辐照灭菌对红薯干品质和贮藏特性的影响

王炳奎 张猛超 刘超纲 吴列洪 杨文新 陈金跃 沈升法 陆艳婷

（浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所，浙江 杭州 310021）

大量科学研究和实践表明，辐照处理作为食品卫生保障的重要技术之一，不但安全可行，而且是控制产品质量的可靠和便捷的途径［1］，已广泛应用于脱水蔬菜［2］、调味品［3］、茶叶［4-5］、中药材［6-7］、酱牛肉［8］以及其他食品［9］的杀菌处理。红薯干又称地瓜干、番薯干、薯脯、倒蒸薯条，是一种以新鲜甘薯为原料，经削皮、切分、蒸煮糖化、烘烤或晾晒等特定工艺生产的，不添加防腐剂和外源糖的休闲食品［10-11］。红薯干糖分高、含水量高，容易滋生微生物，难以长期贮藏。为了延长红薯干的货架期，有条件的生产企业一般采用小包装真空高温灭菌方式，或者使用聚丙烯塑料盒装巴氏灭菌。前者货架期可达到1年，但红薯干在真空袋中被真空加高温抽紧压实，质地变得特别致密，导致粘牙严重，影响口感；后者需要的灭菌成套设备价格高，货架期也只能达到90天。为保持红薯干原有风味，消除高温灭菌导致的粘牙问题，延长货架期，其加工工艺值得探索。辐照灭菌作为一种常温下即可完成的灭菌方法，可能是红薯干灭菌处理比较理想的选择，但不同辐射源、剂量和剂量率辐照处理后的红薯干主要成分和外观品质是否会产生变化、产生怎么样的变化等事关红薯干辐照灭菌工艺的关键技术问题和主要技术参数，国内外尚鲜有报道。

甘薯是世界第六大作物，是重要的粮食作物和经济作物。我国是世界最大的甘薯生产国［12-13］。根据联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）统计数据，2020年我国甘薯种植面积达224.02万公顷，鲜薯总产4 894.95万吨，分别占世界的23.3%和35.3%［14］。但我国甘薯加工业发展相对落后，目前的主要加工利用方式仍为提取淀粉及利用提取的淀粉生产粉丝、粉条等［15-16］。随着人民生活水平和质量的不断提高，对休闲食品的需求量也明显增加，原味红薯干的产销量也逐年上升。以浙江省遂昌县为代表的甘薯产区，涌现了大量的中小型红薯干加工企业，仅遂昌县年产红薯干已达1 000万千克，年产值3亿元，促进了当地的农业增效和农民增收。为规范红薯干辐照灭菌，相关企业迫切需要一套标准化的红薯干辐照加工工艺，以满足产业整体转型升级。据此，本试验以不同辐射源、不同剂量和剂量率辐照处理红薯干，对其外观品质和主要成分含量进行研究，旨在为研制出一套低成本、高效益的标准化红薯干辐照灭菌工艺提供关键参数和理论支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试红薯干由浙江省农业科学院薯类研究室提供，是根据浙闽山区农家传统薯条三蒸三晒的的制作流程，对传统糖化工艺进行优化后生产的产品。红薯干片状、呈琥珀色柔韧适中，具有良好的适口性，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 主要仪器与设备

PAL-1便携式糖度仪，日本ATAGO株式会社；NH310便携式电脑色差仪，三恩时科技有限公司（深圳）；UV-1800可见分光光度计，岛津仪器有限公司（苏州）；SPX-150B-Z型生化培养箱，上海博迅实业有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品与辐照剂量设置 微生物检测样品为单条真空包装，每处理100包，3次重复，随机摆放。动态γ辐照，剂量分别为0、2、3、4、5、6、8 kGy。

理化指标测定样品为单样真空包装，3次重复。为确保样本均匀性和减少试验误差，同一组试验样品为同一红薯尽可能相邻部位。动态γ辐照，设3组平行试验，剂量分别为0～12 kGy（0、2、6、8、10、12 kGy，剂量率为400 kGy·h-1）、0～12.5 kGy（0、2.5、5、7.5、10、12.5 kGy，剂量率为833 kGy·h-1）以及0～15 kGy（0、5、15 kGy，剂量率为1 000 kGy·h-1），以100 ℃高温灭菌40 min为对照，采用“尼龙+聚丙烯”高温蒸煮膜真空包装。

感官评价样品包装为170 mm×105 mm×55 mm聚丙烯塑料餐盒，内装红薯干400 g，聚丙烯封口膜密封，每处理两盒上下叠放捆绑为一组，3次重复，随机摆放。动态γ和电子束辐照，剂量为0、2、4、6、8、10 kGy共6个处理。

不同剂量率对红薯干外观色泽影响的试验样品采用餐盒包装（同上）。静态γ辐照，为掌握剂量及剂量率增加过程中红薯干外观变化情况，剂量率设置为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 kGy·h-1，每辐照0.5 h观察一次样品外观至果汁总剂量8.0～13.5 kGy。

机器视觉检测的色差评价样品用聚乙烯封口袋封装。静态γ辐照，为掌握剂量增加和贮存过程中色差的变化程度，剂量设置为0、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12 kGy，检测时间为辐照后0～24 h（0、1、3、6、18、24 h），检测样品的同一位点。

辐照后待分析的样品均贮藏于4 ℃冰箱中。剂量跟踪的化学剂量计经中国计量科学研究院国家剂量保证服务（National Dose Assurance Service，NDAS）比对标定。

1.3.2 辐照源 辐照处理采用γ射线和电子束两种方式。动态和静态γ辐照在浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所辐照中心进行，动态γ装置设备参数：60Co源活度1.57×1016Bq，双板源，自动运行换面；静态γ装置设备参数：60Co源活度1.33×1015Bq，源棒花蓝式排列。电子束辐照在绍兴华能电子加速器有限公司进行，设备参数：电子束能量10 MeV，束流强度400～1 500 µA，电子束扫描宽度800～1 000 mm，平均束流功率4～15 kW，扫描不均匀度≤±5.5%；能量不稳定度≤±2%，束流强度不稳定度≤±2%，样品处理剂量率为3 kGy·s-1。

1.3.3 微生物检测 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》［17］、《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》［18］、《GB 4789.26-2013 食品安全国家标准 食品微生物学检验 商业无菌检验》［19］的相关要求进行检测。对0、3、4、5、6 kGy共5个剂量辐照处理后的红薯干在36 ℃恒温培养10、15、30 d后检测微生物；对0、2、4、5、6、8 kGy共6个剂量辐照处理后的红薯干在常温贮存0、90、180、360 d后检测微生物。

1.3.4 理化指标测定 采用比色法测定类胡萝卜素含量，以80%丙酮作为提取液，利用可见分光光度计在440 nm波长处测定吸光度；采用便携式糖度仪测定可溶性固形物含量。

1.3.5 外观评价 机器视觉检测采用便携式电脑色差仪测定L、a、b值，通过与对照的差值来判断不同处理间的色差。根据《GB∕T 7921-2008均匀色空间和色差公式》［20］中的5.1.3色差计算方法［20］，评估各辐照处理对红薯干外观色泽的影响。用ΔL表示明度差，大于0表示处理样品比对照亮度浅，小于0表示处理样品比对照亮度深；ΔC表示彩度差（饱和度差），用于描述样本的颜色鲜艳度，大于0表示处理样品比对照颜色鲜艳，小于0表示对照比处理样品鲜艳；ΔH表示色调差，ΔE为国际照明委员会（Commission Internationale de l´Eclairage，CIELAB）色差，数值大小表示与对照间的色泽差异程度。

由8位感官评价人员在自然光条件下，采用目测、鼻嗅和品尝的评定方法，对不同辐照剂量处理后的红薯干色泽、滋味与气味、口感等与CK样品进行比较评定。各项感官指标评分以辐照处理前样品为CK计5分为基础分，得分低于5分表示该项指标劣于对照，高于5分表示该项指标优于对照，最低分为0分、最高分为10分。评价结果作为视觉检测系统评价的平行分析和印证。

1.4 数据分析

采用SPSS统计软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 红薯干辐照剂量测量

对不同辐照装置红薯干辐照的预设剂量进行跟踪，详见表1。γ辐照装置和电子加速器预设不同剂量辐照的实测剂量标准差分别在0.01～0.1 kGy和0.02～0.12 kGy之间，达到预设要求。

表1 不同辐照装置红薯干辐照处理的实测剂量Table 1 Measured dose of dried sweet potato irradiated by different irradiation devices and treatments /kGy

2.2 辐照剂量对红薯干微生物的影响

不同剂量辐照处理对红薯干灭菌效果的检测结果见表2。结果表明，未经辐照处理的红薯干极易被微生物污染，36 ℃培养10 d时，微生物感染率为23.3%，菌落总数达到1.2×105CFU·g-1，已不能食用。辐照能显著降低红薯干中微生物感染率，且辐照剂量越大，微生物感染率越低，可至商业无菌。当辐照剂量≥4 kGy时，36 ℃恒温培养10 d，未检测出微生物；当辐照剂量≥5 kGy时，36 ℃恒温培养15 d，未检测出微生物；当辐照剂量≥6 kGy时，36 ℃恒温培养30 d，未检测出微生物。由此可见，适当剂量辐照可实现红薯干商业无菌。

表2 不同辐照剂量处理红薯干商业无菌效应的检测Table 2 Detection of commercial aseptic effect of different irradiation doses on dried sweet potato

对不同辐照剂量处理后红薯干常温贮存期间的微生物进行检测，结果表明（表3），当辐照剂量≥4 kGy时，常温贮存90 d，未检出微生物；当辐照剂量≥5 kGy时，常温贮存180 d，未检出微生物；当辐照剂量≥6 kGy时，常温贮存360 d，未检出微生物。说明辐照处理可延长货架期。

表3 不同辐照剂量处理红薯干常温贮存后的微生物检测Table 3 Microbial detection of dried sweet potato stored at room temperature after different doses of irradiation

2.3 辐照剂量对红薯干主要成分含量的影响

类胡萝卜素是一类重要的天然色素［21-22］，一般类胡萝卜素含量高的红薯干外观偏橙红色。由表4可知，不同剂量率、不同剂量辐照处理后，红薯干样品2中的类胡萝卜素含量在7.5 kGy和10.0 kGy处理间有显著差异，其他样品和处理之间均无显著性差异；各处理间的红薯干可溶性固形物含量均无显著性差异，高温灭菌后可溶性固形物含量比辐照处理和未辐照处理的高3个百分点以上，差异达极显著水平。

表4 不同剂量和剂量率辐照对红薯干类胡萝卜素和可溶性固形物含量的影响Table 4 Effects of different irradiation doses and dose rate on the contents of carotenoids and soluble solids in dried sweet potato

2.4 辐照剂量对红薯干感官的影响

外观色泽是红薯干重要的产品质量性状，表5为机器视觉检测系统对不同辐照处理的红薯干外观色差检测结果。色差值检测结果的评价和分级在不同行业有所区别，大部分行业评价色差值时，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表示色差程度严重，4.0以上表示色差程度过大［23］。本试验中，在未经存放的条件下，随着辐照剂量的增大，辐照处理后的红薯干外观明度差（ΔL）、彩度差（ΔC）、色差（ΔE）、色调差（ΔH）值总体呈同步上升趋势；经2～7 kGy剂量辐照处理后的低胡萝卜素含量红薯干外观色差值（ΔE）分别为1.10、1.11、3.61、3.62、2.46、3.21，说明随着辐照剂量的增加，红薯干的色差值不仅呈增加趋势，且达到了肉眼可见明显或色差程度严重的水平。但随贮存时间的延长，各处理ΔL、ΔC、ΔE、ΔH值呈减小趋势，2～7 kGy剂量处理的色差值均小于或接近1.0，表明色差可以忽略。经4 kGy剂量辐照处理后，ΔE分别由0、1 h后的3.61、3.02缩小为3、6 h后的2.03、0.92，说明经过一定时间的贮存，辐照处理对红薯干外观色泽的影响逐渐消失。随着辐照剂量的进一步增加，特别是剂量≥8 kGy时，红薯干的ΔL、ΔC、ΔE、ΔH较7 kGy及其以下剂量处理的差异变大，剂量越大肉眼可见的差异越明显，此现象随着贮存时间的延长也呈缩小趋势，且无论是高胡萝卜素还是低胡萝卜素含量的红薯干都呈现同一趋势，一般室温贮存3～24 h可使辐照处理导致的色差值降低，红薯干产品回归或接近原来的色泽。

表5 γ射线辐照处理对红薯干外观色泽的影响Table 5 Effect of γ-ray irradiation on the appearance color of dried sweet potato

不同剂量率的同一剂量处理对红薯干外观色泽影响的效应不同，同一剂量的高剂量率较低剂量率处理的红薯干外观色泽变化更明显（表6）。试验中不同剂量的电子加速器高能电子束处理均导致红薯干外观变黄白，且随着剂量的增大，黄白且无光泽的现象更明显，此外观需常温贮存1～2周后逐渐恢复，剂量越大恢复时间越长（图1）。

图1 不同辐射源辐照对红薯干外观的影响Fig.1 Effects of different irradiation source and dose treatment on the appearance color of dried sweet potato

表6 不同剂量率处理对红薯干外观色泽的影响Table 6 Effects of different dose rate treatment on the appearance color of dried sweet potato

评价小组对不同装置、不同剂量处理的红薯干色泽、滋味与气味、口感等进行综合评定，结果见表7。不同剂量条件下γ射线辐照装置与电子加速器处理后贮存1 d的红薯干外观色泽均存在极显著差异，γ射线辐照处理后红薯干更亮润、色略浅，≤4 kGy剂量辐照的红薯干外观色泽较对照有较明显提亮。电子加速器处理后红薯干的外观状态由处理前的红润光泽明显变为灰黄色无光泽，且随剂量增加外观变色越明显，尤其是在10 kGy以上剂量辐照下，红薯干外观呈无光泽黄白色。感官评价中各辐照处理后的样品经180 d贮存后较新鲜生产的口感略下降，这与高温灭菌处理后长期贮存口感略下降的结果一致，总体差异不明显。在滋、气味上，长期贮存后略有焦糖味，且长期常温不避光贮存有色泽发暗现象，与高温灭菌处理样品的滋、气味和外观相似，为农产品的正常陈化现象。感官评价结果与机器视觉评价结果一致。

表7 辐照处理对红薯干感官评价的影响Table 7 Effects of irradiation treatment on sensory evaluation of dried sweet potato

3 讨论

3.1 辐射源与红薯干辐照灭菌最低有效剂量

红薯干辐照灭菌最低有效剂量是制订该类产品辐照灭菌工艺的关键参数。不同辐射源对红薯干辐照均可达到灭菌效果。γ射线是一种波长极短、能量很高的电滋波，具有很强的穿透力［24］，灭菌效果好，但成本较高。相对而言，使用电子加速器辐照成本较低，但电子束剂量率高、穿透力较弱，10 MeV电子加速器产生的电子束有效穿透深度（水等效深度）约为3.5～4.0 g·cm-2［25］，生产实践中使用电子加速器辐照时包装不宜太厚，否则不均匀度较大，可能导致局部杀菌不够彻底。另一方面，本研究发现高剂量率处理后红薯干出现黄白现象，相同剂量下剂量率越大发白现象越明显（表7）。因此，红薯干辐照灭菌不建议采用电子束作为辐射源。

红薯干经γ射线辐照处理后不同剂量的商业无菌试验和常温贮存后微生物检测的验证试验结果（表2，表3）表明，红薯干辐照灭菌工艺以90 d货架期为目标时的最低有效剂量为4 kGy，可将货架期延长至360 d，最低有效剂量则为6 kGy，试验结果可作为红薯干辐照灭菌工艺的参数。

3.2 辐照剂量对红薯干主要成分的影响

类胡萝卜素是一类具有抗氧化功能的重要天然色素［26］，不仅赋予原味红薯干营养功能，而且赋予薯干鲜艳的橙红色外观和良好的商品性［27］。不同辐照剂量和剂量率处理红薯干后，其类胡萝卜素和可溶性固形物的含量均未发生显著变化（表4），说明从红薯干主要成分变化的角度分析，辐照灭菌工艺是可行的。辐照处理后红薯干的类胡萝卜素含量除7.5和10 kGy处理间有显著性差异外（表4），其他处理间均无显著差异，这两个处理间的差异可能来源于样品的非均匀性，由于红薯干是由鲜薯块切片加工而成，同一品种不同薯块以及同一薯块不同部位之间的类胡萝卜素、可溶性固形物含量都存在差异，这也导致样品处理前的差异可能大于处理的效应。高温灭菌后的可溶性固形物含量比辐照处理和未辐照处理高3个百分点以上，这可能与红薯干在高温灭菌过程中淀粉分解有关。

最高耐受剂量是辐照加工工艺的重要指标之一，10～15 kGy的高剂量辐照红薯干后，可溶性固形物、类胡萝卜素等主要成分含量和口感均无显著差异（表4）。因此，在设定辐照加工工艺剂量时，以实现辐照目的为限，在不超过最高耐受剂量的前提下，剂量越低越好［28-29］。

3.3 辐照剂量对红薯干外观的影响

外观品质是农产品特别是食品的重要特征，对于产品的商品性具有重要意义［30］。利用机器视觉检测系统的客观测量［31］，结合评价小组的感观测评，从明度差、彩度差、色调差、色差等不同维度，就不同剂量辐照对红薯干外观品质的影响作出综合判断，可能是一种有益的探索。本试验中辐照剂量≤7 kGy处理后各样品低胡萝卜素和高胡萝卜素含量红薯干的色差值均小于4，为肉眼可见的差距，且在6 h内回色正常（表5、6），说明红薯干经适当剂量辐照及贮存处理后，其外观品质不会改变。吴楠楠等［32］关于高压下胡萝卜素的分子结构及其拉曼光谱特征变化的研究表明，在12.85 GPa的高压下，β-胡萝卜素分子主链上的碳碳双键比碳碳单键更易压缩，从而影响拉曼光谱特征；孙美娇等［33］也认为压强会影响胡萝卜素的光学特征。本试验结果同样表明，不同剂量率和剂量辐照处理对红薯干类胡萝卜素含量无显著影响（表4），但辐照后短时间内贮存对红薯干的外观色泽有明显影响（表5），且高剂量率辐照处理会明显降低红薯干的色泽（图1），由此推测，色差的变化及其回色可能是由于较高剂量及高剂量率辐照对β-胡萝卜素分子的物理结构和电子轨道产生了影响，从而使高剂量率辐照处理后的薯干呈现灰白色，但高剂量率辐照是否会影响胡萝卜素的分子结构，目前尚未有报道，值得进一步研究。

4 结论

本研究结果表明，红薯干辐照灭菌处理可延长其贮存期，γ射线辐照处理后红薯干的可溶性固形物、类胡萝卜素含量和感官指标均未发生显著变化；电子束辐照处理后红薯干外观发生显著变化，同剂量下剂量率越高对红薯干的外观影响越大，电子加速器的电子束剂量率较高，不是红薯干辐照灭菌的理想辐射源。制定红薯干灭菌工艺，以常温90和360 d货架期为目标时的最低有效剂量分别为4和6 kGy，建议采用低剂量率辐照。