辐照杀菌技术-华南理工大学研究生课程课件 2014

1、South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术辐照杀菌技术辐照杀菌技术家庭作业家庭作业2（上台发言，各选（上台发言，各选2题准备）：题准备）： 何为辐照？为什么辐照能杀灭微生物？辐射源有哪何为辐照？为什么辐照能杀灭微生物？辐射源有哪些？各有哪些利弊？些？各有哪些利弊？ 设计一套辐照处理系统，请注意系统安全性。设计一套辐照处理系统，请注意系统安全性。 辐照技术在我国的使用情况如何？广州的周边有辐辐照技术在我国的使用情况如何？广州的周边有辐照设备吗？请调研。照设备吗？请调研。 辐照技术是否是安全的？各国各有哪些政策支持或辐照技术是否是安全的

2、？各国各有哪些政策支持或者反对使用辐照技术。你是否愿意食用辐照食品？者反对使用辐照技术。你是否愿意食用辐照食品？South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术一、辐照杀菌技术的概念与特点一、辐照杀菌技术的概念与特点 利用电磁射线、加速电子照射被杀菌的物料从而利用电磁射线、加速电子照射被杀菌的物料从而杀死微生物的一种杀菌技术杀死微生物的一种杀菌技术电离辐照：如电离辐照：如射线、加速电子射线、加速电子非电离辐照：如紫外线、红外线和微波非电离辐照：如紫外线、红外线和微波电磁波波谱图电磁波波谱图u无线电波可以人工制造，由振荡电路中自由电子的周期

3、性运动产生。无线电波可以人工制造，由振荡电路中自由电子的周期性运动产生。u红外线、可见光、紫外线；红外线、可见光、紫外线；x射线、射线、射线分别是原子的振动、原子的外层射线分别是原子的振动、原子的外层电子、内层电子和原子核受激发后跃迁产生的。电子、内层电子和原子核受激发后跃迁产生的。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术发展概况发展概况 1895年伦琴发现年伦琴发现X射线，第二年贝克勒尔就提出射线，第二年贝克勒尔就提出X射线射线灭菌，并于灭菌，并于1898年首次证明年首次证明X射线对病原菌致死效应。射线对病原菌致死效应。 192

4、1年斯彻瓦茨年斯彻瓦茨(Schwatx)使用使用X射线杀死生猪肉中的射线杀死生猪肉中的旋毛虫旋毛虫(Trichinella，spiralis）并获得美国专利。）并获得美国专利。 1930年乌斯特年乌斯特(Wust）证实）证实“将食品包装在密封金属罐将食品包装在密封金属罐中，再用强力伦琴射线照射可杀灭所有细菌中，再用强力伦琴射线照射可杀灭所有细菌”，获得法，获得法国专利。国专利。 第二次世界大战后，放射性同位素的大量应用和电子加第二次世界大战后，放射性同位素的大量应用和电子加速器等机械辐射源的问世，促进了辐照技术的发展。速器等机械辐射源的问世，促进了辐照技术的发展。South China Uni

5、versity of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术u1953年，美国艾森豪威尔总统强调美国的外交政策是年，美国艾森豪威尔总统强调美国的外交政策是“原子原子能为和平能为和平”，促使美国军方深人研究食品辐照。，促使美国军方深人研究食品辐照。u1957年，由陆军司令部特种部队负责组织，年，由陆军司令部特种部队负责组织，90个大学、政个大学、政府与工业部门参加的一项为期府与工业部门参加的一项为期6年的辐照食品研究计划启动，年的辐照食品研究计划启动，政府每年资助政府每年资助600万美元。万美元。u1960年，美国已有辐照食品在军队试用，并对辐照食品进行年，美国已有辐照食品在军队试

6、用，并对辐照食品进行了长达了长达10年的安全性试验。年的安全性试验。u1963年，在美国军方年，在美国军方Natick实验室举行了首次辐照食品国际实验室举行了首次辐照食品国际会议。会议。u前苏联最早允许钴前苏联最早允许钴60用于抑制马铃薯发芽用于抑制马铃薯发芽(0.1kGy)和谷类杀和谷类杀菌菌 (0.3kGy)；u1960加拿大允许钴加拿大允许钴60 (0.1kGy)用于抑制马铃薯发芽。加拿用于抑制马铃薯发芽。加拿大也是钴大也是钴60辐照装置输出强国，辐照装置输出强国，1965年建立起世界上最大年建立起世界上最大的马铃薯辐照工厂。的马铃薯辐照工厂。 South China Universit

7、y of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术u1970年联合国粮农组织（年联合国粮农组织（FAO）、国际原子能机构）、国际原子能机构(IAEA)和世界卫生组织和世界卫生组织(WHO）的专家在日内瓦会议上）的专家在日内瓦会议上确立了食品辐照领域的国际计划（简称确立了食品辐照领域的国际计划（简称IMP）；）；1976对对几种辐照食品的安全性进行了评定，认为几种辐照食品的安全性进行了评定，认为5种辐照产品种辐照产品（即马铃薯、小麦、鸡肉、木瓜和草莓）绝对安全。（即马铃薯、小麦、鸡肉、木瓜和草莓）绝对安全。u会议认为食品辐照是一种物理加工过程，而不是化学添会议认为食品辐照是一种物理加

8、工过程，而不是化学添加剂；只要证明辐照食品安全无毒害，与其营养组成类加剂；只要证明辐照食品安全无毒害，与其营养组成类似的食品经过辐照后，也能可靠地推断它是安全的；同似的食品经过辐照后，也能可靠地推断它是安全的；同一食品若高剂量辐照是安全的，则可推断低剂量辐照也一食品若高剂量辐照是安全的，则可推断低剂量辐照也是安全的。是安全的。 South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术u目前全世界已有超过目前全世界已有超过55个国家将辐照杀菌技术用于个国家将辐照杀菌技术用于医疗用品和医药制品的杀菌，超过医疗用品和医药制品的杀菌，超过60的一次性医的

9、一次性医疗用品是采用辐照杀菌技术进行杀菌的。疗用品是采用辐照杀菌技术进行杀菌的。u我国开展医疗用品辐照杀菌研究始于我国开展医疗用品辐照杀菌研究始于1983年，目前年，目前医疗用品的辐照杀菌已实现商业规模生产，并已基本医疗用品的辐照杀菌已实现商业规模生产，并已基本和国际接轨。和国际接轨。 South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术u据美国统计，据美国统计，1978年世界用于辐照消毒灭菌的钴年世界用于辐照消毒灭菌的钴60工厂工厂有有80家，其中家，其中60家用于医疗消毒，到家用于医疗消毒，到1984年发展至年发展至120家；家；1988

10、年达年达182家，全世界辐照食品产量约家，全世界辐照食品产量约50万吨。万吨。u欧洲、加拿大等地区和国家注重于热带水果、蔬菜和水产欧洲、加拿大等地区和国家注重于热带水果、蔬菜和水产品等的低剂量辐照计划。品等的低剂量辐照计划。u以亚洲热带地区为中心的各国鱼类和鱼类制品的辐照也作以亚洲热带地区为中心的各国鱼类和鱼类制品的辐照也作为国际原子能机构的地区性规划（简称为国际原子能机构的地区性规划（简称RPF)在进行大力在进行大力研究，以延长鲜鱼和加工鱼（干鱼、烧鱼）的保质期。研究，以延长鲜鱼和加工鱼（干鱼、烧鱼）的保质期。South China University of Technology食品非热灭

11、菌技术食品非热灭菌技术辐照杀菌的优越性辐照杀菌的优越性升温很小，常温灭菌；升温很小，常温灭菌；电离辐照射线穿透性强，快速、均匀、较深地照射物料，杀菌效电离辐照射线穿透性强，快速、均匀、较深地照射物料，杀菌效果好；果好；辐照杀菌较热杀菌更易准确控制，通过调整辐照剂量即可达到多辐照杀菌较热杀菌更易准确控制，通过调整辐照剂量即可达到多类食品的杀菌要求；类食品的杀菌要求；可在有（非金属）包装的情况下进行杀菌；可在有（非金属）包装的情况下进行杀菌；辐照处理后不会留下任何残留物，这是化学杀菌难以比拟的；辐照处理后不会留下任何残留物，这是化学杀菌难以比拟的；节约能源。据国际原子能机构节约能源。据国际原子能机

12、构( IAEA）报告，加热巴氏杀菌耗能）报告，加热巴氏杀菌耗能为为230kWh/t，加热杀菌为，加热杀菌为300kWh/t，而辐照杀菌只要，而辐照杀菌只要6.3kWh/t，辐照巴氏杀菌仅需，辐照巴氏杀菌仅需0.76 kWh/t 。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术辐照杀菌技术缺陷辐照杀菌技术缺陷 电离辐照需要专门辐射源，设备投资较大；电离辐照需要专门辐射源，设备投资较大； 放射线对人体有影响，要十分注意防护措施及辐照源的放射线对人体有影响，要十分注意防护措施及辐照源的遮蔽间题；遮蔽间题； 辐照的灭酶效果不好；辐照的灭酶效果不

13、好； 辐照后物料的化学变化程度与其对辐照的敏感性及辐照辐照后物料的化学变化程度与其对辐照的敏感性及辐照剂量有关，需对适宜辐照的物料种类及其辐照剂量进行剂量有关，需对适宜辐照的物料种类及其辐照剂量进行选择和控制；选择和控制； 由辐照所导致的食品在安全、卫生和毒理等方面的其他由辐照所导致的食品在安全、卫生和毒理等方面的其他间题需进一步研究间题需进一步研究。 食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术辐照量单位与剂量辐照量单位与剂量1放射性强度与放射性比度放射性强度与放射性比度 度量放射性物质放射性强弱的物理量称放射性强度，也度量放射性物质放射性强弱的物理量称放射性强度，也称放射性活度。单位有居里（称放射性活

14、度。单位有居里（Ci），贝可（），贝可（Bq）和克镭）和克镭当量。当量。 若放射性同位素每秒有若放射性同位素每秒有3.71010次核衰变，则它的放射次核衰变，则它的放射性强度为性强度为1居里（居里（Ci）。实验测定，）。实验测定，lg镭镭ls就有就有3.711010个原子核衰变。此外，放射性强度也可用毫个原子核衰变。此外，放射性强度也可用毫居里（居里（mCi）或微居里（）或微居里（Ci）表示。）表示。 1974年由国际辐射单位与测量委员会（年由国际辐射单位与测量委员会（ICRU）提议，）提议，经第经第15次国际度量衡大会（次国际度量衡大会（CGPM）批准，放射性强度）批准，放射性强度的单位改为

15、贝可（的单位改为贝可（Bq），），1Bq表示放射性同位素每秒有表示放射性同位素每秒有一个原子核衰变，即一个原子核衰变，即 1Bq=1s-1=2.07310-11CiSouth China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术辐射源和辐射源和1g镭（密封在镭（密封在0.5mm厚的铂滤片内）厚的铂滤片内）在同样条件下所起的电离作用相等时，其放射性在同样条件下所起的电离作用相等时，其放射性强度就称为强度就称为1g镭当量。镭当量。辐射源放射性强度的毫居里与毫克镭当量之间辐射源放射性强度的毫居里与毫克镭当量之间可通过常数可通过常数K进行换算。进行换算。K表示每

16、毫居里的任何表示每毫居里的任何辐射源在辐射源在lh内给予相距内给予相距1cm处的空气的剂量。处的空气的剂量。 钴钴60K13.2，铯，铯137K3.55，镭，镭K8.25。则则lmCi钴钴60辐射源相当于毫克镭当量的值是辐射源相当于毫克镭当量的值是13.28.25=1.60。同理，。同理，lmCi铯铯137辐射源相当于毫辐射源相当于毫克镭当量的值是克镭当量的值是3.558.25=0.43。 South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术照射量照射量u照射量是用来度量照射量是用来度量射线或射线或x射线在空气中的电射线在空气中的电离能力的物

17、理量，以往使用的单位为伦琴（简离能力的物理量，以往使用的单位为伦琴（简写写R），现国际单位制所采用的单位为库仑），现国际单位制所采用的单位为库仑/千千克（克（C/kg），），1R2.58 10-4 Ckg。u在标准状态下（在标准状态下（101.325kPa，0），），l cm3的的干燥空气（干燥空气（0.001 293g）在）在射线或射线或X射线照射射线照射下，生成的正负离子电荷分别为下，生成的正负离子电荷分别为1静电单位时的静电单位时的照射量即为照射量即为1R。一个单一电荷离子的电量为。一个单一电荷离子的电量为4.8010-10e. s. u.，所以，所以1R能使能使1cm3的空气产的空气产

18、生生2.0810-9个离子对。个离子对。 South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术吸收剂量吸收剂量 被照射物质所吸收的射线能量称为吸收剂量，被照射物质所吸收的射线能量称为吸收剂量，其单位曾为拉德（其单位曾为拉德（rad），现采用单位为戈瑞），现采用单位为戈瑞（Gy）。）。 1g任何物质吸收的射线能量为任何物质吸收的射线能量为100尔格（尔格（erg）或或6.241013eV，则吸收剂量为，则吸收剂量为l rad， 1 rad=100 ergg6.241013eV/g 戈端与拉德的关系是戈端与拉德的关系是 1Gy= l00 rad=

19、1 J/kg 单位质量的被照射物质在单位时间内所吸收单位质量的被照射物质在单位时间内所吸收的能量称为剂量率。的能量称为剂量率。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术二、辐照杀菌的基本原理二、辐照杀菌的基本原理 辐射线的产生及其特性辐射线的产生及其特性 同位素：同一元素质子数相同而中子数不同。同位素：同一元素质子数相同而中子数不同。 在质子数低的天然同位素中，中子数和质子数大致相等，在质子数低的天然同位素中，中子数和质子数大致相等，往往是稳定的。往往是稳定的。 有些同位素质子数和中子数差异较大，其原子核不稳定，有些同位素质子数和中

20、子数差异较大，其原子核不稳定，它们将按照指数规律衰变。它们将按照指数规律衰变。 自然界存在着一些天然的不稳定同位素，也有一些不稳自然界存在着一些天然的不稳定同位素，也有一些不稳定同位素是利用原子反应堆或粒子加速器等人工制造。定同位素是利用原子反应堆或粒子加速器等人工制造。 在不稳定同位素的衰变过程中伴有各种辐射线产生，这在不稳定同位素的衰变过程中伴有各种辐射线产生，这些不稳定同位素称为放射性同位素。些不稳定同位素称为放射性同位素。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术 大多数放射性同位素能放射出大多数放射性同位素能放射出射线、射

21、线、（+及及-）射线和）射线和射线，射线，放射的过程称为辐射。放射的过程称为辐射。u 射线：从原子核中射出的带正电的高速粒子流，其质量是氢原子质射线：从原子核中射出的带正电的高速粒子流，其质量是氢原子质量的量的4倍，射线的动能可达几兆电子伏特（倍，射线的动能可达几兆电子伏特（eV)以上，但由于以上，但由于粒子的粒子的质量比电子大得多，通过物质时极易使其中的原子电离而损失能量，质量比电子大得多，通过物质时极易使其中的原子电离而损失能量，所以它穿透物质的能力很小，易为薄层物质（如一片纸）所阻挡。所以它穿透物质的能力很小，易为薄层物质（如一片纸）所阻挡。u 射线：从原子核中射出的高速电子流（或正电子

22、流），其电子的动射线：从原子核中射出的高速电子流（或正电子流），其电子的动能可达几兆电子伏特以上。由于电子的质量小，速度大，故穿透物质能可达几兆电子伏特以上。由于电子的质量小，速度大，故穿透物质的本领比的本领比射线强得多，但仍比射线强得多，但仍比射线差不少。射线差不少。u 射线：波长非常短（波长射线：波长非常短（波长0. 001l nm)的电磁波束（或称光子流），的电磁波束（或称光子流），它是原子核从高能态跃迁到低能态时放射出的一种光子流。它是原子核从高能态跃迁到低能态时放射出的一种光子流。射线的射线的能量可高达几十万电子伏特以上，穿透物质的能力很强，但其电离能能量可高达几十万电子伏特以上，穿

23、透物质的能力很强，但其电离能力较力较射线、射线、射线小。射线小。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术 可见光、紫外光、可见光、紫外光、X射线和射线和射线都是由光子组成射线都是由光子组成的光子流，它们的区别在于光子能量不同，的光子流，它们的区别在于光子能量不同，射射线能量最大，约为几十万电子伏特以上，而平常线能量最大，约为几十万电子伏特以上，而平常可见光只有几个电子伏特。可见光只有几个电子伏特。u电离能力电离能力: 射线射线射线射线射线射线u穿透能力穿透能力: 射线最强射线最强射线射线射线射线South China Univer

24、sity of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术 采用电子加速器产生的电子射线又称电子流或电采用电子加速器产生的电子射线又称电子流或电子束，也具有很高的能量，穿透能力也很强。电子束，也具有很高的能量，穿透能力也很强。电子加速器可作为电子射线和子加速器可作为电子射线和X射线两用辐射源。射线两用辐射源。 电子加速器用于辐照保藏食品时，为保证制品的电子加速器用于辐照保藏食品时，为保证制品的安全性，电子加速器的能量多数是用安全性，电子加速器的能量多数是用5MeV，个，个别用别用l0MeV。如果将电子射线转换为。如果将电子射线转换为X射线使用时，射线使用时，X射线的能量也要控制在不超

25、过射线的能量也要控制在不超过5MeV 。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术辐射源 辐射源是指能放射出射线的物质及其装置。电辐射源是指能放射出射线的物质及其装置。电离辐照的辐照源有两类离辐照的辐照源有两类: 一类是放射性同位素辐射源，钴一类是放射性同位素辐射源，钴60，铯，铯137 另一类是电子加速器另一类是电子加速器,利用电磁场使电子获得较利用电磁场使电子获得较高的能量，并将电能转变成射线（高能电子束高的能量，并将电能转变成射线（高能电子束射线、射线、X射线）能的装置。射线）能的装置。 South China Univers

26、ity of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术钴60 (60 Co)辐射源 钴钴60辐射源在自然界中不存在，是由人工制备辐射源在自然界中不存在，是由人工制备的一种同位素源。的一种同位素源。 制备钴制备钴60辐射源的方法就是将自然界存在的稳辐射源的方法就是将自然界存在的稳定同位素钴定同位素钴59金属根据使用需要制成不同形状金属根据使用需要制成不同形状（如棒形、长方形、薄片形、颗粒形、圆筒（如棒形、长方形、薄片形、颗粒形、圆筒形），置于反应堆活性区，经中子一定时间的形），置于反应堆活性区，经中子一定时间的照射，少量钴照射，少量钴59原子吸收一个中子后即生成钴原子吸收一个中子后即

27、生成钴60辐射源，其核反应辐射源，其核反应South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术u每克钴每克钴59照射样品中所生成的钴照射样品中所生成的钴60的贝可（即放射性比的贝可（即放射性比度）正比于反应堆的中子通量，并随照射时间的增长而提度）正比于反应堆的中子通量，并随照射时间的增长而提高。而在反应堆中生成的钴高。而在反应堆中生成的钴60辐射源也同时在进行衰变。辐射源也同时在进行衰变。因此对应于一定量的中子，钴因此对应于一定量的中子，钴60辐射源的比度趋于一极限辐射源的比度趋于一极限值时，生成的与衰变的钴值时，生成的与衰变的钴60辐射源正

28、好相等。辐射源正好相等。u钴钴60的半衰期为的半衰期为5.25年年，可在较长时间内稳定使用；可按，可在较长时间内稳定使用；可按使用需要制成不同形状，便于生产、操作与维护。使用需要制成不同形状，便于生产、操作与维护。u钴钴60辐射源在衰变过程中每个原子核放射出辐射源在衰变过程中每个原子核放射出1个个粒子和粒子和2个个光子最后变成稳定同位素镍。光子最后变成稳定同位素镍。粒子能量较低粒子能量较低(0. 306 MeV)，穿透力较弱，对辐照物质不起作用，而两个，穿透力较弱，对辐照物质不起作用，而两个光子光子能量较高，分别为能量较高，分别为1. 17MeV和和1.33 MeV，穿透力很强，穿透力很强，中

29、能引起物质内部发生物理和化学变化。中能引起物质内部发生物理和化学变化。 South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术u目前钴目前钴60是使用最广泛的放射性核素是使用最广泛的放射性核素辐射源。辐射源。产量最大的国家是加拿大，其次是俄罗斯、美国、产量最大的国家是加拿大，其次是俄罗斯、美国、英国和中国等。英国和中国等。u国际市场对钴国际市场对钴60的需求量的总形势是供不应求。的需求量的总形势是供不应求。据预测，今后世界对钴据预测，今后世界对钴60的需求量还将继续增长的需求量还将继续增长（估计年增长率（估计年增长率10），特别是用在医疗用品辐

30、），特别是用在医疗用品辐射灭菌消毒方面。加拿大作为世界上钴射灭菌消毒方面。加拿大作为世界上钴60最大的最大的生产供应国，其产量占国际市场的生产供应国，其产量占国际市场的90。 South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术铯137（137Cs）辐射源u铯铯137大量存在于核燃料后处理厂的高放射性废大量存在于核燃料后处理厂的高放射性废液之中，可由核燃料的废液、渣滓中抽提制得，液之中，可由核燃料的废液、渣滓中抽提制得，是一种重要的裂变产物。是一种重要的裂变产物。u一座一座1106kW的核电站每年将产生的核电站每年将产生1111015Bq（3

31、106Ci）的铯）的铯137。u铯铯137中一般都含有一定量的铯中一般都含有一定量的铯134。可用稳定。可用稳定的铯作载体制成硫酸铯的铯作载体制成硫酸铯137或氯化铯或氯化铯137。u为提高放射性比度，往往把粉末状铯为提高放射性比度，往往把粉末状铯137加压制加压制成小弹丸，再装入不锈钢套管内双层封焊成小弹丸，再装入不锈钢套管内双层封焊 。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术铯铯137的半衰期长（的半衰期长（30年），年），射线能量较低而易射线能量较低而易于防护，可制成移动式辐射装置。但是铯于防护，可制成移动式辐射装置。但是铯

32、137的的射线能量为射线能量为0.66Mev，欲达到与钴，欲达到与钴60相同的功率，相同的功率，需要的贝可为钴需要的贝可为钴60的的4倍。倍。尽管铯尽管铯137是废物利用，但分离麻烦，成本高。是废物利用，但分离麻烦，成本高。铯铯137的化学形态一般难于处理。的化学形态一般难于处理。铯铯137由于自吸收导致内热很高，辐射源元件放由于自吸收导致内热很高，辐射源元件放入水池中可能发生严重污染，世界上只有少数几入水池中可能发生严重污染，世界上只有少数几座高活度铯座高活度铯137装置在试验性运行。装置在试验性运行。铯铯137的应用远不如钴的应用远不如钴60广泛广泛。 South China Univer

33、sity of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术电子束射线电子束射线 电子束射线又称电子流或电子束，其能量越高，穿透能电子束射线又称电子流或电子束，其能量越高，穿透能力就越强。电子的穿透能力用电子的射程来表示，它是力就越强。电子的穿透能力用电子的射程来表示，它是能量的函数。能量的函数。 电子加速器产生的电子流强度大，剂量率高，聚焦性能电子加速器产生的电子流强度大，剂量率高，聚焦性能好，并且可以调节和定向控制，便于改变穿透距离、方好，并且可以调节和定向控制，便于改变穿透距离、方向和剂量率。向和剂量率。 加速器可在任何时候启动与停机，停机后即不再产生辐加速器可在任何时候启动与停

34、机，停机后即不再产生辐射，且无放射性沾污，便于检修；射，且无放射性沾污，便于检修； 电子束射线的射程短，穿透能力差，一般只适用于食品电子束射线的射程短，穿透能力差，一般只适用于食品表层的辐照。表层的辐照。 South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术x射线射线 x射线可以通过韧致辐射、同步加速器辐射和坎射线可以通过韧致辐射、同步加速器辐射和坎普敦散射三种方法产生，辐射处理中常使用韧普敦散射三种方法产生，辐射处理中常使用韧致辐射产生致辐射产生x射线。射线。 韧致辐射（韧致辐射（bremsstrahlung）一词来自于德语）一词来自于德语

35、的的“阻断阻断”（brems）“辐射辐射”（strahlung）。）。韧致辐射韧致辐射X射线一般是通过加速器产生的高能电射线一般是通过加速器产生的高能电子束打击在重金属（通常为铅）靶子上，产生子束打击在重金属（通常为铅）靶子上，产生宽光子能量谱的宽光子能量谱的X射线。射线。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术u电子加速器转换电子加速器转换X射线的效率比较低，当入射电射线的效率比较低，当入射电子的能量更低时转换效率就更小。绝大部分电子子的能量更低时转换效率就更小。绝大部分电子的能量都转化为热，因此要求靶子能耐热，并应的能量都转化

36、为热，因此要求靶子能耐热，并应加以适当的冷却。加以适当的冷却。u在入射电子能量很低时，所产生的在入射电子能量很低时，所产生的X射线是向四射线是向四面八方发射的，各方向分布的几乎差不多。随着面八方发射的，各方向分布的几乎差不多。随着电子能量增大，逐渐倾向前方。电子能量增大，逐渐倾向前方。u X射线具有高穿透能力，可以用于辐照处理射线具有高穿透能力，可以用于辐照处理。但。但由于电子加速器作由于电子加速器作X射线源效率低，而且能量中射线源效率低，而且能量中已含大量低能部分，难以均匀地照射大体积样品，已含大量低能部分，难以均匀地照射大体积样品，故在辐照杀菌应用中不太广泛。故在辐照杀菌应用中不太广泛。

37、图图2-2 连续式钴连续式钴60 辐照装置辐照装置1一辐射源贮藏池，一辐射源贮藏池，2一辐射源架，一辐射源架，3一辐照室，一辐照室，4一辐照室保护壳；一辐照室保护壳；5一运输带；一运输带；6一液压缸，一液压缸，7一辐射源升降机械，一辐射源升降机械， 8一水圆柱体；一水圆柱体；9一空气压缩机，一空气压缩机，10一控制台，一控制台，11一回转运输带一回转运输带 图图2-3 连续式电子束辐射源辐照装置示意连续式电子束辐射源辐照装置示意1一加速器；一加速器；2一扫描腔筒；一扫描腔筒；3一掩埋土；一掩埋土；4一产品运一产品运出；出；5一机械控制；一机械控制； 6一控制室，一控制室，7一产品运进；一产品运

38、进；8一一放射量测定；放射量测定；9一运输带一运输带单板六通道步进辐照装置单板双层多道步进辐照装置的概貌电子加速器韧致辐照装置概念设计图柜式传输多道步进辐照装置示意图双板五道步进辐照装置用于X射线灭菌的二通道传输系统South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术三、辐照的效应及辐照的杀菌作用辐照的物理学效应辐照的物理学效应X射线和射线和射线与物质的作用射线与物质的作用 X射线、射线、射线都是高能电磁辐射线，它们又常射线都是高能电磁辐射线，它们又常被称为被称为“光子光子”，当与被照射物（如食品、微，当与被照射物（如食品、微生物、昆虫和包装

39、材料）原子中的电子相遇，生物、昆虫和包装材料）原子中的电子相遇，光子有时会把其全部能量（光子有时会把其全部能量（h）交给电子（光）交给电子（光子被吸收），使电子脱离原子成为光电子（子被吸收），使电子脱离原子成为光电子（e） h M M+ + e 式中，式中，hv代表代表X射线和射线和射线的光子；射线的光子；M和和M代代表物质的原子和离子；表物质的原子和离子；e代表光电子。代表光电子。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术u 如果射线的光子与被照射物的电子发生弹性碰撞，则当如果射线的光子与被照射物的电子发生弹性碰撞，则当光子的能量

40、略大于电子在原子中的结合能时，光子就会把光子的能量略大于电子在原子中的结合能时，光子就会把部分能量传递给电子，其自身的运动方向发生偏转，朝着部分能量传递给电子，其自身的运动方向发生偏转，朝着另一方向散射，而获得能量的电子（也称次电子、康普顿另一方向散射，而获得能量的电子（也称次电子、康普顿电子）则从原子中逸出，上述过程称康普顿散射电子）则从原子中逸出，上述过程称康普顿散射（Compton scattering）。）。u用钴用钴60射线辐射时，射出的康普顿电子的平均能量为入射线辐射时，射出的康普顿电子的平均能量为入射光子的一半，射出的电子沿其轨迹，不加选择地激发或射光子的一半，射出的电子沿其轨迹

41、，不加选择地激发或电离分子而失去自身能量。对钴电离分子而失去自身能量。对钴60射线产生的电子，这射线产生的电子，这一轨迹平均为一轨迹平均为lmm左右，每一次康普顿散射产生的电子可左右，每一次康普顿散射产生的电子可产生上万次的激发和电离。产生上万次的激发和电离。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术 当射线的光子能量较高时，光子在原子核库仑场的作用下当射线的光子能量较高时，光子在原子核库仑场的作用下会产生电子和正电子对，正电子对和一个电子结合而消失，会产生电子和正电子对，正电子对和一个电子结合而消失，产生湮没辐射，这种湮没辐射含有

42、两个光子，每个光子的产生湮没辐射，这种湮没辐射含有两个光子，每个光子的能量为能量为0.51MeV。电子对的形成必须在射线能量大于。电子对的形成必须在射线能量大于1.02MeV时才产生，即光子的能量必须大于与正电子和电时才产生，即光子的能量必须大于与正电子和电子的静止质量所相当的能量。光子的能量越大，电子对的子的静止质量所相当的能量。光子的能量越大，电子对的形成越显著。形成越显著。 当射线能量低时，以形成光电子为主，射线能量高时，则当射线能量低时，以形成光电子为主，射线能量高时，则几乎全部形成电子、正电子对；射线能量中等时，主要形几乎全部形成电子、正电子对；射线能量中等时，主要形成康普顿电子。成

43、康普顿电子。 如果如果射线和射线和X射线的能量大于某一阈值时，这一能量就射线的能量大于某一阈值时，这一能量就会和某些原子核作用射出中子或其他粒子，因而使被照射会和某些原子核作用射出中子或其他粒子，因而使被照射物产生了诱发放射性。能否产生这种诱发放射性，取决于物产生了诱发放射性。能否产生这种诱发放射性，取决于射线的能量和被辐照物质的性质。如稳定同位几素射线的能量和被辐照物质的性质。如稳定同位几素14N在在能量为能量为10.5MeV的的射线照射下会射出中子，同时产生氮射线照射下会射出中子，同时产生氮的放射性同位素；的放射性同位素；12C在能量为在能量为18.5MeV的的射线照射下射线照射下可被诱发

44、产生放射线；可被诱发产生放射线；16O在能量为在能量为15.5MeV的的射线照射线照射下也可产生诱发放射线。射下也可产生诱发放射线。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术电子射线的作用 当辐射源射出的电子射线（高速电子流）通过被照射物当辐射源射出的电子射线（高速电子流）通过被照射物时，将受到原子核库仑场的作用，会发生没有能量损失时，将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。库仑散射在多次发生、甚至经过的偏转，称库仑散射。库仑散射在多次发生、甚至经过多次散射后，带电粒子还可折返回去，发生多次散射后，带电粒子还

45、可折返回去，发生“反向散反向散射射”。 能量不高的电子射线能把自己的能量传递给被照射物质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激发。若受到激发的电子已达到连原子中的电子并使之激发。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；电子射线能量越低，（物理学称线性能量传递）越低；电子射线能量越低，在其电子径迹上电离损耗能量比率反而越高。在其电子径迹上电离损耗能量比率反而越高。 S

46、outh China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术辐照的化学效应 辐照化学效应的强弱常用辐照化学效应的强弱常用G表示。它是指介质中每吸收表示。它是指介质中每吸收l00eV能量而分解或形成的物质（分子、原子、离子或能量而分解或形成的物质（分子、原子、离子或原子团等）的数目，即辐射产额。如麦芽糖溶液经过辐原子团等）的数目，即辐射产额。如麦芽糖溶液经过辐照发生降解的照发生降解的G值为值为4.0，则表示麦芽糖溶液每吸收，则表示麦芽糖溶液每吸收100eV的辐射能，就有的辐射能，就有4个麦芽糖分子发生降解。不同个麦芽糖分子发生降解。不同介质的介质的G值可

47、能相差很大。值可能相差很大。G值大，辐照引起的化学效值大，辐照引起的化学效应较强烈；应较强烈；G值相同时，吸收剂量大者引起的化学效应值相同时，吸收剂量大者引起的化学效应较强烈。较强烈。 食品及其他生物有机体的主要化学组成是水、蛋白质、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，这些化学物质分子在射线的辐糖类、脂类及维生素等，这些化学物质分子在射线的辐照下会发生一系列的化学变化。照下会发生一系列的化学变化。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术食品辐照加工技术South China University

48、of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术u用于食品的辐射都属于电离辐射。用于食品的辐射都属于电离辐射。u当物质吸收的辐射能达到某一临界值时，核外电子便当物质吸收的辐射能达到某一临界值时，核外电子便离开原子带负电荷，留下的原子带正电荷形成离开原子带负电荷，留下的原子带正电荷形成离子离子。u辐射作用于分子时，也可使其化学键发生断裂时，形辐射作用于分子时，也可使其化学键发生断裂时，形成成游离基游离基。u当能量不够大时，电离仅涉及原子的外层电子；但当当能量不够大时，电离仅涉及原子的外层电子；但当能量足够高时，可使内层电子甚至原子核受到作用，引起能量足够高时，可使内层电子甚至原子核受到

49、作用，引起原子核发生变化，导致生成另一种原子。在某些情况下，原子核发生变化，导致生成另一种原子。在某些情况下，新形成的原子具有放射性，称新形成的原子具有放射性，称“感生放射感生放射”。u在食品辐照中在食品辐照中不希望也不允许不希望也不允许使食品产生感生放射。使食品产生感生放射。一、辐照对食品中成分的影响一、辐照对食品中成分的影响South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术1、水分、水分u水分对辐射很敏感，辐射后最终形成氢和过氧化氢水分对辐射很敏感，辐射后最终形成氢和过氧化氢等，形成的机制很复杂，中间可形成离子、水合电子等，形成的机制很

50、复杂，中间可形成离子、水合电子（eaq） 、羟自由基（、羟自由基（OH）等。）等。u直接效应：直接效应：射线直接作用于水分本身和其它食品成射线直接作用于水分本身和其它食品成分产生的效应，如分产生的效应，如-射线与特殊的色素或蛋白质分子射线与特殊的色素或蛋白质分子直接撞击而引起色泽或组织的变化。直接撞击而引起色泽或组织的变化。u间接效应：间接效应：水分首先被激活，中间体与食品中的其水分首先被激活，中间体与食品中的其它成分（糖类、蛋白质、维生素等）发生反应。它成分（糖类、蛋白质、维生素等）发生反应。二、辐照对食品中成分的影响二、辐照对食品中成分的影响South China University o

51、f Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术u对于高水分食品，如新鲜水果、蔬菜、肉等，辐射对于高水分食品，如新鲜水果、蔬菜、肉等，辐射导致的大多数化学变化都是水分受辐照后产生的离子导致的大多数化学变化都是水分受辐照后产生的离子和自由基产生的间接效应。和自由基产生的间接效应。u对于干燥食品、配料的组分，主要化学变化是电离对于干燥食品、配料的组分，主要化学变化是电离引起的直接效应。引起的直接效应。u在冻结状态下：即使在在冻结状态下：即使在冻结水中也会产生游离基冻结水中也会产生游离基（

52、程度可能较轻），但是，冻结状态能阻止游离基的扩程度可能较轻），但是，冻结状态能阻止游离基的扩散和移动，降低了游离基与食品组分的接触几率，可散和移动，降低了游离基与食品组分的接触几率，可显著地约束间接作用对食品成分的影响。显著地约束间接作用对食品成分的影响。u所以，自由水是影响其辐照效果的重要因素。所以，自由水是影响其辐照效果的重要因素。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术2、氨基酸、氨基酸电离辐射对结晶氨基酸只有直接作用，但对氨基酸溶电离辐射对结晶氨基酸只有直接作用，但对氨基酸溶液则兼有直接和间接效应。液则兼有直接和间接效应。

53、1）电离辐射对）电离辐射对-氨基酸的变化主要有：氨基酸的变化主要有：脱氨基和脱羧基作用，产生脱氨基和脱羧基作用，产生NH3、CO2、胺、醛等、胺、醛等含含S氨基酸被氧化产生氨基酸被氧化产生H2S、单质、单质S或其它气态硫化物或其它气态硫化物含环氨基酸使环断裂含环氨基酸使环断裂2）食物中的氨基酸稳定性大于水溶液中的氨基酸食物中的氨基酸稳定性大于水溶液中的氨基酸，很，很大剂量才能破坏，一般食品辐照剂量对其影响小。大剂量才能破坏，一般食品辐照剂量对其影响小。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术3、蛋白质和酶、蛋白质和酶1）溶液中蛋白

54、质可出现如下变化）溶液中蛋白质可出现如下变化：u二硫键、氢键、盐键、醚键断裂，二、三级结构变化，变性二硫键、氢键、盐键、醚键断裂，二、三级结构变化，变性u一级结构改变，脱羧、脱氨、氧化（包括一级结构改变，脱羧、脱氨、氧化（包括-SH氧化）氧化）u分子间或分子内交联：分子间或分子内交联： -SH氧化形成二硫键，酪氨酸、苯丙氧化形成二硫键，酪氨酸、苯丙氨酸的苯环耦合，蛋白质凝聚，甚至出现不溶聚集体氨酸的苯环耦合，蛋白质凝聚，甚至出现不溶聚集体2）食品中的蛋白质）食品中的蛋白质u一般应用的剂量范围对其影响很小一般应用的剂量范围对其影响很小，不同蛋白质几乎一样，不同蛋白质几乎一样u高剂量会使食品产生色

55、香味的变化高剂量会使食品产生色香味的变化。 如如60kGy导致叶绿素破坏，肉中氧合肌红蛋白变成高铁肌红蛋白导致叶绿素破坏，肉中氧合肌红蛋白变成高铁肌红蛋白South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术3）酶）酶u同其它蛋白质一样，辐照可使其结构发生一定程度同其它蛋白质一样，辐照可使其结构发生一定程度变化，但变化，但目前采用剂量只会引起酶的轻微失活目前采用剂量只会引起酶的轻微失活。 如，过氧化氢酶在溶液中如，过氧化氢酶在溶液中0.2kGy即可使之失活，但在即可使之失活，但在马铃薯中马铃薯中44kGy才能使之失活。才能使之失活。u 对含有活

56、性酶的食品，如鲜肉、鱼、禽，在辐射处对含有活性酶的食品，如鲜肉、鱼、禽，在辐射处理之前需采取热处理使酶灭活理之前需采取热处理使酶灭活，以延长产品货架期。，以延长产品货架期。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术4、糖类、糖类u食品糖类对辐照相当稳定食品糖类对辐照相当稳定，还受蛋白质、氨基酸保护，还受蛋白质、氨基酸保护， 只有大剂量下才会氧化、分解只有大剂量下才会氧化、分解u在水溶液中稳定性比食品中差在水溶液中稳定性比食品中差u研究发现对低分子糖类进行辐照时，不管是固体状态还研究发现对低分子糖类进行辐照时，不管是固体状态还是水溶液

57、，是水溶液，随着辐照剂量的增加，都会出现旋光度降低、随着辐照剂量的增加，都会出现旋光度降低、褐变、还原性和吸收光谱变化等现象褐变、还原性和吸收光谱变化等现象，而且在辐照过程中，而且在辐照过程中还会有还会有H2、CO、CO2、CH4等气体生成。等气体生成。u葡萄糖降解葡萄糖降解：产生葡萄糖醛酸、葡萄糖酸、糖二酸、乙：产生葡萄糖醛酸、葡萄糖酸、糖二酸、乙二醛、阿拉伯糖、赤藓糖、甲醛、二羟丙酮等二醛、阿拉伯糖、赤藓糖、甲醛、二羟丙酮等South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术4、糖类、糖类u多糖类：经辐照后会发生熔点降低、旋光度降低、多糖

58、类：经辐照后会发生熔点降低、旋光度降低、吸收光谱变化、褐变和结构变化等现象。吸收光谱变化、褐变和结构变化等现象。在低于在低于200kGy的剂量下，淀粉粒结构几乎没有变化。但的剂量下，淀粉粒结构几乎没有变化。但直链淀粉、支链淀粉、葡聚糖及各种禾谷类、薯类直链淀粉、支链淀粉、葡聚糖及各种禾谷类、薯类等淀粉的等淀粉的相对分子质量和碳链的长度会降低相对分子质量和碳链的长度会降低。u高剂量可导致糖苷键断裂、产生葡萄糖、麦芽糖。高剂量可导致糖苷键断裂、产生葡萄糖、麦芽糖。u小麦、大麦、玉米、大米、马铃薯、大豆等的淀粉小麦、大麦、玉米、大米、马铃薯、大豆等的淀粉辐照后对淀粉酶的敏感性发生变化，辐照后对淀粉酶

59、的敏感性发生变化，直链淀粉比支直链淀粉比支链淀粉损伤严重链淀粉损伤严重。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术5、脂类、脂类 辐照引起脂类变化可分为自动氧化和非氧化两种辐照引起脂类变化可分为自动氧化和非氧化两种1）自动氧化：）自动氧化：辐照是其诱因，辐照产生的自由基会使其辐照是其诱因，辐照产生的自由基会使其形成脂质过氧化物，进而形成醇、醛、酯、酮、酮酸、形成脂质过氧化物，进而形成醇、醛、酯、酮、酮酸、内酯等许多化合物。内酯等许

60、多化合物。 采用降低温度和气调包装的方法可减少和控制辐照过程采用降低温度和气调包装的方法可减少和控制辐照过程中脂肪的氧化。中脂肪的氧化。2）非氧化分解产物：）非氧化分解产物：H2、CO2、CO、烃、烷、烯、醛等、烃、烷、烯、醛等“C-C”键断裂产物。键断裂产物。 高剂量会使脂类发生物理、化学性质显著改变，但处高剂量会使脂类发生物理、化学性质显著改变，但处于正常的辐照条件下的脂肪质量指标的变化很轻微。于正常的辐照条件下的脂肪质量指标的变化很轻微。South China University of Technology食品非热灭菌技术食品非热灭菌技术6、维生素、维生素 辐照对维生素的效应主要取决于