3. Cơ sở lý thuyết của quá trình thanh trùng n−ớc mắm bằng tia cực tím
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]
Bảng những hợp chất thu đ−ợc sau khi Ion hoá Dmannose (với hàm l−ợng n−ớc >20%):
Chất ban đầu Sản phẩm thu đ−ợc
Không có Oxy Dmannose Acide Dmannonique Dglucose
các aldehyde Có Oxy Dmannose Derythrose Acide Oxalique Acide Mannuronique D Xylose Acide Mannonique D Arabinose Formaldehyde
Song sự có mặt của acide amine và proteine có tác dụng bảo vệ Glucide, chống lại sự phân huỷ phóng xạ Glucide. Vì vậy trong sản phẩm có nhiều chất khác nhau sẽ làm thay đổi thành phần của các chất thu đ−ợc sau khi chiếu xạ. Điều đáng chú ý là chiếu xạ đ8 làm phân giải các Glucide cao phân tử.
Hiệu quả của bức xạ Ion hoá đối với Proteine phụ thuộc vào trạng thái của nó (bị biến tính hay không), cấu trúc của nó (dạng sợi hoặc dạng hình cầu), thành phần, độ sạch của nó và c−ờng độ của bức xạ Ion hoá.
Trong proteine có nhiều liên kết nhạy cảm với các bức xạ Ion hoá, chủ yếu là các liên kết cộng hoá trị và các liên kết hydro, để hình thành các gốc tự do (Radical libre). Khi có n−ớc tự do, tr−ớc tiên các liên kết hydro có thể bị bẻ g8y làm biến đổi các cấu trúc bậc 4 của phân tử, gây ra sự polymer hoá, sự đông tụ hoặc sự kết tủa. Những proteine enzyme bị biến tính nh− vậy sẽ làm cho enzyme mất hoạt tính, những proteine có màu sẽ bị đổi màu.
Với liều hấp thu 50 kGy có thể gây ra sự giảm khả năng hydrat hóa, nâng cao độ nhớt, giảm tính hoà tan và nhạy cảm với nhiệt độ hơn.
Những biến đổi xảy ra đối với proteine cũng có thể xảy ra đối với các acide amine. Những acide amine nhạy cảm nhất là Méthionine, Cyste’me, Histidine, Arginine và Tyrosine? , nh−ng hàm l−ợng của chúng không thay đổi khi liều xạ hấp thu tới 25-70 kGy.
e) Hiệu quả đối với acide Nucleique
Nhiều tác giả (HAMADA, GOYA, ISHIO, 1981) chỉ ra rằng, bức xạ Gamma với liều hấp thu 3 kGy gây ra sự phân giải ADN thành Ribozophosphate phosphate vô cơ và Nucleotide.
Một số tác giả thấy rằng, các acide béo không b8o hoà, Ion kim loại (chẳng hạn Fe) có tác dụng bảo vệ acide Nucleique khi chiếu xạ (UCHIMAYA, 1971).
Khi có một vài biến đổi nhỏ (nh− sự gẫy mạch,…) có thể dễ dàng đ−ợc khôi phục, không làm tổn th−ơng đến khả năng nhân đôi của ADN. Song những cầu nối giữa hai mạch xoắn kép lại rất quan trọng, có thể chế ngự sự nhân đôi của ADN.
f) Hiệu quả đối với Enzyme
ở liều xạ cao 50 – 70 kGy gây tác dụng ức chế hoạt động của Enzyme trong sản phẩm, nh−ng quan trọng hơn là liều xạ đó đ8 gây ra sự thay đổi những đặc tính cảm quan của sản phẩm. Với liều đ−ợc sử dụng trong công nghiệp từ 1 – 20 kGy không làm ngừng hoàn toàn hoạt động của Enzyme vì vậy cần có các ph−ơng pháp bổ sung (dùng lạnh, nhiệt,…).
g) Hiệu quả đối với Vitamine
Nhìn chung, vitamine bị phân giải do quá trình chiếu xạ sản phẩm. Song mức độ phân giải vitamine phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
Khi vitamine ở trạng thái tinh thể bị phân giải ít hơn ở trạng thái hoà tan: Chẳng hạn Carotene ở trạng thái tinh thể hoàn toàn ổn định ở liều xạ 15 kGy, khi ở trạng thái hoà tan (trong Benzen, Cyclohexane…) bị phân giải hoàn toàn ở liều 2 kGy (SAINT-LEBE, 1979).
Phụ thuộc vào cơ chất: Vitamine D3 đ−ợc dùng ở liều xạ 10kGy bị phân giải 18, 20, 25, 30% trong các dung môi khác nhau: Benzen, dầu ca thu, bơ, éthanol. Song Cholesterol bị phân giải 5, 2, 18, 25% trong các dung môi éthanol, Benzen, dầu cá thu và bơ.
Sự phân giải vitamine giảm đi khi chiếu xạ sản phẩm ở nhiệt độ thấp và không có Oxygene.
Sự mất mát vitamine còn phụ thuộc vào bản chất hoá học của vitamine. Vitamine A, E, B là nhạy cảm nhất, vitamine C ít thay đổi, còn vitamine K mất hầu nh− hoàn toàn.
Sự phá huỷ vitamine còn phụ thuộc vào liều xạ hấp thu của sản phẩm. Nghiên cứu trên động vật (thỏ, chuột…) thấy rằng thức ăn đ−ợc chiếu xạ với liều 25 kGy đ−ợc dùng cho động vật trong suốt 3 năm đ8 không thấy xuất hiện chứng trạng thiếu vitamine. Với liều 70 kGy cần có vitamine bổ sung. So với ph−ơng pháp xử lý nhiệt, sự mất mát vitamine do chiếu xạ sản phẩm ở
D2 D1
l
Ch−ơng IV
Tính toán thiết kế thiết bị chiếu xạ bằng tia cực tím
4.1. Tính toán bộ phận chiếu xạ.
Hình 4.1. Bộ phận chiếu xạ
∗ Thiết bị thanh trùng có năng suất yêu cầu Q = 20 lít/phút
∗ Sử dụng loại đèn chiếu tia cực tím có các thông số kỹ thuật + Dòng điện 425mA.
+ Thời gian hữu hiệu của đèn là 9000h. + áp lực cho phép là 8,3 bar.
+ Đèn cực tím công suất 25W.
ống thủy tinh thạch anh ngăn cách giữa chất lỏng với bóng đèn có đ−ờng kính
φ = 30 mm.
Với bóng đèn đ8 đ−ợc tiêu chuẩn hoá nh− vậy thì khoảng cách chiếu xạ của tia cực tím chỉ trong một khoảng nhất định là 0 - 700 mm. Do chiếu xạ trong chất lỏng nên khoảng chiếu cũng bị giảm đi chỉ còn 0 - 150mm.
Chính từ các chỉ số trên ta chọn đ−ờng kính ống bao bên ngoài là φ = 54 mm. * Tính toán vận tốc chuyển động của chất lỏng trong ống dẫn:
Hình 4.2. Sơ đồ mặt cắt tiết diện của bộ phận chiếu xạ D1: đ−ờng kính ống thạch anh
D2: đ−ờng kính ống bao
- Diện tích tiết diện ngang của ống tythạch anh:
F1 = π 2 1 2 D
- Diện tích tiết diện ngang của ống bao ngoài:
F2 = π 2 2 2 D