γ射线和电子束辐照对风味豆干杀菌效果及品质的影响

徐远芳，彭 玲，张祺玲，周毅吉，郭 峰，张 勇，邓 超，王 芊，邓钢桥， 李文革

(湖南省农业科学院 湖南省核农学与航天育种研究所 湖南省农业生物辐照工程技术研究中心生物辐照技术湖南省工程研究中心，湖南 长沙 410125)

中国是大豆生产和消费的大国，也是最早利用大豆制作豆制品的国家之一，是世界公认的传统豆制品发源地[1]。我国传统豆制品分为发酵豆制品和非发酵豆制品，历史悠久，品种繁多，是我国重要的传统食品[2]。豆制品具有风味独特、营养丰富以及易消化吸收等特点，在东方健康饮食中扮演着重要角色[3]。近年来，随着我国休闲食品产业的快速发展，休闲豆干越来越受到消费者喜爱，成为“十一五”期间我国大豆食品产业发展最快的一类产品。在我国豆制品品牌企业前50强当中，以休闲豆干为主的企业占近三分之一。休闲豆干产品的出现，使得湖南、四川、重庆等地的大豆食品行业迅速崛起，企业规模猛增，仅湖南邵阳地区在2014年豆制品产值就达30亿元[4-5]。虽然休闲豆干产量逐渐增加，但由于休闲豆干水分活度高、蛋白质和脂肪含量丰富，极易滋生微生物，影响产品质量，缩短货架期[6]。另外，我国传统豆制品的生产工业化程度低，保质期短、卫生质量差，产品标准化程度低，品质不稳定，由微生物污染而导致豆制品腐败的问题已成为制约我国传统豆制品产业发展的瓶颈[7-8]。为保障产品安全，延长保质期，目前休闲豆制品生产大多采用热杀菌，但高温处理会导致产品结构硬化、弹性减小、风味损失等，严重影响产品品质，制约豆制品行业发展[9-10]。因此，研究应用新型高效的减菌保质技术对保证豆干的卫生安全、延长豆干货架期具有重要意义。

辐照是一种重要的食品非热加工高新技术，利用高能射线(包括γ射线、10 MeV以下的电子束和 5 MeV以下的X射线)与物质相互作用产生的物理、化学和生物效应，对食品进行加工处理以达到抑制发芽、延迟或促进成熟、杀虫杀菌、防腐或灭菌、改善品质及延长食品货架期等目的[11]。食品辐照技术具有安全高效、方便快捷、无二次污染以及加工过程不会使食品明显升温等优势，已被全世界 50 多个国家批准和接受，广泛应用于食品加工与保鲜贮藏[12]。目前用于食品辐照加工的射线主要有电子束和γ射线，其中γ射线的实际应用最为广泛。电子束是带有负电荷的电子，而γ射线属于不带电的电磁辐射，两者作用于被辐照物质所产生的辐射效应不尽相同[13]。目前，关于γ射线和电子束辐照的研究主要集中在杀菌效果和部分品质差异性的比较，尤其是针对辐照引起食品氧化效应的研究已有大量报道[14-19]，但国内外关于两种辐照方式对豆制品杀菌效果及品质影响的比较研究却鲜有报道。

本实验以湖南特色休闲食品风味豆干为研究材料，分别探究γ 射线和电子束辐照对风味豆干微生物存活数、营养成分(水分、蛋白质、脂肪、灰分和氨基酸)、理化指标(酸价和过氧化值)及质构特性(硬度、内聚性、胶着性、咀嚼性和弹性)的影响，并着重探讨两种辐照方式引起的辐照效应的差异性，旨在为辐照技术在休闲豆制品加工中的应用提供理论依据和技术支持。

1 材料与仪器

1.1 材料与试剂

风味豆干：湖南浏阳生物医药产业园区某食品加工企业提供；营养琼脂、孟加拉红、月桂基硫酸盐胰蛋白胨(LS)肉汤、煌绿乳糖胆盐(BGLB)肉汤：北京奥博星生物技术有限责任公司；氯化钠、石油醚、浓硫酸、硫酸钾、盐酸、正己烷(色谱纯)：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

重铬酸银和重铬酸钾(银)剂量计：湖南省核农学与航天育种研究所；真空充氮包装机DZ-400/2S：诸城润生食品机械；生化培养箱SPX-250B：天津泰斯特仪器有限公司；霉菌培养箱MJ：上海一恒科学仪器有限公司；超净工作台FW-CJ-2FD：苏州净化设备有限公司；立式压力蒸汽灭菌锅LDZX-50KBS：上海申安医疗器械厂；全自动氨基酸分析仪L-8900：日本日立公司；电子天平AUW220D：日本岛津公司；质构分析仪TA-XT2i：英国StableMicrosystem公司；自动电位滴定仪Metrohm809型：瑞士万通公司；电热恒温鼓风干燥箱DHG-9246A：上海精宏实验设备有限公司；全自动凯氏定氮仪及消化仪FOSS2300：丹麦福斯分析仪器公司。

2 实验方法

2.1 样品制备

从某食品加工企业豆制品生产车间取当天生产的灭菌前香辣味豆干，用透明PE袋进行分装，每袋约25 g，共27份，用于风味豆干微生物检测实验；每袋约50 g，共108份，用于风味豆干理化指标检测。分装后的样品采用真空包装机抽真空包装。样品准备完成后，立即进行辐照。

2.2 辐照

γ射线辐照在湖南省农业科学院核农学与航天育种研究所湖南辐照中心进行，放射源为60Co，单板源，放射性活度为3.14×1016Bq，采用动态步进方式辐照，辐照过程中货箱自动换面，上下货箱自动换层。为保证样品辐照剂量的均匀度，样品均放置于货箱固定区域，平均剂量率约10 Gy/min，运行周期约5 h，平均辐照剂量约2.5 kGy，每完成1个周期的辐照后即取出相应的样品，并手动将其余样品放置于原区域继续辐照。辐照过程采用重铬酸银和重铬酸钾(银)剂量计进行剂量跟踪，剂量计经中国计量科学研究院国家剂量保证服务(NDAS)比对标定。

电子束辐照在湖南湘华华大生物科技有限公司进行，功率15 kW，电子束能量10 MeV。将样品平铺于托盘上，剂量率约1 kGy/s，运行周期约5 min，每个周期的平均辐照剂量约2.5 kGy，每完成1个周期的辐照后即取出相应的样品，并手动将其余样品换面继续辐照。辐照过程用剂量片(FWT-60)进行剂量跟踪，剂量片经中国计量科学研究院国家剂量保证服务(NDAS)比对标定。

实验的设计剂量分别为0、2.5、5.0、7.5、10.0 kGy，γ射线辐照实测剂量分别为0、3.1、5.9、8.6、11.4 kGy，电子束辐照实测剂量分别为0、2.7、5.5、8.2、10.8 kGy。以上每个剂量设3个平行。样品辐照后均贮藏于4 ℃冰箱中待检测，所有样品检测重复3次。

2.3 微生物含量测定

菌落总数：参照GB 4789.2-2016食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定；霉菌数：参照GB 4789.15-2016食品安全国家标准 食品微生物学检验 霉菌和酵母计数测定；大肠菌群数：参照GB 4789.3-2016食品安全国家标准 食品微生物学检验 大肠菌群计数测定。

2.4 一般营养成分含量的测定

水分含量：参照GB 5009.3-2016食品安全国家标准 食品中水分的测定；蛋白质含量：参照GB 5009.5-2016食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定；脂肪含量：参照GB 5009.6-2016食品安全国家标准 食品中脂肪的测定；灰分含量：参照GB 5009.4-2016食品安全国家标准 食品中灰分的测定；氨基酸含量：参照GB 5009.124-2016食品安全国家标准 食品中氨基酸的测定。

2.5 理化指标的测定

酸价：参照GB 5009.229-2016食品安全国家标准 食品中酸价的测定；过氧化值：参照GB 5009.227-2016食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定。

2.6 质构的测定

参考赵廷伟豆制品质构测定方法[20]，探头：P/50，测试参数：测试速度为1 mm/s；压缩比例为20%。每个样品测试重复9次，结果取平均值。

2.7 数据分析

3 结果与分析

3.1 对风味豆干微生物的影响

γ射线和电子束辐照对风味豆干中微生物的影响列于表1。由表1数据结果可知，2种辐照方式对风味豆干中污染的微生物生长均有较好的杀灭效果，不同辐照方式对不同种类微生物的抑制效果相似，其存活数变化规律一致，均随着辐照剂量的增加抑制作用增强。经一定剂量辐照处理后，菌落总数、霉菌数及大肠菌群数均可得到有效控制。在相近辐照剂量条件下，γ射线辐照处理后风味豆干的微生物存活数要低于电子束辐照。分别以菌落总数和霉菌数的对数值对辐照剂量进行线性回归拟合，得到γ射线辐照风味豆干的线性回归方程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射线辐照杂菌和霉菌的D10值(D10指使某种微生物数量下降为原来的10%所需要的辐照剂量)分别为1.82 kGy和1.72 kGy。同理，得出电子束辐照的线性回归方程y=-0.409 7x+5.515 9(R2=0.997 9)和y=-0.557 2x+5.507 3(R2=0.997 5)，求出电子束辐照杂菌和霉菌的D10值分别为2.44 kGy和1.79 kGy。由推算的D10值可以看出，γ射线辐照风味豆干的D10值低于电子束辐照，表明γ射线辐照达到相同杀菌效果所需要的辐照剂量值低于电子束辐照。

表1 γ射线和电子束辐照对风味豆干中微生物的影响Table 1 Effects of γ ray and electron beam irradiation on the microbial diversity of flavor dried bean curd

3.2 对风味豆干一般营养成分的影响

γ射线和电子束辐照对风味豆干一般营养成分的影响列于表2。由表2数据结果可知，不同辐照剂量条件下，γ射线和电子束辐照对风味豆干中3种一般营养成分(水分、蛋白质和灰分)的含量均没有明显的影响(P>0.05)，在相近剂量辐照条件下，2种辐照方式对3种营养成分的含量无显著差异(P>0.05)。脂肪的含量与对照组(辐照剂量=0 kGy)相比均出现下降，所有辐照样品中脂肪含量均显著低于对照组(P<0.05)，经相近剂量辐照后，2种辐照方式产生的结果也有差异。结果表明，γ射线和电子束辐照均不会对风味豆干中水分、蛋白质和灰分的含量产生显著的影响，但2种辐照方式均会引起风味豆干脂肪含量明显减少。

表2 γ射线和电子束辐照对风味豆干一般营养成分的影响Table 2 Effects of γ ray and electron beam irradiation on main nutritional composition of flavor dried bean curd

注：不同小写字母代表在不同辐照方式和辐照剂量条件下差异显著(P<0.05) 。下表同。

3.3 对风味豆干中氨基酸的影响

γ射线和电子束辐照对风味豆干氨基酸含量的影响列于表3。由表3数据结果可知，不同辐照方式和辐照剂量条件下，对风味豆干中8种必需氨基酸和8种非必需氨基酸含量的影响有一定的异同性。在不同辐照剂量条件下，γ射线辐照对风味豆干中氨基酸各组分的含量影响均无显著差异(P>0.05)。而不同剂量的电子束辐照对不同氨基酸含量的影响不同，电子束辐照在5.5 kGy剂量条件下，Val、Phe、Pro、Gly、Ala、Tyr等6种氨基酸的含量明显高于对照组(P<0.05)，其余10种差异不显著(P>0.05)；但在10.8 kGy剂量条件下，所有氨基酸的含量与对照相比差异均不显著(P>0.05)。在相近辐照剂量条件下，仅5.9 kGy剂量的γ射线辐照与5.5 kGy剂量的电子束辐照对Val含量的影响有显著差异(P<0.05)，2种辐照处理方式对风味豆干中其余氨基酸各组分含量的影响均没有明显的差异(P>0.05)。结果表明，γ射线辐照不会对风味豆干中氨基酸各组分的含量产生明显的影响，而电子束辐照会对其中部分氨基酸的含量有一定的影响。

表3 γ射线和电子束辐照对风味豆干氨基酸含量的影响Table 3 Effects of γ ray and electron beam irradiation on amino of flavor dried bean curd

3.4 对风味豆干理化性质的影响

γ射线和电子束辐照对风味豆干理化性质的影响列于表4。由表4数据结果可知，γ射线和电子束2种辐照方式以及不同剂量辐照对风味豆干的酸价和过氧化值的影响效果有所异同。在不同剂量条件下，γ射线辐照对风味豆干酸价的影响随剂量的增加呈无规律波动，5.9 kGy和11.4 kGy剂量辐照时与对照组差异显著(P<0.05)，而3.1 kGy和8.6 kGy剂量辐照与对照组无明显差异(P<0.05)，风味豆干酸价的变化与辐照剂量没有明显的线性关系。经不同剂量γ射线辐照后，各处理的过氧化值均低于对照组，达到显著水平(P<0.05)。经不同剂量的电子束辐照后，风味豆干的酸价均明显高于对照组(P>0.05)；2.7 kGy剂量的电子束辐照后，过氧化值升高(P<0.05)，5.5 kGy及以上剂量辐照不会对其过氧化值产生明显影响(P>0.05)。在相近剂量辐照条件下，2种辐照处理方式对其中的酸价和过氧化值的影响均有显著的差异(P<0.05)。结果表明，γ射线和电子束2种辐照方式对风味豆干的酸价和过氧化值均有明显的影响。

3.5 对风味豆干质构特性的影响

γ射线和电子束辐照对风味豆干质构特性的影响列于表5。由表5数据结果可知，2种不同辐照方式在不同剂量条件下对风味豆干的质构特性(硬度、内聚性、胶着性、咀嚼性、弹性)的影响有所差异。在不同剂量辐照条件下，经γ射线辐照的风味豆干的硬度、内聚性、胶着性、咀嚼性和弹性与对照组相比均没有显著差异(P>0.05)。经不同剂量电子束辐照样品的硬度、内聚性和胶着性与对照组相比没有明显的变化(P>0.05)，2.7 kGy剂量辐照不会对其咀嚼性和弹性产生明显的影响，但当辐照剂量高于5.5 kGy时，咀嚼性和弹性会明显下降(P<0.05)。在相同剂量辐照条件下，γ射线和电子束辐照对风味豆干质构特性的影响也存在一定的差异性。结果表明，γ射线辐照对风味豆干的质构特性没有明显的影响，电子束辐照对硬度、内聚性和弹性的影响不显著，但5.5 kGy以上剂量辐照会对其咀嚼性和弹性产生明显影响。

表4 γ射线和电子束辐照对风味豆干理化性质的影响Table 4 Effects of γ ray and electron beam irradiation on physicochemical property of flavor dried bean curd

表5 γ射线和电子束辐照对风味豆干质构特性的影响Table 5 Effects of γ ray and electron beam irradiation on texture property of flavor dried bean curd

4 讨论

4.1 电子束与γ射线辐照对风味豆干的杀菌作用

本实验研究结果表明，γ射线和电子束2种辐照方式均可对风味豆干起到较好的杀菌作用，随着辐照剂量增加，风味豆干微生物指标均明显下降，经一定剂量辐照后，菌落总数、霉菌及大肠菌群数均可得到有效控制。在相近剂量辐照条件下，γ射线辐照后风味豆干中的微生物存活数和D10值均低于电子束辐照的样品，表明γ射线辐照对风味豆干的杀菌效果要强于电子束辐照。Park等[21]采用电子束(2.5 MeV)和γ射线对牛肉香肠进行辐照，结果发现在相同剂量条件下γ射线比电子束对菌落总数具有更好的控制效果。贾倩等[18]研究比较了电子束和γ射线辐照对素鸡的杀菌效果，并通过D10值表征两种辐照形式的杀菌效果，结果表明，γ射线辐照对素鸡菌落总数的D10值为0.43 kGy，而电子束辐照的D10值为0.48 kGy，表明γ射线辐照素鸡的杀菌效果比电子束更好，但两者差异不显著(P≥0.05)。刘福莉等[22]研究比较了γ射线和电子束辐照(10 MeV)对猪肉火腿肠细菌总数的影响，结果表明，γ射线辐照的样品细菌总数显著小于经电子束辐照的样品，这与本研究的结论一致。肖欢等[19]研究比较了60Co γ射线和电子束辐照对冷鲜鸡微生物含量的影响，结果表明，2种射线均可以起到较好的杀菌作用，在相同剂量条件下，电子束辐照对冷鲜鸡杀菌效果较60Co γ射线显著，但两者对大肠菌群的杀灭效果差异不显著。李新等[23]研究发现60Co γ射线与电子束辐照对猪肉细菌总数抑制效果明显，在相同剂量条件下，电子束对猪肉辐照杀菌效果较γ射线显著。王晶晶等[13]研究对比发现电子束和γ射线辐照对象拔蚌都可以起到有效的杀菌作用，并且2种射线在相近的剂量下对菌落总数的抑制效果并无显著差异。白婵等[24]研究发现不同剂量率60Co源与电子加速器辐照可明显抑制鱼肉中微生物的生长，对于60Co γ射线辐照，相同剂量下，低剂量率与高剂量率γ射线辐照对菌落总数的影响没有显著差异。对于电子束辐照，其对细菌的抑制效果明显优于60Co γ射线辐照，这与本研究结论不一致。究其原因，无论是γ射线辐照还是电子束辐照，其杀菌效果都与加工能力(放射源活度、电子束能量与功率)、辐射剂量率、辐照方式、食品自身属性、包装形式、污染微生物的种类等因素密切相关。

4.2 电子束与γ射线辐照对风味豆干常规理化性质的影响

豆制品是高蛋白食品，蛋白质的含量在一定程度上可以作为衡量豆制品营养价值的重要指标，而含水量反映其保水能力，保水能力的高低直接影响风味豆干的风味、质地和口感等感官品质。因此，辐照对水分、蛋白质、脂肪等营养成分的影响是风味豆干辐照研究的重点内容之一。王晶晶等[13]研究表明，电子束和γ射线辐照对象拔蚌蛋白质、灰分、脂肪和水分含量无显著影响。程述震等[17]研究表明，电子束和γ射线辐照后冷鲜猪肉脂肪、蛋白质和灰分与对照组相比无显著差异。王若兰等[25]采用γ射线、电子束处理大豆、小麦及其制品，研究结果发现，两种射线对蛋白质的含量影响不明显，而随着辐照剂量增大，脂肪的含量有一定程度的上升。本实验结果表明，γ射线和电子束辐照均对风味豆干水分、蛋白质和灰分含量没有明显的影响，但脂肪的含量与对照组相比均显著下降，这与上述结果不完全一致。朱佳廷等[26]研究发现，经γ射线辐照后大豆蛋白粉脂肪的含量显著降低，推测可能与辐照引起脂肪的氧化有关。

氨基酸是组成生物功能大分子蛋白质的基本结构单元，是构成人体营养所需蛋白质的基本物质。风味豆干中含有丰富的氨基酸，本实验研究发现，γ射线辐照不会对风味豆干的氨基酸含量产生明显影响，经5.5 kGy剂量电子束辐照后Val、Phe、Pro、Gly、Ala、Tyr等6种氨基酸的含量明显增加，而10.8 kGy时影响不显著。袁芳等[27]研究γ射线辐照风味豆制品，经过5～10 kGy 剂量辐照后，17种氨基酸含量无明显差异，与本实验的结论一致。程述震等[17]采用4 kGy的γ射线和电子束辐照鲜猪肉，研究发现经γ射线辐照的冷鲜猪肉样品氨基酸含量显著下降，经4 kGy电子束处理后必需氨基酸的含量与对照组相比均显著增加。尚颐斌等[28]研究发现经4 kGy电子束辐照后冷鲜肉中氨基酸的含量比其他各剂量辐照组高，8 kGy与对照组相比均无显著差异，这与本研究的结论相似。究其原因，氨基酸含量的变化可能由于辐照所产生的自由基引起氨基酸发生脱氨基和转氨基作用，使氨基酸发生转化。

脂肪氧化是典型的自由基反应，辐照会加快自由基的生成速度，引发自由基的链式反应，从而加速食品的氧化过程[29]。过氧化值反映了油脂氧化初级产物过氧化氢的含量，酸价可用来衡量油脂中游离脂肪酸的含量，二者皆是反映油脂品质好坏的重要指标。哈益明等[14]研究发现，经γ射线辐照的冷却肉硫代巴比妥酸值(TBARS)显著高于对照组，表明γ射线会引起冷却肉脂肪的氧化。Lewis等[30]研究表明，电子束辐照会加速去皮鸡胸肉的脂肪氧化。王柏楠等[16]研究发现γ射线辐照会加速食品脂肪的氧化，辐照剂量越大，氧化程度越高。由于电子束具有一定的还原性，对食品的氧化程度比γ射线小。肖欢等[19]研究γ射线与电子束辐照后冷鲜鸡丙二醛含量的变化，结果发现电子束辐照后样品中丙二醛含量显著低于γ射线辐照样品。汪昌保等[15]研究了电子束和γ射线辐照对猪油脂氧化的影响，结果表明γ射线辐照后油脂样品的过氧化值和TBARS都比电子束辐照样品高。程述震等[17]研究发现辐照提高了冷鲜猪肉的氧化程度，但电子束辐照引起的脂肪氧化效应小于等剂量γ射线辐照引起的氧化效应。贾倩等[18]研究表明电子束辐照在引起素鸡氧化效应方面低于γ射线辐照。本实验研究结论与上述报道不完全一致，经γ射线辐照后风味豆干的过氧化值显著降低，电子束辐照后过氧化值上下波动。主要由于风味豆干成分以蛋白质为主，油脂含量不高，过氧化值水平本身也较低，不能客观反映两种射线辐照对脂肪氧化效应的差异性。王若兰等[31]研究γ射线和电子束辐照大豆样品，结果发现酸价随着辐照剂量增加而增大，这与本实验结论不完全一致，本实验结论表明，电子束辐照后样品酸价均显著高于对照组，γ射线辐照后与酸价变化没有明显的相关性。

4.3 电子束与γ射线辐照对风味豆干质构特性的影响

食品的质构特性是食品的组织结构及其对外力反应方式的感官表现，比如软硬、粘弹、酥脆、耐咀嚼等，属于食品的感官性质，是食品的重要属性[32]。食品质地评价是食品品质检验的一个重要方面，通常采用感官评价和仪器分析评价两种方法。王春叶等[33]通过对豆干感官品质的评价指出豆干的水分含量、硬性、咀嚼性、硬度、咀嚼次数和成团性可作为豆干感官质量的评价指标。本研究结果表明，不同剂量γ射线辐照后风味豆干的硬度、咀嚼性、内聚性、胶着性和弹性与对照组相比均没有显著差异，不同剂量电子束辐照样品的硬度、内聚性和胶着性与对照相比没有明显的变化，但5.5 kGy以上剂量辐照会使咀嚼性和弹性明显下降。Kim等[34]研究发现辐照会引起韩国泡菜的软化。王若兰等[25]发现随着辐照剂量升高，γ射线和电子束辐照后熟面条黏附性上升，弹性、咀嚼性和回复性下降。辐照对食品质构的影响与辐照剂量大小有关，但辐照引起质构发生变化的作用机制还有待进一步研究。

5 结论

γ射线与电子束辐照对风味豆干均具有良好的杀菌效果，γ射线辐照对风味豆干的减菌控制效应要优于电子束辐照。两种辐照方式均不会对风味豆干水分、蛋白质和灰分一般营养成分产生明显的影响。辐照会加速食品中脂肪的氧化，经两种射线辐照后脂肪含量降低。γ射线对氨基酸含量没有明显影响，但5.5 kGy剂量的电子束辐照后，Val、Phe、Pro、Gly、Ala和Tyr含量显著升高，10.8 kGy时与对照组差异不显著。γ射线辐照后风味豆干过氧化值显著降低，电子束辐照后风味豆干酸价显著低于对照组。γ射线辐照对风味豆干硬度、咀嚼性、内聚性、胶着性和弹性没有明显影响，电子束辐照不会对样品硬度、内聚性和胶着性产生明显变化，但5.5 kGy以上剂量辐照对风味豆干咀嚼性和弹性有明显的影响。