2. Cơ sở lý thuyết về chiếu xạ trong bảo quản sản phẩm dạng củ
2.1.3.Cơ sở lý thuyết về phóng xạ cobalt-60 (co60)
Hiện nay có hơn 85 % thiết bị dùng chiếu xạ đang hoạt động trên thế giới dùng nguồn đồng vị phóng xạ Cobalt-60.
Cobalt-60 là một chất đồng vị phóng xạ đ−ợc chế tạo trong lò phản ứng hạt nhân từ Cobalt thiên nhiên, là chất đồng vị bền Cobalt-59. Cobalt thiên nhiên là một kim loại màu sáng nh− thép mật độ 8,839 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 14900 C. Cobalt có đặc tính lý hóa của thép và kiềm. Trong lò phản ứng hạt nhân dòng nơtron chiếu lên Cobalt-59 biến đồng vị bền này thành đồng vị phóng xạ Cobalt-60. Có thời gian phân rã là 5,3 năm, phát ra hai bức xạ gamma có năng l−ợng 1,17 MeV và 1,33 MeV, tính trung bình là 1,25 MeV. Quá trình đó xảy ra nh− sau: Đầu tiên Co60 phóng xạ hạt β−để thành Ni60 ở trạng thái kích thích. Khi hạt nhân Ni60 chuyển từ trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản sẽ phát ra hai tia có năng l−ợng khác nhau.
27Co60 → 28N60 + -1e0
→ 28Ni60 +γ1(1,17MeV)+γ2(1,,33MeV).
Theo hoạt độ của các nguồn phóng xạ, các thiết bị chiếu xạ Co60 có thể chia làm 3 loại.
* Các máy chiếu gamma thí nghiệm: Nguồn phóng xạ có hoạt độ từ mấy trăm curi đến 10 - 20 nghìn curi, buồng chiếu xạ nhỏ chỉ 4 - 5 lít.
* Các máy chiếu xạ bán công nghiệp: Hoạt độ nguồn phóng xạ từ 50 kci đến khoảng 200 kci, có hệ thống băng tải dây truyền.
* Các máy chiếu xạ th−ơng nghiệp: Hoạt độ từ 500 kci - 4 Mci
Theo thống kê của IAEA trên thế giới hiện nay có khoảng 300 thiết bị chiếu xạ Co60 trong đó có khoảng 60 thiết bị chiếu xạ bán th−ơng nghiệp và 10 -15 thiết bị chiếu xạ th−ơng nghiệp. Thiết bị chiếu xạ của ta xây dựng tại Hà Nội với hoạt độ 220 kci, thuộc loại bán th−ơng nghiệp [9].
Tia phóng xạ ion hoá tác dụng lên vật chất theo quy luật khác với quy luật t−ơng tác của bức xạ nhìn thấy và ngay cả với tia tử ngoại. Bức xạ ion hoá qua vật chất sẽ gây t−ơng tác với phân tử của nó, kết quả dẫn tới sự ion hóa hoặc kích thích các nguyên tử và phân tử của môi tr−ờng vật chất đó.
2.2. Những đại l−ợng đo l−ờng cơ bản dùng trong sinh học phóng xạ
Khi chiếu xạ vào hệ sinh học, trong hệ xảy ra những biến đổi sinh hoá nhất định phụ thuộc vào liều l−ợng và bản chất chiếu xạ, liều l−ợng hấp thụ do đó ta có các đơn vị đo là:
2.2.1. Đơn vị liều l−ợng chiếu xạ
Rơnghen (R) là liều l−ợng chiếu xạ của tia X hoặc tia gamma cần thiết để tạo ra trong một kg không khí ở điều kiện tiêu chuẩn, các ion có tổng điện l−ợng bằng 1C đối với điện tích của các ion cùng dấu.
1R t−ơng ứng với 0,111 erg/cm3 và 84 erg/g.
Đối với bức xạ hạt, ng−ời ta th−ờng dùng đơn vị vật lý, tuy nhiên hiện nay đơn vị này ít sử dụng vì khó khăn về ph−ơng tiện và kỹ thuật.
2.2.2. Đơn vị liều l−ợng hấp thụ
Là đại l−ợng cho biết phần năng l−ợng mà đơn vị khối l−ợng vật bị chiếu xạ hấp thụ đ−ợc của chùm tia phóng xạ. theo định nghĩa, liều l−ợng hấp thụ D sẽ là: D =
m E
∆ ∆
Trong đó ∆E – năng l−ợng bức xạ ion hoá do mẫu hấp thụ . khối l−ợng mẫu nghiên cứu .
m
∆
Đơn vị của D là j/kg. Khi khối l−ợng vật bị chiếu xạ là một kg hấp thụ năng l−ợng của chùm tia chiếu xạ là 1(j) thì liều l−ợng hấp thụ là 1 j/kg.
1 rad = 10 –2j/kg ng−ời ta hay dùng 1krad = 103 rad; 1Gy= 102 rad
Công suất hấp thụ là đại l−ợng đo liều l−ợng hấp thụ trong một đơn vị thời gian: P=
t D
∆ ∆
Đơn vị là rad/h hay rad/phút.
2.2.3. Đơn vị sinh học Rơnghen
Khi chiếu xạ cùng một liều l−ợng lên cùng một mẫu sinh vật sẽ dẫn tới những hiệu ứng sinh vật khác nhau, do vậy để so sánh tác dụng của các loại bức xạ ion hóa khác nhau ng−ời ta dùng đơn vị thống nhất là: Đ−ơng l−ợng sinh vật Rơnghen ký hiệu là Ret. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ret – năng l−ợng bức xạ nào đó đ−ợc tế bào hấp thụ sao cho tác dụng sinh học của nó t−ơng đ−ơng với tác dụng sinh học của tia X hay tia gamma. Khi chiếu xạ lên đối t−ợng đó với liều bằng 1 Rơnghen.
2.3. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa
bệnh lý hay gây tử vong đối với cơ thể sống đ−ợc gọi tắc là sự tổn th−ơng phóng xạ.
Tác dụng của bức xạ ion hóa có thể trực tiếp lên các phân tử hữu cơ hoặc gián tiếp thông qua các phân tử n−ớc (môi tr−ờng) chứa trong hệ.
2.3.1. Sự phân ly của n−ớc do bức xạ ion hóa
Trong hệ sinh vật có chứa một l−ợng n−ớc khá lớn (chiếm từ 60 – 90 %) trong trọng l−ợng cơ thể, 65 – 75 % trong tế bào, 83% trong não, 90 % trong huyết t−ơng). D−ới tác dụng của bức xạ ion hóa, trong n−ớc sẽ tạo ra các ion và các phân tử bị kích thích, quá trình có thể xảy ra nh− sau [6].
H2O ⎯⎯→hv H 2O*
Phân tử H2O* phân ly tạo ra (H2O+ + e-); ion d−ơng H2O+ lại phân ly tạo thành gốc hyđrôxit (OH--) và hiđrô (H+).
H2O ⎯⎯→hv H
2O+ + e-
→ H2O OH→ - + H+.
Các gốc tự do khác cũng có thể xuất hiện do t−ơng tác của các ion d−ơng (H2O+) với phân tử n−ớc.
H2O+ + H2O H→ 3O+ + OH-.
Các điện tử bức ra khỏi phân tử n−ớc (điện tử thuỷ hóa) kết hợp với phân tử n−ớc trung hoà khác tạo thành ion âm.
Ion âm H2O- sẽ phân ly thành hiđrôxit (OH-) và ion (H+). Điện tử thuỷ hoá cũng có thể kết hợp với ion H+ tạo ra gốc tự do H+ (nguyên tử hiđrô tự do).
⎩ ⎨ ⎧ → + + ⎯ ⎯ → ⎯ → + + − + + − − − − H e H H OH O H e O H e anly ph 2 2
Các gốc tự do cũng có thể t−ơng tác với nhau tạo thành các phân tử H2,, H2O, H2O2, … ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ → + → + → + − − − 2 2 2 * 2 * * O H OH OH O H OH H H H H
Trong điệu kiện có oxy có thể xảy ra các t−ơng tác H* + O2 → HO2*
e- + H+ + O2 → HO2*
H2O2 + OH- → H2O + HO2*
Do vậy quá trình phân ly n−ớc do tác dụng bức xạ ion hóa có thể tạo ra các sản phẩm sơ cấp và thứ cấp nh− sau. O H H O H e OH H O H h 2 2 2 2 2 ⎯⎯ →⎯ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎯ ⎯ → ⎯ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ − → − − + 2 O có tạora ν
Sản phẩm của quá trình phân ly n−ớc là sản phẩm sơ cấp, sản phẩm cuối cùng là sản phẩm thứ cấp.
Các sản phẩm sơ cấp và thứ cấp này tác dụng lên phân tử hữu cơ của hệ bị chiếu xạ sẽ gây ra các biến đổi về cấu trúc và hoá học của các phân tử đó.
2.3.2. Tác dụng bức xạ ion hóa lên phân tử sinh vật
a) Tác dụng tia phóng xạ lên phân tử Protein
Protein là phân tử có ý nghĩa rất lớn đối với sự sống, nó có nhiều chức năng nh−:
* Là các enzin xúc tác cho các phản ứng hóa sinh.
* Giữ vai trò về mặt cấu trúc trong thành phần màng tế bào. * Có chức năng trong quá trình vận chuyển trao đổi chất
Tác dụng bức xạ ion hoá lên phân tử Protein rất phức tạp nh−ng vẫn có những biến đổi phân tử dễ dàng phát hiện nh−:
* Dứt mạch chính, dẫn tới sự giảm trọng l−ợng phân tử. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
* Khâu mạch: có hai khâu mạch là khâu mạch bên trong một phân tử và giữ các phân tử trong hệ.
* Phá huỷ cấu trúc thứ cấp, liên kết hiđrô trong phân tử Protein có năng l−ợng liên kết nhỏ, dễ bị phân huỷ làm cho cấu hình phân tử thay đổi rõ rệt.
Những biến đổi trên chứng tỏ bức xạ ion hoá ảnh h−ởng không những tới cấu trúc mà cả cấu hình phân tử. Mặt khác các thí nghiệm invitro còn cho thấy rằng, quá trình phân huỷ hoặc làm biến đổi Protein th−ờng chỉ xảy ra biến đổi với những liều l−ợng chiếu xạ khá lớn, lớn gấp bội so với liều l−ợng gây tử vong tuyệt đối của cơ thể hoặc tế bào. Trái lại sự biến đổi cấu hình phân tử (cấu trúc thứ cấp) của phân tử Protein lại xảy ra trong những liều l−ợng nhỏ hơn nhất là các liều l−ợng invitro, hoặc chiếu xạ trực tiếp.
Các thay đổi trên đây làm cho khả năng xúc tác của phản ứng xúc tác với phân tử cơ bản bị giảm xuống.
b) Tác dụng phóng xạ lên axit nuclêic
Axít nuclêic là thành phần cơ bản của nucleotít, d−ới tác dụng của enzin các loại nucleotít bị phân huỷ mạch thành các phân tử Protein đơn giản cấu tạo bởi axit amin và axít nuclêic.
Các loại axít nuclêic nh− ARN và ADN có vai trò đặc biệt chúng tham gia ít nhất vào hai quá trình đặc biệt quan trọng của sinh vật sống đó là quá trình tích luỹ truyền thông tin và sinh tổng hợp.
Khi chiếu xạ lên các axít nuclêic có thể xảy ra các hiệu ứng: * Hai chuỗi xoắn kép ADN bị dứt.
* Các phân tử ADN có thể liên kết với nhau tạo gen, đó là quá trình khâu dính các chuỗi polinucléit với nhau.
tử này có thể giải phóng ra khỏi phân tử ADN hoặc có thể biến đổi cấu trúc. * Có thể xảy ra phản ứng amin hóa giải phóng trên phân tử NH3 và gốc PO4, các biến đổi về cấu trúc và hóa học trên đây làm cho phân tử axít nuclêic không thực hiện đ−ợc chức năng của mình.
2.4. ảnh h−ởng của chiếu xạ đến sản phẩm dạng củ
Sau khi tổng hợp các kết quả nghiên cứu tiến hành hơn 30 năm của nhiều n−ớc trên thể giới với chi phí hàng tỷ đolla, hội nghị của tiểu ban chuyên gia hỗn hợp của ba tổ chức quốc tế lớn của liên hợp quốc là FAO, IAEA và WHO họp tại Genevơ năm 1980 đã đi đến kết luận là tất cả các loại thực phẩm chiếu xạ với liều l−ợng d−ới 1000 krad đều không gây ra độc tố gì và không gây tác hại gì đối với sức khỏe ng−ời tiêu thụ. Trong khi đó tất cả các loại l−ơng thực thực phẩm hiện nay đ−ợc sử lý bằng chiếu xạ đều thấp hơn 1000 krad.
Kết luận của hội nghị Genevơ năm 1980 có tác dụng tích cực thúc đẩy sự phát triển của kỷ thuật chiếu xạ thực phẩm trên thế giới [9]. Cho đến nay đã có 37 n−ớc trên thế giới cho phép tiêu thụ gần 40 loại thực phẩm chiếu xạ. trong số các n−ớc này cho phép lớn nhất và nhiều nhất là: Hà Lan(38 loại), Hungary (36 loại), Nam Phi (22 loại), Liên Xô (16 loại), Mỹ (14 loại)...
Tại hội nghị Gennevơ cũng đi đến khẳng định rằng kỷ thuật chiếu xạ thực phẩm có thể góp phần làm giảm tổn thất l−ơng thực thực phẩm sau thu hoạch. đảm bảo vệ sinh thực phẩm và đảm bảo cho việc kiểm dịch thực phẩm. Ngoài ra chiếu xạ thực phẩm còn các biện pháp hữu hiệu để diệt các vi khuẩn gây bệnh và gây độc hại đối với sức khỏe ng−ời tiêu thụ.
Rau, củ chiếu xạ lúc đầu có mùi vị đặc tr−ng mà ng−ời ta gọi là "mùi phóng xạ", mùi này mất dần trong quá trình bảo quản
Theo kiểm nghiệm hoá học và lâm sàng, sản phẩm không có độc tố và cũng không gây tác động độc hại đối với con ng−ời. Để hạn chế các mùi vị lạ
đó hiện nay đang nghiên cứu các biện pháp có kết quả là:
* Chiếu xạ ở nhiệt độ từ 0 - 20 0C để hạn chế các quá trình oxy hóa và hóa học khác.
* Chiếu trong chân không để làm mất đi các chất bay hơi gây mùi phóng xạ. * Chiếu trong môi tr−ờng không có oxy để chống quá trình hình thành các hợp chất có mùi, đồng thời hạn chế các quá trình oxy hóa khác.
* Cho hợp chất hấp thụ mùi (nh− than hoạt tính) vào trong túi cùng với sản phẩm đem chiếu.
* Chiếu với liều l−ợng cao nh−ng thời gian rút ngắn [15].
♦ Với Rau, cũ có pH < 4,5 liều chiếu xạ là 1000 - 3000 krad
♦ Với Rau, cũ có pH > 4,5 liều chiếu xạ là 4500 krad.
Nguồn bức xạ dùng rộng rãi hơn cả là Cobalt-60 (Co60) ở dạng thỏi bọc bằng hai vỏ thép không gỉ kích th−ớc (1x1x8) cm. Trong thiết bị nguồn phát xạ ng−ời ta dùng cho đủ công suất yêu cầu. Với Cs137 có năng l−ợng phát xạ thấp hơn Cobalt-60 nên chỉ th−ờng dùng thiết bị chiếu xạ l−u động, chiều dày vỏ thép không cần dày (3 - 4 lần nhỏ hơn Co60). Cs137 có chu kỳ bán rã là 30 năm đang đ−ợc dùng ngày càng nhiều.
Ngày nay ở nhiều n−ớc đã có hệ thống l−u động dùng nguồn bức xạ Co60 với c−ờng độ phóng xạ 30000 - 40000 Ci (Curi - là đơn vị đo c−ờng độ phóng xạ đặc tr−ng cho sức mạnh của nguồn phóng xạ, biểu thị số lần hạt nhân phân rã trong 1s), năng suất chiếu 1 - 2 tấn rau, củ/h. Còn các trạm chiếu xạ cố định có c−ờng độ 150000 - 200000 Ci. Tại Haoai đã xây dựng hệ thống chiếu xạ cho rau, cũ nhiệt đới và cận nhiệt đới dùng nguồn Co60 c−ờng độ phóng xạ 250000 Ci, năng suất 1,6 tấn/ h. Việt Nam cũng đang có dự án xây dựng 2 - 3 trạm chiếu xạ ở các cảng biển quốc tế để xử lý rau, cũ và nông hải sản nhập khẩu.
nên chất phóng xạ cảm ứng thì năng l−ợng phóng xạ cảm ứng gamma phải lớn hơn 5 MeV, năng l−ợng phóng xạ electron phải lớn hơn 10 MeV. Trong khi đó năng l−ợng phóng xạ gamma do Co60 phát ra chỉ có 1,25 MeV và của Cs137 chỉ có 0,662 MeV, vì vậy thực phẩm không bị cảm ứng, không bị nhiễm xạ.
Với liều hấp thụ 1 Mrad chỉ t−ơng ứng với l−ợng nhiệt tăng 2,40C của một lít n−ớc. Do vậy sự thay đổi gây ra do chiếu xạ còn nhỏ hơn do nhiệt, nên khi chiếu xạ thực phẩm không gây ra độc tố, không làm tăng tính độc hay gây bệnh của vi sinh vật mà làm giảm l−ợng vi sinh vật để kéo dài thời gian bảo quản. Sự thay đổi dinh d−ỡng do bức xạ không lớn hơn do các ph−ơng pháp bảo quản khác, các nghiên cứu khác cho thấy:
* Liều thấp (< 100 krad) tổn thất dinh d−ỡng đáng kể.
* Liều trung bình (100 – 1000 krad) mất một l−ợng vitamin nếu có không khí trong thực phẩm.
* Liều cao (1 – 5 Mrad) tổn thất vitamin. Nh−ng nếu chiếu ở nhiệt độ thấp và không có không khí thì giảm dáng kể sự mất mát vitamin. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 2.1. ảnh h−ởng chiếu xạ đến sinh vật Liều l−ợng (krad) Mức độ tác động 1 1 - 25 15 - 35 100 - 1000 1500 - 5000 500 - 1000 5000 5000 - 10000 Chết ng−ời và các động vật cao cấp khác Hạn chế sự nảy mầm ra rễ của khoai, hành Diệt giun, sán và khả năng sinh sản côn trùng Diệt phần lớn côn trùng, vi sinh vật
Diệt toàn bộ côn trùng, vi sinh vật. Diệt Salmonella
Diệt Clostridium botalinum
Bảng 2.2. Phân loại liều l−ợng theo yêu cầu bảo quản
Mục đích Đối t−ợng Liều l−ợng
(krad) Liều thấp (< 100 krad)
Diệt côn trùng, vi sinh vật Làm chậm, quá trình chín
Dứa, hành, tỏi, gừng Rau quả
5 - 15 15 - 50 Liều trung bình (100 – 1000 krad)
Kéo dài thời gian bảo quản
Diệt vi khuẩn
Nâng cao chất l−ợng
Dâu tây, cá t−ơi
Hải sản (t−ơi khô), thịt gia cầm Nho (ngọt hơn), rau (khô dễ nấu, chóng mềm)
150 - 300 200 - 500 200 - 700 Liều cao (1 Mrad – 5 Mrad)
Khử trùng gia vị Khử trùng thực phẩm
Gia vị, nguồn thực vật (ớt khô...), chế phẩm enzin
Thịt gia cầm, hải sản thức ăn chế biến sẳn, điều d−ỡng
1000 - 5000 3000 - 5000
Quá trình chiếu xạ nếu kết hợp với muối, lạnh thì có thể hạ bớt liều