Bài giảng Bức xạ

Khái niệm, phân loại và các thông số quan trọng của bức xạ [1] [4] Bức xạ là năng lượng phát ra từ vật chất có bản chất sóng điện từ.. 2 Các đại lượng của quá trình chiếu xạ Năng lượng b

Trong công nghiệp, việc sử dụng bức xạ ngày càng được áp dụng rộng rãi, đặc biệt làtrong các ngành vật liệu, xử lý môi trường và chế biến thực phẩm Xử lý bằng bức xạmang lại nhiều ưu điểm mà các phương pháp khác không thể mang lại, hay mang lạikhông hoàn toàn Vì vậy trong những năm gần đây việc nghiên cứu phát triển các quytrình xử lý bằng bức xạ được thế giới quan tâm và khuyến cáo sử dụng Các nghiên cứuquan trọng đều được Cơ quan năng lượng Nguyên tử quốc tế (IAEA) tài trợ.

I Khái niệm, phân loại và các thông số quan trọng của bức xạ [1] [4]

Bức xạ là năng lượng phát ra từ vật chất có bản chất sóng điện từ Mỗi bức xạ đặctrưng bằng dải năng lượng tương ứng với bước sóng λ xác định Mối tương quan giữanăng lượng E và bước sóng λ là:

λ

γ hc

h

I.1 Phân loại bức xạ theo năng lượng bước sóng

Bức xạ nhiệt

Vi sóng (Microwave)

Hồng ngoại (Infrarred)

Ánh sáng khả kiến

Tử ngoại ( Ultra Violet)

Tia Roentgen (Tia X)

< 0.001 nmNăng lượng điển hình là năng lượng của một lượng tử búc xạ Năng lượng của nguồnbức xạ là tổng năng lượng điển hình của tất cả các lượng tử bức xạ phát ra từ nguồn đó

I 2 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 vậtchất hấp thụ

Đơn vị ngoài hệ SI là rad, 1 Gy = 100 rad.

I.3 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 diệtkhuẩn

- Tia β : là dòng electron chuyển động trong điện trường rất lớn Khả năng xuyên sâutrung bình, nhưng tiêu tốn năng lượng lớn, thường dùng để sát khuẩn bề mặt

I.4 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 nàythường phá hủy cấu trúc hiện có của vật chất Vì vậy bức xạ thường dùng để tiêu diệt cácthành phần không mong muốn trong thực phẩm như vi sinh vật, côn trùng,…Vì chiếu xạkhông chọn lọc nên các thành phần khác như dinh dưỡng, màu sắc, mùi vị cũng bị thayđổi theo, đây là điều không mong muốn Việc cần thiết là phải chọn loại bức xạ với liềulượng 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 hoásinh ra các gốc tự do như H hay OH., cơ chế như sau [2]

Các gốc tự do H hay OH không bền tiếp tục tương tác với các chất khác để quay lạitrạng 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 loạncấu trúc không gian, cắt mạch, ôxy hoá… Vì vậy các sản phẩm có độ khô cao như trái câykhô, trái cây ngâm đường ít nhạy với bức xạ, cần được xử lý với liều cao hơn

Hình I.1 Cơ chế sinh ra các gốc tự do

II Thiết bị xử lý thực phẩm bằng bức xạ [1] [3] [6]

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

là sự giảm của liều lượng bức xạ Đến khi liều lượng này giảm xuống dưới mức yêu cầucủa quy trình công nghệ thì phải loại bỏ, thay mới Vì vậy đó là một trong các thông số đểlựu chọn loại đồng vị phóng xạ phù hợp Lưu ý rằng sự bức xạ là liên tục theo thời gian,

kể cả lúc không vận hành Vì vậy phương án tận dụng năng luợng bức xạ cần được tínhđến

Phương trình sau mô tả sự liên hệ giữa năng lượng bức xạ theo thời gian

Chính vì các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có năng lượng phát xạ quá mạnh không thể

sử dụng vào mục đích dân dụng nên các đồng vị phóng xạ nhân tạo được sử dụng Cácđồng vị phóng xạ nhân tạo này là các nguyên tố có khối lượng nguyên tử trung bình ( từ

80 đến 130), các nguyên tố này trong tự nhiên có tồn tại đồng vị phóng xạ dạng vết Đểthu đồng vị phóng xạ, quặng của các nguyên tố này được đưa vào lò phản ứng hạt nhân.Chính vì cường độ bức xạ γ cao trong lò đã kích thích nguyên tử các đồng vị thường biếnđổi thành đồng vị phóng xạ Hiện tượng này gọi là bức xạ nhiễm xạ: tức là các chất bìnhthường (không bức xạ) sau một thời gian bị chiếu xạ thì biến đổi, có khả năng bức xạ lạimôi trường

Đặc điểm của các đồng vị phóng xạ γ là có chu kỳ bán rã dài (thường tính bằng năm)nên có thể sử dụng lâu dài

Hai đồng vị phóng xạ thường dùng là 60Co (T = 5.27 năm) và 137Cs ( T = 30 năm).Cường độ bức xạ của hai chất trên là Co: 2.8 triệu Bq/g và Cs:3 triệu Bq/g ( 1 Bq bằngmột 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 ởmức năng lượng bình thường có thể xuyên qua một tấm chì dày 5 cm hay một tấm nhômdày 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 βkhông 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 củađồng vị phóng xạ β

Phóng xạ β thường được sử dụng khi chỉ cần chiếu xạ bề mặt, không có khả năngxuyên sâu nên an toàn cho nguời vận hành Tuy nhiên độ xuyên sâu thấp làm giảm khảnăng xử lý các sản phẩm Phóng xạ β thường được dùng để xử lý bề mặt hay sử dụngcho các sản phẩm có hình dạng mỏng, phẳng

Bề sâu chiếu có thể ước lượng bằng công thức

Với d : bề sâu chiếu

E: năng lượng ( E= hν (với bức xạ γ) = e.U (với bức xạ β))

ρ: khối lượng riêng vật liệu

k: hệ số

Tóm lại nguồn đồng vị phóng xạ có các ưu điểm là đơn giản, không cần đến máy móc.Tuy nhiên có nhược điểm là nguy hiểm (phóng xạ γ) và thời gian sử dụng ngắn (phóng xạβ)

Sự giảm dần của năng lượng bức xạ theo thời gian

Hình II.1 Đồ thị cường độ chiếu xạ theo thời gianVới E: năng lượng bức xạ

t:: thời gian

b 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 gồmhai bản cực Cực âm là kim loại có khối lượng phân tử trung bình, có ái lực với electronthấp Dưới tác dụng của điện thế rất cao giữa hai bản cực (10 – 100 KV), các electron nàybật khỏi tấm kim loại và bay về phía bản cực dương Trên đường đi của electron, người tađặt các nam châm điện để định hướng lại quỹ đạo của electron bằng từ trường Việc địnhhướng này làm các electron không đập vào bản cực dương mà bay vào các ống địnhhướng 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 cựcdương 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,…Luồngelectron tốc độ cao mang năng lượng lớn sẽ bắn phá tế bào quang điện làm tế bào quangđiện phát ra các sóng điện từ có bước sóng cực ngắn Đó là tia Roetgen (hay tia X), cáctia 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 suấttạo bức xạ hãm thấp, chẳng hạn chì (Pb) có hiệu suất tạo bức xạ hãm là 8 % Phần lớnnăng lượng còn lại chuyển thành nhiệt lượng Vì vậy mảnh kim loại rất nóng, phải dùngnước để tản nhiệt

T1/2

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

• Đèn tử ngoại: đèn tử ngoại có cấu tạo giống đèn huỳnh quang dân dụng nhưngkhông có lớp huỳnh quang Khí trơ sử dụng trong đèn thường là Xe, Kr Ngoài ra đènthường có lớp kính lọc để lọc bớt các tia bức xạ khác và làm giảm cường độ chiếu xạ.Đèn tử ngoại đơn giản, dễ sử dụng, an toàn nên được sử dụng rộng rãi hơn so với cácloại máy tạo bức xạ khác Đèn tử ngoại nếu có cùng công suất với các nguồn bức xạ khácthì khả năng diệt khuẩn thấp Vì vậy đèn tử ngoại thường được dùng với công suất cao đểkết hợp hai mục đích diệt khuẩn và gia nhiệt Ưu điểm của phương pháp gia nhiệt bằng tửngoại là khả năng làm giảm lượng chất hữu cơ bay hơi do nhiệt Người ta ước tính gianhiệt bằng tia tử ngoại có thể làm giảm lượng chất hữu cơ bay hơi khoảng 100 lần

• Lò vi sóng: đây là các thiết bị gia nhiệt sử dụng vi sóng (microwave) Lò vi sónghoạt động trên nguyên tắc truyền dao động điện từ thành dao động vật chất của sảnphẩm Lò vi sóng không có tác dụng diệt khuẩn nhưng cũng có khả năng tiêu diệt một số

vi sinh vật có cấu tạo tế bào đơn giản, dễ vỡ Ưu điểm của lò vi sóng là hạn chế lượngchất dinh dưỡng mất mát so với các phương pháp gia nhiệt khác

• Một mô hình đang được nghiên cứu ứng dụng là mạch bức xạ Mạch bức xạ là cácống dẫn bức xạ từ lò phản ứng hạt nhân đến các cơ sở xử lý xung quanh Các ống dẫnnày có chứa hợp kim của kim loại nóng chảy như In – Ga, hay In – Mn Mạnh bức xạ tậndụng phần năng lượng dư thừa của nhà máy điện hạt nhân Công suất của mạch bức xạtương đối lớn (khoảng 5 % công suất của nhà máy điện hạt nhân đó) nên cần một năngsuất nhập liệu rất lớn (Một mạch bức xạ có thể xử lý với năng suất khoảng 100 lần so vớimột máy bức xạ bình thường) Ngoài ra những khó khăn trong khâu bảo đảm an toàn bức

xạ, việc phải sử dụng kim loại nóng chảy đã cản trở việc đưa mô hình này vào thực tế.Hiện nay trên thế giới có một mô hình thử nghiệm đặt tại Lithunia có công suất 300 kW

Hy vọng trong thời gian tới các nhà khoa học có thể tìm ra các chất dẫn truyền hiệu quả,khả thi, cùng với việc thiết kế một quy trình đạt mức an toàn cao nhất

Hình II.2 Mô hình máy gia tốc electron [6]1: cực âm, 2: cực dương, 3: nam châmđiện, 4: ống cathode (CRT)

Nhìn chung các máy tạo bức xạ cócác ưu điểm là công suất lớn, liều chiếulớn, hiệu suất cao và có định hướng Tuycần tiêu tốn năng lượng khi vận hànhnhưng ta có thể kiểm soát được liềulượng, cường độ và hướng chiếu xạ

So sánh hiệu suất sử dụng nănglượng nguồn bức xạ

Máy gia tốc electron

Nguồn bức xạ hãm

6650

Nguồn 60Co

Nguồn 137Cs

2520II.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 việcđiều 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 thườngdùng 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 đặctính 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 nguyhiểm

Hình II.1 Mô hình một thiết bị sử dụng đồng vị phóng xạ (1) [3]

1, Nơi chứa đồng vị phóng xạ 2, thiết bị điều khiển 3, băng chuyền nhập

liệu 4, băng chuyền tháo sản sản phẩm 5, nơi chứa nguyên liệu thô 6, nơi

chứa sản phẩm sau chiếu xạ, 7, tường bảo vệ bằng bê tông

Hình II.2 Mô hình thiết bị xử lý bằng bức xạ [6]

Hình II.3 Mô hình một thiết bị sử dụng đồng vị phóng xạ (2) [6]

1, Nơi chứa đồng vị phóng xạ 2, thiết bị điều khiển 3, băng chuyền nhập

liệu 4, băng chuyền tháo sản sản phẩm 5, nơi chứa nguyên liệu thô 6, nơi

chứa sản phẩm sau chiếu xạ, 7, tường bảo vệ bằng bê tông

Hình II.4 Mô hình một thiết bị sử dụng máy gia tốc electron (2) [6]

III Các quy trình xử lý bằng bức xạ trong công nghệ chế biến thực phẩm (rau quả) [1]

Mục đích của xử lý bằng bức xạ đối với thực phẩm chủ yếu để làm ngưng sự hoạtđộng sinh học của rau, củ, quả; cải thiện chất lượng, chống sâu bọ, khử trùng và tiệt trùng(tiêu diệt vi sinh vật), tăng thời gian bảo quản

Theo liều lượng người ta chia việc xử lý làm 3 loại

- Liều thấp (duới 1 kGy): sử dụng để hạn chế sự phát triển của rau, củ, làm chậm sựchín của trái và tiêu diệt côn trùng, ký sinh trùng như giun sán

- Liều trung bình (từ 1 – 10 kGy): sử dụng để kéo dài thời gian bảo quản của thựcphẩm, giảm sự lây nhiễm của vi sinh vật (vi sinh vật vẫn còn tồn tại), cải thiện một số tínhchất công nghệ

- Liều cao (từ 10 – 60 kGy): sử dụng để để tiệt trùng, tiêu diệt hầu hết vi sinh vật(bao gồm cả viruses), xử lý đồ hộp

Ngoài ra còn một cách phân biệt một số quá trình với các thuật ngữ sau (thuật ngữ nàykhông có thuật ngữ tiếng Việt tương đương)

- Radurization: xử lý liều từ 2 – 6 kGy, trong đó hàm lượng vi khuẩn giảm một cáchđáng kể, nhưng không bị diệt hoàn toàn Quá trình này tăng thời gian bảo quản lên từ 3 -5lần ở nhiệt độ từ 0 – 5 0C

- Radicadation: xử lý với liều tương tự như Radurization nhưng chỉ nhằm tiêu diệtmột số vi sinh vật gây bệnh chủ yếu

Thiết bị dùng máy gia

tốc electron

Băng chuyền

Tia bức xạ

- Radappertization: xử lý liều từ 30 – 50 kGy dùng để tiêu diệt hầu như hoàn toàn hệ

vi sinh vật trong thực phẩm, nhằm mục đích bảo quản lâu dài Phương pháp này sử dụngchủ yếu với thịt và các sản phẩm từ thịt, ít dùng cho bảo quản rau quả

Ứng dụng bức xạ trong môt số sản phẩm, quy trình [5]

Quy trình Liều chiếu (kGy) Thực phẩm Quốc gia sử dụng

Kéo dài thời

gian bảo quản

chai)

Gia vị, thịt đônglạnh, tôm đônglạnh

Trái cây tươi(40C )

Trái cây, lúa, bột

mì, hạt coca, thựcphẩm khô

Cà chua, tỏi,hành tây

Bỉ, Canada, Croatia, CH Séc, ĐanMạch, Phần Lan, Israel, Hàn Quốc,Mexico, Nam Phi, USA, Việt Nam

Hungary

Bỉ, Canada, Croatia, CH Séc, ĐanMạch, Phần Lan, Pháp, Iran, HàLan, Nam Phi, Thái Lan, Việt Nam

Trung Quốc, Pháp, Hà Lan, NamPhi, USA

Argentina, Brazil, Chile, TrungQuốc

Algeria, Bangladesh, Trung Quốc,Cuba

Một số quá trình ứng xử lý thực phẩm ứng dụng chiếu xạ và thời điểm bắt đầu (tại HoaKỳ) [5]

Thời điễm Sản phẩm Liều chiếu ( kGy) Ứng dụng

1997 Thực phẩm

đóng hộp

Tối thiểu 44 Tiệt trùng

III.1 Tác động của tia bức xạ lên thực phẩm và ứng dụng trong bảo quản rau quả [3]

a) Tiêu diệt vi sinh vật [3]

Tia bức xạ, đặc biệt là tia Roentgen và tia γ có khả năng xuyên sâu mạnh Bức xạ khitương tác với vật chất thì gây ion hoá Lợi dụng tính chất này, người ta xử dụng phươngpháp chiếu xạ để biến đổi chất hữu cơ trong tế bào gây ức chế hoặc tiêu diệt quá trìnhsống Đặc biệt đối với cơ thể đơn bào như vi sinh vật có thể bị bất hoạt hoặc chết ngaylập tức do sự thay đổi cấu trúc màng tế bào và tác động trực tiếp lên hệ enzyme Tuynhiên tác động quan trọng nhất của chiếu xạ là thay đổi cấu trúc DNA và RNA, ảnh hưởnglên quá trình tăng trưởng và phát triển của vi sinh vật Sự tác động này bắt đầu có hiệuquả sau khi chiếu xạ một thời gian ngắn, khi tế bào không thể tổng hợp enzyme và phânchia Tốc độ tiêu diệt tế bào phụ thuộc vào loại bức xạ, khả năng tác động và số lượng tếbào được chiếu xạ Sự nhạy cảm với chiếu xạ của vi sinh vật được đánh giá bằng chỉ số

D10 (liều lượng chiếu xạ cần để giảm lượng vi sinh xuống còn 10%) Số lượng vi sinh giảmtheo hàm log khi tăng lượng phát xạ, ngoại trừ những vi sinh vật có khả năng tái tạo lạiDNA sau khi bị chiếu xạ ( Hình III.1)

Ở đây, tế bào vi sinh vật càng nhỏ thì lượng phát xạ phải càng lớn do chúng hấp thu ítnăng lượng hơn các tế bào vi sinh vật lớn Trong đó virus có khả năng chịu đựng rất tốt vàhầu như không bị tiêu diệt bởi lượng chiếu xạ thường dùng trong sản xuất Dạng vi sinh

vật có bào tử (như Clostridium botulinum, Bacillus cereus ) và những loại vi sinh vật tái tạo lại DNA (như Deinococcus radiodurans ) có khả năng chống xạ tốt hơn những loại khác.

Để tiêu diệt vi sinh vật trong rau quả ta cần sử dụng tia Roentgen hay tia γ có độ xuyênsâu cao, nhất là các sản phẩm có kích thước to Các loại quả nhỏ hay rau có thể dùng tia

β hay đèn tử ngoại là đủ hiệu quả

Nhìn chung tiệt trùng bằng chiếu xạ trong bảo quản thực phẩm thì tuỳ thuộc vàotừng loại sản phẩm và loại vi sinh vật có trong đó

Đồ thị thể hiện hàm lượng vi sinh vật khi xử lý với các liều lượng khác nhau

Hình III.1 Tỉ lệ vi sinh vật còn sống sót sau khi xử lý bức xạ trên rau quả

A: Pseudomonas sp - B: Salmonella sp - C: Bacillus cereus - D: Deinococcus