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食品加工与保藏原理——食品的辐照保藏,影响电离辐射杀菌的因素,基本原理,基本概念,概述,辐照在食品保藏中的作用,辐照食品的安全性。
编辑于2022-11-15 23:40:10 北京市食品的辐照保藏
概述
食品辐照保藏
利用射线照射食品及其原材料
灭菌、杀虫、抑制鲜活食品的生命活动
达到防霉、防腐、延长货架期,提高食品质量
辐射
能量传递方式
按能量相应大小分类
无线电波
微波
红外
可见光
紫外线
X射线
γ射线
频率
低频辐射线(非电离辐射)
波长小,能量大,仅能使物质分子产生转动/振动→产热
加热杀菌
电波、雷达波、红外线
高频辐射线(电离辐射)
频率高、能量大,使物质分子受到激发、电离
冷杀菌(电离放射线)
紫外线、X、γ
特点
优点
射线处理无需提高食品温度
感官影响极小
穿透力强
深藏于谷物、果蔬、冻肉中的害虫、寄生虫、微生物
应用范围广
处理不同类型食物
无任何残留物
节约能源
加工效率高
无二次污染
缺点
难以使酶失活
产生自由基,化学变化微量,但可能影响感官
安全性操作
对微生物致死量也对人致死
较大投资专用设备
基本概念
放射性同位素与辐射
同位素
具有同一质子数而中子数不同的原子
放射性同位素:原子序数84+的原子核很不稳定,衰变→放出带点或不带电粒子(放射线)→转变为另一种原子核,不稳定同位素称为放射性同位素/核素
半衰期
原子核数目衰变到原来一半/放射性强度减少到一半所经历的时间
不同放射性同位素半衰期不同
放射线
核衰变产生
α-
原子核自发放出α粒子
β
自发放出β粒子
β+
γ
原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时放出的射线
电子俘获
原子核俘获一个核外绕行电子,使核内一个质子转变为中子+中微子
X射线:低能态电子捕获后剩下一空穴,高能态电子跃迁进入空穴,释放能量
原子核外电子放出的能量
使被辐射物质原子/分子发生电离,具不同穿透能力
与物质的相互作用
带电粒子与物质
带电粒子受到电子和核的静电作用,发生能量损失(电离、激发)&改变运动方向(弹性散射)
能量损失
初级电离
带电粒子自身部分能量传递给被辐射物质的壳层电子,使其逸出成为自由电子
离子对:正离子、电子
次级电离
由直接电离产生的高能电子进一步引起物质原子的电离
占总电离60~80%
激发:特征X射线
传递给壳层电子的能量不足以克服原子核束缚→低能态跃迁至高能态,电子处于激发态
激发态不稳定,跃迁至低能态/基态
其他
牣致辐射
湮没辐射
切伦科夫辐射
核反应
射程:带电粒子损失全部能量所通过的距离
γ射线与物质
不带电的电磁波,不能使物质直接电离
主要表现
光电效应
低能光子
光电子逸出、自身被吸收,光电子引起物质原子激发、电离或发出X射线
康普顿效应
中等能量
传递部分能量给电子,自身改变运动方向
电子对效应
光子能量大于1.022MeV
产生电子对,自身被吸收;电子引起物质原子激发或电离
核反应
光子能量大于7MeV
直接与核作用,引起核子激发→粒子发射,核反应,核素转变
中子与物质
中子(电中性粒子),不与物质壳层电子作用,直接进入原子核,与核子相互作用
弹性散射
非弹性散射
中子能量>核激发能,核可激发→γ;原子核俘获中子→不稳定新核→α,β,γ
辐射或辐照的计量单位
放射性强度(活度)单位
度量放射性物质放射性强弱
常用单位
居里Ci(克镭当量)
放射性同位素3.7×10^10次核衰变/s=1Ci
1g镭的衰变↑
贝克Bq
1Bq=2.703×10^-11Ci
辐照剂量及其单位
放出的X/γ射线在空气中电离能力
单位
伦琴R
库伦/千克 C/kg
吸收剂量、剂量率及其单位
辐照源的辐照场内,单位质量被辐照物质所吸收的辐射能量
单位
拉德rad
戈瑞Gy
1kg物质吸收1J能量=1Gy
剂量当量、剂量当量率及其单位
剂量当量
不同类型辐射引起的不同的生物学效应
单位
雷姆rem
希沃特Sv
对于空气核生物体,1R辐照量=1rad吸收剂量=1rem剂量当量
剂量当量率
单位时间内的剂量当量
基本原理
辐射产生的射线把能量/电荷传递给食品及食品上的微生物和昆虫,引起各种效应→体内酶钝化和各种损伤→影响整个生命过程→代谢、生长异常,直至死亡
食品辐照的化学效应
G值:辐照化学效应的强弱
G大,效应强烈
G相同,吸收剂量大者更强烈
直接效应和间接效应
直接效应——初级辐射
辐照使物质形成离子、激发态分子、分子碎片
间接效应——次级辐射
初级辐射的产物相互作用,形成与原物质成分不同的化合物
营养成分变化
蛋白质和氨基酸
蛋白质
总量变化小,感官、理化变化大
蛋白质结构破坏、大分子裂解、小分子聚结
辐射降解
辐射交联
交联与辐射同时发生,交联>降解(被掩盖,不易察觉)
氨基酸
干燥氨基酸经辐照可脱氨基,产生氨
氨基酸水溶液——水产生间接效应
环断裂
产生胺类、二氧化碳、脂类、酸类
含巯基、二硫键:敏感,巯基被氧化、与游离基反应降解
多肽:无氧难分解,有氧——生成酰胺、脂肪酸、氨气
酶
复杂食品体系可保护酶——使酶钝化需相当大的辐射量
糖
降解、产生辐射产物
低分子糖旋光度减少、褐变、还原型&吸收光谱改变
淀粉、纤维素降解为糊精、麦芽糖、葡萄糖
淀粉溶液辐照后相对粘度降低
果胶质降解→水果变软
辐照不适宜单独保藏水果
脂类
饱和脂肪酸较稳定,不饱和脂肪酸易氧化
有氧存在,自动氧化→饱和脂肪酸也会氧化
辐射促进自动氧化
促进自由基形成
过氧化物分解
破坏抗氧化剂
受辐射产生化合物——存在非氧化分解的产物
维生素
维生素在辐射中的稳定性与食品性质、成分密切相关
损失率随辐射剂量增大而增大
具体
水溶性中VC最敏感
脂溶性均很敏感
脂肪氧化
单独存在比复合存在更敏感
生物学效应
与生物机体内的化学变化有关,有直接、间接(主要是水)作用
干燥、冷冻组织中很少有间接效应
微生物
辐照可直接控制和杀灭食品中的腐败及致病微生物
因素
辐照量
微生物种类及状态
细菌
D10值
残存微生物数量减少到原来10%的剂量
肉毒梭菌孢子最大
酵母、霉菌
辐照敏感性与非芽孢菌相当
杀灭腐败霉菌所需的剂量>果蔬耐辐照量
其他方法+辐照
病毒
需要很高的剂量
加热+辐照处理
菌株浓度
培养介质的化学成分、物理状态
辐照后的贮藏条件
昆虫、寄生虫
成虫性腺细胞对射线相当敏感,低剂量即可引起绝育、遗传紊乱
致死、击倒、缩短寿命、推迟换羽、不育、减少卵的孵化、延迟发育、减少进食量、抑制呼吸
机理
DNA损伤
辐射化学效应的产物与细胞组分发生反应
果蔬
马铃薯、洋葱:控制休眠
延长后熟
影响电离辐射杀菌的因素
微生物对放射线的敏感性
放射线种类
能用于辐照杀菌的
高速电子流
γ射线
任何菌,放射线种类不同,D值不变
电离密度越大,杀菌效果越好
辐照剂量
根据辐照目的选择
不同装置的放射源具有剂量差异
辐射引起的化学反应
放射线强度
氧的存在
影响杀菌效果
间歇辐照
确定的剂量通过多次照射达到要求
只要总剂量相同,杀菌效果就相同
微生物的状态
敏感性
稳定器、衰亡期抵抗性强
对数生长期敏感性强
厌氧、低温培养抵抗性强
温度
接近常温时,温度变化无影响
0℃以下
部分菌株D增大
冰点以下,细胞膜损伤,敏感性增强;低温间接效应减弱,抗性增强
共同作用
低温下放射线对食品成分、品质破坏较少
室温以上
D下降
敏感性增大,破坏程度变大,品质降低
氧效果
分子态氧增强杀菌效果
氧气增效比:100%氮气中的D/100%氧气中的D
γ、电子流照射芽孢,空气中敏感性最大
水分含量
无水分,难以形成H+、OH-,间接作用下;产生的自由基不能移动
Aw 0.01~1.0,水分活度降低,D增大
芽孢含水量及水分活度低,比营养细胞更耐辐射
pH
只有极端pH才会影响放射线抵抗性
化学物质
降低辐射作用
醇类
甘油
硫化氢
亚硫酸氢盐
硫脲、巯基乙胺、2,3-二巯基乙酸
抗坏血酸钠
乳酸盐
葡萄糖
氨基酸
增强
强毒性物质
水
缓冲液
辐照在食品保藏中的作用
按剂量分类
低剂量辐照——耐藏辐照
5kGy以下
抑芽杀虫延后熟
改善品质:酒陈化、牛肉嫩化
中等剂量辐照 ——辐照巴氏杀菌
5~10kGy
减菌
大剂量辐照——辐照阿氏杀菌
10~50
商业灭菌、杀灭病毒
辐照在食品保藏中的作用
生物学效应
控制生长发育
抑制发芽、生根
马铃薯、大葱、蒜
延缓成熟/促进成熟
防止开伞
特定成分积累
辣椒胡萝卜素
杀虫
谷物害虫
杀灭果蝇
杀螨
杀灭寄生虫
猪肉旋毛虫
杀菌
耐藏辐照杀菌
禽、畜肉,水产品,果蔬
辐照巴氏杀菌
沙门氏菌
辐照阿氏杀菌
肉、发酵原料、饲料、病人食品
化学效应
改良品质
高分子物质变性
淀粉、蛋白质
改进组织
干制食品复水
品质改善
酒陈化
提高加工适应性
提高酶的分解性
辐照装置
辐射源
核心
种类
放射性同位素
60Co
137Cs
电子加速器
电磁场使电子获得较高能量,电能转变为射线(高能电子射线、X射线)
电子射线
电子流、电子束
能量越高,穿透力越强
射程——表示穿透力
射程短,密度大,集束性强,穿透力差
对易腐食品杀菌,适当“加速能”→不穿透,表面杀菌
防护设备
铅、铁、混凝土、水
输送系统
自动控制与安全系统
辐照食品的包装
目的:食品与环境隔绝
要求
透气性低
机械强度高
高密封性
防潮性
耐热
耐辐射
辐照食品的安全性
残留性
纯物理作用
释放能量,射线是能量的携带者
食品不直接与辐射源接触
有无诱导辐射性、感生辐射性?
基本元素C\O\N\P\S等,若要变成放射性核素需10MeV高能射线
目前采用的γ和电子流都达不到
食品辐射最大能量水平
电子射线:10MeV
γ射线、X射线:5MeV