第7章 辐照

1第7章食品辐照处理教学目的和要求：掌握食品辐照处理的基本原理，了解常用辐射源和辐照装置的类型和应用方法；熟悉食品辐照贮藏和加工处理的效果及其影响因素，熟悉食品辐照技术的应用范围；了解辐照的相关法律法规，辐照食品标识、辐射防护等知识。2教学内容（讲课学时：4h）食品辐照保藏原理辐照在食品保藏和加工中的应用及其安全性3第1节食品辐照保藏原理食品辐照的基本概念与特点辐射的基本理论辐射源与食品辐照装置食品辐照保藏原理41953年美国总统提出原子能和平利用，促使美国军方深入研究食品辐照。1957年美国军方负责为期5年的辐照食品研究计划启动，陆续组织实施了多项食品辐射研究项目。1960年前苏联允许60Co用于抑制马铃薯发芽，是辐照食品商品化的起点。1965年，加拿大建立起世界最大的马铃薯辐照工厂，其后多个国家都兴建现代化食品辐射工厂，使食品辐照迈进了实用化和商业化阶段。5目前，全世界有53个国家和地区批准500多种辐照食品可以进行辐照处理，其中30多个国家进入大规模商业化生产阶段，每年的辐照加工量在30万吨以上。我国批准的适宜辐照的食品已达7大类57种。据不完全统计，我国2005年辐照食品产量已达到14.5万吨，占世界辐照食品总量的36%，产值达到35亿元，并且发展迅速。6一、食品辐照的基本概念与特点我国《食品辐照通用技术要求》(GB/T18524)对“食品辐照”和“辐照食品”进行了定义。食品辐照是利用电离辐射在食品中产生的辐射化学与生物学效应而达到抑制发芽，延迟或促进成熟，杀虫、杀菌防腐或灭菌等目的的辐照过程。辐照食品是为了达到某种实用目的，按辐照工艺规范规定的要求，经过一定剂量电离辐射辐照过的食品。7食品辐照的特点：（1）可保持食品感官品质和营养品质：辐照处理可以在常温、低温甚至冷冻下进行，辐照处理过程食品温度一般不会变化或增加很小，故有“冷杀菌”之称。经适当辐照处理的食品可保持原有色、香、味和质构，有利于维持食品的质量。（2）节约能源：据国际原子能组织(IAEA)估计，辐照巴氏杀菌能耗仅2.74MJ·t-1。与传统的冷藏和巴氏消毒相比，辐照保藏可以节约能源70％～90％。8（3）无化学残留：辐照是一个物理加工过程，而且对其辐照过程可以进行准确控制，放射线瞬间即逝，无需添加化学物质，也就不会留下任何残留物。在进行辐照处理时，被照射食品从未直接接触放射性核素，不会沾染上放射性物质。常规的辐照剂量也不可能在食品中感生放射性。（4）改进某些食品的工艺：辐照技术利用射线(如γ射线)的穿透力强，可以在包装下及不解冻情况下辐照食品，杀灭深藏在食品内部的害虫、寄生虫和微生物，避免了处理后再包装时造成的二次污染。9（5）改进某些食品质量：酒类经辐照可加速陈化，牛肉经辐照处理后更加嫩滑，大豆经辐照处理后易于消化，辐照提高脱水蔬菜的复水率等。（6）应用于检疫处理：辐照技术被大量应用于海关对进口水果等的防疫处理，以确保进口物品不携带有害生物进入国门。辐照加工技术虽然从技术讲已相对成熟，但由于公众接受性、各类别食品的标准、法规以及检验、辐照设施等尚存在一定问题，辐照食品仍未被广泛接受。10二、辐射的基本理论1.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将电磁波分成无线电波、微波、红外、可见、紫外线、X射线和γ射线。――低频辐射线（非电离辐射）：波长较长、能量小（频率低），仅能使物质分子产生转动或振动而产生热，也可起到加热杀菌作用。――高频辐射线（电离辐射）：频率较高、能量大，如X-，γ-射线，可使物质的原子受到激发或电离，因而可起到杀菌作用（冷杀菌）。112.电离辐射及其射线种类（1）放射性同位素与γ射线放射性同位素原子核不稳定，能以一定的速率放出射线，转变成另一个原子核，变成稳定同位素，原子核转变过程称为放射性衰变。自然界中有天然的不稳定同位素，还有一些不稳定同位素是使用原子反应堆等人工制造的。60Co在衰变过程中每个原子核放射出一个β-粒子和两个γ-光子。β-粒子能量较低，穿透力弱，对被辐照物质不起作用。12α-射线：从原子核中放射出的带正电高速粒子流（氦核），相对质量较大，电离能力大，穿透能力小。β-射线：从原子核中放射出的带正电荷和负电荷的高速电子流，为α-射线质量的几千分子一，穿透能力比α-射线大。γ-射线：当原子核发射了α-和β-射线或k-捕获后，核的能级处于激发态（高能态），当激发态回到基态时，原子就发出光子流—γ-射线，电离能力比α-、β-射线小，但穿透能力大。13（2）X-射线是由X光机中高速电子撞击物质的原子所产生的电磁波，是不带电的光子流。X射线波长约为1～50nm，介于γ射线和紫外线之间的电磁辐射，电离能力小。X射线穿透能力很强，可以用于食品辐射加工。但是由于电子加速器作X射线源效率低，而且能量中包含大量低能部分，难以均匀照射大块样品，故没有得到广泛的应用。14（3）电子射线电子加速器利用电磁场作用，使电子获得高的能量将电能转变为辐射能，将电能转变成射线（高能电子射线，X射线），又称电子流、电子束，是电子枪发射出来的高能电子流。电子射线射程短，密度大，穿透力差。一般适用于食品表面的照射。我国规定(GB/T18524)加速器产生的10MeV或10MeV以下的电子束。153.辐照量与吸收剂量放射性强度的单位：度量放射性同位素放射性强弱的物理量，常用的单位有居里(Ci)、贝克(Bq)和克镭当量。照射量及其单位：用来量度X射线或γ射线在空气中电离能力的物理量，其单位以往为伦琴，现在用库伦/千克。吸收剂量及其单位：被照射物质所吸收的射线的能量称为吸收量，单位为拉德(rad)或戈瑞(Gy)。16国际单位常用单位辐射能量焦耳eV放射性强度贝克(Bq)居里(Ci)辐射量库仑/千克伦琴吸收剂量Gy(J/kg)rad1Gy＝100rad＝1J/kg17三、辐射源与食品辐照装置辐射源是指能发射电离辐射的物质或装置；可以分为放射性同位素和电子加速器两大类。按食品辐照加工通用标准(CDDEXSTANl06-1983)，可以用于离子辐照源的有来自60Co或137Cs的γ射线和电子加速器产生的X射线、加速电子。18γ辐照装置由γ辐射源、源升降系统，辐照室、产品传输系统、剂量测量系统、安全连锁控制系统、通风系统、水处理系统、观察系统等组成。食品辐照用得最多的是60Coγ辐射源。60Co辐射源在自然界不存在，是人工制作的一种同位素，它是用自然界稳定的59Co置于反应堆活性区，经中子一定时间的照射，少量的59Co吸收一个光子后变成60Co辐射源。1.γ辐照装置1960CO-γ射线单板源辐射装置示意图20同位素电子壳中子（不同）质子（同）21半衰期为5.25年，衰变后变成稳定同位素镍。22电子加速器主要由电子源、加速段、功率供应系统、真空系统、冷却系统组成。由电子源产生的电子流在加速段的高压电场或电磁场中被加速，电子获得能量和形成一定的电子束流形状。在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，是由电子束衍生出的一种辐照技术。电子束和X射线辐照技术不涉及放射性物质。2.电子加速器23电子加速器可以作为电子射线和X射线的两用辐射源。用于辐照保藏食品时，为保证食品的安全性，电子加速器的能量多数是用5MeV，个别用10MeV。将电子射线转换为X射线使用时，X射线的能量不得超过5MeV。24四、食品辐照保藏原理食品辐照的原理主要是射线（高能电离辐射）与物质的作用，射线照射时引起食品及食品中的微生物、昆虫等发生一系列物理化学效应，这些反应称为辐照效应，主要有物理学效应、化学效应和生物学效应。25（1）原子能射线与物质的作用γ射线是高能电磁辐射线“光子”，与被照射物原子相遇，会产生不同的物理学效应。包括光电效应、康普顿效应、电子对效应和感生放射。光电效应（电离作用）：光子与被照射物质原子中的电子相遇，把全部能量交给电子（光子被吸收），使电子脱离原子成为光电子（e）。1.食品辐照的物理学效应26康普顿散射：如射线的光子与被照射物的电子发生弹性碰撞，当光子的能量略大于电子在原子中的结合时，光子把部分能量传递给电子，自身的运动方向发生偏转，朝着另一方向散射，获得能量的电子（也称次电子，康普顿电子），从原子中逸出，称为康普顿散射。27湮没辐射(电子对效应)：•光子能量较高(1.02MeV)时，光子在原子核库仑场的作用下会产生电子和正电子对（正电子和一个电子结合）而消失，产生湮没辐射。•湮没辐射发出两个光子，每个光子能量为0.5lMeV。•光子的能量越大，电子对的形成越显著。28感生放射：射线能量大于某一阈值，射线对某些原子核作用会射出中子或其他粒子，因而使被照射物产生了放射性，称为感生放射性。能否产生感生放射性，取决于射线的能量和被辐照射物质的性质：•10.5MeV的γ射线对14N照射可使其射出中子，并产生N的放射性同位素；•18.8MeV的γ射线对12C照射，可诱发产生放射线；•15.5MeV的γ射线对16O照射，下可产生放射线。29为了防止被照射物诱发产生放射性，辐射的能量不得超过10MeV，大多数采用5MeV。30（2）电子射线的作用：库仑散射：当辐射源射出的电子射线（高速电子流）通过被照射物时，受到原子核库仑场的作用，会发生没有能量损失的偏转，称库仑散射。电子激发与电离：能量不高的电子射线能把自己的能量传递给被照射物质原子中的电子并使之受到激发。若受到激发的电子已达到连续能级区域，它们就会跑出原子，使原子发生电离。31轫致辐射：电子射线在原子核库仑场作用下，本身速度减慢的同时放射出光子，称轫致辐射。轫致辐射放出的光子，能量分布的范围较宽，能量很大的相当于γ射线的光子，能量较大的就相当于X射线光子，这些光子对被照射物的作用如同γ射线与X射线。若放射出的光子在可见光或紫外光范围，就称之为契连科夫效应。该效应放出的可见光或紫外线，对被照射物的作用就如同日常可见光或紫外线。32辐射的化学效应是指被辐射物质中的分子所发生的化学变化。食品的辐射处理，发生化学变化的物质，除了食品本身及包装材料之外，还有附着在食品表面及内部的微生物、昆虫和寄生虫等生物体。由电离辐射使食品产生各种粒子、离子及质子的基本过程。有初级辐射和次级辐射。2.食品辐照的化学效应33初级辐射：使物质形成离子、激发态分子或分子碎片。次级辐射：使初级辐射的产物相互作用，生成与原始物质不同的化合物。辐射化学效应的强弱用G值表示，所谓G值就是介质中每吸收100eV能量时发生变化的分子数。•例如麦芽糖溶液的G值为4.0，表示麦芽糖溶液每吸收100eV的辐射能，有4个麦芽糖分子发生降解。•不同介质的G值相差很大，G值大，辐射引起的化学效应较强烈；G值相同者，吸收剂量大者所引起的化学效应较强烈。34除了某些维生素的G值较高外，辐射引起一般成分化学效应的G值很低，许多食品成份辐解产物的G值都在3以下。食品及其他生物有机体的主要化学组成是水、蛋白质、糖类、脂类及维生素等，这些化合物分子在射线的辐射下会发生一系列的化学变化。35(1)辐照对水的影响大多数食品均含有丰富的水分，水也是构成微生物、昆虫等生物体的重要成分，食品经辐射引起的水分变化十分复杂。水辐射的化学效应可概括为：H2O→2.7OH·+0.55H·+2.7e-水化+0.45H2+0.71H2O2+2.7H3O+水分子电离形成的自由基和水化电子等具有高度的活性，会导致鲜活食品和微生物等生物细胞的生理活性物质钝化，从而对生物体产生重大的影响。36(2)辐照对蛋白质和酶的影响结构破坏；辐射交联；辐射降解蛋白质辐照时交联与降解同时发生，而往往是交联大于降解，所以降解常被掩盖而不易觉察。酶的主要组成部分是蛋白质，所以辐射对酶所引起的作用与蛋白质类似，酶中所含的巯基(-SH)由于容易氧化会增大酶对辐射的敏感性，但在复杂的食品体系中，由于其他物质的伴生存在而使酶得以保护，欲使酶钝化需要相当大的辐射剂量。37(3)辐照对糖类、脂类的影响由于水电离产生的自由基造成糖类发生降解作用，主要产物有甲