徐遠芳,彭 玲,張祺玲,周毅吉,郭 峰,張 勇,鄧 超,王 芊,鄧鋼橋, 李文革
(湖南省農業科學院 湖南省核農學與航天育種研究所 湖南省農業生物輻照工程技術研究中心生物輻照技術湖南省工程研究中心,湖南 長沙 410125)
中國是大豆生產和消費的大國,也是最早利用大豆制作豆制品的國家之一,是世界公認的傳統豆制品發源地[1]。我國傳統豆制品分為發酵豆制品和非發酵豆制品,歷史悠久,品種繁多,是我國重要的傳統食品[2]。豆制品具有風味獨特、營養豐富以及易消化吸收等特點,在東方健康飲食中扮演著重要角色[3]。近年來,隨著我國休閑食品產業的快速發展,休閑豆干越來越受到消費者喜愛,成為“十一五”期間我國大豆食品產業發展最快的一類產品。在我國豆制品品牌企業前50強當中,以休閑豆干為主的企業占近三分之一。休閑豆干產品的出現,使得湖南、四川、重慶等地的大豆食品行業迅速崛起,企業規模猛增,僅湖南邵陽地區在2014年豆制品產值就達30億元[4-5]。雖然休閑豆干產量逐漸增加,但由于休閑豆干水分活度高、蛋白質和脂肪含量豐富,極易滋生微生物,影響產品質量,縮短貨架期[6]。另外,我國傳統豆制品的生產工業化程度低,保質期短、衛生質量差,產品標準化程度低,品質不穩定,由微生物污染而導致豆制品腐敗的問題已成為制約我國傳統豆制品產業發展的瓶頸[7-8]。為保障產品安全,延長保質期,目前休閑豆制品生產大多采用熱殺菌,但高溫處理會導致產品結構硬化、彈性減小、風味損失等,嚴重影響產品品質,制約豆制品行業發展[9-10]。因此,研究應用新型高效的減菌保質技術對保證豆干的衛生安全、延長豆干貨架期具有重要意義。
輻照是一種重要的食品非熱加工高新技術,利用高能射線(包括γ射線、10 MeV以下的電子束和 5 MeV以下的X射線)與物質相互作用產生的物理、化學和生物效應,對食品進行加工處理以達到抑制發芽、延遲或促進成熟、殺蟲殺菌、防腐或滅菌、改善品質及延長食品貨架期等目的[11]。食品輻照技術具有安全高效、方便快捷、無二次污染以及加工過程不會使食品明顯升溫等優勢,已被全世界 50 多個國家批準和接受,廣泛應用于食品加工與保鮮貯藏[12]。目前用于食品輻照加工的射線主要有電子束和γ射線,其中γ射線的實際應用最為廣泛。電子束是帶有負電荷的電子,而γ射線屬于不帶電的電磁輻射,兩者作用于被輻照物質所產生的輻射效應不盡相同[13]。目前,關于γ射線和電子束輻照的研究主要集中在殺菌效果和部分品質差異性的比較,尤其是針對輻照引起食品氧化效應的研究已有大量報道[14-19],但國內外關于兩種輻照方式對豆制品殺菌效果及品質影響的比較研究卻鮮有報道。
本實驗以湖南特色休閑食品風味豆干為研究材料,分別探究γ 射線和電子束輻照對風味豆干微生物存活數、營養成分(水分、蛋白質、脂肪、灰分和氨基酸)、理化指標(酸價和過氧化值)及質構特性(硬度、內聚性、膠著性、咀嚼性和彈性)的影響,并著重探討兩種輻照方式引起的輻照效應的差異性,旨在為輻照技術在休閑豆制品加工中的應用提供理論依據和技術支持。
風味豆干:湖南瀏陽生物醫藥產業園區某食品加工企業提供;營養瓊脂、孟加拉紅、月桂基硫酸鹽胰蛋白胨(LS)肉湯、煌綠乳糖膽鹽(BGLB)肉湯:北京奧博星生物技術有限責任公司;氯化鈉、石油醚、濃硫酸、硫酸鉀、鹽酸、正己烷(色譜純):國藥集團化學試劑有限公司。
重鉻酸銀和重鉻酸鉀(銀)劑量計:湖南省核農學與航天育種研究所;真空充氮包裝機DZ-400/2S:諸城潤生食品機械;生化培養箱SPX-250B:天津泰斯特儀器有限公司;霉菌培養箱MJ:上海一恒科學儀器有限公司;超凈工作臺FW-CJ-2FD:蘇州凈化設備有限公司;立式壓力蒸汽滅菌鍋LDZX-50KBS:上海申安醫療器械廠;全自動氨基酸分析儀L-8900:日本日立公司;電子天平AUW220D:日本島津公司;質構分析儀TA-XT2i:英國StableMicrosystem公司;自動電位滴定儀Metrohm809型:瑞士萬通公司;電熱恒溫鼓風干燥箱DHG-9246A:上海精宏實驗設備有限公司;全自動凱氏定氮儀及消化儀FOSS2300:丹麥福斯分析儀器公司。
從某食品加工企業豆制品生產車間取當天生產的滅菌前香辣味豆干,用透明PE袋進行分裝,每袋約25 g,共27份,用于風味豆干微生物檢測實驗;每袋約50 g,共108份,用于風味豆干理化指標檢測。分裝后的樣品采用真空包裝機抽真空包裝。樣品準備完成后,立即進行輻照。
γ射線輻照在湖南省農業科學院核農學與航天育種研究所湖南輻照中心進行,放射源為60Co,單板源,放射性活度為3.14×1016Bq,采用動態步進方式輻照,輻照過程中貨箱自動換面,上下貨箱自動換層。為保證樣品輻照劑量的均勻度,樣品均放置于貨箱固定區域,平均劑量率約10 Gy/min,運行周期約5 h,平均輻照劑量約2.5 kGy,每完成1個周期的輻照后即取出相應的樣品,并手動將其余樣品放置于原區域繼續輻照。輻照過程采用重鉻酸銀和重鉻酸鉀(銀)劑量計進行劑量跟蹤,劑量計經中國計量科學研究院國家劑量保證服務(NDAS)比對標定。
電子束輻照在湖南湘華華大生物科技有限公司進行,功率15 kW,電子束能量10 MeV。將樣品平鋪于托盤上,劑量率約1 kGy/s,運行周期約5 min,每個周期的平均輻照劑量約2.5 kGy,每完成1個周期的輻照后即取出相應的樣品,并手動將其余樣品換面繼續輻照。輻照過程用劑量片(FWT-60)進行劑量跟蹤,劑量片經中國計量科學研究院國家劑量保證服務(NDAS)比對標定。
實驗的設計劑量分別為0、2.5、5.0、7.5、10.0 kGy,γ射線輻照實測劑量分別為0、3.1、5.9、8.6、11.4 kGy,電子束輻照實測劑量分別為0、2.7、5.5、8.2、10.8 kGy。以上每個劑量設3個平行。樣品輻照后均貯藏于4 ℃冰箱中待檢測,所有樣品檢測重復3次。
菌落總數:參照GB 4789.2-2016食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定;霉菌數:參照GB 4789.15-2016食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 霉菌和酵母計數測定;大腸菌群數:參照GB 4789.3-2016食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 大腸菌群計數測定。
水分含量:參照GB 5009.3-2016食品安全國家標準 食品中水分的測定;蛋白質含量:參照GB 5009.5-2016食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定;脂肪含量:參照GB 5009.6-2016食品安全國家標準 食品中脂肪的測定;灰分含量:參照GB 5009.4-2016食品安全國家標準 食品中灰分的測定;氨基酸含量:參照GB 5009.124-2016食品安全國家標準 食品中氨基酸的測定。
酸價:參照GB 5009.229-2016食品安全國家標準 食品中酸價的測定;過氧化值:參照GB 5009.227-2016食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定。
參考趙廷偉豆制品質構測定方法[20],探頭:P/50,測試參數:測試速度為1 mm/s;壓縮比例為20%。每個樣品測試重復9次,結果取平均值。

γ射線和電子束輻照對風味豆干中微生物的影響列于表1。由表1數據結果可知,2種輻照方式對風味豆干中污染的微生物生長均有較好的殺滅效果,不同輻照方式對不同種類微生物的抑制效果相似,其存活數變化規律一致,均隨著輻照劑量的增加抑制作用增強。經一定劑量輻照處理后,菌落總數、霉菌數及大腸菌群數均可得到有效控制。在相近輻照劑量條件下,γ射線輻照處理后風味豆干的微生物存活數要低于電子束輻照。分別以菌落總數和霉菌數的對數值對輻照劑量進行線性回歸擬合,得到γ射線輻照風味豆干的線性回歸方程y=-0.549 1x+5.388 8(R2=0.993 2)和y=-0.581 8x+5.556 1(R2=0.999 1),推算出γ射線輻照雜菌和霉菌的D10值(D10指使某種微生物數量下降為原來的10%所需要的輻照劑量)分別為1.82 kGy和1.72 kGy。同理,得出電子束輻照的線性回歸方程y=-0.409 7x+5.515 9(R2=0.997 9)和y=-0.557 2x+5.507 3(R2=0.997 5),求出電子束輻照雜菌和霉菌的D10值分別為2.44 kGy和1.79 kGy。由推算的D10值可以看出,γ射線輻照風味豆干的D10值低于電子束輻照,表明γ射線輻照達到相同殺菌效果所需要的輻照劑量值低于電子束輻照。

表1 γ射線和電子束輻照對風味豆干中微生物的影響Table 1 Effects of γ ray and electron beam irradiation on the microbial diversity of flavor dried bean curd
γ射線和電子束輻照對風味豆干一般營養成分的影響列于表2。由表2數據結果可知,不同輻照劑量條件下,γ射線和電子束輻照對風味豆干中3種一般營養成分(水分、蛋白質和灰分)的含量均沒有明顯的影響(P>0.05),在相近劑量輻照條件下,2種輻照方式對3種營養成分的含量無顯著差異(P>0.05)。脂肪的含量與對照組(輻照劑量=0 kGy)相比均出現下降,所有輻照樣品中脂肪含量均顯著低于對照組(P<0.05),經相近劑量輻照后,2種輻照方式產生的結果也有差異。結果表明,γ射線和電子束輻照均不會對風味豆干中水分、蛋白質和灰分的含量產生顯著的影響,但2種輻照方式均會引起風味豆干脂肪含量明顯減少。

表2 γ射線和電子束輻照對風味豆干一般營養成分的影響Table 2 Effects of γ ray and electron beam irradiation on main nutritional composition of flavor dried bean curd
注:不同小寫字母代表在不同輻照方式和輻照劑量條件下差異顯著(P<0.05) 。下表同。
γ射線和電子束輻照對風味豆干氨基酸含量的影響列于表3。由表3數據結果可知,不同輻照方式和輻照劑量條件下,對風味豆干中8種必需氨基酸和8種非必需氨基酸含量的影響有一定的異同性。在不同輻照劑量條件下,γ射線輻照對風味豆干中氨基酸各組分的含量影響均無顯著差異(P>0.05)。而不同劑量的電子束輻照對不同氨基酸含量的影響不同,電子束輻照在5.5 kGy劑量條件下,Val、Phe、Pro、Gly、Ala、Tyr等6種氨基酸的含量明顯高于對照組(P<0.05),其余10種差異不顯著(P>0.05);但在10.8 kGy劑量條件下,所有氨基酸的含量與對照相比差異均不顯著(P>0.05)。在相近輻照劑量條件下,僅5.9 kGy劑量的γ射線輻照與5.5 kGy劑量的電子束輻照對Val含量的影響有顯著差異(P<0.05),2種輻照處理方式對風味豆干中其余氨基酸各組分含量的影響均沒有明顯的差異(P>0.05)。結果表明,γ射線輻照不會對風味豆干中氨基酸各組分的含量產生明顯的影響,而電子束輻照會對其中部分氨基酸的含量有一定的影響。

表3 γ射線和電子束輻照對風味豆干氨基酸含量的影響Table 3 Effects of γ ray and electron beam irradiation on amino of flavor dried bean curd
γ射線和電子束輻照對風味豆干理化性質的影響列于表4。由表4數據結果可知,γ射線和電子束2種輻照方式以及不同劑量輻照對風味豆干的酸價和過氧化值的影響效果有所異同。在不同劑量條件下,γ射線輻照對風味豆干酸價的影響隨劑量的增加呈無規律波動,5.9 kGy和11.4 kGy劑量輻照時與對照組差異顯著(P<0.05),而3.1 kGy和8.6 kGy劑量輻照與對照組無明顯差異(P<0.05),風味豆干酸價的變化與輻照劑量沒有明顯的線性關系。經不同劑量γ射線輻照后,各處理的過氧化值均低于對照組,達到顯著水平(P<0.05)。經不同劑量的電子束輻照后,風味豆干的酸價均明顯高于對照組(P>0.05);2.7 kGy劑量的電子束輻照后,過氧化值升高(P<0.05),5.5 kGy及以上劑量輻照不會對其過氧化值產生明顯影響(P>0.05)。在相近劑量輻照條件下,2種輻照處理方式對其中的酸價和過氧化值的影響均有顯著的差異(P<0.05)。結果表明,γ射線和電子束2種輻照方式對風味豆干的酸價和過氧化值均有明顯的影響。
γ射線和電子束輻照對風味豆干質構特性的影響列于表5。由表5數據結果可知,2種不同輻照方式在不同劑量條件下對風味豆干的質構特性(硬度、內聚性、膠著性、咀嚼性、彈性)的影響有所差異。在不同劑量輻照條件下,經γ射線輻照的風味豆干的硬度、內聚性、膠著性、咀嚼性和彈性與對照組相比均沒有顯著差異(P>0.05)。經不同劑量電子束輻照樣品的硬度、內聚性和膠著性與對照組相比沒有明顯的變化(P>0.05),2.7 kGy劑量輻照不會對其咀嚼性和彈性產生明顯的影響,但當輻照劑量高于5.5 kGy時,咀嚼性和彈性會明顯下降(P<0.05)。在相同劑量輻照條件下,γ射線和電子束輻照對風味豆干質構特性的影響也存在一定的差異性。結果表明,γ射線輻照對風味豆干的質構特性沒有明顯的影響,電子束輻照對硬度、內聚性和彈性的影響不顯著,但5.5 kGy以上劑量輻照會對其咀嚼性和彈性產生明顯影響。

表4 γ射線和電子束輻照對風味豆干理化性質的影響Table 4 Effects of γ ray and electron beam irradiation on physicochemical property of flavor dried bean curd

表5 γ射線和電子束輻照對風味豆干質構特性的影響Table 5 Effects of γ ray and electron beam irradiation on texture property of flavor dried bean curd
本實驗研究結果表明,γ射線和電子束2種輻照方式均可對風味豆干起到較好的殺菌作用,隨著輻照劑量增加,風味豆干微生物指標均明顯下降,經一定劑量輻照后,菌落總數、霉菌及大腸菌群數均可得到有效控制。在相近劑量輻照條件下,γ射線輻照后風味豆干中的微生物存活數和D10值均低于電子束輻照的樣品,表明γ射線輻照對風味豆干的殺菌效果要強于電子束輻照。Park等[21]采用電子束(2.5 MeV)和γ射線對牛肉香腸進行輻照,結果發現在相同劑量條件下γ射線比電子束對菌落總數具有更好的控制效果。賈倩等[18]研究比較了電子束和γ射線輻照對素雞的殺菌效果,并通過D10值表征兩種輻照形式的殺菌效果,結果表明,γ射線輻照對素雞菌落總數的D10值為0.43 kGy,而電子束輻照的D10值為0.48 kGy,表明γ射線輻照素雞的殺菌效果比電子束更好,但兩者差異不顯著(P≥0.05)。劉福莉等[22]研究比較了γ射線和電子束輻照(10 MeV)對豬肉火腿腸細菌總數的影響,結果表明,γ射線輻照的樣品細菌總數顯著小于經電子束輻照的樣品,這與本研究的結論一致。肖歡等[19]研究比較了60Co γ射線和電子束輻照對冷鮮雞微生物含量的影響,結果表明,2種射線均可以起到較好的殺菌作用,在相同劑量條件下,電子束輻照對冷鮮雞殺菌效果較60Co γ射線顯著,但兩者對大腸菌群的殺滅效果差異不顯著。李新等[23]研究發現60Co γ射線與電子束輻照對豬肉細菌總數抑制效果明顯,在相同劑量條件下,電子束對豬肉輻照殺菌效果較γ射線顯著。王晶晶等[13]研究對比發現電子束和γ射線輻照對象拔蚌都可以起到有效的殺菌作用,并且2種射線在相近的劑量下對菌落總數的抑制效果并無顯著差異。白嬋等[24]研究發現不同劑量率60Co源與電子加速器輻照可明顯抑制魚肉中微生物的生長,對于60Co γ射線輻照,相同劑量下,低劑量率與高劑量率γ射線輻照對菌落總數的影響沒有顯著差異。對于電子束輻照,其對細菌的抑制效果明顯優于60Co γ射線輻照,這與本研究結論不一致。究其原因,無論是γ射線輻照還是電子束輻照,其殺菌效果都與加工能力(放射源活度、電子束能量與功率)、輻射劑量率、輻照方式、食品自身屬性、包裝形式、污染微生物的種類等因素密切相關。
豆制品是高蛋白食品,蛋白質的含量在一定程度上可以作為衡量豆制品營養價值的重要指標,而含水量反映其保水能力,保水能力的高低直接影響風味豆干的風味、質地和口感等感官品質。因此,輻照對水分、蛋白質、脂肪等營養成分的影響是風味豆干輻照研究的重點內容之一。王晶晶等[13]研究表明,電子束和γ射線輻照對象拔蚌蛋白質、灰分、脂肪和水分含量無顯著影響。程述震等[17]研究表明,電子束和γ射線輻照后冷鮮豬肉脂肪、蛋白質和灰分與對照組相比無顯著差異。王若蘭等[25]采用γ射線、電子束處理大豆、小麥及其制品,研究結果發現,兩種射線對蛋白質的含量影響不明顯,而隨著輻照劑量增大,脂肪的含量有一定程度的上升。本實驗結果表明,γ射線和電子束輻照均對風味豆干水分、蛋白質和灰分含量沒有明顯的影響,但脂肪的含量與對照組相比均顯著下降,這與上述結果不完全一致。朱佳廷等[26]研究發現,經γ射線輻照后大豆蛋白粉脂肪的含量顯著降低,推測可能與輻照引起脂肪的氧化有關。
氨基酸是組成生物功能大分子蛋白質的基本結構單元,是構成人體營養所需蛋白質的基本物質。風味豆干中含有豐富的氨基酸,本實驗研究發現,γ射線輻照不會對風味豆干的氨基酸含量產生明顯影響,經5.5 kGy劑量電子束輻照后Val、Phe、Pro、Gly、Ala、Tyr等6種氨基酸的含量明顯增加,而10.8 kGy時影響不顯著。袁芳等[27]研究γ射線輻照風味豆制品,經過5~10 kGy 劑量輻照后,17種氨基酸含量無明顯差異,與本實驗的結論一致。程述震等[17]采用4 kGy的γ射線和電子束輻照鮮豬肉,研究發現經γ射線輻照的冷鮮豬肉樣品氨基酸含量顯著下降,經4 kGy電子束處理后必需氨基酸的含量與對照組相比均顯著增加。尚頤斌等[28]研究發現經4 kGy電子束輻照后冷鮮肉中氨基酸的含量比其他各劑量輻照組高,8 kGy與對照組相比均無顯著差異,這與本研究的結論相似。究其原因,氨基酸含量的變化可能由于輻照所產生的自由基引起氨基酸發生脫氨基和轉氨基作用,使氨基酸發生轉化。
脂肪氧化是典型的自由基反應,輻照會加快自由基的生成速度,引發自由基的鏈式反應,從而加速食品的氧化過程[29]。過氧化值反映了油脂氧化初級產物過氧化氫的含量,酸價可用來衡量油脂中游離脂肪酸的含量,二者皆是反映油脂品質好壞的重要指標。哈益明等[14]研究發現,經γ射線輻照的冷卻肉硫代巴比妥酸值(TBARS)顯著高于對照組,表明γ射線會引起冷卻肉脂肪的氧化。Lewis等[30]研究表明,電子束輻照會加速去皮雞胸肉的脂肪氧化。王柏楠等[16]研究發現γ射線輻照會加速食品脂肪的氧化,輻照劑量越大,氧化程度越高。由于電子束具有一定的還原性,對食品的氧化程度比γ射線小。肖歡等[19]研究γ射線與電子束輻照后冷鮮雞丙二醛含量的變化,結果發現電子束輻照后樣品中丙二醛含量顯著低于γ射線輻照樣品。汪昌保等[15]研究了電子束和γ射線輻照對豬油脂氧化的影響,結果表明γ射線輻照后油脂樣品的過氧化值和TBARS都比電子束輻照樣品高。程述震等[17]研究發現輻照提高了冷鮮豬肉的氧化程度,但電子束輻照引起的脂肪氧化效應小于等劑量γ射線輻照引起的氧化效應。賈倩等[18]研究表明電子束輻照在引起素雞氧化效應方面低于γ射線輻照。本實驗研究結論與上述報道不完全一致,經γ射線輻照后風味豆干的過氧化值顯著降低,電子束輻照后過氧化值上下波動。主要由于風味豆干成分以蛋白質為主,油脂含量不高,過氧化值水平本身也較低,不能客觀反映兩種射線輻照對脂肪氧化效應的差異性。王若蘭等[31]研究γ射線和電子束輻照大豆樣品,結果發現酸價隨著輻照劑量增加而增大,這與本實驗結論不完全一致,本實驗結論表明,電子束輻照后樣品酸價均顯著高于對照組,γ射線輻照后與酸價變化沒有明顯的相關性。
食品的質構特性是食品的組織結構及其對外力反應方式的感官表現,比如軟硬、粘彈、酥脆、耐咀嚼等,屬于食品的感官性質,是食品的重要屬性[32]。食品質地評價是食品品質檢驗的一個重要方面,通常采用感官評價和儀器分析評價兩種方法。王春葉等[33]通過對豆干感官品質的評價指出豆干的水分含量、硬性、咀嚼性、硬度、咀嚼次數和成團性可作為豆干感官質量的評價指標。本研究結果表明,不同劑量γ射線輻照后風味豆干的硬度、咀嚼性、內聚性、膠著性和彈性與對照組相比均沒有顯著差異,不同劑量電子束輻照樣品的硬度、內聚性和膠著性與對照相比沒有明顯的變化,但5.5 kGy以上劑量輻照會使咀嚼性和彈性明顯下降。Kim等[34]研究發現輻照會引起韓國泡菜的軟化。王若蘭等[25]發現隨著輻照劑量升高,γ射線和電子束輻照后熟面條黏附性上升,彈性、咀嚼性和回復性下降。輻照對食品質構的影響與輻照劑量大小有關,但輻照引起質構發生變化的作用機制還有待進一步研究。
γ射線與電子束輻照對風味豆干均具有良好的殺菌效果,γ射線輻照對風味豆干的減菌控制效應要優于電子束輻照。兩種輻照方式均不會對風味豆干水分、蛋白質和灰分一般營養成分產生明顯的影響。輻照會加速食品中脂肪的氧化,經兩種射線輻照后脂肪含量降低。γ射線對氨基酸含量沒有明顯影響,但5.5 kGy劑量的電子束輻照后,Val、Phe、Pro、Gly、Ala和Tyr含量顯著升高,10.8 kGy時與對照組差異不顯著。γ射線輻照后風味豆干過氧化值顯著降低,電子束輻照后風味豆干酸價顯著低于對照組。γ射線輻照對風味豆干硬度、咀嚼性、內聚性、膠著性和彈性沒有明顯影響,電子束輻照不會對樣品硬度、內聚性和膠著性產生明顯變化,但5.5 kGy以上劑量輻照對風味豆干咀嚼性和彈性有明顯的影響。