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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)。
(2)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,上述过程称康普顿散射(Comptonscattering)
(3)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。
(4)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(radioactivity),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,如
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。
因此,为了引起感生放射作用。
食品辐照源的能量水平一般不得超过10MeV。
2、电子射线的作用
(1)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。
库仑散射可以多次发生,甚至经过多次散射后,带电粒子会折返回去,发生所谓的“反向散射”。
(2)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。
电子射线能量越高,在其电子径迹上电离损耗能量比率(物理学称线性能量传递)越低:
电子射线能越低,在其电子径迹上电离损耗能量比率反而越高。
(3)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,这种辐射称轫致辐射。
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(Cerenkov)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。
(4)电子射线最终去向
电子射线经散射、电离、轫致辐射等作用后,消耗了大部分能量,速度大为减慢,有的被所经过的原子俘获,使原子或原子所在的分子变成负离子;
有的与阳离子相遇,发生阴、阳离子湮灭,放出两个光子,其光子对被照射物的作用与上述的光子一样。
二、食品辐照的化学效应
1、一般情形
辐照的化学效应是指被辐照物质中的分子所发生的化学变化。
初级辐射与次级辐射化学变化:
初级辐射是使被照射物质形成离子、激发态分子或分子碎片,由激发分子可进行单分子分解产生新的分子产物或自由基,而转化成较低的激发状态。
次级辐射是初级辐射的产物相互作用,生成与原始物质不同的化合物。
2、化学效应强弱的表示
常用G值表示。
G是指被照射物质中每吸收l00eV能量所产生化学变化的分子数量或分解和形成的物质(分子、原子、离子和原子团等)的数量。
如麦芽糖溶液经过辐照发生降解的G值为4.0,则表示麦芽糖溶液每吸收100eV的辐射能,就有4个麦芽糖分子发生降解。
不同物质的G值可能相差很大。
G值大,辐照引起的化学效应较强烈;
G值相同者,吸收剂量大者引起的化学效应较强烈。
3、水在化学效应中作用
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。
水分子对辐射很敏感,对于一般食品或新鲜食物水分子首先被激活,然后由活化了的水分子与食品中其他成分发生反应。
食品(微生物、昆虫等生物体)多含丰富水分,由γ和X射线产生的快电子能够沿着它们的径迹无区别地激发和电离所遇的分子(水分子为最)。
4、水的辐射化学
水受辐射后可产生的总效应:
5、水辐射产物的间接作用
水辐射效应的后重要性在于:
电离形成的中间产物(如:
高度活性的e-水化、OH·
、和H·
等),会导致食品和其他生物物质发生变化(水的间接作用)。
对稀水溶液.间接作用可能是化学变化的唯一重要原因,甚至在水含量低的体系中,间接作用仍然是主要的影响因素。
三、食品辐照的生物学效应
1、微生物
辐射杀菌主要目的是降低或杀灭食品中的腐败微生物及致病微生物
(1)影响辐射对微生物作用的因素
a辐照量
b种类及状态
c菌株浓度(含菌量)
d环境(介质化学成分和物理状态)
e辐照后的贮藏条件等。
(3)电离辐射杀菌所需剂量
电离辐射杀灭微生物一般以杀灭90%微生物所需的剂量(Gy)来表示,即残存微生物数下降到原菌数10%时所需用的Gy剂量,并用D10值来表示。
当知道D10值时,就可以按下式确定辐照灭菌的剂量(D值)。
(4)细菌
细菌对辐照敏感性因种类不同而异。
剂量越高,杀灭率越高。
(5)酵母与霉菌
酵母与霉菌对辐照的敏感性与非芽孢细菌相当。
种类不同,其辐照敏感性也有差异。
杀灭引起水果腐败和软化的霉菌所需的剂量常高于水果的耐辐照量,对酵母也有类似状况,通过热处理或其他方法再结合低剂量辐照可克服上述缺陷。
(6)病毒
通常要求使用高剂量辐照(水溶液状态30kGy,干燥状态40kGy)才能使其钝化,过高的剂量时对新鲜食品的质量有影响,因此常用加热与辐照并举的方法,降低辐照剂量及抑制病毒的活性。
2、酶
多数食品酶非常耐辐射(其D10达50kGy)这给食品的辐照灭酶保藏带来一定的限制。
酶的耐辐射性可用于酶制剂辐射杀菌消毒,则具有比热处理方法优越的特点。
3、虫类
(1)昆虫
昆虫的辐射效应与其细胞构成密切相关。
成虫的性腺细胞对射线相当敏感,低剂量就可起绝育或遗传紊乱等效果,稍高剂量就可将昆虫杀死。
损伤作用表现形式:
致死、“击倒”(貌似死亡,随后恢复)、缩短寿命、推迟换羽、不育、减少卵的孵化、延迟发育、减少进食量和抑制呼吸。
这些作用都在一定的剂量水平发生,而在某些剂量(低剂量)下,甚至可能出现相反的效应,如延长寿命、增加产卵、增进卵的孵化和促进呼吸。
(2)寄生虫:
猪旋毛虫(trichinosis)不育0.12kGy,
抑制生长0.2~0.3kGy,
致死7.5kGy;
牛肉涤虫(beeftapeworm)致死3~5kGy。
4、果蔬
辐照处理呼吸高峰前的果实,可干扰其乙烯的合成,抑制其高峰的出现,延长果实的贮存期。
辐照水果可产生的化学成分变化:
如VC破坏;
原果胶变成果胶质和果胶酸盐;
纤维素及淀粉的降解;
某些酸的破坏及色素的变化等。
辐照对新鲜蔬菜作用效果:
与种类和剂量有关。
可以改变蔬菜的呼吸率,防止老化,改变化学成分。
如辐照马铃薯,在辐照后的短期内能快速且大量地增加其摄氧率,但随后又下降。
若采用极低或很高的剂量并不产生这种效应。
马铃薯、洋葱等经辐照后可抑制发芽,辐照使组织内脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)受到损伤,干扰了ATP的合成,植物体生长点上的细胞不能发生分裂,而抑制了植物体发芽。
辐照蘑菇可防止开伞,延长保鲜期。
三辐照对食品质量的影响
一、蛋白质
变性:
射线会使某些蛋白质中二硫键、氢键、盐键和醚键等断裂,从而使蛋白质的三级结构和二级结构遭到破坏,导致蛋白质变性。
一级结构:
辐照也会促使蛋白质的一级结构发生变化,除了-SH氧化外,还会发生脱(α-)氨基作用、脱(α-)羧作用和氧化作用。
交联:
蛋白质水溶液经射线照射会发生交联,由巯基氧化生成分子内或分子间的二硫键,也可以由酪氨酸和苯丙氨酸的苯环偶合而发生。
交联导致蛋白质发生凝聚作用,甚至出现一些不溶解的聚集体。
降解:
用X射线照射血纤蛋白会引起部分裂解,产生较小的碎片。
卵清蛋白在等电点照射也发现黏度减小(发生了降解)。
降解与交联同时发生,往往交联大于降解,所以降解常被掩盖而不易察觉。
含蛋白质食品辐照变化的复杂性:
因为很可能这种食品的全部成分都吸收电离辐射线而发生化学变化,再对蛋白质作用,同时全部成分的辐射产物之间也可能发生相互作用。
高剂量辐照含蛋白质食品,如肉类及禽类、乳类,常会产生变味(辐照味),已鉴定出各种挥发性辐解产物,大部分是通过间接作用产生的,在低于冻结点的温度下进行辐照可减少辐照味的形成。
二、糖类
1、低分子糖类
降解形成辐解产物:
低聚糖或单糖的降解产物有羟基化合物、酸类、过氧化氢,降解作用还会产生气体,如氢气、二氧化碳及痕量甲烷、一氧化碳和水等。
降解所形成的新物质——会改变糖类的某些性质,如辐照能使葡萄糖和果糖的还原能力下降,但提高了蔗糖、山梨糖醇和甲基α-吡喃葡萄糖的还原能力。
这些变化是辐照剂量的函数。
50kGy对糖还原能力影响与热处理相当。
10kGy辐照100g葡萄糖-水合物释放出0.8mg的H2和2.6mg的CO2,但辐照果糖和蔗糖时,则没有CO2产生。
固态糖类:
相同条件下发生降解的程度低于糖溶液。
固态糖类辐照降解作用的G值(6-60)比辐照糖溶液时的G值(<
5)要大得多,因此固态糖降解的百分数会更小。
常见的降解产物是甲醛,辐照葡萄糖还会有葡萄糖酸、葡糖醛酸与脱氧葡萄糖酸等产物检出。
5kGy剂量下辐照降解产物浓度<
10mg/g。
2、水对低分子糖的辐解作用的影响
辐照固态糖时,水有保护作用,这可能是由于通过氢键的能量转移,或者由于水和被辐照糖的自由基反应重新形成最初产物所致。
辐照糖溶液时,辐照除对糖和水有直接作用外,还有水的羟基自由基等与糖的间接作用,通常辐解作用随辐照剂量的增加而增加。
3.、多糖
聚合度和粘度下降辐照会引起多糖链的断裂从而引起聚合度和黏度变化,产物是糊精碎片等:
辐照小麦淀粉:
葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖、麦芽四糖和麦芽五糖。
混合物保护作用,特别是蛋白质和氨基酸对糖类辐解的保护作用是值得注意的。
混合物的降解效应通常比单个组分的辐解效应小。
虽然在辐照纯淀粉时,观察到有大量的产物形成,但在更复杂的食物中,也不一定会产生同样的结果。
三、脂类
不同体系(天然或模拟)辐照形成的化学物质在性质上是相似的。
产物:
氧化和非氧化辐照产物,
饱和脂肪酸比较稳定,不饱和脂肪酸容易氧化,出现脱梭、氢化、脱氢等作用。
辐照促进自动氧化过程:
促进自由基形成、氢过氧化物分解,并使抗氧化剂遭到破坏。
辐照诱发氧化变化程度主要受:
剂量和剂量率影响,非辐照脂肪氧化中的影响因素(温度、有氧与无氧、脂肪成分、氧化强化剂、抗氧化剂等)也影响脂肪的辐照氧化与分解。
低剂量(0.5-10.0kGy)辐照含不饱和脂肪的食物表明,过氧化物的形成随剂量的增加而增加。
四、维生素
VA和VE:
是脂溶性V中对辐照最敏感的V。
牛肉在氮气中经20kGy剂量辐照,维生素A破坏率达66%,维生素E则没有损失;
禽肉在氮气中分别经10kGy、20kGy和40kGy的辐照,其维生素A的降解率分别达58%、72%和95%;
全脂牛乳经2.4kGy的辐照,维生素E将损失40%;
VD食物中的维生素D对辐照似乎是相当稳定。
鲤鱼油经几十千戈瑞剂量辐照,都没有发现维生素D的破坏。
四辐照在食品保藏中的应用
一、辐照应用类型
1、辐射阿氏杀菌(radappertization)
所使用的辐照剂量可以将食品中的微生物减少到零或有限个数。
经过这种辐照处理后,食品在无再污染条件下可在正常条件下达到一定的贮存期。
为高剂量辐照,剂量范围30~50kGy。
2、辐射巴氏杀菌(radicidation)
所使用的辐照剂量可以使食品中检测不出特定的无芽袍的致病菌(如沙门氏菌等)。
为中剂量辐照,辐照剂量范围为1~10kGy。
3、辐射耐贮杀菌(radurization)
主要目的是降低食品中腐败微生物及其他生物数量,延长新鲜食品的后熟期及保藏期(如抑制发芽等)。
为低剂量辐照,一般剂量在1kGy以下。
二、食品辐照保藏
1、果蔬类
果蔬辐照的目的主要是防止微生物的腐败作用,控制害虫感染及蔓延;
延缓后熟期,防止老化。
水果的辐照处理,除可延长保藏期外,还可促进水果中色素的合成、使涩柿提前脱涩和增加葡萄的出汁率。
蔬菜的辐照处理主要是抑制发芽,杀死寄生虫。
2、粮食类
3、畜、禽肉及水产类
(1)针对沙门氏菌等非芽孢菌的处理
沙门氏菌是最耐辐照的非芽孢致病菌,1.5~3.0kGy剂量可获得99.9%至99.999%的灭菌率;
而对O157:
H7大肠杆菌,1.5kGy可获得99.9999%的灭菌率(D10=0.24kGy);
寄生虫Toxoplasmagondii和Trichinellasprialis此的失活剂量分别为0.25kGy和0.3kGy。
革兰氏阴性菌对辐照较敏感,1kGy辐照可获得较好效果,但对革兰氏阳性菌作用较小。
Lambert等报告,充N2包装的块状猪肉在1kGy辐照后于5℃可存放26d。
他方法联合处理:
通常的辐照量(<
<
100kGy)不能使肉的酶失活,可结合加热方法。
如用加热使鲜肉内温度升到70℃保持30min,使其蛋白分解酶完全钝化后才进行辐照。
(2)高剂量辐照处理肉类
目的:
使(已包装)肉类在常温下长期保藏。
剂量:
杀死抗辐射性强的肉毒芽孢杆菌;
对低盐、无酸的肉类(如鸡肉)需用剂量45kGy以上。
产生异味:
高剂量辐照灭菌处理会使产品产生异味,程度因肉类品种不同而异),牛肉产生的异味最强。
目前防止异味最好的方法是在冷冻温度-30~-80℃下辐照,因为异味的形成大多数是间接的化学效应。
在冰冻时水中的自由基的流动性减少,可以防止白由基与肉类成分的相互反应发生。
颜色:
辐照可引起肉颜色的变化,在有氧存在下更为显著。
(3)辐照与冷藏结合处理
用辐照处理冷藏或冷冻家禽,杀灭沙门氏菌和弯曲杆菌(campylobacter),处理猪肉使旋毛虫幼虫失活。
(带来的卫生效益最为明显)
剂量:
2~7kGy被认为足以杀死上述病原微生物和寄生虫,对大部分食品不会造成感官特性不利的影响。
(4)水产品辐照保藏
多数采用中低剂量处理,高剂量处理工艺与肉禽类相似,但产生的异味低于肉类。
为了延长贮藏期,低剂量辐照鱼类常结合低温(3℃以下)贮藏。
不同鱼类有不同的剂量要求,如淡水鲈鱼在1~2kGy剂量下,延长贮藏期5~25d;
大洋鲈在2.5kGy剂量下,延长保贮期18~20d;
牡砺在20kGy剂量下,延长保藏期达几个月。
4、香辛料和调味品
天然香辛料容易生虫长霉常规处理的局限性:
熏蒸消毒法有药物残留且易导致香味挥发甚至产生有害物质。
辐照处理可避免引起上述的不良效果,控制昆虫侵害,减少微生物的数量,保证原料的质量。
全世界至少已有15国批准80多种产品辐照。
允许高达10kGy剂量,但实际上为避免导致香味及颜色的变化,降低成本,香料消毒的辐照剂量应视品种及消毒要求来确定,尽量降低辐照剂量。
如胡椒粉、快餐佐料、酱油等直接人口的调味料以杀灭致病菌为主剂量可高些,
5、蛋类
沙门氏菌为辐射处理的对象菌。
辐照巴氏杀菌剂量,
效果:
蛋液及冰蛋液效果较好。
带壳鲜蛋可用低射线辐照,剂量10kGy,
高剂量会使蛋白质降解而使蛋液粘度降低或产生H2S等异味。
三、食品辐照加工
利用辐照化学效应,产生有益的辐照加工效果。
各国都在此领域展开研究,有些已投入商业应用。
四、辐照的其他应用
果蔬检疫处理。
国际贸易法及各国的安全法规常要求对进口的果蔬进行安全处理(特别是热带和亚热带果蔬),以杀灭果蝇等传染性病虫害。
常用的二溴乙烷、溴甲烷和环氧乙烷等气体熏蒸的做法,由于涉及消费者的健康和操作人员的安全性,已受到使用限制。
(美国环境保护署1984年9月1日通令禁用二溴乙烷。
)
目前辐照是这方面最可行的替代方法,满足检疫条例,杀灭果蝇所需辐照剂量(0.15kGy)并不改变大多数水果和蔬菜的物理化学性质和感官特性。
0.1kGy的低剂量辐照可以防止大多数种类的果蝇卵发育成为成虫。
辐照是杀灭在羽化为成虫之前留居种子之内的芒果种子象鼻虫的唯一的一种技术,0.25kGy的剂量足以阻止虫害羽化为成虫。
国际上已确立防止所有昆虫虫害的检疫可靠性保证剂量为0.3kGy。
五、影响食品辐照效果的因素
a辐照剂量及剂量率
b食品的状态
c辐照过程环境条件
d与其他方法的协同作用
五食品辐照的安全与法规
1、涉及辐射食品安全性的研究
关心的问题:
辐照食品可否食用,有无毒性,营养成分是否被破坏,是否致畸、致癌、致突变等
所涉及研究范围:
毒理学、营养学、微生物学等。
研究结果已确认,只要剂量合理和在确能实现预期技术效果的条件下的辐照食品是安全的食品。
2、关于感生放射性问题
食品经电离辐射处理后,能否产生感生放射性核素取决于:
辐照的类型.所用的射线能量,核素的反应截面,引起放射性的食品核素的丰度百分率及产生的放射性核素的半衰期。
从食品辐照应用涉及的食品对象组成及所应用的射线类型两方面看,不存在食品中产生感生放射性的问题
3、辐射源的安全性
食品辐照处理一般采用的辐射源是密封型“60Co,137Cs”的γ射线或电子加速器产生的电子射线。
在进行辐照处理时,被照射食品从未直接接触放射性核素(放射性同位素)。
食品只是在辐射场接受射线的外照射,不会沾染上放射性物质。
4、辐照食品的检测方法
为了确保辐照食品的品质,人们一直研究探讨辐照食品的检测方法。
例如,利用脂质和DNA对电离辐射特别敏感,检测2一烷基一环丁酮(是一种成环化合物,蒸煮条件下难形成),其检测率达93%。
DNA碱基破坏、单链或双链DNA破坏及碱基间的交联是辐照的主要效应,可检测并量化这些DNA变化。
辐照食品的CAC通用检测方法(CODEXSTAN231_2001)已在2001年6月CAC第24次会议上发布。
5、国际组织机构的结论
n 20世纪90年代中期,世界卫生组织(WHO)回顾了辐照食品的安全与营养平衡的研究,也已得出如下结论:
①辐照不会导致对人类健康有不利影响的食品成分的毒性变化;
②辐照食品不会增加微生物学的危害;
③辐照食品不会导致人们营养供给的损失。
n 1997年,联合国粮农组织、国际原子能机构与世界卫生组织在50多年的研究基础上也得出结论:
在正常的辐照剂量下,按照GMP进行辐照的食品是安全的。
现代核技术
考查作业
题目食品辐射保藏的调研
学院名称核科学技术学院
指导教师鲁彦霞
职称副教授
专业核技术及应用
学号200901100244
学生姓名王凯锋
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- 食品 辐照