Chiếu xạ thực phẩm là quá trình công nghệ dùng bức xạ để nâng cao chất lượng vệ sinh an toàn thực phẩm và rất kinh tế. Hiện nay trên thế giới có trên 30 nước sử dụng công nghệ này để xử lý và bảo quản hơn 40 loại thực phẩm khác nhau bao gồm trái cây, rau, ngũ cốc, thịt, gia cầm...
15
Dùng tia UV chiếu lên vi sinh vật để chọn dòng đột biến có tính trạng mới. Kỹ thuật chiếu xạ tạo nên các loại cá thể có khả năng cố định
vi khuẩn cố định đạm, chế phẩm vi sinh để ứng dụng vào việc chăm sóc một số loại cây trồng phổ biến. Một số loài vi khuẩn có khả năng cố định đạm như: Rhizobium, Beijerinskii, Clostridium và Azotobacte
Vi ba (Microwave) bước sóng từ 300.000 nm. Nhờ cơ
chế song vi ba tạo dòng điện Fuco sinh ra nhiệt độ trong môi trường nước gây biến tính protein trong tế bào gây chết vi sinh vật.
Tia hồng ngoại (IR-Infrared radiation) bước sóng từ 400 – 700 nm. Mang nhiệt lượng cao, đốt nóng vi sinh vật gây biến tính protein cấu trúc và làm chết vi sinh vật.
Tia cực tím (UV- Untra violet) bước sóng từ 10 – 400 nm. Mang năng lượng cao , có khả năng đâm xuyên vào tế bào gây đột biến AND, làm dimer hóa các base của AND đặc biệt là dimer Thymine. Thymine làm ngừng sự sao chép và phiên mã dẫn đến mất một số chức năng biến dưỡng hoặc sinh hóa khác, tùy thuộc vào điểm bị đột biến mà mất chức nào do vùng gen đó quy định. Tùy thuộc vào thời gian chiếu xạ mà vi sinh vật có thể mất một số chức năng hoặc gây chết người.
14
Hình1: Phạm vi bước sóng của các bức xạ điện từ trường - Phần ánh sáng khả kiến được trình bầy phía dưới. (Theo sách của Prescott,Harley và Klein).
Nhiều vi sinh vật trong không khí hoặc sống trên bề mặt các vật tiếp súc với không khí sử dụng sắc tố carotenoid để bảo vệ chống lại với quang oxy hóa (photooxidation). Carotenoid có thể làm phá hủy các oxygen đơn, hấp thu năng lượng của oxygen đơn và biến thành trạng thái phi hoạt tính. Cả các vi sinh vật quang hợp lẫn vi sinh vật không quang hợp đều sử dụng sắc tố vào mục đích này.
13
thường. Thiệt hại này cũng có thể sửa chữa nhờ các protein recA trong quá trình tái tổ hợp (recombination) hoặc quá trình SOS. Thiệt hại không có thể được khắc phục nếu như liều lượng UV quá lớn, tạo nên những tổn thất quá nặng.
Mặc dầu bức xạ UV quá nhỏ (thấp hơn 290 và 300nm) khó có thể lọt xuống bề mặt trái đất, bức xạ UV nhưng bước sóng 325-400nm cũng có thể gây hại cho vi sinh vật. Chúng phân cắt tryptophan thành những quang sản phẩm (photoproducts) độc hại. Những sản phẩm này tác dụng đồng thời với các bức xạ gần tử ngoại làm phá vỡ sợi ADN. Cơ chế cụ thể của tác dụng này không giống với cơ chế tác dụng của UV với bước sóng 260nm.
Tia phóng xạ và tia rơghen trong khi chiếu xạ mặc dù trong thời gian rất ngắn cũng đủ làm ức chế và tiêu diệt vi sinh vật. Mặt khác cũng có nhiều vi sinh vật có khả năng bền vững với điều kiện chiếu xạ này
Ánh sáng khả kiến là nguồn năng lượng chủ yếu của quá trình quang hợp.
(photosynthesis) vì vậy rất cần cho các sinh vật. Nhưng nếu ánh sáng khả kiến quá mạnh sẽ có thể gây hại hay làm chết vi sinh vật. Tham gia vào quá trình này có một loại sắc tố gọi là chất quang mẫn (photosensitizers) và oxygen. Các sắc tố ở vi sinh vật như chlorophyll, bacteriochlorophyll, cytochromes,và flavin có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời và bị kích hoạt tạo ra các chất quang mẫn. Các chất quang mẫn (P) khi bị kích hoạt có thể chuyển năng lượng cho O2 để làm ra oxygene đơn - singlet oxygen ( ﺍO2).
Ánh sáng
P———————→ P (hoạt tính) P hoạt tính + O2 —→ P + O 2
Oxygenđơn là chất có hoạt tính rất mạnh, là chất oxy hóa mạnh có thể phá hủy nhanh chóng tế bào, chúng cũng là nhân tố chủ yếu được các đại thực bào (phagocytes) dùng để diệt khuẩn.
12
quan trọng đối với sự sống trên trái đất. Vì các loại bước sóng trong ánh sáng mặt trời phân bố đồng đều trong phạm vi ánh sáng khả kiến cho nên ta thấy ánh sáng mặt trời cơ bản có màu “trắng”.
Nhiều bức xạ điện từ trường là rất có hại đối với vi sinh vật, nhất là các bức xạ có bước sóng ngắn, cao năng lượng là các bức xạ ion hóa (ionizing radiation), chúng làm nguyên tử mấtđi điện tử (electron) hoặc ion hóa (ionize). Có hai loại bức xạ ion hóa. Một là, tia X tạo ra bởi con người, hai là,tia gamma ( tia γ) sinh ra trong quá trình tan rã các đồng vị phóng xạ (radioisotope). Bức xạ ion hóa mức thấp sẽ làm sản sinh các đột biến (mutations) và gián tiếp làm chết vi sinh vật. Bức xạ ion hóa cao sẽ trực tiếp giết chết vi sinh vật. Mặc dầu vi sinh vật có tính đề kháng cao hơn về các bức xạ ion hóa so với các sinh vạt khác, nhưng với liều lượng đủ cao chúng sẽ giết hết vi sinh vật. Chính vì vậy có thể dùng bức xạ ion hóa để diệt khuẩn. Tuy vậy, một số sinh vật nhân nguyên nthủy (như vi khuẩn Deinococcus radiodurans và các vi khuẩn sinh vật sinh bào tử) có thể vẫn tồn tại được ngay cả ở các mức bức xạ ion hóa khá cao.
Bức xạ ion hóa gây cho tế bào rất nhiều biến hóa, có thể phá vỡ liên kết hudrogen, oxy hóa liên kết đôi, phá hủy cấu trúc vòng, cao phân tử hóa một số phân tử.Oxygen có thể làm tăng các hiệu ứng này, có thể là do việc sản sinh gốc tự do hydroxyl (OH-)... Mặc dầu có rất nhiều thành phần tế bào chịu ảnh hưởng, nhưng nguyên nhân quan trọng nhất gây chết là sự phá hủy ADN.
Vì bước sóng ngắn (10-400nm) có năng lượng cao cho nên bức xạ tử ngoại (Ultraviolet radiation) có thể tiêu diệt các loại vi sinh vật. Bức xạ tử ngoại (UV) mạnh nhất ở bước sóng 260nm. Chúng dễ bị ADN hấp thụ, làm cho trên 1 sợi đơn ADN hình thành những song phân tử (dimers) thymine, chúng làm ức chế quá trình tái tạo (replication) và công năng của ADN. Thiệt hại này có thể được sửa chữa qua một số con đường. Theo con đường quang hoạt hóa một loại enzyme quang hoạt hóa sử dụng ánh sáng xanh lam để tách song phân tử thymine. Trong hoạt hóa tối một đoạn ngắn ADN có chứa các song phân tử thymine có thể bị cắt rời và đổi chỗ để thành một đoạn ADN bình
11
Tia tử ngoại có khả năng tiêu diệt vi sinh vật rất nhanh. Chính vì thế mà ngày nay người ta sử dụng tia tử ngoại như một trong những phương thức tiệt trùng trong nghiên cứu hay trong sản xuất.
2.2Bức xạ (Radiation) :
Bức xạ là những dạng năng lượng phát ra trong quá trình vận động và biến đổi của vật chất. Về mặt vật lý nó được thể hiện dưới dạng sóng, hạt, hoặc sóng hạt. Mỗi dạng bức xạ được đặc trưng bằng một dải năng lượng hay tương ứng với nó, một dải bước sóng xác định.
Thế giới mà chúng ta đang sống đầy các loại bức xạ điện từ trường (electromagnetic radiation). Các bức xạ này hình thành như sóng trên mặt nươc và lan truyền trong không khí. Cự ly giữa hai đỉnh sóng hay cuối sóng được gọi là độ dài sóng (wavelength). Khi độ dài sóng giảm đi thì thì năng lượng bức xạ tăng lên. Tia gamma hay tia X có năng lượng cao hơn bức xạ của ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng khả kiến) hay tia hồng ngoại. Bức xạ điện từ trường còn giống như một dòng năng lượng hợp bởi các photon (quang tử). Mỗi photon đều có năng lượng nhất định, năng lượng cao hay thấp quyết định bởi độ dài sóng của bức xạ.
Ánh sáng mặt trời là nguồn bức xạ chủ yếu trên trái đất, bao gồm ánh sáng khả kiến (visible light), tia tử ngoại (ultraviolet), tia hồng ngoại (infraded rays) và sóng radio (vô tuyến điện). Ánh sáng khả kiến là loại thường thấy và quan trọng nhất trong môi trường chung quanh chúng ta: mọi sự sống đều phụ thuộc vào các cơ thể có khả năng quang hợp dựa vào năng lượng của mặt trời. Bức xạ mặt trời có 60% nằm ở vùng tia hồng ngoại chứ không phải ở vùng ánh sáng khả kiến. Tia hồng ngoại là nguồn nhiệt lượng chủ yếu của trái đất. Ở tầm mặt biển chỉ thấy có rất ít bức xạ tử ngoại 290-300nm (nanometre). Tia tử ngoại có bước sóng thấp hơn 287nm hấp thụ bởi oxygen trong không khí và tạo ra tầng ozone (O3) ở độ cao cách mặt đất khoảng 25-50km. Tầng ozone hấp thụ các tia tử ngoại bước sóng tương đối dài và giải phóng ra O2 . Bởi vì tia tử ngoại rất có hại cho sinh vật nên việc tầng ozone tiêu trừ bớt tia tử ngoại là có tác dụng rất
10 2.1Ánh sáng mặt trời
Có 5 bức xạ nhìn thấy có bước sóng 400 - 800 nm và 2 bức xạ không nhìn thấy: hồng ngoại và tử ngoại.
- Tia hồng ngoại: 800 - 400.000 nm - Tử ngoại: 13 - 400 nm
Trong các tia trên có tia cực tím có tác động nhiều đến vi sinh vật, bởi vì trong nguyên tương của vi sinh vật có nhiều thành phần khác nhau nó hấp phụ các bức xạ có bước sóng khác nhau: Acid nucleic hấp phụ bức xạ có bước sóng 257,3 nm làm rối loạn chức năng của nó dẫn đến vi sinh vật tiêu diệt.
Ánh sáng là một yếu tố sinh thái, ánh sáng có vai trò quan trọng đối với vi sinh vật. Một số vi sinh vật dị dưỡng (nấm, vi khuẩn) trong quá trình sinh trưởng và phát triển cũng sử dụng một phần ánh sáng. Ánh sáng cũng điều khiển chu kỳ sống của sinh vật.
Tùy theo cường độ và chất lượng của ánh sáng mà nó ảnh hưởng nhiều hay ít đến quá trình trao đổi chất và năng lượng cùng nhiều quá trình sinh lý của vi sinh vật. Ngoài ra ánh sáng còn ảnh hưởng nhiều đến nhân tố sinh thái khác như nhiệt độ, độ ẩm, không khí đất và địa hình
Ảnh hưởng mặt trời chiếu rọi xuống đất, những vi sinh vật phát triển trên bề mặt đất đều bị tiêu diệt, trừ những vi khuẩn tự dưỡng quang năng. Thường thường chúng bị tiêu diệt rất nhanh trong vài phút đến 1 giờ. Các vi sinh vật gây bệnh thường nhạy cảm với ánh sáng hơn những vi sinh vật gây thối.
Tác dụng thiếu sáng phụ thuộc vào bước sóng của tia sáng. Bước sóng càng ngắn, khả năng tác dụng quang hoá càng mạnh càng làm vi sinh vật dễ bị tiêu diệt.
Lợi dụng đặc tính này mà người ta thường phơi nắng các dụng cụ cần bảo quản, một mặt làm giảm độ ẩm, một mặt tiêu diệt những vi sinh vật trên bề mặt. Hai nữa, nhiều người tắm nắng, một trong những yêu cầu là làm hệ vi sinh vật trên da bị tiêu diệt.
9
Các gốc tự do H. hay OH. không bền tiếp tục tương tác với các chất khác để quay lại trạng thái bền vững. Quá trình tương tác này diễn ra làm biến đổi các chất khác như: protein, carbohydrate, lipid, enzyme, DNA, RNA… Các phản ứng chính thường là rối loạn cấu trúc không gian, cắt mạch, ôxy hoá… Vì vậy các sản phẩm có độ khô cao như trái cây khô, trái cây ngâm đường ít nhạy với bức xạ, cần được xử lý với liều cao hơn.
2.Ảnh hưởng của bức xạ lên vi sinh vật
Có nhiều loại bức xạ, mỗi loại có tác động đến vi sinh vật khác nhau và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong đó, ứng dụng trong bảo quản thực phẩm là một ứng dụng khá phổ biến.
8
dm dE D
Đơn vị của liều hấp thu và liều chiếu là Gray ( viết tắt là Gy)
1 Gy = 1 J.kg-1
Đơn vị ngoài hệ SI là rad, 1 Gy = 100 rad.
1.4 Các tia bức xạ thường dùng trong chế biến và bảo quản thực phẩm
- Vi sóng (Microwave): đây là tia có buớc sóng dài, không có khả năng xuyên sâu, thường dùng để gia nhiệt cho thực phẩm
- Tia X, tia γ: tia có bước sóng cực ngắn, độ xuyên sâu mạnh, thuờng dùng để diệt khuẩn.
- Tia β : là dòng electron chuyển động trong điện trường rất lớn. Khả năng xuyên sâu trung bình, nhưng tiêu tốn năng lượng lớn, thường dùng để sát khuẩn bề mặt.
1.5 Sự tác động của bức xạ lên vật chất mà nó đi qua
Tác động chính của bức xạ trên đường đi là gây ion hóa vật chất. Tác động này thường phá hủy cấu trúc hiện có của vật chất. Vì vậy bức xạ thường dùng để tiêu diệt các thành phần không mong muốn trong thực phẩm như vi sinh vật, côn trùng,…Vì chiếu xạ không chọn lọc nên các thành phần khác như dinh dưỡng, màu sắc, mùi vị cũng bị thay đổi theo, đây là điều không mong muốn. Việc cần thiết là phải chọn loại bức xạ với liều lượng phù hợp để có thể đạt được cả hai yêu cầu trên.
Trong thực phẩm chất trực tiếp nhận ảnh hưởng của bức xạ là nước. Nước bị ion hoá sinh ra các gốc tự do như H. hay OH., cơ chế như sau
7 Tia γ
Năng lượng điển hình là năng lượng của một lượng tử búc xạ. Năng lượng của nguồn bức xạ là tổng năng lượng điển hình của tất cả các lượng tử bức xạ phát ra từ nguồn đó.
1.3 Các đại lượng của quá trình chiếu xạ
Năng lượng bức xạ (P): là năng lượng phát ra của nguồn bức xạ
Liều chiếu (I) : năng lượng phát ra của nguồn bức xạ trên một đơn vị khối lượng vật chất hấp thụ
dm dP I
Năng lượng bức xạ hấp thu E: đặc trưng cho lượng năng lượng mà vật chất hấp thu khi có nguồn chiếu xạ vào
Năng lượng bức xạ hấp thu E = Năng lượng nguồn phát E1 – năng lượng còn lại thu được của bức xạ xuyên qua vật thể E2.
6
1.Khái niệm, phân loại và các thông số quan trọng của bức xạ 1.1 Khái niệm
Bức xạ là năng lượng phát ra từ vật chất có bản chất sóng điện từ. Mỗi bức xạ đặc trưng bằng dải năng lượng tương ứng với bước sóng λ xác định. Mối tương quan giữa năng lượng E và bước sóng λ là:
hc h E
1.2 Phân loại bức xạ theo năng lượng bước sóng
Dạng bức xạ Năng lượng điển
hình Bước sóng Bức xạ nhiệt Vi sóng (Microwave) Hồng ngoại (Infrarred) Ánh sáng khả kiến Tử ngoại ( Ultra Violet)
Tia Roentgen (Tia X) < 100 eV 1 – 100 keV 1 – 100 MeV >100 µm 10 – 100 µm 1 – 10 µm 380 – 760 nm 10 -380 nm 0.01 – 1000 nm < 0.001 nm
5
3.10 Quy trình chiếu xạ trong bảo quản rau quả ... 28
3.11 Một số thiết bị chiếu xạ thực phẩm ... 32
Phụ lục ... 38
4 MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ... 2
MỤC LỤC ... 4
1.Khái niệm, phân loại và các thông số quan trọng của bức xạ ... 6
1.1 Khái niệm ... 6
1.2 Phân loại bức xạ theo năng lượng bước sóng ... 6
1.3 Các đại lượng của quá trình chiếu xạ ... 7
1.4 Các tia bức xạ thường dùng trong chế biến và bảo quản thực phẩm ... 8
1.5 Sự tác động của bức xạ lên vật chất mà nó đi qua ... 8
2.Ảnh hưởng của bức xạ lên vi sinh vật ... 9
2.1Ánh sáng mặt trời ... 10
2.2Bức xạ (Radiation) : ... 11
3.Ứng dụng trong ngành thực phẩm ... 16
3.1 Khái niệm chiếu xạ thực phẩm ... 16
3.2.Ảnh hưởng của các tia bức xạ đến chất lượng thực phẩm ... 19
3.3.Ứng dụng chiếu xạ trong bảo quản thực phẩm và ảnh hưởng của nó đối với sức khoẻ người tiêu dùng ... 20
3.4.Ứng dụng của xử lý chiếu xạ trong bảo quản Lương thực, thực phẩm: ... 20
3.5.Chiếu xạ thực phẩm (CXTP)và những tác động của chiếu xạ thực phẩm: .. 20
3.6.Phương pháp xử lý chiếu xạ trong bảo quản thực phẩm: ... 22
3.7.Khác biệt cơ bản giữa việc bảo quản thực phẩm bằng xử lý chiếu xạ và các phương pháp bảo quản thực phẩm truyền thống khác ... 25
3.8.Ảnh hưởng của chiếu xạ đối với bao bì sản phẩm: ... 26
3
tố sinh thái khác như nhiệt độ, độ ẩm, không khí đất và địa hình. Qua bài thuyết trình