电子自旋共振波谱技术在辐照葡萄检测中的应用

第26卷第8期2010年8月农业工程学报

TransactionsoftheCSAEVol.26No.8Aug.2010

363

电子自旋共振波谱技术在辐照葡萄检测中的应用

李伟明1，哈益明1※，王锋1，张彦立2

（1．中国农业科学院农产品加工研究所，北京100193；2．中国计量科学研究院，北京100013）

摘要：为了应用电子自旋共振（ESR）波谱技术检测辐照葡萄，以葡萄皮、葡萄柄和葡萄籽为试验材料，研究其在0～10.0kGy剂量范围ESR波谱特征变化以及辐照剂量与信号强度的关系。结果表明：葡萄皮、葡萄柄和葡萄籽辐照后ESR波谱均有明显的区别，信号强度均随辐照剂量增加而增大。葡萄柄的辐照剂量检出限最低（0.25kGy），是鉴定葡萄样品是否经过辐照的理想材料。通过比较葡萄皮、葡萄柄和葡萄籽剂量效应曲线得出葡萄柄拟合曲线最为准确（R2=0.9943）。3种辐照试验材料在贮藏期（15d）内信号强度均有不同程度的衰减，辐照葡萄皮信号强度衰减最为剧烈（衰减80%）。研究结果为ESR波谱技术在辐照葡萄检测中的应用提供了技术依据。关键词：辐照，贮藏，农产品，电子自旋共振，信号强度doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.08.061中图分类号：TL75+1，S663.1文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-08-0363-05李伟明，哈益明，王锋，等.电子自旋共振波谱技术在辐照葡萄检测中的应用[J].农业工程学报，2010，26(8)：363－367.

LiWeiming,HaYiming,WangFeng,etal.Applicationofelectronspinresonancespectroscopyindetectionofirradiatedgrapes[J].TransactionsoftheCSAE,2010,26(8):363－367.(inChinesewithEnglishabstract)

0引

言

电离辐射处理能够杀灭食品中有害微生物、延长货架期而不损害食品的品质和风味[1-2]。早在1980年，由联合国粮食及农业组织、世界卫生组织和国际原子能机构（foodandagricultureorganization/worldhealthorganization/internationalatomicenergyagency）共同组成的辐照食品联合专家委员会根据长期辐照食品毒理学、营养学和微生物学研究的结论以及辐射化学分析结果宣布：任何食品辐照其平均吸收剂量小于10kGy时，不存在食用安全性问题，用此剂量处理的食品不再要求进行毒理学试验[3-4]。目前，全世界已有500多种辐照食品在50多个国家和地区获得批准，30多个国家和地区已经进入大规模商业化生产阶段[5-6]。随着中国食品辐照产业的不断发展和出口贸易的扩大，加之东盟食品辐照一致性规章的推进，以及日本、韩国辐照食品鉴定与检测标准的不断出台，中国的辐照食品检测鉴定技术研究亟需加强[7]。国内初步建立的用于辐照食品检测的鉴定方法包括热释光鉴定法、电子自旋共振（ESR，electronspinresonance）波谱法、挥发性碳氢化合物法等。其中电子自旋共振波谱（ESR）法作为一种简单、快速、准确的检测方法越来越

收稿日期：2010-04-19科研专项（20091228）

作者简介：李伟明（1984－），男，黑龙江哈尔滨人，研究方向为农产品加工与贮藏工程。北京中国农业科学院农产品加工研究所，100193。Email：[email protected]

※通信作者：哈益明（1957－），男，山东蓬莱人，教授，主要从事辐射加工与农产品贮藏。北京中国农业科学院农产品加工研究所，100193。Email：[email protected]

修订日期：2010-08-16

基金项目：农业部公益性行业科技专项（200803034）；国防科工局核能开发

多的受到关注。1971年Boshard和他的同事们最早将ESR

法用在辐照处理的食品上，他们用木瓜作为实验材料，研究了辐照剂量与木瓜籽自由基含量的关系[8]。之后Raffi和Tarber等人分别对草莓、木莓、葡萄干、桑果、无花果、猕猴桃、柠檬、苹果和梨等水果都进行了ESR波谱研究，结果证明了这些水果的种子、核仁和柄等部位都可以作为鉴定水果是否辐照的良好实验材料[9-12]。中国在ESR法检测辐照食品方面研究刚刚起步，与国外相比技术上还远远落后。

当食品经过电离辐射后，其物质分子因受到电离或激发而形成一定数量的自由基。由于自由基含有未成对电子，具有自旋角动量，能够产生磁性和自旋磁矩，这样当用ESR波谱仪检测时自由基将会产生电子自旋共振现象，通过改变磁场强度就能对应于样品的不同顺磁中心而得到不同的共振峰，ESR共振峰的强度一般用微分信号的峰-峰高度来表征，并且ESR信号强度与辐照剂量之间呈正相关，ESR检测方法就是建立在对辐照形成的长寿命自由基的电子自旋共振谱线分析的基础上形成的。为了使ESR波谱法成为一种实际应用的检测鉴定方法，有2个条件需要满足。即测得的ESR波谱必须：1）在食品货架期贮藏时间内保持稳定；2）在自然条件下能够很容易的与未辐照样品的波谱区分开[12]。研究表明食物中形成的自由基来自于2种途径。一种是高能电离辐射能够从一个分子中释放一个电子（留下一个自由基正离子）。在水果较为柔软的部分，也就是含水率很高的部分，这些溶剂化电子能够和其他许多分子相互作用从而形成次级自由基。另一种途径更重要，就是由于水分子辐照后相互作用产生大量羟基自由基。羟基自由基是无选择性并且极易反应的，能够和氢离子反应而生成次级

364农业工程学报2010年

自由基[11]。然而在水环境下自由基极易发生终端反应，因此寿命很短。这样短寿命的自由基阻碍了ESR波谱技术在水果中柔软部分（果肉）的研究。因此从固体角度来讲，例如水果的籽粒等这些专一性辐照产生的自由基被固体晶格矩阵所捕获，这些自由基的寿命很长因而能够应用ESR法检测到。

中国新鲜水果的进出口贸易量逐年增大，而目前辐照作为新鲜水果的检疫处理办法已被世界多个国家所接受，因此如何检测出这些水果是否经过辐照并且经多大剂量辐照处理对促进中国辐照食品的出口、国内市场消费和保障食品安全具有积极意义。目前国内开展辐照水果的ESR法研究极少，本文以葡萄样品为例，对葡萄的表皮、籽粒和柄3个部位进行了ESR法研究，分析这3个部分辐照前后的ESR波谱变化以及信号强度与辐照剂量之间的关系，并对各自的检出限和贮藏期内信号衰减变化进行了研究，为运用ESR波谱检测鉴定辐照水果提供技术支撑。

1

材料与方法

1.1

试验材料

新鲜红葡萄样品（赤霞珠品种）购于北京美廉美超市马连洼店。1.2仪器设备

JES-FA200型电子自旋共振（ESR）波谱仪：日本电子株式会社。1.3试验方法1.3.1辐照处理

辐照在中国农业科学院农产品加工研究所的60Coγ射线辐照源进行，辐照剂量分别为0.25、0.5、1、3、5、7和10kGy[11,13]，剂量率为0.5kGy/h。1.3.2样品制备

辐照后用剪刀将葡萄柄部剪成0.5cm大小用自封袋收集。将葡萄果肉部分去除，取出籽粒和表皮分别收集，连同葡萄柄放置于滤纸上室温下自然干燥3h，用解剖刀将籽粒和表皮切成0.5cm大小碎片，分别收集到自封袋中，分别称取约150mg分别装入ESR管中，使样品紧密堆积至15mm高左右。制备好的样品立即进行ESR波谱测定（每种样品每个剂量重复测定3次）。由于葡萄的货架期一般在14d左右[11]，因此本研究用ESR波谱仪跟踪测定15d内葡萄表皮、柄和籽粒的波谱变化。1.3.3ESR测量

ESR波谱仪测定的参数设置如下。中心磁场0.336T；扫场宽度7.5mT；微波辐射频率9.750GHz；微波功率0.998mW；信号接收调制频率100kHz；调制幅度2.0mT；放大倍数：102～103；信号通道时间常数：0.01s；扫描时间20s；温度为室温。1.3.4数据分析

试验每种样品进行3次重复测定，采用Excel2003软件绘图，Origin7.5软件绘制ESR波谱图以及试验数据的重复测量方差分析，显著性水平设置为p＜0.05，p＜0.01。

2

结果和分析

2.1

未辐照葡萄皮、柄和籽粒的ESR波谱分析

图1为未辐照葡萄皮、柄和籽粒的ESR波谱图。未辐照葡萄皮、柄和籽粒的g值（表征着磁场共振的位置）分别为2.0043，2.0047和2.0061。由图1可以看出，每个波谱都由一个中心信号组成，说明未辐照葡萄的3个部分都有本底信号的出现。其中葡萄籽的本底信号强度大于其余2个部分，表明葡萄籽本身存在的自由基数量更多。Goodman在1989年研究了未辐照葡萄籽的ESR波谱特征，本研究也得到了相同的结果[14]

。

图1未辐照葡萄表皮、籽粒和柄ESR波谱图

Fig.1ESRspectraobtainedfromunirradiatedskins,

seedsandstalksofgrapes

2.2

辐照葡萄皮的ESR波谱分析

图2为不同剂量辐照葡萄皮的ESR波谱图（g=2.0043）。由图中看出葡萄皮辐照后产生了新的波谱特征。首先在0～0.5kGy剂量范围内ESR谱线形状和强度变化不大（p＞0.05），而1kGy辐照剂量的谱线信号强度明显高于未辐照样品的信号强度（p＜0.01），说明葡萄皮的检出限为1kGy。在高于3kGy剂量下的谱线发生了新的变化，5kGy和10kGy的谱线信号强度远大于未辐照样品，并且在其中心信号的旁边又新生成2个小峰，两峰间距离约为1.45mT，根据欧盟标准EN13708:2001分析可知

第8期李伟明等：电子自旋共振波谱技术在辐照葡萄检测中的应用365

由于葡萄皮含有大量的多糖成分，用ESR法检测含结晶糖成分的样品会导致ESR谱线发生变化，由于多糖的种类和组成各不相同，因此谱线的特征也不尽相同[15]。

图3是葡萄皮辐照剂量与信号强度关系图。由于新鲜葡萄进行辐照处理主要是为了延迟后熟，其辐照剂量一般为1kGy，最高不超过3kGy[16]，因此选择在0～3kGy剂量范围内分析ESR信号强度与辐照剂量之间的关系。图3表明葡萄皮的信号强度与吸收剂量呈正相关，拟合数据得出葡萄皮辐照剂量与ESR信号强度的关系式为

Y=-68.818X2+365.82X+133.36(R2=0.9919)式中：X——辐照剂量，kGy；Y——ESR信号强度。

由决定系数R2可知，葡萄皮辐照剂量与ESR信号强度拟合关系较好，在0～3kGy范围内通过测定ESR信号强度，利用上述拟合关系式可以初步估算出葡萄皮的辐

照剂量。

图2辐照葡萄皮ESR波谱图

Fig.2

ESRspectraobtainedfromirradiatedskinsof

grapes

图3葡萄皮吸收剂量与ESR信号强度关系图Fig.3SkinsofgrapesregressionlineobtainedforESRintensityassociateswithabsorbeddose

2.3

辐照葡萄柄的ESR波谱分析

图4为不同剂量辐照葡萄柄的ESR波谱图（g=2.0047）由图4可见，即使在最低剂量（0.25kGy）下辐照葡萄柄的ESR波谱和未辐照样品的波谱有明显的区别（p＜0.01），0.25kGy辐照的葡萄柄信号强度大于未辐照样品，因此葡萄柄的检出限为0.25kGy。未辐照和辐照的葡萄柄都存在中心信号，然而辐照后的样品出现了新

的波谱特征。在高剂量下（5kGy和10kGy）有2个小峰叠加于中心信号内侧，两峰间距为1.45mT，这与辐照葡萄皮产生的波谱特征相同。在1kGy辐照剂量以上，中心信号两侧更远处也产生了两个小峰，两峰间距离为4.5mT，Tabner等人在1991年研究辐照葡萄柄的ESR波谱时也得出相同结论，但尚无研究结论证实这2个小峰是如何产生的[9]

。

图4辐照葡萄柄ESR波谱图

Fig.4

ESRspectraobtainedfromirradiatedstalksofgrapes

图5是葡萄柄辐照剂量与信号强度关系图，通过拟合数据得出葡萄柄辐照剂量与ESR强度的关系式为

Y=-62.397X2+351.85X+122.32(R2=0.9943)

由决定系数R2可知，辐照葡萄柄的拟合曲线更为精确，在0～3kGy范围内通过测定ESR信号强度，可以估

算出葡萄柄的辐照剂量。

图5葡萄柄吸收剂量与ESR信号强度关系图Fig.5StalksofgrapesregressionlineobtainedforESRintensityassociateswithabsorbeddose

2.4

辐照葡萄籽的ESR波谱分析

图6为不同剂量辐照葡萄籽的ESR波谱图（g=2.0061）。由图中看出在0～3kGy剂量范围内ESR谱线几乎无变化（p＞0.05），直到5kGy葡萄籽的信号强度才明显高于未辐照样品的信号强度（p＜0.01），由此说明葡萄籽的检出限一定高于3kGy。Goodman和Desrosiers[17]在1989年研究了辐照葡萄籽的ESR波谱特征，本研究得到了相同的结果，在5kGy以上葡萄籽的ESR波谱发生

366农业工程学报2010年

了新的变化。首先在中心信号的两侧产生了一对小峰，并且两小峰之间的距离大约为6mT，根据欧盟标准EN1787:2000分析可知由于辐照产生了纤维素自由基[18]

。

图6辐照葡萄籽ESR波谱图

Fig.6

ESRspectraobtainedfromirradiatedseedsofgrapes

图7是葡萄籽辐照剂量与信号强度关系图，数据表明葡萄籽的信号强度与吸收剂量同样呈线性相关，拟合数据得出葡萄籽辐照剂量与ESR强度的关系式为

Y=-57.436X2+283.39X+735.71(R2=

0.9909)

图7葡萄籽吸收剂量与ESR信号强度关系图Fig.7SeedsofgrapesregressionlineobtainedforESRintensityassociateswithabsorbeddose

2.5

贮藏时间对辐照后样品ESR信号强度影响

跟踪研究了辐照葡萄皮、柄和籽粒在15d贮藏期内ESR波谱的变化。图8为5kGy辐照葡萄皮、柄和籽粒ESR信号强度衰减曲线，结果表明所有辐照样品在贮藏期内信号强度均随着贮藏时间的增加而减少，其中辐照葡萄皮在贮藏期间信号强度衰减最为剧烈，经过15d的贮藏期信号强度衰减接近80%，而辐照葡萄籽和葡萄柄信号强度衰减约为50%，并且：

1）辐照葡萄皮中心信号两侧间距1.45mT的2个小峰随着贮藏时间的增加会逐渐消失而引起中心信号变宽，并且5kGy和10kGy辐照的样品2个小峰在12d内能够存在。

2）辐照葡萄籽仅仅能在高剂量下观察到辐照后引起的波谱变化。辐照产生的纤维素自由基（波谱显示为间

距6mT的2个小峰）在5kGy和10kGy剂量下能够长时间存在，并且纤维素自由基存在时间与吸收剂量呈正比例。其中10kGy辐照的葡萄籽其纤维素自由基能够在4d内存在。

3）辐照葡萄柄5kGy和10kGy中心信号两侧1.45mT和4.5mT的小峰在辐照后立即检测能够发现，在15d的贮藏期内，1.45mT的2个小峰仍然保持着近似不变，而中心信号强度衰减剧烈。4.5mT的2个小峰在10kGy辐照葡萄柄样品中6d

内能够检测到。

图85kGy辐照葡萄皮、柄和籽粒ESR信号强度衰减曲线Fig.8Typicalfadingkineticsoftheradiation(5kGy)induced

ESRsignalsofgrapeskins,stalksandseeds.

3讨论

为使ESR法成为一种快捷准确的鉴别辐照水果样品的检测方法，辐照后样品的波谱特征一定要有明显的变化，能够单一并且很容易的与未辐照样品的波谱区分开。以葡萄为试验样品的研究表明，这些波谱特征变化在某些特殊部分能够很容易识别出来。例如葡萄柄辐照后产生的1.45mT的2个小峰即使在15d的贮藏期仍然能够检测到。如果葡萄柄这个特征其衰减程度随贮藏时间的变化规律能够建立起来，那么就有可能在一定程度上能够修正其信号强度与吸收剂量的关系曲线，进而能够在一定范围内进行原初辐照剂量的反推验证，这对于应用ESR法检测辐照食品具有十分重要的意义。对于葡萄柄在1kGy辐照剂量以上中心信号两侧间距4.5mT出现的2个小峰的形成原因还需要进行深入细致的研究。另外要揭示样品辐照剂量和ESR信号强度之间准确的数学关系，还需要针对辐照食品之间存在的差异，如食品产地、气候条件、不同品种等，进行大量样品试验和ESR波谱统计分析，对辐照剂量和ESR信号强度之间的数学关系进行修正。

4结论

1）未辐照和辐照的葡萄样品（皮、籽、柄）ESR波谱有明显的区别，信号强度均随辐照剂量增加而增大，且辐照前后不同葡萄部位的ESR强度和谱形都发生新的变化，应用ESR法可以方便快捷地鉴定出是否经过辐照。

2）研究得出葡萄皮的剂量检出限为1kGy；葡萄柄的检出限可以达到0.25kGy，而葡萄籽的检出限至少为3kGy。因此，定性的鉴定葡萄样品是否经过辐照，葡萄

第8期李伟明等：电子自旋共振波谱技术在辐照葡萄检测中的应用367

柄可以作为理想的鉴定材料。

3）由辐照剂量与样品ESR信号强度的拟合关系式，可从理论上推算出葡萄皮、葡萄籽和葡萄柄的原初辐照剂量参考值。其中3种样品拟合曲线的精度（R2）比较结果为：葡萄柄（R2=0.9943）＞葡萄皮（R2=0.9919）＞葡萄籽（R2=0.9909）。由此可知葡萄柄可以作为应用ESR法检测辐照葡萄较为理想的试验材料。

4）辐照样品在15d贮藏期内信号强度均有不同程度的衰减，其中辐照葡萄皮在贮藏期间信号强度衰减达到80%。

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Applicationofelectronspinresonancespectroscopyindetectionof

irradiatedgrapes

LiWeiming1,HaYiming1,WangFeng1,ZhangYanli2

※

(1.InstituteofAgro-FoodScienceandTechnology,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100193,China;

2.NationalInstituteofMetrologyP.R.China,Beijing100013,China)

Abstract:Inordertodetectirradiatedgrapesbyelectronspinresonance（ESR）spectroscopy,thegrapeskins,grapestalksandgrapeseedswereusedastestmaterialstostudythefeaturechangesofESRspectrumandtherelationshipbetweenESRintensityandirradiationdoseintherangeof0to10kGy.TheresultsshowedthattheESRspectraofgrapeskins,grapestalksandgrapeseedswereobviouslydifferentbeforeandafterirradiation,theintensityofESRsignalincreasedwiththeincreasingoftheabsorbeddose.Thegrapestalkswhichhadtheminimumdetectionlimit(0.25kGy)couldbeusedasanidealexperimentalmaterialtoidentifywhetherornotgrapeshadbeenirradiated.Bycomparingthedoseeffectcurvesofgrapeskins,grapestalksandgrapeseeds,itwasconcludedthatgrapestalkcurvesshowedthemostaccurate(R2=0.9943).TheESRintensityofthreekindsofirradiatedsamplesalldecreasedduringthestoragetime(15d),grapeskinsshowedseverestattenuation(attenuation80%).TheresultscouldprovidethetechnicalbasisfortheapplicationofESRspectroscopyindetectingirradiatedgrapes.Keywords:irradiation,storage,agriculturalproducts,electronspinresonance,signalintensity