电子束辐照技术在食品工业中的应用现状及研究进展

王媛，刘雪婷，陈金定，刘锦芳，毛立科，高彦祥

中国农业大学食品科学与营养工程学院中国轻工业健康饮品重点实验室（北京 100083）

联合国粮农组织（FAO）统计显示，由于虫害、微生物污染导致的全世界食品损失占总产量的25%～35%[1]。传统的食品杀菌技术通过化学处理（熏蒸、防腐剂等）或热处理的方法，以达到杀菌杀虫目的，但会引发化学物质残留，以及食品品质劣变等问题[2]。食品辐照技术是一种高效的非热加工技术，包括γ-射线、X-射线（≤5 MeV）和电子束（≤10 MeV）辐照等[3-4]。通过辐照可以进行食品杀菌、脱毒，调控生物生长，以及改善食品品质等处理[5-7]。世界卫生组织（WHO）、国际原子能机构（IAEA）和联合国粮农组织（FAO）已经认可辐照技术应用于食品中的安全性[8]。全世界有40余个国家批准辐照处理在200余种食品中的应用[9]。研究和应用最普遍的是以60Co为放射源的γ-射线辐照技术，其局限性在于处理所需时间较长、放射源对环境的潜在危害及消费者主观接受性较差[10-11]。电子束辐照具有处理时间短、能耗低，能够保持食品品质且不产生核废料等优点，近年来得到食品领域更加广泛的关注[10,12-14]。从电子束辐照技术的电子束形成及杀菌原理，以及在食品包装材料、食品加工等领域的应用进行综述，以期为拓宽电子束辐照技术在食品领域的应用提供理论依据，促进农业和食品工业的健康、高效、可持续发展。

1 电子束辐照

1.1 电子束形成

电子加速器是电子束辐照装置的重要组成部分，其主要作用是产生具有特定能量、强度和形状的电子束流[15]。不同种类的加速器原理各不相同，但主要元件是相同的，包括电子源（阴极）、加速器管、束流形成系统[16]。阴极电子源在真空中被电激发并释放出电子，在加速电场中电子得到加速，通过电磁场引导和约束电子形成电子束流，定向作用于待处理的食品表面[17-19]。

表1 电子束分类及应用范围

1.2 电子束辐照杀菌原理

电子束辐照杀菌的基本原理是通过电子加速器产生具有较高能量的电子束，在活细胞（如酵母菌、霉菌、细菌）中诱导细胞基因组、生理生化和形态发生改变[24]。如图1[25]所示，电子束的直接影响将破坏核苷酸的单、双键（图1，左），蛋白质等生物大分子中化学键将发生聚合、交联或断裂，从而破坏生物体的遗传物质片段，诱导细胞凋亡[26]。此外，还可以通过间接的放射化学作用使水电离，形成的自由基和活性氧可以破坏核苷酸（图1，右）、细胞膜和关键酶，促进细胞失活[18]。不同细胞对辐照的敏感度不同。结构简单的DNA病毒是最耐辐照的生物体之一，其次是细菌或真菌的孢子，因其含水量低，对辐照耐受能力较强。灭活细菌的营养体、霉菌和酵母菌的辐照剂量范围较广，在3～10 kGy。昆虫、大部分寄生虫和植物分生组织（球茎或块茎）对辐照更为敏感，需降低辐照剂量以减少食品品质的劣变[25]。

图1 电子束辐照对核酸影响示意图

2 电子束辐照与食品包装材料

食品包装过程是HACCP体系中一个关键控制点，无微生物污染的食品包装是确保食品质量安全的前提[27]。电子束辐照效应对食品包装的作用，可能包括对食品包装材料的物理影响，也可能辐照引起聚合物的化学变化，反应产物可能进入食品而影响食品感官特性和质量安全[28]。

2.1 电子束辐照对食品包装材料性能的影响

电子束辐照影响包装材料的物理和化学性能。经过辐照后包装材料的机械性能可能会出现一定程度的变化，甚至会出现聚合物辐解和迁移现象[29-30]。研究表明，电子束辐照技术应用于聚合物膜时，既实现聚合物膜杀菌，也可以在不添加化学试剂的情况下增强膜的机械性能[31-34]。Chaudhary等[33]研究电子束辐照对双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯膜（BOPET）机械性能和电性能的影响，结果表明，其机械性能（如拉伸强度、杨氏模量和电阻率）随着辐射剂量增加而有所提升；但剂量超过10 kGy之后，其各项机械性能则不再改变。电子束辐照后BOPET显示出良好的机械性能和更高的电阻率，使其在食品包装、医疗产品等领域均具有一定应用优势。

辐照可以诱导聚合物的交联和/或降解，其效果取决于聚合物种类和辐照过程（辐照类型、剂量、氧气等）[35]。Kremser等[36]比较剂量45 kGy的γ射线和电子束辐照对PP物化性质的影响。研究发现，经γ射线辐照的PP断裂伸长率下降46%，摩尔质量下降43%，黄度值上升42%；经电子束辐照的PP断裂伸长率仅下降24%，摩尔质量下降27%，黄度值上升22%。这表明电子束辐照对PP的损伤比γ射线更小。Caire-maurisier等[37]用25 kGy的电子束辐照PET，结果发现辐照后PET链断裂，产生苯甲酸、对苯二甲酸等聚合物。因此使用电子束辐照处理食品包装材料时，应关注其在一定剂量下聚合物的辐解和迁移给食品安全带来的风险。

2.2 电子束辐照在食品包装材料杀菌中应用

电子束辐照技术已成功应用于饮料无菌灌装线杀菌。欧洲的Tetra Pak公司于2012年采用低能量电子束（＜200 keV）实现对包装材料的表面杀菌，改变40年来无菌灌装线中纸铝塑复合包装材料依赖于过氧化氢杀菌的状况，为包装材料杀菌提供环保、低成本的选择。电子束辐照技术的应用能够减少约80%杀菌能耗、约40%二氧化碳排放及约33%电能耗[28]，对于促进食品包装工业可持续发展具有重要意义。据Rajo公司（斯洛伐克最大的乳品生产商）称，2011—2014年间该公司使用电子束杀菌系统的利乐灌装机生产1.1亿包1 L利乐砖包装的常温奶，总能源消耗约减少30%。Hiroyuki等[38]发明专利描述一种内表面电子束辐照杀菌设备，使从输出窗口发射的电子束形成电子云，可实现对小瓶内表面的杀菌。Roy等[39]发明一种适用灌装机的电子束杀菌装置，包括对包装容器内、外部进行杀菌的电子束发射器，可用于包装容器的杀菌，同时对灌装机也具有杀菌效果。国内企业和研发机构对于电子束辐照技术在食品包装材料中应用也有一定的研究。江苏新美星包装机械股份有限公司将电子束杀菌技术运用到饮料生产线中。其专利设计一种使用电子束杀菌的吹灌旋一体装置，在电子束杀菌设备和灌装设备之间增加臭氧消除设备，有效解决了瓶内臭氧残留的问题，使产品更为安全卫生[40]。另一项专利描述了一种回转式电子束杀菌装置，其结构简单且能够实现对瓶体全方位的辐照杀菌[41]。江苏智研科技有限公司有2项关于电子束杀菌的专利，采用双电子束发生器对瓶子进行杀菌操作的装置[42]和采用单电子束发生器对瓶子进行杀菌操作的装置[43]。这2种装置都具有杀菌效果好，可操作性强、稳定性好、适应性好、结构简单、成本低的特点，在食品包装领域有广阔的发展前景。

3 电子束辐照与食品贮藏保鲜

3.1 电子束辐照在果蔬加工中应用

果蔬采后仍在进行复杂的生理代谢，导致果蔬产品品质下降甚至腐败[44]。电子束辐照在果蔬加工中主要应用于抑制其生理代谢、推迟后熟衰老、改善品质等方面[45]。黄天姿等[45]研究电子束辐照处理对猕猴桃品质及灰霉病抗性的影响，结果表明，电子束辐照能有效抑制果实品质指标的变化，增加抗性物质的含量，提升猕猴桃的灰霉病抗性。Nam等[46]发现，0.4 kGy的电子束辐照能显著抑制柑橘贮藏过程中微生物繁殖，同时对水分、总酚和维生素C的含量无显著影响，但并不能防止贮藏导致的部分橙皮苷、有机酸等活性物质和生物活性（自由基清除能力）的损失。Kheshti等[47]研究发现辐照通过抑制富士苹果代谢关键酶活性，从而抑制果实的呼吸及后熟速率。王少丹[23]将高能电子束辐照用于处理鲜切青椒，证明适当剂量的辐照能有效杀灭表面食源性致病菌，同时还能防止青椒的软化，有利于保持鲜切青椒品质。

3.2 电子束辐照在肉品水产中应用

冷鲜肉类和水产品易存在寄生虫、耐冷微生物（沙门菌、李斯特菌等）污染的问题[48]。由于冷鲜产品特殊的贮藏条件，使用传统热杀菌难以达到杀菌及保鲜的目的。因此在处理该类产品时，电子束辐照的无热效应、杀菌速度快、效果好等优势得以显现。Feng等[49]评估不同辐照剂量（0，1.5，3.0和4.5 kGy）电子束辐照对生碎牛肉品质的影响。研究表明，辐照后牛肉的脂质氧化和蛋白质氧化程度均显著增加，但对其感官品质影响不大。因此，控制适当的电子束辐照剂量可以限制其对产品品质的不利影响。Yang等[50]利用高能电子束处理已包装的生鲜鱼片，既能杀菌保鲜、延长货架期，又保持其原有品质。

3.3 电子束辐照在粮油加工中应用

粮油加工过程中面临的主要问题是害虫、细菌、霉菌等微生物的污染及脂肪的氧化酸败。陈云堂等[51]研究发现辐照剂量＞0.25 kGy时，能抑制谷物中的谷盗幼虫发育为成虫。Luo等[52]研究电子束辐照处理对糙米和碾米新鲜度和品质的影响。在贮藏过程中，经辐照的样品中游离脂肪酸含量增加缓慢，脂肪酶活性得到有效抑制，总活菌数显著低于未辐照组，并且其淀粉晶体结构保持不变，但结晶度降低。由此可见，电子束辐照处理可以改善糙米和碾米的品质并延长其保质期。Yang等[53]研究电子束辐照对玉米烯酮（ZEN）和赭曲霉素（OTA）降解的影响，16 kGy电子束辐照对1 mg/mL ZEN的降解率为92.76%，对1 mg/mL OTA的降解率超过90%，为电子束辐照降解真菌毒素提供理论依据。

4 结语与展望

电子束辐照作为一种新型非热加工技术，其效率高、效果好、无潜在安全问题，具有广阔的应用前景。近年来，国外内电子束辐照技术不断完善、设备不断改进，电子束辐照的实际应用能力和社会经济效益优势也日益凸显。电子束辐照对于食品包装材料的杀菌及性能的影响还应进行系统的研究，并且同时考虑包装形式、包装材料的复合等对电子束辐照效果的影响。电子束辐照技术在果蔬、肉品、水产、粮油等食品的杀菌保鲜及品质改善中得到广泛应用。未来研究应更加关注电子束辐照对食品杀菌及品质影响的机理探究，建立全面规范的技术参数，实现精准化、规范化辐照，使电子束辐照技术在食品工业中充分发挥其优势和应用价值。