輻照滅菌對紅薯干品質和貯藏特性的影響

王炳奎 張猛超 劉超綱 吳列洪 楊文新 陳金躍 沈升法 陸艷婷

（浙江省農業科學院作物與核技術利用研究所，浙江 杭州 310021）

大量科學研究和實踐表明，輻照處理作為食品衛生保障的重要技術之一，不但安全可行，而且是控制產品質量的可靠和便捷的途徑［1］，已廣泛應用于脫水蔬菜［2］、調味品［3］、茶葉［4-5］、中藥材［6-7］、醬牛肉［8］以及其他食品［9］的殺菌處理。紅薯干又稱地瓜干、番薯干、薯脯、倒蒸薯條，是一種以新鮮甘薯為原料，經削皮、切分、蒸煮糖化、烘烤或晾曬等特定工藝生產的，不添加防腐劑和外源糖的休閑食品［10-11］。紅薯干糖分高、含水量高，容易滋生微生物，難以長期貯藏。為了延長紅薯干的貨架期，有條件的生產企業一般采用小包裝真空高溫滅菌方式，或者使用聚丙烯塑料盒裝巴氏滅菌。前者貨架期可達到1年，但紅薯干在真空袋中被真空加高溫抽緊壓實，質地變得特別致密，導致粘牙嚴重，影響口感；后者需要的滅菌成套設備價格高，貨架期也只能達到90天。為保持紅薯干原有風味，消除高溫滅菌導致的粘牙問題，延長貨架期，其加工工藝值得探索。輻照滅菌作為一種常溫下即可完成的滅菌方法，可能是紅薯干滅菌處理比較理想的選擇，但不同輻射源、劑量和劑量率輻照處理后的紅薯干主要成分和外觀品質是否會產生變化、產生怎么樣的變化等事關紅薯干輻照滅菌工藝的關鍵技術問題和主要技術參數，國內外尚鮮有報道。

甘薯是世界第六大作物，是重要的糧食作物和經濟作物。我國是世界最大的甘薯生產國［12-13］。根據聯合國糧農組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）統計數據，2020年我國甘薯種植面積達224.02萬公頃，鮮薯總產4 894.95萬噸，分別占世界的23.3%和35.3%［14］。但我國甘薯加工業發展相對落后，目前的主要加工利用方式仍為提取淀粉及利用提取的淀粉生產粉絲、粉條等［15-16］。隨著人民生活水平和質量的不斷提高，對休閑食品的需求量也明顯增加，原味紅薯干的產銷量也逐年上升。以浙江省遂昌縣為代表的甘薯產區，涌現了大量的中小型紅薯干加工企業，僅遂昌縣年產紅薯干已達1 000萬千克，年產值3億元，促進了當地的農業增效和農民增收。為規范紅薯干輻照滅菌，相關企業迫切需要一套標準化的紅薯干輻照加工工藝，以滿足產業整體轉型升級。據此，本試驗以不同輻射源、不同劑量和劑量率輻照處理紅薯干，對其外觀品質和主要成分含量進行研究，旨在為研制出一套低成本、高效益的標準化紅薯干輻照滅菌工藝提供關鍵參數和理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試紅薯干由浙江省農業科學院薯類研究室提供，是根據浙閩山區農家傳統薯條三蒸三曬的的制作流程，對傳統糖化工藝進行優化后生產的產品。紅薯干片狀、呈琥珀色柔韌適中，具有良好的適口性，可溶性糖含量20.04%±4.34%，含水量21.49%±2.09%，密度1.31～1.33 g·cm-3。

1.2 主要儀器與設備

PAL-1便攜式糖度儀，日本ATAGO株式會社；NH310便攜式電腦色差儀，三恩時科技有限公司（深圳）；UV-1800可見分光光度計，島津儀器有限公司（蘇州）；SPX-150B-Z型生化培養箱，上海博迅實業有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品與輻照劑量設置 微生物檢測樣品為單條真空包裝，每處理100包，3次重復，隨機擺放。動態γ輻照，劑量分別為0、2、3、4、5、6、8 kGy。

理化指標測定樣品為單樣真空包裝，3次重復。為確保樣本均勻性和減少試驗誤差，同一組試驗樣品為同一紅薯盡可能相鄰部位。動態γ輻照，設3組平行試驗，劑量分別為0～12 kGy（0、2、6、8、10、12 kGy，劑量率為400 kGy·h-1）、0～12.5 kGy（0、2.5、5、7.5、10、12.5 kGy，劑量率為833 kGy·h-1）以及0～15 kGy（0、5、15 kGy，劑量率為1 000 kGy·h-1），以100 ℃高溫滅菌40 min為對照，采用“尼龍+聚丙烯”高溫蒸煮膜真空包裝。

感官評價樣品包裝為170 mm×105 mm×55 mm聚丙烯塑料餐盒，內裝紅薯干400 g，聚丙烯封口膜密封，每處理兩盒上下疊放捆綁為一組，3次重復，隨機擺放。動態γ和電子束輻照，劑量為0、2、4、6、8、10 kGy共6個處理。

不同劑量率對紅薯干外觀色澤影響的試驗樣品采用餐盒包裝（同上）。靜態γ輻照，為掌握劑量及劑量率增加過程中紅薯干外觀變化情況，劑量率設置為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 kGy·h-1，每輻照0.5 h觀察一次樣品外觀至果汁總劑量8.0～13.5 kGy。

機器視覺檢測的色差評價樣品用聚乙烯封口袋封裝。靜態γ輻照，為掌握劑量增加和貯存過程中色差的變化程度，劑量設置為0、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12 kGy，檢測時間為輻照后0～24 h（0、1、3、6、18、24 h），檢測樣品的同一位點。

輻照后待分析的樣品均貯藏于4 ℃冰箱中。劑量跟蹤的化學劑量計經中國計量科學研究院國家劑量保證服務（National Dose Assurance Service，NDAS）比對標定。

1.3.2 輻照源 輻照處理采用γ射線和電子束兩種方式。動態和靜態γ輻照在浙江省農業科學院作物與核技術利用研究所輻照中心進行，動態γ裝置設備參數：60Co源活度1.57×1016Bq，雙板源，自動運行換面；靜態γ裝置設備參數：60Co源活度1.33×1015Bq，源棒花藍式排列。電子束輻照在紹興華能電子加速器有限公司進行，設備參數：電子束能量10 MeV，束流強度400～1 500 μA，電子束掃描寬度800～1 000 mm，平均束流功率4～15 kW，掃描不均勻度≤±5.5%；能量不穩定度≤±2%，束流強度不穩定度≤±2%，樣品處理劑量率為3 kGy·s-1。

1.3.3 微生物檢測 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》［17］、《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》［18］、《GB 4789.26-2013 食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 商業無菌檢驗》［19］的相關要求進行檢測。對0、3、4、5、6 kGy共5個劑量輻照處理后的紅薯干在36 ℃恒溫培養10、15、30 d后檢測微生物；對0、2、4、5、6、8 kGy共6個劑量輻照處理后的紅薯干在常溫貯存0、90、180、360 d后檢測微生物。

1.3.4 理化指標測定 采用比色法測定類胡蘿卜素含量，以80%丙酮作為提取液，利用可見分光光度計在440 nm波長處測定吸光度；采用便攜式糖度儀測定可溶性固形物含量。

1.3.5 外觀評價 機器視覺檢測采用便攜式電腦色差儀測定L、a、b值，通過與對照的差值來判斷不同處理間的色差。根據《GB∕T 7921-2008均勻色空間和色差公式》［20］中的5.1.3色差計算方法［20］，評估各輻照處理對紅薯干外觀色澤的影響。用ΔL表示明度差，大于0表示處理樣品比對照亮度淺，小于0表示處理樣品比對照亮度深；ΔC表示彩度差（飽和度差），用于描述樣本的顏色鮮艷度，大于0表示處理樣品比對照顏色鮮艷，小于0表示對照比處理樣品鮮艷；ΔH表示色調差，ΔE為國際照明委員會（Commission Internationale de l′Eclairage，CIELAB）色差，數值大小表示與對照間的色澤差異程度。

由8位感官評價人員在自然光條件下，采用目測、鼻嗅和品嘗的評定方法，對不同輻照劑量處理后的紅薯干色澤、滋味與氣味、口感等與CK樣品進行比較評定。各項感官指標評分以輻照處理前樣品為CK計5分為基礎分，得分低于5分表示該項指標劣于對照，高于5分表示該項指標優于對照，最低分為0分、最高分為10分。評價結果作為視覺檢測系統評價的平行分析和印證。

1.4 數據分析

采用SPSS統計軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 紅薯干輻照劑量測量

對不同輻照裝置紅薯干輻照的預設劑量進行跟蹤，詳見表1。γ輻照裝置和電子加速器預設不同劑量輻照的實測劑量標準差分別在0.01～0.1 kGy和0.02～0.12 kGy之間，達到預設要求。

表1 不同輻照裝置紅薯干輻照處理的實測劑量Table 1 Measured dose of dried sweet potato irradiated by different irradiation devices and treatments /kGy

2.2 輻照劑量對紅薯干微生物的影響

不同劑量輻照處理對紅薯干滅菌效果的檢測結果見表2。結果表明，未經輻照處理的紅薯干極易被微生物污染，36 ℃培養10 d時，微生物感染率為23.3%，菌落總數達到1.2×105CFU·g-1，已不能食用。輻照能顯著降低紅薯干中微生物感染率，且輻照劑量越大，微生物感染率越低，可至商業無菌。當輻照劑量≥4 kGy時，36 ℃恒溫培養10 d，未檢測出微生物；當輻照劑量≥5 kGy時，36 ℃恒溫培養15 d，未檢測出微生物；當輻照劑量≥6 kGy時，36 ℃恒溫培養30 d，未檢測出微生物。由此可見，適當劑量輻照可實現紅薯干商業無菌。

表2 不同輻照劑量處理紅薯干商業無菌效應的檢測Table 2 Detection of commercial aseptic effect of different irradiation doses on dried sweet potato

對不同輻照劑量處理后紅薯干常溫貯存期間的微生物進行檢測，結果表明（表3），當輻照劑量≥4 kGy時，常溫貯存90 d，未檢出微生物；當輻照劑量≥5 kGy時，常溫貯存180 d，未檢出微生物；當輻照劑量≥6 kGy時，常溫貯存360 d，未檢出微生物。說明輻照處理可延長貨架期。

表3 不同輻照劑量處理紅薯干常溫貯存后的微生物檢測Table 3 Microbial detection of dried sweet potato stored at room temperature after different doses of irradiation

2.3 輻照劑量對紅薯干主要成分含量的影響

類胡蘿卜素是一類重要的天然色素［21-22］，一般類胡蘿卜素含量高的紅薯干外觀偏橙紅色。由表4可知，不同劑量率、不同劑量輻照處理后，紅薯干樣品2中的類胡蘿卜素含量在7.5 kGy和10.0 kGy處理間有顯著差異，其他樣品和處理之間均無顯著性差異；各處理間的紅薯干可溶性固形物含量均無顯著性差異，高溫滅菌后可溶性固形物含量比輻照處理和未輻照處理的高3個百分點以上，差異達極顯著水平。

表4 不同劑量和劑量率輻照對紅薯干類胡蘿卜素和可溶性固形物含量的影響Table 4 Effects of different irradiation doses and dose rate on the contents of carotenoids and soluble solids in dried sweet potato

2.4 輻照劑量對紅薯干感官的影響

外觀色澤是紅薯干重要的產品質量性狀，表5為機器視覺檢測系統對不同輻照處理的紅薯干外觀色差檢測結果。色差值檢測結果的評價和分級在不同行業有所區別，大部分行業評價色差值時，以色差值0～0.5表示色差可以忽略，0.5～1.0表示色差程度很低，1.0～2.0表示色差程度中等，2.0～4.0表示色差程度嚴重，4.0以上表示色差程度過大［23］。本試驗中，在未經存放的條件下，隨著輻照劑量的增大，輻照處理后的紅薯干外觀明度差（ΔL）、彩度差（ΔC）、色差（ΔE）、色調差（ΔH）值總體呈同步上升趨勢；經2～7 kGy劑量輻照處理后的低胡蘿卜素含量紅薯干外觀色差值（ΔE）分別為1.10、1.11、3.61、3.62、2.46、3.21，說明隨著輻照劑量的增加，紅薯干的色差值不僅呈增加趨勢，且達到了肉眼可見明顯或色差程度嚴重的水平。但隨貯存時間的延長，各處理ΔL、ΔC、ΔE、ΔH值呈減小趨勢，2～7 kGy劑量處理的色差值均小于或接近1.0，表明色差可以忽略。經4 kGy劑量輻照處理后，ΔE分別由0、1 h后的3.61、3.02縮小為3、6 h后的2.03、0.92，說明經過一定時間的貯存，輻照處理對紅薯干外觀色澤的影響逐漸消失。隨著輻照劑量的進一步增加，特別是劑量≥8 kGy時，紅薯干的ΔL、ΔC、ΔE、ΔH較7 kGy及其以下劑量處理的差異變大，劑量越大肉眼可見的差異越明顯，此現象隨著貯存時間的延長也呈縮小趨勢，且無論是高胡蘿卜素還是低胡蘿卜素含量的紅薯干都呈現同一趨勢，一般室溫貯存3～24 h可使輻照處理導致的色差值降低，紅薯干產品回歸或接近原來的色澤。

表5 γ射線輻照處理對紅薯干外觀色澤的影響Table 5 Effect of γ-ray irradiation on the appearance color of dried sweet potato

不同劑量率的同一劑量處理對紅薯干外觀色澤影響的效應不同，同一劑量的高劑量率較低劑量率處理的紅薯干外觀色澤變化更明顯（表6）。試驗中不同劑量的電子加速器高能電子束處理均導致紅薯干外觀變黃白，且隨著劑量的增大，黃白且無光澤的現象更明顯，此外觀需常溫貯存1～2周后逐漸恢復，劑量越大恢復時間越長（圖1）。

圖1 不同輻射源輻照對紅薯干外觀的影響Fig.1 Effects of different irradiation source and dose treatment on the appearance color of dried sweet potato

表6 不同劑量率處理對紅薯干外觀色澤的影響Table 6 Effects of different dose rate treatment on the appearance color of dried sweet potato

評價小組對不同裝置、不同劑量處理的紅薯干色澤、滋味與氣味、口感等進行綜合評定，結果見表7。不同劑量條件下γ射線輻照裝置與電子加速器處理后貯存1 d的紅薯干外觀色澤均存在極顯著差異，γ射線輻照處理后紅薯干更亮潤、色略淺，≤4 kGy劑量輻照的紅薯干外觀色澤較對照有較明顯提亮。電子加速器處理后紅薯干的外觀狀態由處理前的紅潤光澤明顯變為灰黃色無光澤，且隨劑量增加外觀變色越明顯，尤其是在10 kGy以上劑量輻照下，紅薯干外觀呈無光澤黃白色。感官評價中各輻照處理后的樣品經180 d貯存后較新鮮生產的口感略下降，這與高溫滅菌處理后長期貯存口感略下降的結果一致，總體差異不明顯。在滋、氣味上，長期貯存后略有焦糖味，且長期常溫不避光貯存有色澤發暗現象，與高溫滅菌處理樣品的滋、氣味和外觀相似，為農產品的正常陳化現象。感官評價結果與機器視覺評價結果一致。

表7 輻照處理對紅薯干感官評價的影響Table 7 Effects of irradiation treatment on sensory evaluation of dried sweet potato

3 討論

3.1 輻射源與紅薯干輻照滅菌最低有效劑量

紅薯干輻照滅菌最低有效劑量是制訂該類產品輻照滅菌工藝的關鍵參數。不同輻射源對紅薯干輻照均可達到滅菌效果。γ射線是一種波長極短、能量很高的電滋波，具有很強的穿透力［24］，滅菌效果好，但成本較高。相對而言，使用電子加速器輻照成本較低，但電子束劑量率高、穿透力較弱，10 MeV電子加速器產生的電子束有效穿透深度（水等效深度）約為3.5～4.0 g·cm-2［25］，生產實踐中使用電子加速器輻照時包裝不宜太厚，否則不均勻度較大，可能導致局部殺菌不夠徹底。另一方面，本研究發現高劑量率處理后紅薯干出現黃白現象，相同劑量下劑量率越大發白現象越明顯（表7）。因此，紅薯干輻照滅菌不建議采用電子束作為輻射源。

紅薯干經γ射線輻照處理后不同劑量的商業無菌試驗和常溫貯存后微生物檢測的驗證試驗結果（表2，表3）表明，紅薯干輻照滅菌工藝以90 d貨架期為目標時的最低有效劑量為4 kGy，可將貨架期延長至360 d，最低有效劑量則為6 kGy，試驗結果可作為紅薯干輻照滅菌工藝的參數。

3.2 輻照劑量對紅薯干主要成分的影響

類胡蘿卜素是一類具有抗氧化功能的重要天然色素［26］，不僅賦予原味紅薯干營養功能，而且賦予薯干鮮艷的橙紅色外觀和良好的商品性［27］。不同輻照劑量和劑量率處理紅薯干后，其類胡蘿卜素和可溶性固形物的含量均未發生顯著變化（表4），說明從紅薯干主要成分變化的角度分析，輻照滅菌工藝是可行的。輻照處理后紅薯干的類胡蘿卜素含量除7.5和10 kGy處理間有顯著性差異外（表4），其他處理間均無顯著差異，這兩個處理間的差異可能來源于樣品的非均勻性，由于紅薯干是由鮮薯塊切片加工而成，同一品種不同薯塊以及同一薯塊不同部位之間的類胡蘿卜素、可溶性固形物含量都存在差異，這也導致樣品處理前的差異可能大于處理的效應。高溫滅菌后的可溶性固形物含量比輻照處理和未輻照處理高3個百分點以上，這可能與紅薯干在高溫滅菌過程中淀粉分解有關。

最高耐受劑量是輻照加工工藝的重要指標之一，10～15 kGy的高劑量輻照紅薯干后，可溶性固形物、類胡蘿卜素等主要成分含量和口感均無顯著差異（表4）。因此，在設定輻照加工工藝劑量時，以實現輻照目的為限，在不超過最高耐受劑量的前提下，劑量越低越好［28-29］。

3.3 輻照劑量對紅薯干外觀的影響

外觀品質是農產品特別是食品的重要特征，對于產品的商品性具有重要意義［30］。利用機器視覺檢測系統的客觀測量［31］，結合評價小組的感觀測評，從明度差、彩度差、色調差、色差等不同維度，就不同劑量輻照對紅薯干外觀品質的影響作出綜合判斷，可能是一種有益的探索。本試驗中輻照劑量≤7 kGy處理后各樣品低胡蘿卜素和高胡蘿卜素含量紅薯干的色差值均小于4，為肉眼可見的差距，且在6 h內回色正常（表5、6），說明紅薯干經適當劑量輻照及貯存處理后，其外觀品質不會改變。吳楠楠等［32］關于高壓下胡蘿卜素的分子結構及其拉曼光譜特征變化的研究表明，在12.85 GPa的高壓下，β-胡蘿卜素分子主鏈上的碳碳雙鍵比碳碳單鍵更易壓縮，從而影響拉曼光譜特征；孫美嬌等［33］也認為壓強會影響胡蘿卜素的光學特征。本試驗結果同樣表明，不同劑量率和劑量輻照處理對紅薯干類胡蘿卜素含量無顯著影響（表4），但輻照后短時間內貯存對紅薯干的外觀色澤有明顯影響（表5），且高劑量率輻照處理會明顯降低紅薯干的色澤（圖1），由此推測，色差的變化及其回色可能是由于較高劑量及高劑量率輻照對β-胡蘿卜素分子的物理結構和電子軌道產生了影響，從而使高劑量率輻照處理后的薯干呈現灰白色，但高劑量率輻照是否會影響胡蘿卜素的分子結構，目前尚未有報道，值得進一步研究。

4 結論

本研究結果表明，紅薯干輻照滅菌處理可延長其貯存期，γ射線輻照處理后紅薯干的可溶性固形物、類胡蘿卜素含量和感官指標均未發生顯著變化；電子束輻照處理后紅薯干外觀發生顯著變化，同劑量下劑量率越高對紅薯干的外觀影響越大，電子加速器的電子束劑量率較高，不是紅薯干輻照滅菌的理想輻射源。制定紅薯干滅菌工藝，以常溫90和360 d貨架期為目標時的最低有效劑量分別為4和6 kGy，建議采用低劑量率輻照。