第4章食品辐射保藏

1第六章食品辐射保藏第一节概述食品辐射保藏就是利用原子能射线的辐射能量对新鲜肉类及其制品、水产品及其制品、蛋及其制品、粮食、水果、蔬菜、调味料、饲料以及其他加工产品进行杀菌、杀虫、抑制发芽、延迟后熟等处理。最大限度的减少食品的损失，使它在一定期限内不发芽、不腐败变质，不发生食品的品质和风味变化，由此可以增加食品的供应量，延长食品的保藏期。辐射保藏技术是一门新的技术，比现有保藏技术有其优越性的一面。是继传统的物理、化学保藏之后又一发展较快的食品保藏新技术和新方法。一、现有保藏技术的优缺点1．食品冷冻保藏—低温。抑制微生物活动和减少酶活。优点：能够较好保持新鲜食品原有的风味和营养价值；缺点：能耗大，需建立冷藏链。2．食品罐藏—提高温度杀灭微生物和酶。优点：绝大部分杀灭微生物，可以长期保藏；缺点：热对风味组织结构和色泽有影响。3．食品干藏—降低水分活度（aw），控制微生物和减少酶活。优点：简便宜行，重量减轻或体积变小，食品可增香变脆；缺点：自然脱水后的食品难复水，易变色。3．化学保藏—通过外加化学物质抑制微生物及酶等作用。优点：操作简便易行。缺点：化学物质残留。二、辐射保藏的优越性（意义、特点）（1）食品在受辐射过程中温度升高甚微。因此，被辐射适当处理后的食品在感官性状如色、香味和质地等方面与新鲜食品差别很小，特别适合于一些不耐热的食品和药品。（2）射线穿透力强。在不拆包装和解冻的情况下，可杀灭其深藏于谷物、果实或冻肉内部的害虫和微生物，也节省了包装材料，避免再污染。（3）射线处理过的食品不会留下任何残留物。与化学处理相比是一大特点。（4）节省能源：据76年国际原子能机构（IAEA）通报的估计，食品采用冷藏需消耗能量为90千瓦时/T，巴氏消毒230千瓦时/T，热力杀菌300千瓦时/T，脱水处理（干燥）700千瓦时/T，而辐射杀菌只需6.34千瓦时/T，辐射巴氏消毒0.76千瓦时/T。（5）适应范围广：能处理各种不同类型的食物品种，如从装箱的马铃薯到袋装的面粉、肉类、水果、蔬菜、谷物、水产等。多种体积的食品；不同状态，固体、液体。（6）加工效率高、整个工序可连续化、自动化。只要规模大，就能获得巨大的利益。谷物20万吨以上，马铃薯2.5万吨以上，洋葱5000吨。因此，辐射保藏是一种获得经济效益和有发展前途的保藏方法，也是和平利用原子能的一个重要方面。2三、国内外发展简况1895年伦琴发现X-射线后，Mink于1896年就提出X-射线的杀菌作用。二次大战期间，美国麻省理工学院的罗克多尔将射线处理汉堡包，揭开了辐射保藏食品研究的序幕。50年代起北美、欧洲、日本等30多个国家先后投入大量的费用进行研究；60年代一些第三世界国家也加入该行列，目前从事这方面研究的有50-60个国家。国际原子能组织（IAEA）、联合国粮农组织（FAO）、世界卫生组织（WHO）等的支持和组织下，进行了种种国际协作研究。到1976年25种辐射处理食品在18个国家得到无条件批准或暂定批准，允许供作为商品供一般使用。1980年10月27日上述组织联合举行的第四次专门委员会议作出结论：用10kGy以下平均最大剂量照射任何食品，在毒理学、营养学及微生物学上都丝毫不存在问题，而且今后无须再对经低于此剂量辐照的各种食品进行毒性实验。目前许多国家将辐射用于食品的加工与保藏。前苏联、美国、加拿大、法国、日本、中国等国家均批准在一些食品中使用辐照。日本、加拿大建立了辐射工厂用于食品保藏、有鱼虾、果蔬等。欧洲（丹麦、保加利亚、法国等）用于抑制土豆、大蒜、洋葱发芽。发展中国家，印度、伊朗、泰国、智利、阿根廷等用于粮食（谷物）的防霉、防虫。我国自1958年开始，70年代的研究工作取得了一定的成效。1984年11月国家卫生部批准7项（马铃薯、洋葱、大蒜、花生、蘑菇、香肠）辐照食品允许消费。之后又有20多种食品通过了不同级别的技术鉴定。80年代，一些省市建立了一起容量较大的辐射应用试验基地，如北京、上海、天津、湖南、四川、广东等地。后期有浙江、深圳等。我校在社桥有一个辐射装置。第二节辐射的基本原理一、辐射类型辐射指能量传递的一种方式，在电磁波谱中，根据能量相应的大小，可使电磁波分成无线电波、微波、红外、可见光、紫外线，χ和γ射线。通常根据辐射的作用形式可将辐射分为电离辐射和非电离辐射两种类型。通常按辐射的频率来划分。1．非电离辐射低频辐射线υ＜1015，波长较长（频率较低），能量小，如微波、红外线的能量仅能使物质分子产生转动或振动而产生热，则起到加热杀菌作用。是非电离辐射。2．电离辐射高频辐射线υ＞1015，频率较高，能量大，有激发和电离两种作用：υ在1015~1018Hz，如紫外线的能量，仅能使被照射物质的原子受到激发（激发为使电子从低能态到高能态），亦可起到抑菌杀菌的作用；二、放射性同位素与辐射1．放射性同位素原子核=P++n，P+为带正电荷质子，n为不带电荷中子，核内质子数决定化学元素的特性，一般3情况下（指在轻原子核范围内）P+=n，组成原子的质量。但有些元素，P+相同而n不同的原子所组成的元素称为同位素，P+=n时原子稳定，P+≠n则不稳定。当原子序数在84以上的同位素，原子核是不稳定的，能以一定的速率放出射线，由这种原子组成的元素称为放射性同位素。放射性同位素能发射α-、β--、β+-及γ-射线。2.α-、β-、γ-及X-射线（1）α-射线：当同位素中n：P+＞1.5：1，从原子核中放射出带2P+和2n的带正电高速粒子流（氦核）—称为α-射线；（2）β-射线：当核内中子数和质子数不等时；若某一中子释放出能量转变成质子（n＞P+）n→P++β－（带负电荷的高速离子）若核内P+＞n时，（这种情况一般指在加速器中）P++1.02MeV→n+β+（带正电荷的高速离子）β－和β+→β-射线，即从原子核中射出的带电的高速电子。（3）X-射线：若核内质子在外层电子云中，从K层捕获电子e－，转变成中子（k-捕获），使质子数减少。P++e－→n当K层（低能态）电子被捕获后剩下一空穴，则高能态（外层）电子会补充进去，释放出能量—X-射线，指原子核外电子所放出的能量。（4）γ-射线：当原子核在发射了α和β或κ－捕获之后，核的能级处于激发态（高能态），当这种激发态回到基态时，原子就发出光子流（即不带电荷的核子流），称γ-射线，发源于原子核本身。3.四种射线的特点以上所讲的四种射线都具有使被辐射物质的原子或分子发生电离作用的能力和不同程度的穿透能力。但是由于射线性质的不同，从而电离能力和穿透能力各不相同。（1）α-射线：相对质量较大，电离能力很强，穿透能力很小；一张纸就能阻挡它的通过。（2）β-射线：为氢核质量的几千分之一，带电量为α-射线的一半，电离能力比α-射线小，穿透能力比α-射线大；（3）γ-射线：电离能力比α、β小，但穿透能力比α、β大；（4）X-射线：电离能力小，穿透力很高4．放射性衰变每个放射性同位素经放出射线后，就转变成另一个原子核，从不稳定的元素变成稳定同位素。原子核的转变过程称为放射性衰变。(1)衰变规律原子核衰变数N与原子核总数N0有关。实践证明,在单位时间内,衰变着的原子核的数目和其总数成正比,这一过程是不可逆的,可用公式表示如下:N=N0e-λtN:原子核数4N0:原子核总数t:时间λ:衰变常数（2）半衰期放射性强度因衰变降低到原来一半所需的时间称为半衰期。或原子数衰变至一半时所需的时间。对于单独的一种放射性元素而言，半衰期和衰变常数一样也是常数。半衰期以t1/2表示，则根据前面公式可得：1/2N0=N0e-λt1/2λt1/2=ln2=0.6931即衰变常数与任意同位素的半衰期的乘积为0.6931，这样可利用半衰期求出其衰变常数。常见放射性同位素的半衰期三．辐射用各种单位（一）能量单位电子伏特ev.表示辐射能量单位普通用eV，即相当于１个电子在真空中通过电位差为１伏特的电场被加速所获得的动能。１ev=1.602*10-12尔格（evg）1Mev=106ev，1kev=103ev（二）放射性强度衡量放射性强弱程度的一个物理量。指单位时间内发生核衰变的次数。（1）居里（以前曾用），1Ci=3.7*1010衰变／秒即每秒中有3.7*1010次原子核衰变。（2）现法定单位用贝克Bq，即每秒中有一个原子核衰变为1贝克。（3）1Bq=1S－1，因此，1Ci=3.7×1010Bq。（三）辐射计量指被照射物质吸收辐射能量程度的一些物理量。常用辐射量、物料吸收剂量和吸收剂量速率来表示。（1）辐射（照射）量是用X-射线或γ-射线辐射源的辐射场内空气电离的程度来表示。（2）吸收剂量是指在辐射源的辐射场内单位质量被辐射物质吸收的辐射能量。简称剂量。（3）单位质量的被照射物质在单位时间中所吸收的能量称为吸收剂量速率。1．辐射量（1）法定单位为库仑/千克（C/kg），以前曾用伦琴（R）（2）在标准状况下（0℃，760mmHg），1cm3空气（0.00129g）能形成一个正电或负电的静电单位的X-射线或γ-射线照射量——1R。（3）一个正电或负电的离子具有4.80×10－10e.s.u（静电单位）。即一个静电单位的离子量为2.08×109个正电或负电离子（离子对），即1伦琴可使1cm3空气产生2.08×109个正电或负电离子（离子对）。（4）1R=2.58×10－4C/kg（空气）2．吸收剂量是电离辐射授予被辐射物质单位质量的平均能量，即被辐射物质吸收的辐射能量，法定单位为5J/kg，也称为戈瑞（Gy）以前曾用拉德（Rad）即1克被辐射物质吸收100尔格（erg）射线能量为1Rad。1Rad=100erg/g=6.24×1013eV/g。1Gy=100Rad=104erg/g照射量和吸收剂量是完全不同的概念，有区别（照射量指空气电离程度来讲）但两者都是描述辐射计量的，又相互联系。1个电子的电荷量是4.8×10－10e.s.u.产生一个e.s.u.需要的离子对数为2.08×109，而电子在空气中产生一对离子所消耗的平均能量为33.73eV（电离功）1R照射量相当于0.0129g空气中吸收了2.08×109×33.73eV=7.02×1010eV=0.112erg能量。1R照射量时，1g空气的吸收能量为0.112erg/0.00129=86.8erg/g=0.868Rad即空气的吸收剂量为0.868Rad=8.68×10－3Gy。3．吸收剂量速率单位质量的被照射物质在单位时间中所吸收的能量称为吸收剂量速率。单位为Gy/s。吸收剂量速率与照射距离和辐射强度有关。距离越近，吸收剂量速率越大，距离相同，辐射强度越大，则吸收剂量越大。物料不同，吸收剂量速率也是不一样的。四、辐射源（一）人工放射性同位素在食品辐射时供电离辐射用的放射线主要为β-和γ-射线，经常采用人工制备的放射性同位素60Co（钴，半衰期5.26年）和137Cs（铯，半衰期30.3年）60Co经β-衰变后放出两个能量不同的γ-光子最后变为60Ni；137Cs经β-衰变后放出γ-光子最后变为137Ba制备方法：将自然界中存在的稳定同位素59Co金属制成棒形、长方形、薄片形、颗粒形、圆筒形或所需要的形状，置于反应堆活性区，经中子一定时间照射，少量59Co原子吸收一个中子后即生成60Co辐射源。目前在商业上采用60Co作为γ-射线源。（二）电子加速器利用电磁场作用，使电子获得较高能量，即将电能转变成辐射能，这样仪器设备装置有静电加速器、高频高压加速器、绝缘磁芯变压器，直流加速器有两种方式：1.直接加高压，很高电压使电子获得动能如范德格拉夫加速器（静电加速器）；2.不是直接利用高电压，但反复多次将电子加速，如回旋加速器，电子感应加速器。利用加速器使电子带电形成高能量粒子——人工β-射线源。用高能电子来轰击重金属靶，则产生X-射线——X-射线发生器。特点：电子加速器优点是可以控制开停，能量可以调节控制。可得到比放射性同位素源辐射能量高得多，如1万Ci60Co→150W，而加速器可达10-15kW。X-射线转换率不高，一般不用于食品辐射。思考题