Công nghệ chiếu xạ thực phẩm

Công nghệ chiếu xạ thực phẩm

1 Mở đầu

Vật lý hạt nhân là một trong những lĩnh vực tuy sinh sau đẻ muộn hơn các ngành công nghệ khác, nhưng qua bao nhiêu năm tháng, ngành công nghệ hạt nhân vẫn không ngừng phát triển Nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: vũ khí hạt nhân, nhà máy điện nguyên tử, khảo cổ học… Đặc biệt hơn nữa, vật lý hạt nhân còn được ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Theo xu hướng phát triển của thời đại, việc sử dụng các chất phóng xạ ở một liều lượng nằm trong giới hạn cho phép, để bảo vệ thực phẩm khỏi các tác hại của vi sinh vật

là một phương pháp đầy triển vọng Vì nó vừa đem lại các lợi ích kinh tế vừa đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng Thế nhưng, thực tế cho thấy thực phẩm chiếu xạ lại không được người tiêu dùng chào đón như những gì lợi ích của nó mang lại Vậy nguyên nhân từ đâu mà người tiêu dùng lại e dè với thực phẩm chiếu xạ như vậy? Nguyên nhân đến từ hai chữ “phóng xạ”, với hầu hết mọi người khi nhắc đến hai chữ “phóng xạ” là liên tưởng ngay đến hậu quả mà nó mang lại là ung thư, vô sinh, quái thai… Thế nhưng, thực phẩm chiếu xạ có đúng là có nguy cơ gây nguy hiểm cho con người như vậy hay không?

Một thực tế khác cho thấy, các vấn đề xung quanh thực phẩm chiếu xạ như: chi phí quá cao cho công nghệ, in ấn bao bì, cung cấp thông tin và giáo dục cho người tiêu dùng biết về thực phẩm chiếu xạ đã khiến cho các công ty, các cơ quan có trách nhiệm vẫn chưa dám đầu tư thực hiện Dẫn đến việc phần lớn người tiêu dùng vẫn còn hiểu sai

về thực phẩm chiếu xạ, không chỉ ở Việt Nam mà ngay cả ở các nước phát triển đã ứng

dụng công nghệ này từ lâu cũng xảy ra tình trạng tương tự như vậy Chẳng hạn như, các cuộc thăm dò dư luận tại Canada cho biết trên 54% dân chúng chưa sẵn sàng chấp nhận

kỹ thuật chiếu xạ thực phẩm Họ còn rất e dè trước phương pháp quá mới mẻ này Còn rất nhiều ẩn số chưa có đáp số thỏa đáng Họ luôn thắc mắc về tác dụng về lâu về dài của việc tiêu thụ thực phẩm chiếu xạ sẽ ảnh hưởng ra sao trên sức khỏe con người? Chuyện

gì sẽ xảy ra cho chúng ta trong tương lai?

Như vậy, thực chất thực phẩm chiếu xạ là gì? Tại sao, khoa học lại sử dụng phóng xạ để bảo quản thực phẩm? Vậy quy trình công nghệ chiếu xạ thực phẩm diễn ra như thế nào? Liệu thực phẩm chiếu xạ có đảm bảo được dinh dưỡng và không gây nguy hiểm cho con người không? Con người nên lựa chọn sử dụng loại thực phẩm nào cho mình trong tương lai? Làm sao để nhận biết đâu là thực phẩm đã được chiếu xạ, đâu là thực phẩm bình thường? Ở nước ta, các tổ chức quốc tế, các quốc gia khác trên thế giới

đã, đang và sẽ làm gì đối với sự phát triển của thực phẩm chiếu xạ trong tương lai? Để làm sáng tỏ các vấn đề trên, nhóm chúng em xin mời cô và các bạn cùng tìm hiểu đề tài

“chiếu xạ thực phẩm” Đây là một bài tiểu luận nghiên cứu về một đề tài còn rất mới mẻ

Hy vọng với sự mới mẻ của đề tài, và đây cũng là xu hướng phát triển của thực phẩm trong tương lai, thì đề tài này sẽ mang đến những kiến thức vừa cơ bản vừa quan trọng,

và có thể gợi lên trong mọi người nhiều ý tưởng, để có thể phát triển hơn thực phẩm chiếu xạ, đến một ngày nào đó không xa thực phẩm chiếu xạ sẽ trở thành một loại thực phẩm hết sức thân thuộc với tất cả mọi người

2 Nội dung

2.1 Khái niệm chiếu xạ thực phẩm

Chiếu xạ thực phẩm là việc sử dụng các tia bức xạ (thường là tia gamma được phát

ra từ chất phóng xạ Cobalt 60 hoặc Cesi 137) để chiếu

vào thực phẩm nhằm diệt vi khuẩn, côn trùng và một số

ký sinh trùng Ngoài ra nó còn có thể có tác dụng làm

chậm lại quá trình chín của trái cây cũng như ngăn chặn

sự nảy mầm của củ, hạt

Đôi khi phương pháp chiếu xạ này còn được gọi là phương pháp khử trùng điện

tử (electronic pasteurization) hay khử trùng lạnh (cold pasteurization) vì phương pháp này không sử dụng nhiệt độ để tiệt trùng

2.2 Quy định vệ sinh an toàn đối với thực phẩm bảo quản bằng phương pháp chiếu

xạ

Bộ y tế ban hành “Quy định vệ sinh an toàn đối với thực phẩm bảo quản bằng phương pháp chiếu xạ”:

2.2.1 Yêu cầu đối với thực phẩm chiếu xạ

Thực phẩm chiếu xạ là thực phẩm có từ 5% trở lên theo khối lượng đã hấp thụ một liều vượt quá liều hấp thụ tối thiểu

Thực phẩm trước khi chiếu xạ đã được chế biến trong điều kiện bảo đảm vệ sinh, đạt chất lượng theo các tiêu chuẩn tương ứng

Không được chiếu xạ lại thực phẩm trừ trường hợp: ngũ cốc, đậu đỗ, các loại thực phẩm khô và các hàng hoá khác tương tự được chiếu xạ với mục đích kiểm soát tái nhiễm côn trùng hoặc ức chế sự nảy mầm

Thực phẩm không được coi là chiếu xạ lại nếu:

- Thực phẩm chế biến từ nguyên liệu đã được chiếu xạ ở liều hấp thụ không lớn hơn 1 kGy;

- Thực phẩm đem chiếu xạ chứa không quá 5% thành phần theo khối lượng

đã được chiếu xạ;

- Yêu cầu công nghệ đặc thù phải chiếu xạ qua nhiều giai đoạn để tổng liều hấp thụ ở các giai đoạn của quá trình chế biến đạt được giá trị đủ gây hiệu quả mong muốn

Chỉ được phép lưu thông trên thị trường những thực phẩm chiếu xạ có ghi nhãn thực phẩm đầy đủ theo quy định

2.2.2 Danh mục thực phẩm và giới hạn liều hấp thụ tối đa

Tuỳ thuộc từng mục đích chiếu xạ, quá trình chiếu xạ thực phẩm phải bảo đảm liều hấp thụ đối với mỗi loại thực phẩm không được vượt quá các giới hạn sau:

Liều hấp thụ tối đa (kGy)

Tối thiểu

Tối đa

c) Kéo dài thời gian bảo quảnd) Xử lý kiểm dịch

0,30,3

1,00,2

1,01,0

2,51,0

3 Loại 3: Ngũ cốc và các a) Diệt côn trùng, ký sinh 0,3 1,0

sản phẩm bột nghiền từ ngũ cốc; đậu hạt, hạt có dầu, hoa quả khô

trùngb) Giảm nhiễm bẩn vi sinh vậtc) Ức chế sự nảy mầm

1,50,1

5,0

0,25

4 Loại 4: Thủy sản và sản

phẩm thủy sản, bao gồm động vật không xương sống, động vật lưỡng cư

ở dạng tươi sống hoặc lạnh đông

a) Hạn chế vi sinh vật gây bệnh

b) Kéo dài thời gian bảo quảnc) Kiểm soát động thực vật ký sinh

1,0

1,00,1

7,0

3,02,0

5 Loại 5: Thịt gia súc, gia

cầm và sản phẩm từ gia súc, gia cầm ở dạng tươi sống hoặc lạnh đông

a) Hạn chế vi sinh vật gây bệnh

b) Kéo dài thời gian bảo quảnc) Kiểm soát động thực vật ký sinh

1,0

1,00,5

7,0

3,02,0

6 Loại 6: Rau khô, gia vị

và thảo mộc

a) Hạn chế vi sinh vật gây bệnh

b) Diệt côn trùng, ký sinh trùng

2,00,3

10,01,0

0,3

1,02,0

1,0

3,07,0

Đơn vị liều lượng chiếu xạ là Gray (ký hiệu là Gy), 1Gy=1J/kg,1kGy=1000Gy.

2.2.3 Bao gói, bảo quản, ghi nhãn

Thực phẩm trước và sau khi chiếu xạ phải được đóng gói trong cùng một bao bì

Thực phẩm đã chiếu xạ phải được bảo quản theo quy định như thực phẩm khi chưa chiếu xạ

Trên bao bì của thực phẩm đã chiếu xạ, ngoài những thông tin bắt buộc theo quy

định của pháp luật về ghi nhãn thực phẩm phải có dòng chữ: “Thực phẩm chiếu xạ”

hoặc dán nhãn hiệu nhận biết thực phẩm chiếu xạ

Ký hiệu quốc tế chiếu xạ - “Radura”

2.3 Thiết bị chiếu xạ

Một thiết bị chiếu xạ gồm có các thành phần sau:

- Nguồn bức xạ

- Nơi chứa nguyên liệu để tiếp nhận nguồn bức xạ

- Thiết bị điều chỉnh liều lượng bức xạ, bảo vệ, ngăn ngừa việc nhiễm xạ ra ngoài

- Thiết bị đo, nhập liệu, tháo liệu

Chúng gây ra sự phá hủy các liên kết hydro trong các phân tử của tế bào, mối nối hyđro trong phân tử AND, kết quả là hydro sẽ tách khỏi deoxiribose Chúng còn có khả năng thủy phân purin và pyrimidine.

Khả năng chống lại các tia ion hóa của vi sinh vật phụ thuộc vào khả năng sữa chữa những sai sót trong các phân tử có trong tế bào vi sinh vật

Khả năng chống lại có ở những vi sinh vật khác nhau thì khác nhau Khả năng này được biểu diễn như sau: Virut > nấm men > bào tử > nấm mốc > gram(+) > gram(−)

Hai đồng vị phóng xạ thường dùng là 60Co và 137Cs Cường độ bức xạ của hai chất trên là Co: 2,8 triệu Bq/g và Cs: 3 triệu Bq/g (1Bq bằng một lượng tử bức xạ trong một giây) Năng lượng điển hình là Co: 1,173 MeV và Cs: 0.661 MeV

Phóng xạ γ thường dùng khi cần chiếu xạ vào sâu bên trong vật thể Một bức xạ γ

ở mức năng lượng bình thường có thể xuyên qua một tấm chì dày 5 cm hay một tấm nhôm dày 2 m

• Nguồn phóng xạ β:

Phóng xạ β là các tia electron Phóng xạ β có thể tạo được từ nguồn đồng vị phóng xạ β hay máy gia tốc eletcron Ở đây chỉ đề cập đến nguồn đồng vị phóng xạ β Phóng xạ β không có tính xuyên sâu mạnh nên an toàn hơn phóng xạ γ

Các nguồn phóng xạ β thường gặp là 32P, 35S,123I… Phương trình biến đổi chung của đồng vị phóng xạ β

• Ngoài ra người ta còn sử dụng tia tử ngoại:

- Tác dụng mạnh đối với vi sinh vật với bước sóng 2600A0, năng lượng 3-5ev Ở bước sóng này rất nhiều vi sinh vật sẽ bị chết

- Các axit nucleic sẽ hấp thụ tia tử ngoại và làm biến đổi các bazơ của axit nucleic Cơ chế

cơ bản của chúng là làm liên kết các thymin của AND theo cơ chế sau:

Do tác động này mà tế bào dinh dưỡng của vi sinh vật dễ dàng bị chết

- Tuy nhiên một số tế bào vi sinh vật cũng có khả năng chống lại tác động của tia tử ngoại

Các loài Micrococcus có khả năng tạo ra những sắc tố có thể hấp thụ những tia tử ngoại

và như vậy chúng sẽ làm giảm tác động của tia tử ngoại lên tế bào vi sinh vật

- Một cơ chế tác động ngược lại của vi sinh vật đối với tia tử ngoại là chúng có khả năng sửa chữa các sai sót của bazơ nitơ khi bị tia tử ngoại tác động vào Khả năng này rất khác nhau ở những loài vi sinh vật khác nhau: Virut > nấm men tạo bào tử > vi khuẩn tạo bào tử > nấm men > vi khuẩn gram (+) > vi khuẩn gram (-)

E ColiProteus vulgaris

3-43-4

Serratia marcesescens

Shigella flexmeri

Pseudomonas fluorenscens

Bacillus subtilis ( tế bào sinh dưỡng)

Bacillus subtilis (bào tử)

>2003-10Bảng: Liều gây chết của UV đối với một số vi sinh vật(Số liệu từ microbial Ecology of food vol.CMSF)

2.3.1.2 Nguồn bức xạ từ máy tạo bức xạ

• Máy gia tốc electron (electron accelerator)

Máy gia tốc là các máy tạo ra một điện trường cực lớn Máy thường có cấu tạo gồm hai bản cực Cực âm là kim loại có khối lượng phân tử trung bình, có ái lực với electron thấp Dưới tác dụng của điện thế rất cao giữa hai bản cực (10 – 100 KV), các electron này bật khỏi tấm kim loại và bay về phía bản cực dương Trên đường đi của electron, người ta đặt các nam châm điện để định hướng lại quỹ đạo của electron bằng từ trường Việc định hướng này làm các electron không đập vào bản cực dương mà bay vào các ống định hướng tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube) Đầu ra của các ống CRT này

là sản phẩm mà ta muốn chiếu xạ

• Máy tạo tia Roentgen (Máy gia tốc electron bức xạ hãm)

Máy tạo tia Roentgen (tia X) có cấu tạo gần giống máy gia tốc electron Tuy nhiên cực dương của máy không phải là các ống CRT mà là tế bào quang điện Tế bào quang điện là các mảnh kim loại có số khối lớn (gọi là bia biến đổi) như Pb, W, Ta, Au,

… Luồng electron tốc độ cao mang năng lượng lớn sẽ bắn phá tế bào quang điện làm tế

bào quang điện phát ra các sóng điện từ có bước sóng cực ngắn Đó là tia Roetgen (hay tia X), các tia này có bước sóng từ 0.01 nm đến 1000 nm, tia Roentgen còn được gọi là bức xạ hãm Tia Roentgen có độ xuyên sâu mạnh (chỉ thua tia γ) Máy tạo tia Roentgen

có hiệu suất tạo bức xạ hãm thấp, chẳng hạn chì (Pb) có hiệu suất tạo bức xạ hãm là 8 % Phần lớn năng lượng còn lại chuyển thành nhiệt lượng Vì vậy mảnh kim loại rất nóng, phải dùng nước để tản nhiệt

Bức xạ hãm này có tính xuyên sâu mạnh có thể dùng cho các sản phẩm cần xử lý bằng tia γ Nó có ưu điểm hơn đồng vị phóng xạ γ ở các mặt sau (lưu ý là ta không có máy để tạo phóng xạ γ)

- Có định hướng, khoảng 60% lượng bức xạ hãm này đến được vật cần chiếu xạ, trong khi bức xạ của đồng vị phóng xạ γ phát đều theo mọi hướng nên tỉ lượng bức xạ có ích rất thấp, nguồn 137Cs có hiệu suất 20 %

- Liều ổn định và đồng đều (các đồng vị phóng xạ có liều bức xạ giảm dần theo thời gian)

Nhìn chung các máy tạo bức xạ có các ưu điểm là công suất lớn, liều chiếu lớn, hiệu suất cao và có định hướng Tuy cần tiêu tốn năng lượng khi vận hành nhưng ta có thể kiểm soát được liều lượng, cường độ và hướng chiếu xạ

So sánh hiệu suất sử dụng năng lượng nguồn bức xạ

Máy gia tốc electron

Nguồn bức xạ hãm

Nguồn 60Co

Nguồn 137Cs

66502520

2.3.2 Thiết bị điều chỉnh năng lượng bức xạ

Thông thường nguồn bức xạ thường phát ra bức xạ vượt mức yêu cầu của quy trình, công nghệ, nên ta phải điều chỉnh năng lượng bức xạ Đối với các máy bức xạ thì việc điều chỉnh dễ dàng thông qua bộ phận điều khiển trên máy Còn đối với các đồng vị phóng xạ thì chúng ta phải sử dụng các chất hấp thụ bớt một phần năng lượng Các chất thường dùng là các kim loại nặng, nước, nước nặng (D2O) Thường dùng nhất là chì và nước.

Một điều lưu ý quan trọng là vật liệu để chế tạo thiết bị chiếu xạ để bức xạ không

bị lọt ra ngoài gây nguy hiểm cho người vận hành, đặc biệt là bức xạ dạng tia γ hay tia X

do đặc tính xuyên sâu mạnh của nó Với hai nguồn phóng xạ này thì vật liệu thích hợp là

bê tông Bề dày bình trung bình của bức tường này là từ 6 – 7 foot (khoảng 2 m)

Ngoài ra với đồng vị phóng xạ cần có biện pháp bảo quản khi không vận hành Thường các đồng vị phóng xạ tia γ được đặt dưới bể nước sâu để làm giảm mức nguy hiểm

Hình: mô hình nhà máy chiếu xạ thực phẩm

Theo quy định quốc tế, năng lượng các bức xạ iôn hóa sử dụng cho chiếu xạ TP là:

- Đối với tia gamma và tia X phải nhỏ hơn 5 MeV.

- Đối với chùm tia điện tử phải nhỏ hơn 10 MeV

Hiện nay, đã có một số nước chấp nhận cho phép năng lượng tia X (phát ra từ các máy gia tốc) có thể đến 7,5 MeV

Về tác dụng đối với thực phẩm: chất dinh dưỡng thực phẩm (protein, chất béo, vitamin, đường…) là các đại phân tử có hệ số đương lượng liều giống như nước, nếu chịu liều D = 1kGy hay thì tương tự như bị gia nhiệt ΔT = 0.24oC và hầu như không bị biến đổi gì về chất lượng (cho tới liều cực đại cho phép 10kGy)

Về tác động vi mô: một liều chiếu 1kGy làm đứt gãy 1 phần triệu mối liên kết hoá học có trong thực phẩm, là một tỉ lệ quá bé Song với các vi sinh vật có trong thực phẩm thì tỉ lệ đứt gãy phân tử AND như thế lại có thể chấm dứt khả năng tự sao chép và

tế bào bị chết Theo nguyên lí đó, tia bức xạ được sử dụng để diệt khuẩn (bao gồm: vi sinh vật, nang, ấu trùng của côn trùng, ký sinh trùng), gây hãm chín hoa quả, làm chậm nảy mầm ở hạt, củ, kéo dài thời gian bảo quản và sử dụng thực tế của chúng

2.4 Cơ chế diệt khuẩn

Hình: Vi sinh vật chết hoặc mất khả năng sinh sản vì liên kết AND của tế bào bị tia X phá huỷ

Cơ chế diệt vi sinh, côn trùng, nấm mốc gây hại cho con người khi sử dụng thực phẩm dựa trên tính chất ion hóa các nguyên tử, phân tử cấu thành nên các cơ thể sống, đặc biệt là các phân tử DNA của tế bào vi sinh gây bệnh Khi các phân tử của DNA bị ion hóa, các liên kết giữa chúng bị đứt gẫy Nếu chiếu xạ ở một liều đủ thì việc phục hồi các đứt gẫy trong cấu trúc DNA sẽ không thực hiện được và khi đó tế bào sẽ bị chết trong quá trình phân bào và vi sinh gây bệnh không thể phát triển được

Khả năng chịu đựng chiếu xạ bằng bức xạ ion hóa của từng loại, loài vi sinh được đặc trưng bằng liều D10 Liều D10 là liều chiếu xạ mà 90% vi sinh bị tiêu diệt Ở một vùng liều chiếu nhất định, lượng vi sinh sống sót sau khi chiếu xạ được biểu diễn bằng công thức :

Trong đó:

N: Số vi sinh sống sót sau khi chiếu xạ

No : Số vi sinh ban đầu

D10: Liều chiếu (kGy) làm chết 90% vi sinhD: Liều chiếu (kGy)

Đường cong biểu diễn số vi sinh sống sót theo liều được đưa ra ở hình dưới

Mức độ vi sinh vật gây bệnh bị tiêu diệt bằng bức xạ iôn hóa phụ thuộc chủ yếu vào kích thước ADN, tốc độ hồi phục của chúng và một số các thông số khác Liều diệt

vi sinh gây bệnh đối với thực phẩm đông lạnh là cao hơn khi thực phẩm đó ở nhiệt độ bình thường Liều D10 đối với côn trùng và ký sinh trùng có ADN lớn khoảng 0,1 kGy, đối với vi khuẩn có ADN nhỏ hơn khoảng từ 0,3 đến 0,7 kGy và đối với virus là vi sinh gây bệnh nhỏ nhất là 10 kGy hoặc lớn hơn Đối với vi sinh ở dạng bào tử liều D10 cao hơn nhiều khi ở dạng bình thường và cỡ vài kGy Bảng đưa ra một số giá trị liều D10 của một số loài vi sinh gây bệnh

Hình: sự phụ thuộc số vi sinh sống sót vào liều chiếu

Loài vi sinh Liều D10 ( kGy)

2.5 Chất lượng thực phẩm sau chiếu xạ

Cũng như tất cả các phương pháp xử lý khác, xử lý bằng chiếu xạ cũng gây biến đổi về thành phần và tính chất sản phẩm Ở đây xin trình bày về hai biến đổi chính là biến đổi về dinh dưỡng và biến đổi về bao bì

2.5.1 Biến đổi về dinh dưỡng

Thành phần dinh dưỡng của thực phẩm bao gồm các thành phần đa lượng gồm protein, lipid, các carbohydrates, và thành phần vi lượng gồm các vitamin và các khoáng

vi lượng

Bảng: Liều D 10 của một số vi sinh

Bảng: liều gây chết đối với các cơ thể sinh học