食品加工与保藏原理第七章食品的辐射保藏

食品加工与保藏原理食品加工与保藏原理第七章第七章 食品的辐射保藏食品的辐射保藏 主要参考书主要参考书1.曾庆孝主编，芮汉明，李汴生副主编，曾庆孝主编，芮汉明，李汴生副主编，食品食品加工与保藏原理加工与保藏原理，北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，2002.11 2.陈其勋主编，陈其勋主编，中国食品辐照进展中国食品辐照进展，北京：原，北京：原子能出版社，子能出版社，1998.12 3.李承华，李承华，辐射技术基础辐射技术基础，北京：原子能出版，北京：原子能出版社，社，1988 4.FAO/IEAE/WHO，辐射食品卫生辐射食品卫生，北京：，北京：原子能出版社，原子能出版社，1983，56食品辐射食品辐射(照照)的意义及特点的意义及特点食品辐射的基本原理食品辐射的基本原理食品的辐照效应食品的辐照效应食品的辐射及其影响因素食品的辐射及其影响因素食品辐照的卫生与安全食品辐照的卫生与安全第一节第一节 食品辐射食品辐射( (照照) )的意义及特点的意义及特点 食品的辐射保藏是是利用射线照食品的辐射保藏是是利用射线照射食品，灭菌、杀虫，抑制鲜活射食品，灭菌、杀虫，抑制鲜活食品的生命活动，从而达到防霉食品的生命活动，从而达到防霉、防腐、延长食品货架期目的的、防腐、延长食品货架期目的的一种食品保藏方法。一种食品保藏方法。 与微波的区别：与微波的区别： 辐射是利用原子核衰变产生的电磁波来辐射是利用原子核衰变产生的电磁波来处理食品，而微波则是将电能转化为电处理食品，而微波则是将电能转化为电磁波来处理食品。磁波来处理食品。一、原子辐射研究的历史发展一、原子辐射研究的历史发展1896年，亨利年，亨利贝克莱在研究各种物质的磷光贝克莱在研究各种物质的磷光现象时，发现了放射性。现象时，发现了放射性。1896年，年，Roentgen发现了发现了X射线，并对这种射线，并对这种射线的特性做了完整而准确的计算。射线的特性做了完整而准确的计算。1898年斯密特和居里夫妇独立地观察到钍化年斯密特和居里夫妇独立地观察到钍化合物发射类似的射线。同时居里夫妇从铀盐合物发射类似的射线。同时居里夫妇从铀盐中分离出了一个新元素，取名镭中分离出了一个新元素，取名镭(由拉丁词由拉丁词radius而来，意为射线而来，意为射线)。1921年年Schraty获得获得X射线杀菌专利。射线杀菌专利。美国最早于本世纪四十年代开始进行辐射美国最早于本世纪四十年代开始进行辐射(照照)保藏食品保藏食品的研究，当时主要是用于军事上。的研究，当时主要是用于军事上。1943年发表了对汉年发表了对汉堡包进行辐照杀菌的论文后，美国由此解决了海军食堡包进行辐照杀菌的论文后，美国由此解决了海军食品保存问题。尔后研究遍及美国品保存问题。尔后研究遍及美国90多所大学及科研单多所大学及科研单位。位。五十年代初前苏联、欧洲和日本也相继进行了广泛的五十年代初前苏联、欧洲和日本也相继进行了广泛的研究。研究。我国食品辐射我国食品辐射(照照)的研究则最早于的研究则最早于1958年开始，年开始，70年代年代中在四川、河南、天津、北京、上海、东北地区、湖中在四川、河南、天津、北京、上海、东北地区、湖南、广东等地相继开展了食品辐照的研究。南、广东等地相继开展了食品辐照的研究。在国际原子能机构在国际原子能机构(IAEA)、联合国粮农组织、联合国粮农组织(FAO)和世和世界卫生组织界卫生组织(WHO)的倡议下，的倡议下，1970年在巴黎成立了年在巴黎成立了“食品辐射食品辐射(照照)国际计划国际计划”(IFIP)，先后共有，先后共有24个国家参个国家参加该计划，分工协作进行研究。加该计划，分工协作进行研究。1. “冷杀菌冷杀菌”；2. 具有良好的保鲜效果；具有良好的保鲜效果；3. 辐照处理食品能耗低；辐照处理食品能耗低；4. 对环境的污染小。对环境的污染小。 二、食品辐射的特点二、食品辐射的特点 第二节第二节 食品辐射的基本原理食品辐射的基本原理 一、核辐射与半衰期一、核辐射与半衰期 1、核辐射、核辐射 a a 射线射线 b b 射线射线 g g 射线射线2、半衰期、半衰期 不同的放射性同位素，其半衰期是不同不同的放射性同位素，其半衰期是不同的。的。 例如：例如： t1/2(238U)=4.5109年年 t1/2(212P)=3.010-7s 用作食品辐射加工的辐射源用作食品辐射加工的辐射源60Co的半衰的半衰期为期为5.27年，年，137Cs为为30年。年。二、食品辐射的基本原理二、食品辐射的基本原理 食品辐照时，射线把能量或电荷传递给食品以食品辐照时，射线把能量或电荷传递给食品以及食品上的微生物和昆虫，引起的各种效应会及食品上的微生物和昆虫，引起的各种效应会造成它们体内的酶钝化和各种损伤会迅速影响造成它们体内的酶钝化和各种损伤会迅速影响其整个生命过程，导致代谢、生长异常、损伤其整个生命过程，导致代谢、生长异常、损伤扩大直至生命死亡。而食品则不同，除了鲜活扩大直至生命死亡。而食品则不同，除了鲜活食品之外均不存在着生命活动，鲜活食品的新食品之外均不存在着生命活动，鲜活食品的新陈代谢也处在缓慢的阶段，辐射所产生的影响陈代谢也处在缓慢的阶段，辐射所产生的影响是进一步延缓了它们后熟的进程，符合储藏的是进一步延缓了它们后熟的进程，符合储藏的需要。需要。 第三节第三节 食品的辐照效应食品的辐照效应 一、食品辐射加工的计量单位一、食品辐射加工的计量单位 1. 放射性强度的单位放射性强度的单位(量度放射性同位素的量度放射性同位素的) 放射性强度是度量放射性强弱的物理量放射性强度是度量放射性强弱的物理量，常用的单位有居里，常用的单位有居里(Ci)、贝克、贝克(Bq)和克和克镭当量。镭当量。 2. 照射量及其单位照射量及其单位 (量度放射性同位素放射出的射线的量度放射性同位素放射出的射线的) 照射量照射量(Exposure)是用来量度是用来量度X射线或射线或g射线在空气中电离能力的物理量，其单射线在空气中电离能力的物理量，其单位为伦琴位为伦琴(R)。 3. 吸收剂量、剂量率及其单位吸收剂量、剂量率及其单位 (量度被辐射物体吸收量的量度被辐射物体吸收量的) 被照射物质所吸收的射线的能量称为吸被照射物质所吸收的射线的能量称为吸收量，其单位为拉德收量，其单位为拉德(rad)或戈瑞或戈瑞(Gy)。 4. 剂量当量、剂量当量率及其单位剂量当量、剂量当量率及其单位 剂量当量就是用来量度不同类型的辐射剂量当量就是用来量度不同类型的辐射所引起的不同的生物学效应，其单位为所引起的不同的生物学效应，其单位为雷姆雷姆(rem)或希沃特或希沃特(Sv)。 单位时间内的剂量当量称为剂量当量率单位时间内的剂量当量称为剂量当量率，其单位用，其单位用rems-1或或remh-1等表示。等表示。 二、食品辐射装置二、食品辐射装置 食品的辐射装置包括辐射源、防护设备食品的辐射装置包括辐射源、防护设备、输送系统和自动控制与安全系统。、输送系统和自动控制与安全系统。 1. 辐射源辐射源 辐射源是食品辐射加工的核心部分，它辐射源是食品辐射加工的核心部分，它可以分为放射性同位素和电子加速器两可以分为放射性同位素和电子加速器两大类。大类。 (1) 放射性同位素放射性同位素 60Co辐射源、辐射源、 137Cs辐射源辐射源 (2) 电子加速器电子加速器 电子射线、电子射线、X射线射线 电子射线电子射线 电子射线射程短，密度大，穿透力差，电子射线射程短，密度大，穿透力差，一般适用于食品表面的照射。如对易腐一般适用于食品表面的照射。如对易腐食品辐射时，选定适当的食品辐射时，选定适当的“加速能加速能”，就可使射线不穿透食品内部，只进行表就可使射线不穿透食品内部，只进行表面杀菌。面杀菌。 X射线射线 X射线具有高穿透能力，可以用于食品射线具有高穿透能力，可以用于食品辐射加工。但是由于电子加速器作辐射加工。但是由于电子加速器作X射线射线源效率低，而且能量中包含大量低能部源效率低，而且能量中包含大量低能部分，难以均匀照射大块样品，故没有得分，难以均匀照射大块样品，故没有得到广泛的应用。到广泛的应用。 2. 防护设备防护设备3. 输送与安全系统输送与安全系统 三、食品辐射效应三、食品辐射效应 (一一) 食品辐射的物理效应食品辐射的物理效应1. g g射线和射线和X射线的作用射线的作用 康普顿散射、康普顿散射、 感生放射性感生放射性2. 电子射线的作用电子射线的作用 库仑散射、库仑散射、契连科夫效应库仑散射、库仑散射、契连科夫效应 电子射线经散射、电离轫致辐射等作用后，消电子射线经散射、电离轫致辐射等作用后，消耗了大部分能量，速度大为减慢，有的被所经耗了大部分能量，速度大为减慢，有的被所经过的原子所俘获，使原子或原子所在的分子变过的原子所俘获，使原子或原子所在的分子变成负离子，有的与阳离子相碰发生阴、阳离子成负离子，有的与阳离子相碰发生阴、阳离子湮灭，放出两个光子，其光子对被照射物的作湮灭，放出两个光子，其光子对被照射物的作用与上述的光子一样。用与上述的光子一样。为了防止被照射物诱发产生放射性，电子射线为了防止被照射物诱发产生放射性，电子射线的能量不得超过的能量不得超过10MeV，大多数采用，大多数采用5MeV。 (二二) 食品辐射的化学效应食品辐射的化学效应 辐射的化学效应是指被辐射物质中的分辐射的化学效应是指被辐射物质中的分子所发生的化学变化。食品的辐射处理子所发生的化学变化。食品的辐射处理，发生化学变化的物质，除了食品本身，发生化学变化的物质，除了食品本身及包装材料之外，还有附着在食品表面及包装材料之外，还有附着在食品表面及内部的微生物、昆虫和寄生虫等生物及内部的微生物、昆虫和寄生虫等生物体。体。 辐射化学效应的强弱用辐射化学效应的强弱用G值值表示，所谓表示，所谓G值就值就是介质中每吸收是介质中每吸收100eV能量时发生变化的分子能量时发生变化的分子数。数。 例如：麦芽糖溶液经过辐射发生降解的例如：麦芽糖溶液经过辐射发生降解的G值为值为4.0，则表示麦芽糖溶液每吸收，则表示麦芽糖溶液每吸收100eV的辐射能的辐射能，就有，就有4个麦芽糖分子发生降解。不同介质的个麦芽糖分子发生降解。不同介质的G值可能相差很大，值可能相差很大，G值大的，辐射引起的化值大的，辐射引起的化学效应较强烈；学效应较强烈；G值相同者，吸收剂量大者所值相同者，吸收剂量大者所引起的化学效应较强烈。例如引起的化学效应较强烈。例如G值等于值等于3，吸，吸收剂量为收剂量为1Mrad时，每千克介质发生变化的摩时，每千克介质发生变化的摩尔数为尔数为3.110-6，剂量提高到，剂量提高到6Mrad时，则每时，则每千克发生变化的摩尔数达千克发生变化的摩尔数达1.910-2。 食品及其他生物有机体的主要化学组成食品及其他生物有机体的主要化学组成是水、蛋白质、糖类、脂类及维生素等是水、蛋白质、糖类、脂类及维生素等，这些化合物分子在射线的辐射下会发，这些化合物分子在射线的辐射下会发生一系列的化学变化。生一系列的化学变化。 1. 水水 大多数食品均含有丰富的水分，水也是构大多数食品均含有丰富的水分，水也是构成微生物、昆虫等生物体的重要成分，食成微生物、昆虫等生物体的重要成分，食品经辐射引起的水分变化十分复杂。品经辐射引起的水分变化十分复杂。 水辐射的化学效应可概括为：水辐射的化学效应可概括为：H2O 2.7OH +0.55H +2.7e-水化水化+0.45H2 +0.71H2O2 +2.7H3O 2. 蛋白质和酶蛋白质和酶 蛋白质蛋白质 结构破坏结构破坏 辐射交联辐射交联 辐射降解辐射降解 蛋白质辐照时交联与降解同时发生，而蛋白质辐照时交联与降解同时发生，而往往是交联大于降解，所以降解常被掩往往是交联大于降解，所以降解常被掩盖而不易觉察。盖而不易觉察。 酶酶 酶的主要组成部分是蛋白质，所以辐射酶的主要组成部分是蛋白质，所以辐射对酶所引起的作用与蛋白质类似，酶中对酶所引起的作用与蛋白质类似，酶中所含的巯基所含的巯基(-SH)由于容易氧化会增大酶由于容易氧化会增大酶对辐射的敏感性，但在复杂的食品体系对辐射的敏感性，但在复杂的食品体系中，由于其他物质的伴生存在而使酶得中，由于其他物质的伴生存在而使酶得以保护，欲使酶钝化需要相当大的辐射以保护，欲使酶钝化需要相当大的辐射剂量。剂量。 3. 糖类糖类 糖类在辐射过程中发生的变化主要是降糖类在辐射过程中发生的变化主要是降解作用和辐解产物的形成，若干故态糖解作用和辐解产物的形成，若干故态糖类的辐解产物见表类的辐解产物见表7-1。 糖糖辐解产物辐解产物G值值500krad时浓度时浓度(10mgkg-1)葡萄糖葡萄糖甲醛甲醛0.060.095 乙醛乙醛 丙酮丙酮 葡糖醛酸葡糖醛酸0.44.1 葡糖酸葡糖酸0.88.2 5-脱氧葡糖酸脱氧葡糖酸0.323果糖果糖甲醛甲醛2.54蔗糖蔗糖甲醛甲醛0.160.25 果糖果糖 葡萄糖葡萄糖 甘露糖醇甘露糖醇甲醛甲醛0.81.26 果糖果糖0.565.2表表7-1 辐射不同固态糖类的主要辐解产物辐射不同固态糖类的主要辐解产物 4. 脂类脂类 脂肪和脂肪酸被射线照射时，脂肪和脂肪酸被射线照射时，饱和脂肪饱和脂肪比较稳比较稳定，而定，而不饱和脂肪不饱和脂肪容易氧化，出现脱羧、氢化容易氧化，出现脱羧、氢化、脱氨等作用。、脱氨等作用。有氧有氧存在时，由于会发生自动存在时，由于会发生自动氧化作用，饱和脂肪也会被氧化。辐射促进自氧化作用，饱和脂肪也会被氧化。辐射促进自动氧化过程可能是由于促进自由基的形成和氢动氧化过程可能是由于促进自由基的形成和氢过氧化物的分解，并使抗氧化剂遭到破坏。过氧化物的分解，并使抗氧化剂遭到破坏。 食品中的脂类组分受辐射而产生的化合物，除食品中的脂类组分受辐射而产生的化合物，除了有辐射诱导的自动氧化产物外，也有非氧化了有辐射诱导的自动氧化产物外，也有非氧化的分解产物。的分解产物。 5. 维生素维生素 食品中维生素在辐射中的稳定性和食品食品中维生素在辐射中的稳定性和食品的性质及成分有密切的关系，其损失率的性质及成分有密切的关系，其损失率随着辐射剂量的增大而增大。随着辐射剂量的增大而增大。 (三三) 食品辐射的生物学效应食品辐射的生物学效应 1. 抑制蔬菜发芽和果实后熟抑制蔬菜发芽和果实后熟 蔬菜中的马铃薯和洋葱，主要是通过蔬菜中的马铃薯和洋葱，主要是通过控制其休眠来进行储藏的。在结束休控制其休眠来进行储藏的。在结束休眠后，如果温度和湿度适宜时，便会眠后，如果温度和湿度适宜时，便会旺盛地发芽；果实采收后的成熟现象旺盛地发芽；果实采收后的成熟现象称为后熟，后熟的速度影响着储藏期称为后熟，后熟的速度影响着储藏期的长短。的长短。 辐射对生物体作用的机理目前尚未十分辐射对生物体作用的机理目前尚未十分清楚，但可能与下列原因有关：清楚，但可能与下列原因有关：1. 由于射线的辐照，细胞中的由于射线的辐照，细胞中的DNA和和RNA受到损伤，植物体生长点上的细胞不能受到损伤，植物体生长点上的细胞不能发生分裂，所以马铃薯、洋葱等经辐照发生分裂，所以马铃薯、洋葱等经辐照后不会发芽。参见后不会发芽。参见表表7-2。 2. 食品辐照时，干扰了食品辐照时，干扰了ATP的合成，使细的合成，使细胞的核酸减少，抑制了植物体的发芽。胞的核酸减少，抑制了植物体的发芽。 核酸核酸照射剂量照射剂量核酸含量核酸含量(mgg-1干物质干物质) (krad)12月月3月月4月月 0140140154RNA5618384 857 65 0170131170DNA5 108120 8121121123表表7-2 马铃薯经辐射后核酸含量的变化马铃薯经辐射后核酸含量的变化 3. 植物组织处于休眠状态时，其生长点缺乏植物组织处于休眠状态时，其生长点缺乏植物生长激素或生长激素被钝化，若把经植物生长激素或生长激素被钝化，若把经过辐射的马铃薯放入一种生长激素过辐射的马铃薯放入一种生长激素赤霉赤霉素酸溶液中，马铃薯就开始发芽素酸溶液中，马铃薯就开始发芽(表表7-3)。3. 对于具有呼吸高峰的果实，在高峰开始出对于具有呼吸高峰的果实，在高峰开始出现前夕，体内乙烯的合成明显增加，从而现前夕，体内乙烯的合成明显增加，从而促进成熟的到来。若在高峰前对果实进行促进成熟的到来。若在高峰前对果实进行辐照处理，由于干扰了果实体内乙烯的合辐照处理，由于干扰了果实体内乙烯的合成，就能够抑制其高峰的出现，延长果实成，就能够抑制其高峰的出现，延长果实的储藏期。的储藏期。 处理法处理法处理处理数数发芽率发芽率剂量剂量(krad)赤霉素酸浓赤霉素酸浓度度(ppm) 5日日后后10日日后后15日日后后20日日后后80 00008250 716202012020000012250 512172012500 8142020表表7-3 赤霉素酸对赤霉素酸对g辐照的马铃薯发芽的影响辐照的马铃薯发芽的影响 2. 导致微生物和昆虫的死亡导致微生物和昆虫的死亡 食品经辐射后，附着在食品上的微生物和昆虫发食品经辐射后，附着在食品上的微生物和昆虫发生了一系列生理学与生物学效应而导致死亡，其生了一系列生理学与生物学效应而导致死亡，其机理是一个十分复杂的问题，目前还没有完全搞机理是一个十分复杂的问题，目前还没有完全搞清楚，一般认为与下面两点有密切关系：清楚，一般认为与下面两点有密切关系： (1) 造成遗传物质造成遗传物质DNA的损伤；的损伤； (2) 辐射化学效应的产物与细胞组成发生反应。辐射化学效应的产物与细胞组成发生反应。 第四节第四节 食品的辐射及其影响因素食品的辐射及其影响因素 一、食品辐射的类型一、食品辐射的类型 联合国粮农组织联合国粮农组织(FAO)、国际原子能机构、国际原子能机构(IAEA)和世界卫生组织和世界卫生组织(WHO)联合专家联合专家委员会把食品辐射分为下列三类：委员会把食品辐射分为下列三类：低剂低剂量辐照、中等剂量辐照、大剂量辐照量辐照、中等剂量辐照、大剂量辐照。 二、食品辐射保藏的效果及其影响因素二、食品辐射保藏的效果及其影响因素食品进行辐射处理时，必须根据食品的种食品进行辐射处理时，必须根据食品的种类和预期的目的，控制辐射剂量和照射条类和预期的目的，控制辐射剂量和照射条件，才能达到良好的保藏效果。件，才能达到良好的保藏效果。(一一) 食品辐射保藏食品辐射保藏1. 粮食的辐射保藏粮食的辐射保藏2. 果蔬的辐射保藏果蔬的辐射保藏3. 畜、禽、鱼肉的辐射保藏畜、禽、鱼肉的辐射保藏4. 香料和调味品的辐射保藏香料和调味品的辐射保藏 (二二) 提高食品辐射保藏效果的措施提高食品辐射保藏效果的措施 食品的辐射保藏处理，欲取得满意的效果食品的辐射保藏处理，欲取得满意的效果除了根据食品的种类和辐射目的采用适宜除了根据食品的种类和辐射目的采用适宜的辐射剂量外，还可以采取一些辅助措施的辐射剂量外，还可以采取一些辅助措施，以便提高辐射的效果或降低辐射剂量，以便提高辐射的效果或降低辐射剂量，保护食品的营养成分少受损失。保护食品的营养成分少受损失。 1. 添加化学药品添加化学药品2. 改变温度条件改变温度条件3. 改变气体条件改变气体条件4. 合理包装合理包装5. 低温储藏低温储藏 第五节第五节 食品辐照的卫生与安全食品辐照的卫生与安全 FAO、IAEA和和WHO联合专家委员会于联合专家委员会于1980年年10月月27日至日至11月月3日在日内瓦召日在日内瓦召开了关于辐照食品卫生会议。依据以前开了关于辐照食品卫生会议。依据以前各届专家委员会的建议和这些机构组织各届专家委员会的建议和这些机构组织的其他技术或法律专家会议所作出的结的其他技术或法律专家会议所作出的结论，论，允许食品辐照的最大能量水平是：允许食品辐照的最大能量水平是：电子射线电子射线为为10MeV；g g射线和射线和X射线射线为为5MeV。 另外，通过以下五个方面的研究：另外，通过以下五个方面的研究： 1、食品的辐照剂量、食品的辐照剂量 2、食品的包装方法和包装材料、食品的包装方法和包装材料 3、辐射化学、辐射化学 4、动物或家畜喂养实验、动物或家畜喂养实验 5、辐照食品的毒理学研究、辐照食品的毒理学研究 FAO、IAEA和和WHO联合专家委员会得出结论联合专家委员会得出结论，任何商品食物辐照总平均剂量达，任何商品食物辐照总平均剂量达10kGy水平时水平时，不具有毒理学上的危害性，这样处理的食品，不具有毒理学上的危害性，这样处理的食品毋需进行毒理学检查。用毋需进行毒理学检查。用10kGy剂量辐照过的食剂量辐照过的食品，不会引起特殊的营养或微生物问题。品，不会引起特殊的营养或微生物问题。 本章思考题：本章思考题：1. 简述食品的辐射保藏机理。简述食品的辐射保藏机理。2. 试解释试解释“G值值”的含义。的含义。3. 食品辐射常用的辐射源有哪些？食品辐射常用的辐射源有哪些？4. 从食品安全的角度出发，辐射的能量从食品安全的角度出发，辐射的能量应控制在多少以下？应控制在多少以下？