電子束輻照技術在食品工業中的應用現狀及研究進展

王媛，劉雪婷，陳金定，劉錦芳，毛立科，高彥祥

中國農業大學食品科學與營養工程學院中國輕工業健康飲品重點實驗室（北京 100083）

聯合國糧農組織（FAO）統計顯示，由于蟲害、微生物污染導致的全世界食品損失占總產量的25%～35%[1]。傳統的食品殺菌技術通過化學處理（熏蒸、防腐劑等）或熱處理的方法，以達到殺菌殺蟲目的，但會引發化學物質殘留，以及食品品質劣變等問題[2]。食品輻照技術是一種高效的非熱加工技術，包括γ-射線、X-射線（≤5 MeV）和電子束（≤10 MeV）輻照等[3-4]。通過輻照可以進行食品殺菌、脫毒，調控生物生長，以及改善食品品質等處理[5-7]。世界衛生組織（WHO）、國際原子能機構（IAEA）和聯合國糧農組織（FAO）已經認可輻照技術應用于食品中的安全性[8]。全世界有40余個國家批準輻照處理在200余種食品中的應用[9]。研究和應用最普遍的是以60Co為放射源的γ-射線輻照技術，其局限性在于處理所需時間較長、放射源對環境的潛在危害及消費者主觀接受性較差[10-11]。電子束輻照具有處理時間短、能耗低，能夠保持食品品質且不產生核廢料等優點，近年來得到食品領域更加廣泛的關注[10,12-14]。從電子束輻照技術的電子束形成及殺菌原理，以及在食品包裝材料、食品加工等領域的應用進行綜述，以期為拓寬電子束輻照技術在食品領域的應用提供理論依據，促進農業和食品工業的健康、高效、可持續發展。

1 電子束輻照

1.1 電子束形成

電子加速器是電子束輻照裝置的重要組成部分，其主要作用是產生具有特定能量、強度和形狀的電子束流[15]。不同種類的加速器原理各不相同，但主要元件是相同的，包括電子源（陰極）、加速器管、束流形成系統[16]。陰極電子源在真空中被電激發并釋放出電子，在加速電場中電子得到加速，通過電磁場引導和約束電子形成電子束流，定向作用于待處理的食品表面[17-19]。

表1 電子束分類及應用范圍

1.2 電子束輻照殺菌原理

電子束輻照殺菌的基本原理是通過電子加速器產生具有較高能量的電子束，在活細胞（如酵母菌、霉菌、細菌）中誘導細胞基因組、生理生化和形態發生改變[24]。如圖1[25]所示，電子束的直接影響將破壞核苷酸的單、雙鍵（圖1，左），蛋白質等生物大分子中化學鍵將發生聚合、交聯或斷裂，從而破壞生物體的遺傳物質片段，誘導細胞凋亡[26]。此外，還可以通過間接的放射化學作用使水電離，形成的自由基和活性氧可以破壞核苷酸（圖1，右）、細胞膜和關鍵酶，促進細胞失活[18]。不同細胞對輻照的敏感度不同。結構簡單的DNA病毒是最耐輻照的生物體之一，其次是細菌或真菌的孢子，因其含水量低，對輻照耐受能力較強。滅活細菌的營養體、霉菌和酵母菌的輻照劑量范圍較廣，在3～10 kGy。昆蟲、大部分寄生蟲和植物分生組織（球莖或塊莖）對輻照更為敏感，需降低輻照劑量以減少食品品質的劣變[25]。

圖1 電子束輻照對核酸影響示意圖

2 電子束輻照與食品包裝材料

食品包裝過程是HACCP體系中一個關鍵控制點，無微生物污染的食品包裝是確保食品質量安全的前提[27]。電子束輻照效應對食品包裝的作用，可能包括對食品包裝材料的物理影響，也可能輻照引起聚合物的化學變化，反應產物可能進入食品而影響食品感官特性和質量安全[28]。

2.1 電子束輻照對食品包裝材料性能的影響

電子束輻照影響包裝材料的物理和化學性能。經過輻照后包裝材料的機械性能可能會出現一定程度的變化，甚至會出現聚合物輻解和遷移現象[29-30]。研究表明，電子束輻照技術應用于聚合物膜時，既實現聚合物膜殺菌，也可以在不添加化學試劑的情況下增強膜的機械性能[31-34]。Chaudhary等[33]研究電子束輻照對雙軸取向聚對苯二甲酸乙二醇酯膜（BOPET）機械性能和電性能的影響，結果表明，其機械性能（如拉伸強度、楊氏模量和電阻率）隨著輻射劑量增加而有所提升；但劑量超過10 kGy之后，其各項機械性能則不再改變。電子束輻照后BOPET顯示出良好的機械性能和更高的電阻率，使其在食品包裝、醫療產品等領域均具有一定應用優勢。

輻照可以誘導聚合物的交聯和/或降解，其效果取決于聚合物種類和輻照過程（輻照類型、劑量、氧氣等）[35]。Kremser等[36]比較劑量45 kGy的γ射線和電子束輻照對PP物化性質的影響。研究發現，經γ射線輻照的PP斷裂伸長率下降46%，摩爾質量下降43%，黃度值上升42%；經電子束輻照的PP斷裂伸長率僅下降24%，摩爾質量下降27%，黃度值上升22%。這表明電子束輻照對PP的損傷比γ射線更小。Caire-maurisier等[37]用25 kGy的電子束輻照PET，結果發現輻照后PET鏈斷裂，產生苯甲酸、對苯二甲酸等聚合物。因此使用電子束輻照處理食品包裝材料時，應關注其在一定劑量下聚合物的輻解和遷移給食品安全帶來的風險。

2.2 電子束輻照在食品包裝材料殺菌中應用

電子束輻照技術已成功應用于飲料無菌灌裝線殺菌。歐洲的Tetra Pak公司于2012年采用低能量電子束（＜200 keV）實現對包裝材料的表面殺菌，改變40年來無菌灌裝線中紙鋁塑復合包裝材料依賴于過氧化氫殺菌的狀況，為包裝材料殺菌提供環保、低成本的選擇。電子束輻照技術的應用能夠減少約80%殺菌能耗、約40%二氧化碳排放及約33%電能耗[28]，對于促進食品包裝工業可持續發展具有重要意義。據Rajo公司（斯洛伐克最大的乳品生產商）稱，2011—2014年間該公司使用電子束殺菌系統的利樂灌裝機生產1.1億包1 L利樂磚包裝的常溫奶，總能源消耗約減少30%。Hiroyuki等[38]發明專利描述一種內表面電子束輻照殺菌設備，使從輸出窗口發射的電子束形成電子云，可實現對小瓶內表面的殺菌。Roy等[39]發明一種適用灌裝機的電子束殺菌裝置，包括對包裝容器內、外部進行殺菌的電子束發射器，可用于包裝容器的殺菌，同時對灌裝機也具有殺菌效果。國內企業和研發機構對于電子束輻照技術在食品包裝材料中應用也有一定的研究。江蘇新美星包裝機械股份有限公司將電子束殺菌技術運用到飲料生產線中。其專利設計一種使用電子束殺菌的吹灌旋一體裝置，在電子束殺菌設備和灌裝設備之間增加臭氧消除設備，有效解決了瓶內臭氧殘留的問題，使產品更為安全衛生[40]。另一項專利描述了一種回轉式電子束殺菌裝置，其結構簡單且能夠實現對瓶體全方位的輻照殺菌[41]。江蘇智研科技有限公司有2項關于電子束殺菌的專利，采用雙電子束發生器對瓶子進行殺菌操作的裝置[42]和采用單電子束發生器對瓶子進行殺菌操作的裝置[43]。這2種裝置都具有殺菌效果好，可操作性強、穩定性好、適應性好、結構簡單、成本低的特點，在食品包裝領域有廣闊的發展前景。

3 電子束輻照與食品貯藏保鮮

3.1 電子束輻照在果蔬加工中應用

果蔬采后仍在進行復雜的生理代謝，導致果蔬產品品質下降甚至腐敗[44]。電子束輻照在果蔬加工中主要應用于抑制其生理代謝、推遲后熟衰老、改善品質等方面[45]。黃天姿等[45]研究電子束輻照處理對獼猴桃品質及灰霉病抗性的影響，結果表明，電子束輻照能有效抑制果實品質指標的變化，增加抗性物質的含量，提升獼猴桃的灰霉病抗性。Nam等[46]發現，0.4 kGy的電子束輻照能顯著抑制柑橘貯藏過程中微生物繁殖，同時對水分、總酚和維生素C的含量無顯著影響，但并不能防止貯藏導致的部分橙皮苷、有機酸等活性物質和生物活性（自由基清除能力）的損失。Kheshti等[47]研究發現輻照通過抑制富士蘋果代謝關鍵酶活性，從而抑制果實的呼吸及后熟速率。王少丹[23]將高能電子束輻照用于處理鮮切青椒，證明適當劑量的輻照能有效殺滅表面食源性致病菌，同時還能防止青椒的軟化，有利于保持鮮切青椒品質。

3.2 電子束輻照在肉品水產中應用

冷鮮肉類和水產品易存在寄生蟲、耐冷微生物（沙門菌、李斯特菌等）污染的問題[48]。由于冷鮮產品特殊的貯藏條件，使用傳統熱殺菌難以達到殺菌及保鮮的目的。因此在處理該類產品時，電子束輻照的無熱效應、殺菌速度快、效果好等優勢得以顯現。Feng等[49]評估不同輻照劑量（0，1.5，3.0和4.5 kGy）電子束輻照對生碎牛肉品質的影響。研究表明，輻照后牛肉的脂質氧化和蛋白質氧化程度均顯著增加，但對其感官品質影響不大。因此，控制適當的電子束輻照劑量可以限制其對產品品質的不利影響。Yang等[50]利用高能電子束處理已包裝的生鮮魚片，既能殺菌保鮮、延長貨架期，又保持其原有品質。

3.3 電子束輻照在糧油加工中應用

糧油加工過程中面臨的主要問題是害蟲、細菌、霉菌等微生物的污染及脂肪的氧化酸敗。陳云堂等[51]研究發現輻照劑量＞0.25 kGy時，能抑制谷物中的谷盜幼蟲發育為成蟲。Luo等[52]研究電子束輻照處理對糙米和碾米新鮮度和品質的影響。在貯藏過程中，經輻照的樣品中游離脂肪酸含量增加緩慢，脂肪酶活性得到有效抑制，總活菌數顯著低于未輻照組，并且其淀粉晶體結構保持不變，但結晶度降低。由此可見，電子束輻照處理可以改善糙米和碾米的品質并延長其保質期。Yang等[53]研究電子束輻照對玉米烯酮（ZEN）和赭曲霉素（OTA）降解的影響，16 kGy電子束輻照對1 mg/mL ZEN的降解率為92.76%，對1 mg/mL OTA的降解率超過90%，為電子束輻照降解真菌毒素提供理論依據。

4 結語與展望

電子束輻照作為一種新型非熱加工技術，其效率高、效果好、無潛在安全問題，具有廣闊的應用前景。近年來，國外內電子束輻照技術不斷完善、設備不斷改進，電子束輻照的實際應用能力和社會經濟效益優勢也日益凸顯。電子束輻照對于食品包裝材料的殺菌及性能的影響還應進行系統的研究，并且同時考慮包裝形式、包裝材料的復合等對電子束輻照效果的影響。電子束輻照技術在果蔬、肉品、水產、糧油等食品的殺菌保鮮及品質改善中得到廣泛應用。未來研究應更加關注電子束輻照對食品殺菌及品質影響的機理探究，建立全面規范的技術參數，實現精準化、規范化輻照，使電子束輻照技術在食品工業中充分發揮其優勢和應用價值。