高能電子束輻照對(duì)黃精微生物及品質(zhì)的影響

徐攀,許競(jìng)地,陳謙,邱婭璐,高鵬*

1(四川省原子能研究院,四川 成都,610101)2(輻照保藏四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都,610101)

黃精(Polygonatirhizoma)又名雞頭黃精、白及、姜形黃精等,是百合科(Liliaceae)黃精屬(Polygonatimill)植物的干燥根莖。《中華人民共和國(guó)藥典》2020年版記載了滇黃精(PolygonatumkingianumColl.et Hemsl.)、黃精(PolygonatumsibiricumRedoute)和多花黃精(PolygonatumcyrtonemaHua)3種黃精藥材[1]。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,黃精主要含多糖、甾體皂苷、黃酮、生物堿、蒽醌類(lèi)化合物及微量元素[2],在抗腫瘤、抗阿爾茲海默癥、調(diào)節(jié)免疫力、降血脂降血糖、保護(hù)心臟等方面有較高的藥用價(jià)值[3]。另外,黃精是一種典型的藥食同源產(chǎn)品,已有許多深加工產(chǎn)品,如黃精酒、黃精餅干及黃精饅頭等,其嫩葉和莖也可作為蔬菜食用[4]。現(xiàn)黃精已廣泛應(yīng)用于食品、藥品、化妝品等領(lǐng)域。

中藥材的質(zhì)量影響其療效,對(duì)中藥材進(jìn)行合理的貯藏養(yǎng)護(hù),能夠更好的保護(hù)藥效,避免藥性流失,對(duì)提高臨床療效及用藥安全性均有重要意義。黃精含糖量高、肉性足、香味濃,炮制后不易干燥,在貯藏中易出現(xiàn)霉變、腐爛、蟲(chóng)蛀等變質(zhì)現(xiàn)象。對(duì)此類(lèi)藥材多采用簡(jiǎn)單的避光、密閉法進(jìn)行養(yǎng)護(hù),但貯藏效果差。此外,還有低溫冷藏、除氧保鮮、氣調(diào)貯藏等技術(shù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[5-6],但成本較高。輻照保藏是一種“冷殺菌”技術(shù),其穿透力強(qiáng)、滅菌徹底,適合揮發(fā)性、熱敏性中藥的大批量滅菌[7],能有效減少中藥材微生物含量,同時(shí)能最大限度的保持中藥材的性狀及藥理活性[8]。研究發(fā)現(xiàn)60Co-γ輻照處理黃精可使微生物含量顯著減少[9]。除60Co-γ射線外,電子加速器在近幾年也運(yùn)用于中藥材保藏[10]。相比γ射線,電子束輻照無(wú)需處理放射性廢源、加工能力更強(qiáng)、速度更快,在食品貯藏、材料改性等方面均有廣泛應(yīng)用[11-12]。安全、高效、經(jīng)濟(jì)的電子束輻照逐步替代60Co-γ射線,成為輻照加工行業(yè)主要的發(fā)展方向。

目前,研究較多的是60Co-γ輻照處理中藥材,關(guān)于電子束輻照技術(shù)在黃精的應(yīng)用研究鮮見(jiàn)報(bào)道,電子束輻照對(duì)黃精微生物殺菌效果及品質(zhì)的影響還未知。本研究以黃精為試驗(yàn)材料,采用高能電子束輻照處理,評(píng)估不同劑量輻照對(duì)黃精微生物含量及品質(zhì)的影響,以期為后續(xù)電子束輻照殺菌用于黃精貯藏提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃精購(gòu)于成都市金牛區(qū)荷花池中藥材專業(yè)市場(chǎng),淡黃色、片狀,厚度約0.2 cm,經(jīng)西南科技大學(xué)侯大斌教授鑒定為黃精(P.sibiricumRedoute)。

NaCl蛋白胨緩沖液(pH 7.0)、胰酪大豆胨液體/瓊脂培養(yǎng)基、沙氏葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基、腸道增菌液體培養(yǎng)基、紫紅膽鹽葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基、麥康凱液體/瓊脂培養(yǎng)基、RV沙門(mén)增菌液培養(yǎng)基、木糖賴氨酸脫氧膽酸鹽瓊脂培養(yǎng)基,青島高科技工業(yè)園海博生物技術(shù)有限公司;重鉻酸銀劑量計(jì),自制,校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)為JJG 1028—1991《使用重鉻酸銀劑量計(jì)測(cè)量γ射線水吸收劑量標(biāo)準(zhǔn)方法》。

1.2 儀器與方法

SX-500高壓滅菌鍋,日本Tom Digital Biology公司;CJ-1450超凈工作臺(tái),蘇信環(huán)境科技有限公司;PJ-400拍打式無(wú)菌均質(zhì)機(jī),力辰科技公司;ZWY-211C智能全溫振蕩器,常州金壇精達(dá)儀器制造有限公司;TH-02-260B電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,成都易華天宇實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限責(zé)任公司;CS-C600色差儀,杭州彩譜科技有限公司;PEN3電子鼻,德國(guó)AIRSNSE公司;GJ-2高能電子加速器,四川潤(rùn)祥輻照技術(shù)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 輻照處理

黃精采用20 cm×14 cm聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)/聚乙烯(polyethylene,PE)復(fù)合袋包裝,每袋80 g,平鋪厚度約2 cm,采用高能電子加速器(能量10 MeV,功率20 kW)進(jìn)行單面輻照,設(shè)定劑量2、4、6、8、10 kGy,未輻照樣品為對(duì)照(CK)。重鉻酸銀劑量測(cè)定樣品的實(shí)際吸收劑量,為1.8、3.7、6.3、7.8、10.1 kGy。下文以設(shè)定劑量表示。

1.3.2 微生物檢測(cè)

需氧菌總數(shù)、霉菌和酵母總數(shù)、耐熱菌總數(shù)、耐膽鹽革蘭陰性菌、大腸埃希菌及沙門(mén)菌按《中華人民共和國(guó)藥典》2020版(4部)1108中藥飲片微生物限度檢查法進(jìn)行檢測(cè)[1]。

1.3.3 理化品質(zhì)測(cè)定

黃精水分、總灰分及浸出物按《中華人民共和國(guó)藥典》2020版(4部)中的方法測(cè)定[1]。其中水分含量按照通則0832第四法,總灰分按照通則2302,浸出物按照通則2201下的醇溶性熱浸法。

1.3.4 色差測(cè)定

黃精60 ℃烘干、粉碎,過(guò)40目篩,使用色度儀測(cè)定其L*、a*、b*值。根據(jù)公式(1)計(jì)算飽和度C,根據(jù)公式(2)計(jì)算總色差ΔE,根據(jù)公式(3)計(jì)算色度指標(biāo)變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)[10]。

(1)

(2)

(3)

式中:ΔL*、Δa*、Δb*為輻照處理組與對(duì)照組的差值,SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差,MN為平均值。

1.3.5 揮發(fā)性物質(zhì)測(cè)定

取1.00 g黃精粉置于15 mL頂空瓶中,室溫放置2 h。在室溫下插入E-nose探頭吸取頂端空氣進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試載氣為空氣,氣體流量為400 mL/min,檢測(cè)時(shí)間90 s,自動(dòng)清洗時(shí)間90 s。電子鼻各傳感器特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 PEN3型便攜式電子鼻傳感器性能描述Table 1 Performance description of REN3 portable electronic nose sensor

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行LSD及Duncan顯著差異性(P<0.05)分析;采用Origin 21.0進(jìn)行繪圖;電子鼻數(shù)據(jù)使用系統(tǒng)自帶軟件Winmuster進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)微生物含量的影響

根據(jù)《中華人民共和國(guó)藥典》2020版1107非無(wú)菌藥品微生物限度標(biāo)準(zhǔn),非無(wú)菌藥用原料及輔料的需氧菌總數(shù)限度為103CFU/g,霉菌和酵母菌總數(shù)限度為102CFU/g,控制菌未做統(tǒng)一要求[1]。由表2可知,CK組中需氧菌總數(shù)為2.9×103CFU/g,霉菌和酵母菌總數(shù)為4×102CFU/g,不符合藥典標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)黃精經(jīng)過(guò)2 kGy劑量輻照,需氧菌總數(shù)降為5×102CFU/g,霉菌和酵母菌總數(shù)降為20 CFU/g,達(dá)到藥典規(guī)定的限度標(biāo)準(zhǔn)。雖然藥典中對(duì)耐熱菌和耐膽鹽革蘭氏陰性菌未做要求,但經(jīng)過(guò)4 kGy劑量輻照,可完全殺滅黃精中的這兩類(lèi)微生物。經(jīng)過(guò)6 kGy劑量輻照,只有少量的需氧菌存活。當(dāng)輻照劑量達(dá)到8 kGy,微生物總數(shù)均降至檢測(cè)限(10 CFU/g)以下。此外,大腸埃希氏菌和沙門(mén)氏菌均未檢出。

表2 電子束輻照對(duì)黃精微生物數(shù)量的影響Table 2 Effect of electron beam irradiation on the microbial load in P. sibiricum Redoute

輻照滅菌是利用γ射線、X射線或電子束照射物品,通過(guò)直接或間接的作用引起微生物DNA、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)等有機(jī)大分子發(fā)生斷裂、交聯(lián)、降解,從而導(dǎo)致微生物死亡[13]。不同種類(lèi)的微生物對(duì)輻照的耐受能力不同,甚至同屬、同種的不同菌株間也存在差異。從食品和藥材中常有的微生物種類(lèi)來(lái)看,耐輻射性依次為芽胞菌>酵母菌>霉菌>革蘭氏陽(yáng)性菌>革蘭氏陰性菌[14-15]。微生物數(shù)量越多,殺滅需要的輻照劑量越高。同時(shí),相關(guān)研究表明輻照殺菌效果與射線種類(lèi)、放射源強(qiáng)度、電子束束能、微生物負(fù)載基質(zhì)、輻照溫度、包裝的氣體狀態(tài)等有關(guān)[16]。

有研究表明,黃精經(jīng)60CO-γ射線輻照后,微生物數(shù)量顯著減少,并隨輻照劑量增加更明顯[9];黃芩和南星經(jīng)5.0 kGy劑量60CO-γ輻照后能達(dá)到衛(wèi)生學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要求[17]。何毅等[10]采用電子束輻照處理川麥冬,結(jié)果表明電子束能明顯降低麥冬中需氧菌、酵母及霉菌總數(shù);付孟等[18]采用電子束輻照大黃,發(fā)現(xiàn)3～5 kGy及以上劑量輻照使大黃微生物數(shù)量降至檢測(cè)限以下。因此,電子束輻照與60CO-γ輻照效果一致,均能有效殺滅中藥材中的微生物,且隨著輻照劑量的增加抑菌效果增強(qiáng)。

2.2 對(duì)理化品質(zhì)的影響

根據(jù)《中華人民共和國(guó)藥典》2020版規(guī)定黃精水分不得超過(guò)18%,總灰分不得超過(guò)4%,浸出物不得少于45%,輻照前后的黃精均符合藥典規(guī)定[1]。由表3可知,不同劑量輻照處理黃精水分含量在17.08%～17.23%,總灰分含量在2.40%～2.50%,均無(wú)顯著差異(P>0.05)。浸出物含量在49.75%～58.25%,在2 kGy劑量下對(duì)浸出物含量無(wú)顯著影響(P>0.05);當(dāng)輻照劑量≥4 kGy時(shí),可顯著增加浸出物含量(P<0.05),在8 kGy處理組最多,相比CK組,提高17.08%。

表3 電子束輻照對(duì)黃精水分、總灰分及浸出物含量的影響Table 3 Effect of electron beam irradiation on moisture, total ash and extracts of P. sibiricum Redoute

本研究發(fā)現(xiàn)電子束輻照處理不會(huì)影響黃精水分和總灰分含量,與何毅等[10]、付孟等[18]研究結(jié)果一致。付孟等[18]在對(duì)大黃進(jìn)行電子束輻照處理,發(fā)現(xiàn)輻照可使水溶性浸出物顯著增加。相關(guān)研究表明,淀粉經(jīng)60CO-γ輻照處理,分子鏈斷裂、聚合度降低、分子質(zhì)量變小[19],電離輻射會(huì)使肌肉蛋白質(zhì)水解形成多肽[20]。此外,輻照可導(dǎo)致總黃酮與單個(gè)或數(shù)個(gè)糖分子結(jié)合產(chǎn)物的糖苷鍵斷裂產(chǎn)生黃酮苷或黃酮苷元[21]。本研究發(fā)現(xiàn)輻照可使黃精浸出物顯著增加,推測(cè)其原因是輻照后蛋白質(zhì)、多糖等大分子發(fā)生降解,產(chǎn)生如寡糖、有機(jī)酸、多肽等,使得其更容易浸出。

2.3 對(duì)色澤的影響

由表4可知,在10 kGy劑量范圍內(nèi),輻照不會(huì)對(duì)黃精的亮度值及紅綠值產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)。在4 kGy劑量范圍內(nèi),輻照對(duì)黃精的黃藍(lán)值和飽和度無(wú)顯著影響(P>0.05);當(dāng)輻照劑量達(dá)到6 kGy時(shí),會(huì)顯著增加其黃藍(lán)值和飽和度(P<0.05)。從變異系數(shù)來(lái)看,黃精的色度變異系數(shù)大小依次為b*值>飽和度C>a*值>L*值,表明電子束輻照對(duì)黃精的色澤主要影響在黃藍(lán)值b*上。ΔE值越大說(shuō)明色澤變化越大,ΔE值<6.0時(shí)色差不明顯;6.0～12.0時(shí)色差較大;>12.0時(shí)為不同顏色[22]。ΔE<6.0,表明在10 kGy劑量范圍內(nèi)電子束輻照不會(huì)對(duì)黃精總色差產(chǎn)生明顯影響。

表4 電子束輻照對(duì)黃精色澤的影響Table 4 Effect of electron beam irradiation on color of P. sibiricum Redoute

2.4 對(duì)揮發(fā)性成分的影響

2.4.1 雷達(dá)圖分析

電子鼻是利用氣體傳感器的響應(yīng)值來(lái)識(shí)別氣味,同時(shí)結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲取樣品中揮發(fā)性物質(zhì)的完整信息[23]。提取10個(gè)傳感器的特征值,選擇60～62 s的數(shù)值繪制雷達(dá)指紋圖,結(jié)果見(jiàn)圖1。所有處理組W1W傳感器信號(hào)最強(qiáng),其次為W2W和W5C,然后是W1S,表明黃精氣味中的主要物質(zhì)為硫化物、芳香類(lèi)物質(zhì)、氮氧化合物及甲烷,且輻照后黃精主要揮發(fā)性成分未發(fā)生改變。

CK組和輻照組在W2W、W5C、W1S、W2S四個(gè)傳感器中有差別。在W2W傳感器中,隨著輻照劑量的增加響應(yīng)值增大,表明輻照會(huì)促進(jìn)黃精芳香成分的揮發(fā);在W5C傳感器中,輻照劑量≥6 kGy時(shí)響應(yīng)值增大,表明當(dāng)輻照劑量達(dá)到6 kGy會(huì)促進(jìn)黃精氮氧化合物揮發(fā);在W1S傳感器中,輻照劑量≥4 kGy時(shí)響應(yīng)值增加,表明當(dāng)輻照劑量超過(guò)4 kGy會(huì)增加黃精揮發(fā)性成分中甲烷物質(zhì)含量;在W2S傳感器中,輻照劑量≥6 kGy時(shí)響應(yīng)值增大,表明當(dāng)輻照劑量達(dá)到6 kGy會(huì)增加黃精揮發(fā)性成分中醇類(lèi)、醛酮類(lèi)化合物含量。

樊萍等[24]在對(duì)輻照面包異常氣味研究中發(fā)現(xiàn)輻照會(huì)使芳香族烴類(lèi)含量顯著增加;舒曉燕等[23]研究輻照對(duì)白芷揮發(fā)性成分的影響中發(fā)現(xiàn)輻照會(huì)增加甲烷類(lèi)物質(zhì);有關(guān)研究表明輻照可使酯類(lèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為醛酮類(lèi),此類(lèi)物質(zhì)可引起“輻照味”,其含量越高輻照味越濃[25-26]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合前人研究,發(fā)現(xiàn)輻照會(huì)導(dǎo)致中藥材等某些揮發(fā)性成分增加。

2.4.2 主成分分析(principal component analysis, PCA)

PCA是一種數(shù)據(jù)降維處理的方式,通過(guò)提取幾個(gè)主成分因子來(lái)代表原始樣本的變量,然后根據(jù)主成分因子在不同樣本中的貢獻(xiàn)率來(lái)評(píng)價(jià)樣本間的規(guī)律性和差異性[27]。選取60～62 s數(shù)值,使用電子鼻自帶系統(tǒng)進(jìn)行PCA,結(jié)果見(jiàn)圖2。第一主成分和第二主成分的貢獻(xiàn)率分別為85.55%和12.71%,總貢獻(xiàn)率為98.26%,可以較好的反應(yīng)輻照前后黃精的揮發(fā)性氣味全部特征信息。CK組和2 kGy處理組有交互,表明樣品相似度高;8 kGy處理組和10 kGy處理組也有交叉,說(shuō)明樣品相似度高。同時(shí)6 kGy處理組與8～10 kGy處理在第一主成分距離較短,因此需要進(jìn)一步探究不同樣品揮發(fā)性物質(zhì)的區(qū)別。

圖2 不同劑量輻照處理后黃精氣味PCA圖Fig.2 Principal component analysis (PCA) of P. sibiricum Redoute odor after different irradiation dose

2.4.3 線性判別分析(linear discriminant analysis,LDA)

LDA是一種經(jīng)典的有監(jiān)督數(shù)據(jù)降維方法,可使相同類(lèi)別聚在一起,不同類(lèi)別之間相距較遠(yuǎn),能更好的顯示樣品間的差異[28]。選取60～62 s數(shù)值,使用電子鼻自帶系統(tǒng)進(jìn)行LDA,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同劑量輻照處理后黃精氣味LDA圖Fig.3 Linear discriminant analysis (LDA) of P. sibiricum Redoute odor after different irradiation dose

圖3中,第一主成分貢獻(xiàn)率91.15%,第二主成分貢獻(xiàn)率3.25%,總貢獻(xiàn)率94.40%,可以很好的區(qū)分不同樣品。在第一象限,CK組和2 kGy處理組聚在一起,4～10 kGy處理組聚在一起,說(shuō)明CK組和2 kGy處理組揮發(fā)性物質(zhì)相似,4～10 kGy處理組揮發(fā)性物質(zhì)相似,即在2 kGy輻照劑量下對(duì)黃精氣味無(wú)明顯影響。

3 總結(jié)

黃精經(jīng)2 kGy以上劑量電子束輻照處理,可有效殺滅微生物,同時(shí)對(duì)其水分和總灰度含量無(wú)顯著影響,當(dāng)輻照劑量達(dá)到4 kGy可顯著增加浸出物含量。在10 kGy劑量范圍內(nèi),不會(huì)對(duì)黃精色澤產(chǎn)生明顯影響,不會(huì)對(duì)黃精主要揮發(fā)性產(chǎn)生影響,但會(huì)影響芳香成分、氮氧化合物、甲烷物質(zhì)及醇類(lèi)、醛酮類(lèi)化合物等物質(zhì)揮發(fā)性。