能加大降解毒死蜱、氯氰菊酯、百菌清和溴氰菊酯這4種藥物，并且還證明了它們的降解率隨輻照劑量的加大而上升，電子束輻照技術降解產品中的農藥殘留得到了較好地證明。電子束輻照對水中殘留的氯化有機物以及水產品中殘留的氯霉素都有降解作用。

3電子束輻照對食品品質的影響

電子束輻照食品的過程中會產生所謂“輻解產物”的氣體成分，從而使食品產生難聞的氣味，對食品品質造成了很大的影響。研究表明：10kGy劑量的電子束輻照處理1kg食品數小時僅僅引起2.4℃的溫升。1.0~1.5kGy劑量輻照能使哈密瓜在10℃下貯藏12d，感官品質良好。Moreno等人利用1.0kGy劑量的電子束輻照能使芒果在12℃下果實品質保持最佳狀態達21d。適宜劑量的電子束輻照能提高草莓的自由基清除能力，免于破壞細胞膜的結構，還能降低丙二醛含量的產生，較好地維持了草莓的食用品質。Huang等研究表明了2.5kGy劑量的電子束輻照冷凍貯藏液體蛋黃不會顯著影響它的化學、物理及功能性指標，可以較好地保持貯藏液體蛋黃的良好品質，延長其貨架期，提高經濟效益。輻照加工還可降低火腿中的使用量，最多降低為80%，減少了亞硝酸鹽對人體的危害；降低α-淀粉酶的活力、從而降低α-淀粉的代謝能力；輻照過的食品原料熟化時間變短且利于消化；使牛肉嫩化。張振山等研究表明：10kGy的輻照可改善大豆中的濃縮蛋白的功能特性，而20kGy的輻照會破壞蛋白的功能特性，從而影響了大豆的品質，為使輻照不影響大豆的品質，選擇輻照劑量變得至關重要。劉冰冰等報道了6kGy輻照會使魚肉色澤略微變紅，其他使用的劑量輻照過紅魚肉的感官品質良好，而且因電子束具有殺菌作用，較好地維持了魚肉的感官品質，主要體現在色澤、氣味、肌肉彈性和組織形態上。周任佳等報道，經小于2kGy劑量的電子束輻照過的鮮切哈密瓜品質維持較好，其中，1.5kGy劑量的輻照效果最好。2.0~3.5kGy電子束輻照可有效抑制草莓致病菌，降低果實腐爛指數，保持較高的新鮮度和硬度，延緩有機酸、可溶性糖及Vc等營養物質的損耗，達到理想的保鮮效果，且在常溫貯藏條件下，3~5kGy輻照對延長草莓保鮮期效果較好；而5.0kGy輻照會破壞草莓的營養品質。Paloma等用3、7、10kGy劑量的電子束輻照杏仁，結果表明7kGy是最合適的輻照劑量，能很好地維持其感官品質和不破壞營養成分。綜上所述，在適宜的劑量范圍內，輻照殺菌的同時，食品內部溫度不會顯著升高，還可有效維持食品的色、香、味、形，不破壞產品的營養成分和感官品質。

4電子輻照技術在應用中存在的問題

目前電子束輻照技術的應用受到社會的廣泛關注，但其技術參數尚不完善，商業應用也主要參照60Co源輻照標準，且滅菌效果不如γ射線，嚴重阻礙了電子束輻照技術的商業化應用；因此建立商業應用的電子束輻照標準，完善電子束輻照技術及擴大電子束輻照技術的商業化應用是迫不及待的。Park研究表明在減少牛肉腸餡餅的細菌菌落總數方面，電子束輻照效果不如γ射線輻照（p<0.05）；Song等研究報道小于5kGy的輻照能夠顯著降低調理發酵牡蠣中的產單核細胞李斯特菌、腸炎弧菌和金黃色葡萄球菌而不影響牡蠣的食品品質，其中γ射線輻照比電子束輻照的殺滅效果更好；劉福莉等研究經γ射線輻照的豬肉火腿腸的細菌總數明顯低于經電子束輻照的樣品的細菌總數。電子加速器的開發嚴重滯后，阻礙了電子束輻照技術的應用；汪昌保等研究發現，電子束和γ射線對牛肉火腿中微生物的殺滅效果顯著，脂肪、維生素B的含量明顯下降，兩種處理對牛肉火腿品質影響無明顯差異；逯連靜研究發現，電子束輻照處理對草菇保鮮效果不佳，輻照組比對照組的樣品腐爛較快，貯藏期更短；Vanesa等研究了電子束輻照對碎肉、伊比亞火腿、熏鮭魚和軟奶酪中化學成分的影響，結果表明輻照對所有樣品中的自由氨基酸都有顯著影響。人們對輻照食品的認識不足，大大制約了食品輻照技術的發展。國內外對輻照食品的態度不一，以歐盟和日本等國家對輻照技術持嚴格和謹慎的態度，而巴西、美國為代表的國家對輻照食品則持樂觀態度。另外，電子束在輻照肉時會加快脂肪的氧化，促使肉的顏色發生改變，影響了食品品質。下一步將探索如何改善電子束輻照技術對食品品質的影響。目前雖然已有大量實驗數據證明輻照不危及食品的安全性，但電子束輻照的食品過程中有無再生毒性物質及致癌物質的生成，食品風味物質及營養成分是否變化或受破壞仍然遭到人們的質疑；電子束輻照食品安全性問題，仍然有待大量的實驗數據予以佐證，確保人們的食用安全性。

5電子輻照技術在食品工業中的發展趨勢及展望

研究表明利用電子束輻照單獨殺蟲殺菌與γ射線輻照相似，但劑量偏高，對食品品質會有一定影響，處理成本也高。因此下步將探索電子束輻射與紅外線、微波、熱處理或化學處理等其他方法相結合的綜合利用技術，以期解決電子束輻照技術自身存在的缺點。下一步將研究食品的輻照劑量與殺蟲、殺菌效果的關系，提出電子束輻照工業在線殺滅食品蟲害的最佳劑量；除此之外，還需繼續研究電子束輻照技術對食品品質的影響，因為食品的質量安全是消費者是否接受產品的首要標準。研究學者發現電子束輻照除了殺菌/蟲等以上作用之外，還有很多其他用途，但作用機理尚不清楚，需進一步研究；其中，Teets等用10、20、30kGy劑量的電子束輻照杏仁皮，從杏仁皮中提取酚類物質，結果顯示10、20kGy能夠增加酚類物質的提取量，其中的機理尚待探究。目前電子束輻照食品還面臨著識別和消費者的接受性等問題，解決此等問題以及使我國食品輻照技術更好、更快地發展，為我國食品工業的發展貢獻力量，應做好以下5個方面工作：a.加大政府科研投入，組織科技攻關：組織全國或區域性的聯合攻關研究，探究輻照食品的鑒別技術，爭取對某些類別的產品盡快建立起簡便、快捷的鑒別方法；b.加大科普宣傳力度，提高輻照食品的市場接受程度：充分利用現代化傳媒手段，大力宣傳輻照技術，出版一些有關輻照食品的科普讀物，或者利用開辦輻照食品銷售專柜等形式，從人們的日常生活入手，逐步消除消費者的恐“核”心理。c.培養專業、創新型人才，充分有效地利用食品輻照技術；d.充分發揮食品輻照加工技術在保障食品衛生安全方面的作用：重點推廣食品輻照殺菌的低劑量處理技術，如小包裝熟食及即食性方便食品、預冷小包裝鮮肉、調味品、脫水制品、功能性食品、風味品等的殺菌消毒技術；e.加快輻照食品生產的規范化，提高行業的國際競爭能力：完善現有的標準體系，做好現有衛生標準和工藝標準的調整、修訂工作，特別要提高工藝標準技術的可操作性，推進輻照食品加工企業的規范化技改進度，條件成熟的企業要盡快組織實施質量認證工作。

作者：范林林韓鵬祥馮敘橋段小明李萌萌張蓓蔡茜彤單位：渤海大學食品科學研究院遼寧省食品安全重點實驗室沈陽農業大學食品學院