3. Cơ sở lý thuyết của quá trình thanh trùng n−ớc mắm bằng tia cực tím
3.3.5. Các đại l−ợng đặc tr−ng của sự hấp thu
a) Mật độ quang của hệ hấp thu D = lg
I I0
= α.c.l Trong đó :
l - bề dày môi tr−ờng (quang lộ) , cm c - nồng độ chất tan, mol/l.
Vì chất nghiên cứu là lo8ng nên α = const.
Mật độ D là đại l−ợng tỷ lệ với nồng độ chất hấp thu và qu8ng đ−ờng ánh sáng đi trong mẫu. D là đại l−ợng phụ thuộc vào λ.
b) Độ truyền qua
Trong thực nghiệm để đánh giá phần năng l−ợng ánh sáng bị hấp thu, ng−ời ta có thể biểu diễn định luật hấp thu theo độ truyền qua ( T ).
T = 0
I I
( %)
Giá trị T biến động trong khoảng 0≤ T ≤ 1.
T = 0 khi I = 0 , mẫu hoàn toàn hấp thu ánh sáng chiếu vào nó. T = 1 khi I = I0, mẫu không hấp thu ánh sáng tới.
c) Độ hấp thu (1 - T ) 0 0 1 I I I T − = − ( %)
Ta có thể xác định đ−ợc l−ợng ánh sáng do hệ hấp thu trong một đơn vị thời gian: Iht = I0 - I = I0( 1- T ).
Vì số photon tỷ lệ với c−ờng độ ánh sáng tới nên đại l−ợng (1 - T) xác định số l−ợng tử hấp thu trong một đơn vị thời gian, ở trong môi tr−ờng. 3.4. Tác dụng của tia cực tím
Tác dụng tia tử ngoại lên hệ sinh vật có thể gây ra những hiệu ứng có lợi hoặc bất lợi tuỳ thuộc vào λ của chùm tia. Tia có λ= 300 - 400 nm gây tác dụng sinh lý hoá có lợi nh−: gây kích thích quá trình phát triển, sinh tổng hợp, phản ứng lên men, .v.v. Tia có λ = 200 - 300nm có thể gây tử vong, biến dị di truyền, khử hoạt tính,.v.v. Cả hai loại tác dụng đều có ý nghĩa thực tiễn trong y học, nông nghiệp và vi sinh kỹ thuật. Việc nghiên cứu tác dụng của tia tử ngoại là một lĩnh vực khá rộng và đa dạng, trong phạm vi ch−ơng trình tôi chỉ xét đến những vấn đề có ý nghĩa khái quát và giữ vai trò quan trọng trong các hiệu ứng quang hoá mang tính chất phá huỷ biến tính.[15]
3.4.1. Sự phân ly của n−ớc do chiếu tia cực tím
Trong hệ sinh vật có chứa một l−ợng n−ớc khá lớn ( chiếm từ 60 - 90%, trong trọng l−ợng cơ thể sống, 65 - 75% trong tế bào, 83% trong n8o, 90% trong huyết t−ơng ). D−ới tác dụng của tia cực tím, trong n−ớc sẽ tạo ra các ion và các phân tử bị kích thích, quá trình có thể xảy ra nh− sau:
H2O →hυ H2O*
Phân tử H2O* phân ly tạo ra (H2O+ + e- ) ; Ion d−ơng H2O+ lại phân ly tạo gốc hyđrôxit (OH- ) và hyđrô (H+ )
H2O →hυ H2O+ + 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 → H3O + OH-
Các điện tử bức xạ khỏi n−ớc (điện tử thuỷ hoá ) kết hợp 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 hyđro tự do).
e- → + + → → + + − + + − − H e H H OH O H e O H2 2 phanly
Các gốc tự do cũng có thể t−ơng tác với nhau tạo thành các phân tử H2.
→ + → + → + − − − 2 2 2 * 2 * * O H OH OH O H OH H H H H
Trong điều kiện có O2 có thể xảy ra t−ơng tác H* + O2→ HO2* e- + H* + O2→ HO2*
Do vậy quá trình phân ly n−ớc do tác dụng bức xạ ion hoá có thể tạo ra các sản phẩm sơ cấp và thứ cấp sau:
Sản phẩm của quá trình phân ly n−ớc là sản phẩm sơ cấp, sản phẩm cuối cùng là sản thứ cấp.
3.4.2. Tác dụng 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 hoá sinh. * Giữ vai trò về mặt cấu trúc trong màng tế bào.
* Có chức năng trong quá trình vận chuyển và trao đổi chất.
Tác dụng tia cực tím lên phân tử Protein rất phức tạp nh−ng vẫn có những biến đổi phân tử dễ dàng phát hiện nh−:
* Đứt mạch chính, dẫn tới sự giảm trọng l−ợng phân tử.
* 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 tia cực tím ảnh h−ởng không chỉ tới cấu trúc mà cả cấu hình phân tử. Mặt khác làm thí nghiệm Invetro còn cho thấy rằng, quá trình phân huỷ hoặc làm biến đổi Protein Th−ờng chỉ xảy ra biến đổi với liều l−ợng 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 Invetro, 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.
3.4.3. Tác dụng lên axit nucleic
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 quan trọng. Chúng tham gia ít nhất vào hai quá trình quan trọng của cơ thể sống đó là quá trình tích luỹ thông tin và sinh tổng hợp.
Khi chiếu tia tử ngoại vào axít nuclêic thì các nhóm mầu là các gốc - Nitơ nh− Purin [ adenin (A) và xistezin (X) ] và Pirimidin [ guamin (G) và thimin (T) ở ADN; guamin và uraxin (U) ở ARN ] hấp thu năng l−ợng l−ợng tử và chuyển sang trạng thái kích thích Triplet. Các nhóm màu hấp thu mạnh ở
λ= 300 nm và các gốc Bazơ A, X, T, U đều có khả năng huỳnh quang nh−ng hiệu ứng l−ợng phát quang bé .
Nh− vậy khả năng sử dụng năng l−ợng photon hấp thu và phản ứng quang hoá là rất lớn, năng l−ợng đó sẽ đ−ợc dẫn từ gốc bazơ Nitơ ở rạng thái kích thích theo h−ớng X → G → A → T
Khi nghiên cứu sự biến đổi quang hoá của các gốc purin và pirimidin d−ới tác dụng của tia tử ngoại, ng−ời ta thấy pirimidin nhậy cảm hơn purin rất nhiều do đó các axít nuclêic bị tổn th−ơng chủ yếu do các phản ứng quang hoá của pirimidin gây ra. Những phản ứng quan trọng của quá trình là phản ứng quang nhị hợp pirimidin, quang hyđrat hoá và quang ôxi hoá.
- Phản ứng nhị hợp có thể xảy ra giữa các phân tử cùng gốc: axit nuclêoic (thymin ) →hν thymin* + thymim*→ thymin- thymin. 3.5. Hiệu quả của bức xạ ion đối với sản phẩm thực phẩm
3.5.1. Hiệu quả của các bức xạ Ion hóa đối với vi sinh vật trong sản phẩm đ−ợc chiếu xạ chiếu xạ
mạch xoắn hoặc các cầu liên kết của các phase trong mạch đơn. Đồng thời, các bức xạ Ion hoá còn có thể gây ra các quá trình Oxy hoá làm phá huỷ cấu trúc liporoteine của màng (membrane). Điều đó dẫn đến ức chế sinh tr−ởng hoặc làm cho tế bào bị chết. Các vi sinh vật đang ở phase phân chia tế bào bị tổn th−ơng mạnh nhất. Ngoài những ảnh h−ởng trực tiếp nh− vậy, vi sinh vật còn chịu ảnh h−ởng gián tiếp của sự chiếu xạ Ion hoá do tạo ra những sản phẩm gây phân huỷ phóng xạ nh− các điện tử thứ cấp hoặc H2O2.
Động học của quá trình phá huỷ vi sinh vật tuân theo hàm số mũ sau:[11]
− = 0.10 D10 D N N
N0: Số vi sinh vật ban đầu.
N: Số vi sinh vật sống sót sau khi áp dụng liều xạ D. D10: Liều xạ phá huỷ 90% số vi sinh vật.
Khi liều xạ đ−ợc áp dụng có l−u l−ợng D = Dt.t (t là thời gian hấp thu bức xạ) ta có: − = 10 . 0.10 D t Di N N Một số tác giả khác sử dụng hàm số mũ sau: 0 N N = e-k.Dose
N0: Số l−ợng vi sinh vật ban đầu. N: Số l−ợng vi sinh vật sống sót.
K: Hằng số.
Dose: Liều xử lý.
Giá trị D10 (t−ơng tự với giá trị D trong xử lý nhiệt) đặc tr−ng cho tính chống chịu phóng xạ của mỗi loại vi sinh vật. Giá trị D10 phụ thuộc vào l−u l−ợng của liều xạ đ−ợc áp dụng. Cùng một liều xạ nh− nhau giá trị D10 tăng lên khi l−u l−ợng liều xạ tăng (c−ờng độ liều xạ cao trong thời gian ngắn) và các tia γ hiệu quả cao hơn chùm tia điện tử ( xem bảng d−ới đây)
Các yếu tố bên ngoài cũng ảnh h−ởng đến động học của quá trình phá huỷ vi sinh vật bởi bức xạ Ion hoá:
Nhiệt độ: Các bức xạ Ion hoá có hiệu quả tốt ngay ở nhiệt độ-300C, song nhiệt độ càng cao thì hiệu quả càng tăng. Một số tác giả cho rằng nhiệt độ tối −u để phá huỷ vi sinh vật là 30C.
ẩm độ: ẩm độ cao, hiệu quả của việc xử lý đ−ợc tăng lên do tác dụng độc của các gốc tự do đ−ợc hình thành do sự phân huỷ n−ớc.
Oxygene: Sự có mặt của Oxygene nâng cao hiệu quả của việc xử lý đối với sự phá huỷ vi sinh vật khi chiếu xạ. Vì vậy, bản chất của bao gói (thấm Oxygene, hoặc bao gói chân không…) có thể có lợi hoặc hạn chế hiệu quả này.
Ngoài ra, trong môi tr−ờng còn có những yếu tố làm giảm hiệu quả của chiếu xạ (các hợp chất có nhóm SH, các hợp chất khử,…) và những yếu tố làm tăng hiệu quả của chiếu xạ (các acide hữu cơ chứa l−u huỳnh, Nitrate Natri, Benzoate Na, Sorbate Na, Ester chứa Natri của các acide,…). Ta có thể tham khảo một số giá trị D10 nh− trong bảng 3.1. [11]
Bảng 3.1 Giá trị D10 đối với một số VSV (P. Loaharanu…(1991))
Vi sinh vật D10 (kGy) Thực phẩm Nhiệt độ khi chiếu xạ
Pseudomonas putida 0.08 Thịt gia cầm 10
Yersinia enterocolitica 0.10 Thịt bò 18
Aeromonas hydrophyla 0.14 Thịt bò 2
Campylobacter Jejuni 0.14 Thịt bò 18
Escherichia Coli 0.39 Thịt gia cầm 10
Staphylococcus aureus 0.42 Thịt gia cầm 10
Listeria monocytogene 0.49 Thịt gia cầm 12
Bảng 3.2. Liều xạ D10 đối với một số vi sinh vật: (LEBE 1977) Vi sinh vật D10 (kGy.10-2) GRAM (-) Pseudomonas 6 E.Coli 10 Salmonella 70 GRAM (+) Lactobacillus 15 Micrococcus 70 Streptococcus.D 50-100 Micrococcus Rad 800
SPORE CI. Botulinum 370
LEVURE(nấm) Nấm men, Saccharomyces 100
Pénicillium Sp 40
Cladosporium Sp 130
VIRUS Fievre aphteuse (sốt lở mồm) 480
Polio(viêm tuỷ xám) 1400
Vibro parahaemolit 10
Vibro cholerae (Dịch tả) 11.4
Cho đến nay, ng−ời ta ch−a phát hiện đ−ợc sự thay đổi thành phần của hệ vi sinh vật khi chiếu xạ sản phẩm. Song ng−ời ta lo sợ rằng chiếu xạ là nguồn gốc của những đột biến di truyền làm xuất hiện những đột biến gây bệnh dù rằng uỷ ban của các chuyên gia của FAO, OMS, AIEA (1977) đ8 kết luận là không có nguy cơ này trong tự nhiên.
3.5.2. Hiệu quả của các bức xạ Ion hoá về mặt vật lý đối với sản phẩm đ−ợcchiếu xạ chiếu xạ
Về mặt vật lý, các bức xạ Ion hóa gây ra hai hiệu quả chính ở sản phẩm đ−ợc chiếu xạ:
Các bức xạ Ion hoá gây ra hình thành các Ion âm và Ion d−ơng. Hiện t−ợng này diễn ra trong cả 3 trạng thái vật chất: Trạng thái lỏng, khí và rắn mà không phụ thuộc vào bản chất của sản phẩm.
Gây ra sự hoạt hoá phân tử gây ra sự đốt nóng phân tử, do đó làm tăng nhiệt độ của vật chất. Với liều hấp thu 10 kGy (104J/kg sản phẩm) làm tăng nhiệt độ của sản phẩm khoảng 2,40C đối với n−ớc, 4,80C đối với băng và 10,50C đối với bao gói bằng nhôm.
3.5.3. Hiệu quả hoá học của các bức xạ ion hóa đối với sản phẩm đ−ợc chiếu xạ
a) Hiệu quả đối với n−ớc
Các bức xạ Ion hoá đ−ợc n−ớc hấp thu gây ra hình thành những Ion âm và Ion d−ơng.
H2O → e- + H2O Và sau đó:
e- + H2O → H2O-
Hai Ion này không ổn định, chúng kết hợp với nhau: H2O + H2O- → H3O+ + OH-
Những thành phần mới đ−ợc tạo ra có tính Oxy hóa rất cao và đó là nguồn gốc của quá trình Oxy hoá lipide. Những phản ứng này đ8 làm thay đổi mùi vị của sản phẩm sau khi chiếu xạ.
b) Hiệu quả đối với Lipide
Cho đến tận liều xạ hấp thu 50 kGy, sự thay đổi đặc tính lý hoá của lipide rất ít. Song sự thay đổi mùi vị diễn ra ở liều xạ 10 – 20 kGy là do sự thay đổi Oxy hoá, sự oxy hoá lipide làm cho những mô bì biến màu vàng.
* Sự Oxy hoá khi có mặt của Oxygene:
Bằng cách đo cộng h−ởng Spin điện tử, ng−ời ta thấy rằng sự chiếu xạ đ−a đến hình thành những radical tự do trong sản phẩm. Bản chất hoá học và hoạt tính của nó phụ thuộc vào nhiệt độ (sự huy động và hoạt độ của nó giảm
Trong điều kiện có mặt của Oxygene, các radical này tham gia phản ứng để hình thành các radical mới nh− peroxyde. Những phản ứng này diễn ra trong một thời kỳ dài sau khi chiếu xạ (trong thời gian sản phẩm đ−ợc l−u kho). Các phản ứng này dẫn đến hình thành aldehyde, Céton alcool, acide, lactone, peroxyde, và hydroperoxyde. L−ợng acide béo tự do tăng 25% sau khi chiếu xạ 25 kGy và tăng 36% sau khi chiếu xạ 50 kGy. Chỉ số peroxyde tăng từ 2.5 – 3.3 sau khi chiếu xạ 25 kGy… Những hợp chất này th−ờng xuyên bay hơi gây ra mùi khó chịu. Vì vậy những sản phẩm giàu lipide nên chiếu xạ trong sự vắng mặt của Oxygene.
* Sự Oxy hoá khi vắng mặt Oxygene:
Sau khi chiếu xạ, nhiều hợp chất mới trong chất béo đ−ợc hình thành: H2, CO2, CO, và hàng loạt các hydrocarbure, nalcame, alcone và các aldehyde là những hợp chất bay hơi gây ra mùi khó chịu. Điều đó diễn ra ngay ở trong liều xạ rất thấp 5 kGy. Liều xạ càng tăng các hợp chất đó hình thành càng nhiều. Song ng−ời ta không tìm thấy những hợp chất này trong sản phẩm sau khi xử lý nhiệt.
c) Hiệu quả đối với Glucide
Hiệu quả của các bức xạ Ion hoá đối với Glucide thay đổi phụ thuộc vào hàm l−ợng n−ớc trong sản phẩm.
* Khi sản phẩm không có n−ớc:
Về mặt lý thuyết, các bức xạ Ion hoá có đủ năng l−ợng để bẻ g8y các liên kết cộng hóa trị đơn giản trong Glucide để tạo ra các gốc Radical. Sau đó các gốc này có thể phản ứng với nhau để tạo ra chất ban đầu (Hiệu quả lồng - effetcage). Với liều xạ hấp thu 10 kGy thì cứ 10 triệu liên kết hoá học có một liên kết bị bẻ g8y bởi chiếu xạ. Thông th−ờng chỗ có liên kết bị bẻ g8y th−ờng cắt phần tử ra thành hai phần tử nhỏ hơn. Trong tr−ờng hợp này n−ớc đóng vai trò chất ức chế (trừ khi hàm l−ợng n−ớc >20%). Còn Oxygene đóng vai trò chất hoạt hoá vì nó làm rối loạn và giảm hiệu quả lồng (BEERENS ET SAINT-
LEBE, 1979). Glucide ở trạng thái tinh thể nhạy cảm hơn nhiều với các bức xạ Ion hoá (W.M URBAIN, 1978). Sau khi hấp thu các bức xạ Ion hoá các liên kết hoá học bị bẻ g8y tạo ra rất nhiều hợp chất khác nhau nh− aldehyde, Cétone, acide, các đ−ờng (khoảng >30 chất khác nhau).
* Khi sản phẩm là dung dịch (dung môi là n−ớc)
Trong sản phẩm có nhiều n−ớc tạo thành dung dịch, sự Ion hoá Glucide dẫn đến sự Oxy hoá bởi sự bẻ g8y trực tiếp các liên kết cộng hoá trị tự do các bức xạ Ion hoá và bởi tác dụng gián tiếp của các gốc tự do OH- đ−ợc tạo ra do sự phân hủy phóng xạ n−ớc để tạo ra nhiều hợp chất khác nhau tuỳ thuộc vào sự có mặt (hay vắng mặt) của Oxygene.[14]