輻射處理對水果品質影響的研究進展

楊宗渠 1，2，李長看 1，2，3，雷志華 1，李玉華 1，羅　青 1，范春麗 1，劉宇邈 1
 
（1.鄭州師范學院生命科學學院，河南 鄭州　450044；2.鄭州師范學院生物物種資源研究中心，河南 鄭州　450044；3.鄭州市生物物種資源研究重點實驗室，河南 鄭州　450044）
 

摘 要：為給水果輻射保鮮的研究與應用提供參考，本文綜述了輻照技術對水果生理代謝、感官品質、營養成分及加工品質的影響。提出應加強電子束對水果保鮮機理及輻照工藝、輻射降解果品中農藥殘留的機理和工藝研究，探討輻照技術降低水果致敏性的可行性。應根據不同種類水果的生理特點和貯藏特性，將輻射保鮮與其他保鮮技術有機結合起來，以降低輻照成本、提高保鮮效果。

關鍵詞：輻照；感官品質；營養成分；加工品質；水果
 
我國是水果生產大國，2012年水果產量達到2.4 億多噸。隨著經濟發展和生活水平的提高，消費者對水果質量的要求越來越高。由于保鮮技術落后，我國水果在貯運銷售期間的損失率在20%以上，嚴重影響果品在國內外市場的競爭力 ［1］。目前在貯藏中應用的冷藏和氣調保鮮，雖然取得了良好的保鮮效果，但存在設備投資大、耗能多、運營成本高等問題。常用的化學保鮮由于不能很好地保持原有風味，存在化學成分殘留的隱患，影響果品的安全質量，不符合綠色、環保的要求。安全、高效、低能耗的保鮮技術對于提高水果的商品質量，提高產品附加值具有十分重要的意義。利用γ射線、電子束等電離輻射對生物分子的直接作用和間接作用，抑制水果的呼吸作用、延緩果實衰老、殺蟲滅菌的研究引起國內外學者的廣泛關注，圍繞輻射處理對水果的物理效應、化學效應和生物效應的研究不斷深入 ［2］。但與蔬菜的輻射保鮮相比，水果輻射保鮮的基礎和應用研究較為薄弱，該項技術的商業化應用進展緩慢。本文根據相關文獻，結合筆者的研究工作，分析該領域的研究現狀及存在問題，以期為水果輻射保鮮的研究與應用提供參考。
 
1　輻射處理對水果生理代謝的影響

果實經射線照射后，生理代謝活動受到抑制。對于躍變型果實而言，表現為后熟被抑制、呼吸躍變推遲。青蕉蘋果用400 Gy 60Co γ射線處理后第6天呼吸躍變期峰值的呼吸強度僅為未輻照果實的68.8% ［2-3］。呼吸強度的降低是由于輻照減少了乙烯產生，推遲了高峰出現的時間。蘋果果實乙烯的釋放速率與組織1-氨基環丙烷-1-羧酸（1-aminocylopropane-1-carboxylic acid，ACC）含量和乙烯形成酶（ethylene forming enzyme，EFE）活性有關，ACC轉化為乙烯需要EFE的催化。γ射線對EFE有明顯的抑制效果，在100～1 000 Gy劑量范圍內，整個高峰乙烯的產生量都低于未輻照果實，抑制作用隨輻照劑量的增加而增強，1 000 Gy劑量處理幾乎不出現峰值。進一步的研究顯示，植物細胞的質膜調節細胞內外物質的交流，細胞膜透性的變化反映果實衰老的情況。對蘋果果肉細胞亞細胞結構的觀察發現，γ射線輻照促使細胞壁纖維素分解與壁解體，對細胞的膜系統有很大的影響。輻照促使淀粉粒包膜分解消失，原生質膜松馳，線粒體內膜構成的嵴變模糊至消失，細胞膜結構完整性受到破壞。γ射線對EFE活性的抑制效果，可能就是γ射線對膜完整性作用的結果，從而降低了乙烯的生成速率 ［4］。關學雨等 ［5］研究認為，萊陽梨經500～2 000 Gy γ射線輻照后，乙烯生成量逐漸下降，下降幅度隨著劑量的增高而增大，未輻照的果實乙烯生成穩定。說明輻照處理可抑制萊陽梨乙烯生成，延緩后熟過程。輻射處理同樣可以抑制桃 ［6］、葡萄 ［7］和荔枝 ［8］果實的呼吸作用，延緩成熟。非躍變型果實如柑橘類輻照后，未觀察到延緩后熟的作用，如綠色檸檬和早熟蜜橘輻照后黃化加速，成熟加快 ［9］。王秋芳等 ［10］報道，用400～1 000 Gy的電子束輻照巨峰葡萄后低溫貯藏，能維持較高的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）活性，抑制膜脂過氧化進程。童莉等 ［11］認為，新疆庫爾勒香梨中的蔗糖轉化酶在細胞中集聚，加快果實的后熟。5～11 kGy γ射線處理后，香梨果實中蔗糖轉化酶的活性始終低于未輻照的果實，對于延遲果實的衰老是有利的。馬艷萍等 ［12］以遼河4號鮮食核桃為材料，采用不同劑量的 60Co γ射線照射，發現100、1 000 Gy劑量輻照提高了胚芽中的脫落酸（abscisic acid，ABA）含量，降低了赤霉素（gibberellic acid，GA 3）、吲哚乙酸（indoleacetic acid，IAA）、玉米素核苷（zeatin riboside，ZR）含量及三者與ABA的比值，0.5 kGy處理后，果實冷藏期間的超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性提高、丙二醛（malondialdehyde，MDA）積累減少，過氧化物酶、脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）活性降低。楊文斌等 ［13］對新疆庫爾勒香梨的研究表明，經700、1 400 Gy劑量輻照處理的果實在貯藏期間，甲醇、乙醇、乙醛、乙酸乙酯4 種非乙烯揮發性成分產生量與對照無明顯差異，2 800 Gy的高劑量輻照使甲醇、乙醇、乙醛在短期內急劇增加，證明低劑量的輻照處理對香梨具有有利的生理調節作用，能延緩香梨的衰老進程。
 
2　輻射處理對水果感官品質的影響

2.1　色澤及硬度
 
硬度是衡量水果貯藏品質的重要指標。青蕉蘋果經400 Gy劑量γ射線輻照后，在0～2 ℃條件下貯藏6 個月，硬度仍保持在12.7 Lb/cm 2，未輻照的果實硬度　只有8.4 Lb/cm 2［4］。可見，選用適宜劑量的γ射線輻照蘋果，造成果肉細胞膜系統一定程度的損傷，降低生理代謝強度，增加細胞壁與細胞膜系統的鈣含量，可以提高果實硬度。陸秋君等 ［14］報道大珍寶赤月桃以1.0 kGy劑量的γ射線輻照后，果實的硬度降低，0.3 kGy劑量的輻照處理對果實硬度無顯著影響。傅俊杰等 ［15］發現中華獼猴桃果實以0.3～1.5 kGy γ射線處理后，硬度比未輻照明顯下降。硬度的下降與果實中的淀粉有關，由于果肉中的淀粉是以淀粉粒的形式存在，維持細胞膨壓，對細胞起支撐作用，淀粉受到γ射線照射后，一部分淀粉被降解，其對果肉的支撐作用隨之減弱，導致組織變軟。
 
徐赟等 ［16］研究了以電子束輻照泰國青芒果、澳大利亞紅芒果和臺灣二林種楊桃對果實表皮色澤的影響，證實3 種水果經0.43～1.68 kGy電子束輻照后可導致果實產生色差，0.43 kGy劑量處理色差最小，1.68 kGy處理最大。室溫下存放7 d 后，不同輻照劑量的果皮色澤差異明顯，果皮出現褐變，且劑量越大，褐變越嚴重，但泰國青芒果的后熟黃化受到抑制。康芬芬等 ［17］報道，菲律賓出產的綠熟期香蕉經600 Gy劑量γ射線輻照之后10 d，果皮出現輕度生理損傷，200、400 Gy劑量輻照可以保持香蕉外觀品質，且400 Gy劑量處理的果皮褐色斑點較200 Gy劑量處理少。柑桔果實以1 kGy以上的γ射線輻照時，果皮變成棕色 ［18］。陳志軍等 ［19］對無核紅提葡萄的研究表明，0.56～2.1 kGy的電子束輻照后，葡萄果皮花青素含量下降，劑量越高下降幅度越大，2.1 kGy劑量輻照果皮花青素含量顯著低于未輻照處理。金宇東等 ［20］的研究認為，用高于1 kGy劑量的γ射線輻照無錫產水蜜桃，果肉很快就會發生褐變，并且輻照劑量越高，果實褐變越嚴重。褐變原因在于高劑量輻照處理后，果實細胞膜脂發生相變，細胞膜透性增大，使得細胞中的酚類物質在氧化酶的催化下發生氧化反應產生褐色的醌類物質，從而引起褐變發生。
 
2.2　腐爛率
 
微生物引起的侵染性病害是水果貯藏期間腐爛的主要原因之一，輻射處理可以殺死致病微生物，因而可降低果實腐爛率。趙菊鵬等 ［21］研究指出，蓮霧200～600 Gy γ射線輻照處理7 d后，果實的腐爛程度明顯低于未輻照。雷慶等 ［22］證明以1～3 kGy的電子束輻照草莓，能減少果實上的微生物數量，減輕草莓腐爛，其中2、3 kGy處理能延長草莓保質期2～3 d。王秋芳等 ［23］報道0.56～2.10 kGy電子束處理可減少葡萄果實上的微生物數量，且劑量越高，微生物數量越少，腐爛率越低。周慧娟等 ［24］用1～1.5 kGy的電子束輻照“艾利奧特”藍莓果實，可顯著降低藍莓腐爛率，冷藏至第60天，好果率仍在90%以上，保鮮期由30 d延長至60 d。
 
2.3　風味
 
龐杰 ［25］用0.1～0.9 kGy 60Co γ射線輻照梁山柚，可降低梁山柚苦味物質二氫黃酮類化合物柚苷的含量，抑制乙醇含量提高，所試劑量中以0.5 kGy輻射處理的脫苦效果最好，對果實品質無其他不良影響。陸秋君等 ［14］報道，0.3 kGy和1 kGy劑量的γ射線輻照處理大珍寶赤月桃，果實在貯藏初期糖酸比都下降，在后期0.3 kGy劑量使糖酸比下降速度減慢，1.0 kGy劑量下降速度較快，說明低劑量更能保持果實的風味。用0.15～0.2 kGy的γ射線輻照澀柿，可以脫去澀味 ［2］。
 
3　輻射處理對水果營養成分、加工品質及安全性的影響

3.1　對水果營養成分的影響
 
根據輻射生物學原理的靶理論，γ射線、電子束等處理水果，射線可直接作用于果實中的營養成分，果實中的水分子吸收射線能量后產生的離子對和自由基間接作用于各種營養成分，使水果中的營養成分發生變化。
 
康芬芬等 ［26］以紅富士蘋果為實驗材料，20～1 000 Gy的γ射線照射后，測定微量元素含量，結果表明輻照蘋果中Mg、K、Ca、Fe、Cu、Cr、Mn含量與未輻照的果實無顯著差異，但輻照后12 d，輻射處理與未輻照的果實的Zn含量差異顯著，隨輻照劑量的增加，Zn元素含量呈現遞減的趨勢。200 Gy～1 kGy的γ射線照射香蕉，Mg、Ca和Zn含量與未輻照果實無顯著性差異，K +和Fe 3+含量均略低于未輻照果實 ［4］。
 
大量的研究報道顯示，水果中的碳水化合物對輻照表現非常穩定，20～50 kGy范圍內的劑量不會使糖類的分子結構發生變化。趙菊鵬等 ［27］報道，番石榴果實用218 Gy以下劑量照射，受照果實的還原糖、蔗糖、總糖、可滴定酸、可溶性固形物等主要營養成分與未輻照果實無明顯差異。有報道指出，200～600 Gy的γ射線輻照蓮霧和番木瓜果實，輻照蓮霧的糖度高于未輻照果實，有機酸、可溶性固形物含量與未輻照無明顯差異，輻照番木瓜還原糖、蔗糖、總糖、有機酸及可溶性固形物均與未輻照果實無明顯差異。輻照蓮霧的含糖量增加，使糖酸比提高，因此輻照蓮霧果實品嘗其風味均優于未輻照 ［21］。童莉等 ［11］對庫爾勒香梨的研究表明，由于果實經γ射線處理后，延遲了呼吸高峰出現，呼吸作用減弱，減緩了對糖分的消耗。貯藏期間，1、5 kGy劑量輻照的香梨總糖含量均顯著高于未輻照果實。戚蓉迪等 ［28］研究發現，用250 Gy劑量的γ射線輻照美國產甜櫻桃，在25 ℃條件下存放5 d后，還原糖和可滴定酸均高于未輻照果實。吳慶等 ［29］以400～1 600 Gy的電子束輻照芒果和陽桃，果實的還原糖、可滴定酸含量與未輻照均無顯著差異。另有報道指出，在1.5～3 kGy γ射線照射草莓時，總糖濃度和主要的糖類如D-果糖、D-葡萄糖以及D-蔗糖的濃度都沒有變化，酸度和揮發性成分含量均無變化 ［30-31］。傅俊杰等 ［15］研究得知，300～900 Gy的γ射線輻照中華獼猴桃，20 ℃條件下存放20 d后，對可溶性固形物、總糖和總酸含量無明顯影響。3 kGy以下劑量γ射線照射洋李，糖類和酸類的成分沒有顯著變化 ［2］。葡萄和桃的輻照劑量在2 kGy以下時，受照果實的總糖和還原糖含量沒有變化，但是在更高的劑量時，總糖和還原糖的濃度下降而酸度增加 ［6-7，10，14］。對海棗、菠蘿、棗、無花果、龍眼和紅毛丹、番木瓜來說，1 kGy劑量的γ射線不會改變總糖和還原糖的濃度 ［2，21］。
 
γ射線照射對水果中VC含量的影響已有較多報道，這些研究大部分是在劑量低于2 kGy時進行的，VC的含量損失在30%以下 ［3］。經300 Gy γ射線輻照的蘋果中VC較為穩定，這是因為蘋果中的糖類和有機酸對VC起到了保護作用 ［32］。傅俊杰等 ［15］以0.3～1.5 kGy γ射線處理中華獼猴桃，在20 d的貯藏期內，VC含量隨輻照劑量增大而下降。藍莓 ［24］、荔枝 ［33］、蓮霧 ［21］、梨 ［11］、桃 ［6］、草莓 ［22，31］、葡萄 ［10］、番木瓜 ［21］、柑橘 ［9］、楊桃 ［29］果實輻照后，VC含量均出現不同程度的降低，輻照劑量越大，VC含量降低的幅度越大。
 
3.2　對水果加工品質的影響
 
果實經一定劑量輻照后導致其組織結構變化和不同程度損傷，表現為細胞膜膨大、斷裂，細胞質聚集，形成顆粒，核膜膨大，核質聚集、不均勻，形成顆粒 ［4］，液泡膜受到破壞，液泡內液體流出，液泡變小，并吸附在胞膜周圍，細胞出現質壁分離，使細胞組織的透性增強，水分遷移能力大大增強，干燥時失水速率加快 ［32］。這些變化可引起干燥特性的變化，最終影響干燥速度和干制品品質。王俊等 ［34］用2～6 kGy的γ射線輻照切片蘋果并進行熱風干燥處理，發現輻照蘋果在相同時間內水分散失量比未輻照增多，表現為失水速率加快。未輻照蘋果的失水過程有升速和降速兩個階段，經輻照處理后的失水過程只有一個降速階段。在相同時間內，經一定輻照劑量處理后蘋果片升溫快、溫度高，蘋果片溫度升高量隨輻照劑量升高而增大。6 kGy劑量以下輻照處理后，干燥后蘋果片感官質量比未輻照略有提高。劑量超過6 kGy，蘋果片干制品外觀質量下降。畢金峰等 ［35］研究發現，2～5 kGy的γ射線輻照國光、富士、紅香蕉和黃香蕉4 個蘋果品種，可以軟化蘋果組織、提高預干燥速率，對提高膨化產品脆度有作用，在一定程度上降低了膨化產品硬度，但輻照產品膨化后褐變嚴重。
 
3.3　對水果安全性的影響
 
水果的輻照處理是一種物理加工過程，不使用化學藥劑，輻照水果中沒有藥劑殘留。鈷源、銫源為密封的輻射源，不會散落出放射性物質，輻照過程中放射源并不與食品直接接觸，因此食品不可能被放射性污染而產生殘留。組成食品的主要元素為碳、氫、氧、氮和一些微量元素，使這些元素輻照后產生放射性，需要超過10 Mev的能量，而 60Co γ射線平均能量為1.25 MeV， 137Cs γ射線的能量僅為0.66 MeV，加速器電子束能量也不大于10 MeV，不會引發感生放射性。1980年，聯合國糧農組織、國際原子能機構和世界衛生組織聯合專家委員會根據長期的毒理學實驗結果宣布，總平均劑量不超過10 kGy輻照的任何食品是安全的，不存在毒理學上的危害，不需要對經過該劑量輻照處理的食品再作毒理實驗。1983年，國際食品法典委員會正式頒布《國際輻照食品通用標準》和《用于處理食品的輻照裝置運行實用準則》以及有關的劑量學及其他附件，相當于給這項技術頒發了綠色通行證 ［2］。我國衛生部1997年頒布了輻照水果的國家標準：GB 14891.5—1997《輻照新鮮水果、蔬菜類的衛生標準》，為輻照技術在水果保鮮中應用開辟了廣闊的前景。
 
4　結 語

目前用于水果輻照處理的射線主要是 60Co γ射線，電子束輻照水果的基礎研究和輻照工藝研究都比較薄弱 ［36］。不同種類的射線輻照同一種水果會產生不同的生物化學效應，蓮霧果實用400 Gy劑量的γ射線處理后，VC含量顯著下降，但用相同劑量的電子束輻照后，VC含量與未輻照無顯著差異。為充分發揮電子束輻照操控方便、安全性高、劑量不均勻度低的優勢，應加強電子束對水果保鮮機理及輻照工藝的研究。
 
果實中的農藥殘留是影響水果食用安全性和國際貿易的重要因素之一，射線輻照形成的自由基和離子使農藥殘留物的分子結構發生改變，從而降低或去除果實中的農藥殘留，輻射處理降解水產品、茶葉及肉制品的農藥殘留已經取得重要進展，但利用輻照技術降解水果中農藥殘留的機理和工藝還需進行深入探索。
 
水果可引發特殊人群的過敏反應，原因是患者的免疫系統對水果中的特定蛋白成分產生過激反應而導致病理損傷 ［37］。現有的研究發現，輻射處理后過敏原肽鏈發生斷裂、交聯等反應，抗原決定簇發生改變，致敏性降低，有可能成為脫敏的主要技術 ［38-39］。輻射處理應用于水果脫敏，不僅可以拓寬該項技術的應用范圍，還對于提高水果安全性具有重要意義，但輻照技術降低水果致敏性的可行性及工藝都需要進行深入的研究。
 
水果保鮮中現有的冷藏、氣調保鮮、化學保鮮和生物技術保鮮都具有抑制呼吸代謝、延緩衰老和抑制采后病原菌等作用 ［40-41］，這些技術各具特點，也都有局限性。根據不同種類水果的生理特點和貯藏特性，將輻照保鮮與其他保鮮技術配合使用，可發揮不同保鮮技術之間的協同作用，降低輻照劑量，降低輻照成本，提高保鮮效果，促進水果輻照保鮮技術的商業化應用。
 
綜上所述，輻照技術用于水果保鮮，有其獨特的優勢。利用射線對物質作用的物理效應、化學效應和生物學效應，可有效抑制果實的生理代謝活動，殺滅引起腐爛的微生物，更好地保持水果的感官品質、營養成分和加工品質。輻射處理過程能耗低，無射線殘留和感生放射性，不存在化學殘留和環境污染問題。與冷藏、化學保鮮等傳統技術相比，輻照技術具有節約能源、方便高效、能很好地保持原有風味和衛生安全性高的特點。水果輻射保鮮由于其技術可行性、衛生安全性、立法與標準的科學性、經濟可行性，將在提高我國水果保鮮技術水平中發揮更大作用。