6.4: Опромінення їжі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 28745

Nicholas M. Holden, Mary Leigh Wolfe, Jactone Arogo Ogejo, & Enda J. Cummins
University College Dublin and Virginia Tech via Virginia Tech Libraries' Open Education Initiative

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Розана Георгіївна Морейра

Кафедра біологічної та сільськогосподарської інженерії

Техаський університет A&M

Коледж-Стейшн, Техас, Сполучені Штати Америки

Ключові умови

Джерела випромінювання	Глибинний розподіл дози	Застосування безпеки харчових продуктів
Поглинена доза	Ефект іонізуючого випромінювання	Кінетика інактивації збудника

Змінні

λ = довжина хвилі
η = ККД пропускної здатності
ρ = щільність опроміненого матеріалу
A _c = площа поперечного перерізу їжі або упаковки
A _d = повітряна щільність
c = швидкість світла у вакуумі (3,0 × 10 ⁸ м/с)
C = швидкість втрат енергії для обробки електронного променя у воді та водоподібних питаннях (2,33 МеВ/см)
dE = енергія в нескінченно малому об'ємі dv
dm = маса в нескінченно малому об'ємі dv
dm/dt = пропускна здатність або кількість продукту за раз
d _p = глибина проникнення енергії випромінювання на одиницю площі
d = товщина (або глибина) їжі
d _opt = глибина, при якій відбувається максимальна пропускна здатність для одностороннього опромінення
D = застосована або поглинена доза або енергія на одиницю маси
D ₁₀ = значення D випромінювання або кГр, необхідне для інактивації 90% мікробної популяції
D _max = максимальна доза
D _min = мінімальна доза
D _sf = фронтальна поверхнева доза, визначена як доза, що доставляється на глибині d в їжу, цільова доза
DUR = коефіцієнт однорідності дози
E = максимальна поглинена енергія
E ₅₀ = E _{середнє} = поглинена енергія на глибині r ₅₀
E _ab = енергія, депонована на падаючий електрон
E _p = енергія фотона
f = частота випромінювання
h = константа Планка (6,626 × 10 ⁻³⁴ Дж∙с)
I _a = середній струм
\(I^{“}_{a}\)= щільність струму
k = експоненціальна постійна швидкості
m = маса їжі
N = популяція мікробів в певній дозі
N ₀ = початкова мікробна популяція
P = потужність машини
r _max = глибина, при якій відбувається максимальна доза
r _opt = глибина, при якій доза дорівнює вхідній дозі
r ₃₃ = глибина, при якій доза дорівнює третині максимальної дози
r ₅₀ = глибина, при якій доза дорівнює половині максимальної дози
t = час опромінення
v = швидкість
w = ширина сканування

Вступ

Опромінення харчових продуктів - це нетермічна технологія, яку часто називають «холодною пастеризацією» або «пастеризацією опромінення», оскільки вона не підвищує температуру їжі під час обробки (Cleland, 2005). Процес досягається шляхом обробки харчових продуктів іонізуючим випромінюванням. Інші поширені технології нетермічної обробки включають високий гідростатичний тиск, імпульсні електричні поля високої інтенсивності, ультрафіолетове (УФ) світло та холодну плазму.

Технологія опромінення використовується вже більше 70 років. Він пропонує ряд потенційних переваг, включаючи інактивацію звичайних харчових бактерій та пригнічення ферментативних процесів (наприклад, тих, що викликають проростання та дозрівання); знищення комах та паразитів; стерилізація спецій та трав; та продовження терміну зберігання. Обробка опроміненням не вносить ніяких токсикологічних, мікробіологічних, сенсорних або харчових змін до харчових продуктів (упакованих і неупакованих), крім тих, що спричинені звичайними методами харчової обробки, такими як нагрівання (деградація вітамінів) та заморожування (деградація текстури) (Morehouse і Комолпрасерт, 2004). Це єдина комерційно доступна технологія дезактивації для обробки свіжих і свіжонарізаних фруктів і овочів, які не проходять термічну обробку, таку як пастеризація або стерилізація. Це критично важливо, оскільки багато недавніх спалахів харчових захворювань та відкликання продуктів були пов'язані зі свіжими продуктами через забруднення лістеріями, сальмонелою та кишковою паличкою. Приблизно 76 мільйонів захворювань, 325 000 госпіталізацій та 5000 смертей трапляються у Сполучених Штатах щорічно та 1,6 мільйона захворювань, 4000 госпіталізацій та 105 смертей у Канаді (Health Canada, 2016). Протягом 2018 року ці спалахи спричинили 25 606 інфекцій, 5893 госпіталізації та 120 смертей у США (CDC, 2018).

Опромінення харчових продуктів було схвалено Всесвітньою організацією охорони здоров'я (ВООЗ) та Продовольчою та сільськогосподарською організацією (ФАО) Організації Об'єднаних Націй. Щонайменше 50 країн використовують цю технологію сьогодні для обробки понад 60 продуктів, причому спеції та приправи є найбільшим застосуванням. У 2004 році Австралія стала першою країною, яка застосувала опромінення для фітосанітарних цілей, тобто обробки рослин для боротьби зі шкідниками та хворобами рослин в експортних цілях (МАГАТЕ, 2015; Eustice, 2017). Близько десяти країн уклали двосторонні угоди з США про торгівлю опроміненими свіжими фруктами та овочами. З цією метою по всьому світу опромінено понад 18 000 тонн сільськогосподарської продукції. США мають потужну комерційну програму опромінення харчових продуктів, щорічно опромінюючи приблизно 120 000 тонн їжі. Мексика, Бразилія та Канада також є великими виробниками опромінених продуктів. Китай є найбільшим виробником опромінених продуктів в Азії, з більш ніж 200 000 тонн їжі опромінено в 2010 році (Eustice, 2017), а потім Індія, Таїланд, Пакистан, Малайзія, Філіппіни та Південна Корея. Єгипет і Південна Африка використовують технологію опромінення для лікування спецій і сушених продуктів. Росія, Коста-Ріка та Уругвай отримали схвалення на опромінення харчових продуктів. Одинадцять країн Європейського Союзу використовують опромінення харчових продуктів, але решта неохоче приймають цю технологію через помилки споживачів, такі як думка, що опромінені продукти є радіоактивними з пошкодженою ДНК або «брудними» (Maherani et al., 2016).

Опромінення їжі може здійснюватися за допомогою різних джерел випромінювання, таких як гамма-промені, рентгенівські промені та електронні пучки. Хоча основні інженерні принципи застосовуються до всіх різних джерел енергії випромінювання, ця глава зосереджена на високоенергетичних електронних пучках та рентгенівських променях, щоб продемонструвати концепції, оскільки вони є більш екологічно прийнятною технологією, ніж технологія на основі кобальт-60 (гамма-промені).

Результати

Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

• Пояснити взаємодію іонізуючого випромінювання з харчовими продуктами
• Кількісно оцінити вплив іонізуючого випромінювання на мікроорганізми та визначити дозу, необхідну для інактивації хвороботворних мікроорганізмів у харчових продуктах
• Виберіть найкращий підхід до опромінення для різних характеристик харчових продуктів

Поняття

Опромінення їжі передбачає використання контрольованих кількостей іонізуючого випромінювання з достатньою енергією для іонізації атомів або молекул в їжі для досягнення бажаної мети обробки. Випромінювання - це випромінювання енергії, яка існує у вигляді хвиль або фотонів, коли вона рухається через простір або харчовий матеріал (електромагнітна енергія). Іншими словами, це режим передачі енергії. Еквівалентом тепловіддачі буде енергія, що випромінюється Сонцем.

Тип випромінювання, що використовується в харчовій промисловості, обмежується високоенергетичними гамма-променями, рентгенівськими променями та прискореними електронами або електронними пучками (електронними променями). Гамма- і рентгенівські промені складають частину електромагнітного спектра (як радіохвилі, мікрохвильові хвилі, ультрафіолетові та видимі світлові промені), що відбуваються в короткохвильових (від 10 ⁻⁸ ^{до 10 −15} м), більш високій частоті (від 10 до ¹⁶ 10 ²³ Гц), високоенергетичних (від 10 до ² до 10 ⁹ еВ) область спектра. Електрони високої енергії, що виробляються електронними прискорювачами у вигляді електронних променів, можуть мати цілих 10 МеВ (мегаелектронвольт = еВ × 10 ⁶) енергії (Browne, 2013).

Довжина хвилі, або відстань між піками, λ, енергії випромінювання визначається як відношення швидкості світла у вакуумі, c, до частоти, f, наступним чином:

\[ \lambda = \frac{c}{f} \]

де λ = довжина хвилі (м)

c = 3,0 × 10 ⁸ (м/с)

f = частота випромінювання (1/с)

З квантово-механічної точки зору електромагнітне випромінювання може розглядатися як складене з фотонів (груп або пакетів енергії, які кількісно оцінюються). Тому кожен фотон має певне значення енергії, Е, яке можна обчислити наступним чином:

\[ E_{p}=hf \]

де E _p = енергія фотона (J)

h = константа Планка (6,626 × 10 ⁻³⁴ Дж·с)

f = частота випромінювання (1/с)

Частота, енергія і довжина хвилі різних видів електромагнітного випромінювання, розрахованих за допомогою рівнянь 6.4.1 і 6.4.2, наведені в таблиці 6.4.1. Чим вище частота електромагнітної хвилі, тим вище енергія, і тим коротша довжина хвилі. Таблиця 6.4.1 ілюструє, що рентгенівські та гамма-промені використовуються в процесах опромінення харчових продуктів через їх високу енергію. Таблиця 6.4.1 також пояснює, чому вплив ультрафіолетового світла спричинить лише сонячний опік (електромагнітне випромінювання нижчої енергії), тоді як вплив рентгенівських променів може бути смертельним (електромагнітне випромінювання високої енергії).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Частота, рівень енергії та довжина хвилі різних типів електромагнітного випромінювання, розрахованих за допомогою рівнянь 6.4.1 та 6.4.2.
Тип електромагнітного випромінювання	Частота, f (Гц)	Енергія, Е (еВ)	Довжина хвилі, λ (см)
Гамма-промені	1020	4,140 × 10 ⁵	3,0 × 10 ⁻¹⁰
Рентген	1018	4,140 × 10 ²	3,0 × 10 ⁻⁸
УФ світло	1016	4.140	3,0 × 10 ⁻⁶
Інфрачервоне світло	1014	0,414	3,0 × 10 ⁻⁴

Джерела випромінювання та їх взаємодія з речовиною

60Co) найбільш часто використовується в харчовій промисловості додатків. Рентгенівські апарати з максимальною енергією 7,5 МеВ та прискорювачі електронів з максимальною енергією 10 МеВ схвалені ВООЗ у всьому світі, оскільки енергія від цих джерел випромінювання занадто низька, щоб викликати радіоактивність в харчовому продукті (Attix, 1986). Так само, хоча гамма-промені є джерелами випромінювання високої енергії, дози, дозволені для опромінення харчових продуктів, не викликають жодної радіоактивності в продуктах.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Різні типи джерел випромінювання і їх характеристики (Аттікс, 1986; Лагунас-Солар, 1995; Міллер, 2005). Характеристики Джерело E-промені Рентгенівські промені Кобальт-60
(гамма-промені)

Енергія (МеВ)

5 або 7,5

1.17 і 1.33

Глибина проникнення (см)

< 10

100

Опромінення на вимогу (машину можна вимкнути)

так

ні

Відносна ефективність пропускної здатності

високий

середній

низький

Коефіцієнт однорідності дози (D _макс/D _хв)

низький

високий

середній

Процес адміністрування

потрібна авторизація ^[a]

потрібна авторизація ^[b]

Час лікування

секунд

хвилини

годин

Середня швидкість дози (кГр/с)

0,00001

0.000061

Додатки

продукти низької щільності можна обробляти в картонних коробках

продукти низької/середньої щільності можна обробляти в картонних коробках або гранулах

[a] Потрібна стандартна реєстрація

[b] Складний і складний процес з великою підготовкою

Різниця в характері видів іонізуючого випромінювання призводить до різних можливостей проникнення речовини (табл. 6.4.2). Гамма-випромінювання і рентгенівське випромінювання можуть проникати на відстані метра і більше в виріб, в залежності від щільності продукту, тоді як електронні пучки (електронні промені), навіть з енергією до 10 МеВ, можуть проникати лише на кілька сантиметрів. Прискорювачі E-променя коливаються від 1,35 МеВ до 10 МеВ (Miller, 2005). Всі види випромінювання стають менш інтенсивними, чим далі відстань від радіоактивного матеріалу, оскільки частинки або промені стають більш розкинутими (USNRC, 2018).

Поглинена доза

Одиницею СІ поглиненої дози є сірий (Gy), де 1 Гр еквівалентно поглинанню 1 Дж на кг матеріалу. Отже, поглинена доза в будь-якій точці цільової їжі виражається як середня енергія, dE, що передається іонізуючим випромінюванням речовині в нескінченно малому обсязі, dv, в цей момент ділиться на нескінченно малу масу, м, з dv:

Таблиця\(\PageIndex{3}\): Потреба в поглинутій дозі для різних харчових процедур (МАГАТЕ, 2002). Лікування Поглинена доза (кГр) [a]

гальмування паростків

0.1—0.2

Дезінсекція комах

0,3—0,5

Контроль паразитів

0,3—0,5

затримка дозрівання

0,5—1

боротьба з грибками

0,5-3

інактивація збудника

0,5-3

пастеризація спецій

10—30

Стерилізація (інактивація збудника)

15—30

[a] 1 кГр = 10 ³ Гр

\[ D=\frac{dE}{dm} \]

де D = доза (Гр)

dE = енергія в нескінченно малому об'ємі dv (J)

dm = маса в нескінченно малому обсязі dv (кг)

D являє собою енергію на одиницю маси, яка залишається в цільовому матеріалі в певній точці, щоб викликати будь-які ефекти через енергію випромінювання (Attix, 1986).

У 1928 році рентген був задуманий як одиниця впливу, для характеристики випромінювання, що падає на поглинаючий матеріал без урахування характеру поглинача. Він був визначений як кількість випромінювання, яке виробляє одну електростатичну одиницю іонів, позитивних або негативних, на кубічний сантиметр повітря при стандартній температурі і тиску (STP). У сучасних агрегатах 1 рентген дорівнює 2,58 × 10 ⁻⁴ кулона/кг повітря (Attix, 1986). У 1953 році Міжнародна комісія з радіаційних одиниць та вимірювань (ICRU) рекомендувала «рад» як нову одиницю з 1 Гр рівним 100 рад. Термін «рад» розшифровується як «доза, поглинена радіацією». Потреби в поглинених дозах для різних методів лікування, що включають харчові продукти, коливаються від 0,1 кГр до 30 кГр (таблиця 6.4.3). У таблиці 6.4.4 показана максимально допустима доза для різних продуктів в США і в усьому світі.

Таблиця\(\PageIndex{4}\): Максимально допустима доза для різних харчових продуктів у Сполучених Штатах і світі (ВООЗ, 1981; ICGFI, 1999; Miller, 2005).
Призначення	Максимальна доза (кГр)	Продукт
Дезінсекція	1.0	будь-яка їжа
гальмування паростків	0.1—0.2	цибуля, картопля, часник
Дезінсекція комах	0,3—0,5	свіжі сухофрукти, крупи і бобові, сушена риба і м'ясо
Контроль паразитів	0,3—0,5	свіжа свинина
затримка дозрівання	0,5-1,0	фрукти та овочі
інактивація збудника	3.0	птиця, шкаралупа яєць
інактивація збудника	1.0	свіжі фрукти та овочі
інактивація збудника	4.5—7.0	свіжа і заморожена яловичина і свинина
інактивація збудника	1.0—3.0	свіжі та заморожені морепродукти
Продовження терміну придатності	1.0—3.0	фрукти, гриби, листова зелень
Пастеризація	10—30	спеції
Комерційна стерилізація	30—50	м'ясо, птиця, морепродукти, готові продукти, лікарняна їжа, корми для домашніх тварин

Потужність дози, або кількість енергії, що виділяється за одиницю часу (dD/dt або\(\frac{d}{dt}(\frac{dE}{dm})\)), визначає час обробки і, отже, пропускну здатність опромінювача (тобто кількість продуктів, оброблених за одиницю часу). У цих умовах електрони 10 МеВ можуть виробляти більш високу пропускну здатність (більш високу швидкість дози) порівняно з рентгенівськими та гамма-променями (табл. 6.4.2). Подібно до поглиненої дози, показники дози є середніми значеннями.

Глибинний розподіл доз та енергія електронів

Профіль осадження енергії для електронного променя 10 МеВ, що падає на поверхню водопоглинача, має характерну форму (рис. 6.4.1). Вісь Y - це енергія, нанесена на падаючий електрон на одиницю площі, E, також описана як E _ab. Цей параметр пропорційний поглиненої дозі, D. Вісь х - глибина проникнення (також називається товщиною маси), d, в одиницях щільності площі, г/см ², що є товщиною в см, помноженою на об'ємну щільність в г/см ³:

Лінійний графік профілю осадження енергії для електронів 10 мегаелектронів у водопоглотнику. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Профіль енергетичного осадження для електронів 10 МеВ у водопоглиначі (адаптовано з Міллера, 2005).

\[ d_{p} = d\rho \]

де d _p = глибина проникнення енергії випромінювання на одиницю площі (г/см ²)

d = товщина опроміненого матеріалу (см)

ρ = щільність опроміненого матеріалу (г/см ³)

Глибина проникнення, d, іонізуючого випромінювання визначається як глибина, на якій екстраполяція хвоста кривої доза-глибина відповідає осі х (приблизно 6 г/см ² на рис. 6.4.1). На малюнку 6.4.1 також показано, як доза, D, має тенденцію збільшуватися зі збільшенням глибини всередині продукту приблизно до середини діапазону проникнення електронів, а потім вона швидко падає до низьких доз.

Оскільки осадження енергії електронів не є постійним, у продукті є місце, яке отримає мінімальну дозу, D _хв та інше положення, яке отримає максимальну дозу, D _max. Корисним параметром для проектувальників та інженерів опромінювача є коефіцієнт однорідності дози (DUR), що визначається як відношення максимальної до мінімальної поглиненої дози:

\[ DUR = \frac{D_{max}}{D_{min}} \]

DUR, близький до 1.0, являє собою рівномірний розподіл доз у зразку (Miller, 2005; Moreira et al., 2012). Однак значення, що перевищують 1,0, поширені в комерційних цілях, і багато харчових продуктів можуть переносити вищий DUR, 2 або навіть 3 (МАГАТЕ, 2002).

Поглинена доза, D, на певній глибині, d, може бути розрахована як добуток відкладеної енергії раз щільність струму на час опромінення (Miller, 2005):

\[ D(d) = E_{ab}I^{“}_{A}t \]

де D = доза (МеВ/г) (1 Гр = 6,24 × 10 ¹² МеВ/кг)

E _ab = енергія, нанесена на падаючий електрон (МеВ-см ² /г)

\(I^{“}_{A}\)= щільність струму (А/см ²)

t = час опромінення

Для виробу товщиною х енергія, представлена пунктирною областю на малюнку 6.4.1, є корисною енергією, поглиненою в продукті. Максимальна ефективність буде відбуватися, коли глибина продукту така, що задня поверхня цільового продукту отримує ту ж дозу, що і верхня поверхня. Наприклад, використовуючи рис. 6.4.1 і припускаючи лише проникнення енергії через товщину матеріалу, мішень з мінімальною дозою 1,85 МеВ/г (вхідна доза) і оптимальною глибиною 3,8 г/см ² являє собою ефективну поглинену енергію близько 7 МеВ (= 1,85 × 3,8). Тому, використовуючи електронні балки 10 МеВ, максимальна ефективність використання становить 70% (Miller, 2005).

Глибина в г/см ², при якій відбувається максимальна пропускна здатність для одностороннього опромінення, може бути розрахована як (Miller, 2005):

\[ \text{Depth}_{\text{optimum}}=d_{opt}=0.4\times E - 0.2 \]

де Е - максимальна поглинена енергія (МеВ).

Рівняння 6.4.7 забезпечує корисну міру потужності проникнення електронів опромінювача. Проникнення високоенергетичних електронних променів в опромінені матеріали зростає лінійно з падаючою енергією. Діапазон електронів (проникнення) також залежить від атомного складу опромінюваного матеріалу. Матеріали з більш високим вмістом електронів (електрони на одиницю маси) матимуть вищі поглинені дози поблизу вхідної поверхні, але нижчі діапазони електронів (проникнення). Наприклад, через відсутність нейтронів, водень має вдвічі більше атомних електронів на одиницю маси, ніж будь-який інший елемент. Це означає, що матеріали з більш високим вмістом водню, такі як вода (H ₂ O) та багато харчових продуктів, матимуть більш високі поверхневі дози та коротше проникнення електронів, ніж інші матеріали (Becker et al., 1979).

Загалом криві глибини проникнення дози, такі як та, яка представлена на малюнку 6.4.1, показують спочатку помітне збільшення (накопичення) осадження енергії поблизу поверхні опроміненого продукту. Ця область накопичення є явищем, яке відбувається в матеріалах з низьким атомним номером через прогресивне каскадування вторинних електронів шляхом зіткнення втрат енергії (МАГАТЕ, 2002). Потім слід експоненціальний розпад дози на більшу глибину. Орієнтовне значення глибини нарощування гамма-променів (1,25 МеВ) становить 0,5 см води, тоді як глибина для електронних променів 10 МеВ становить 10,0 см води (МАГАТЕ, 2002).

На малюнку 6.4.2 показана точка максимальної дози (в кГр) і поглинання енергії як для електронів, так і для фотонів (рентгенівських і гамма-променів). Глибина проникнення електронних променів 10 МеВ обмежена, оскільки вони відкладають свою енергію на короткій глибині, причому максимум розташований після точки входу. У випадку гамма-променів енергія осідає на більшій відстані, що призводить до рівномірного розподілу дози всередині оброблюваного продукту. Можливості проникнення як рентгенівських променів 7,5 МеВ, так і гамма-променів можна порівняти, але більш висока енергія рентгенівських променів призводить до трохи більш рівномірного розподілу доз всередині оброблюваного продукту. Конфігурація продукту сильно впливає на розподіл доз всередині продукту (МАГАТЕ, 2002).

Лінійний графік проникнення дози-глибини для рентгенівських променів, електронних пучків та гамма-променів. — Рисунок\(\PageIndex{2}\): Глибина проникнення дози для різних джерел випромінювання (рентгенівські промені, електронні пучки та гамма-промені) (адаптовано з МАГАТЕ, 2015).

Лінійний графік кривих глибини дози для електронів 10, 5 та 1 мегаелектронвольт. — Рисунок\(\PageIndex{3}\): Типові криві глибини-дози для електронів різної енергій в діапазоні, застосовному до операцій харчової промисловості (адаптовано з МАГАТЕ, 2002). Тут глибиною є глибина проникнення на одиницю площі, d _p.

На малюнку 6.4.3 показані глибини розподілу доз у продуктах, еквівалентних воді (таких як фрукти та овочі), що коливаються від 1 до 10 МеВ в перерахунку на відносну дозу у відсотках. Наприклад, для кривої 10 МеВ, якщо вхідна (на поверхні) доза 1 кГр становить 100%, відносна доза на глибині 1 см ² /г становить приблизно 110% від вхідної дози або 1,1 кГр, і це 0 і 1,40 кГр для систем опромінення 1 МеВ і 5 МеВ відповідно.

Форми кривих глибина-доза, показані на малюнку 6.4.3, можуть бути краще визначені з точки зору глибини проникнення всередині виробу (або товщини вироби) (рис. 6.4.4). Параметри, визначені на малюнку 6.4.4, r _max, r _opt, r ₅₀ і r ₃₃, корисні для визначення максимальної товщини продукту, який можна опромінювати за допомогою певного типу електронного пучка (1, 5 або 10 МеВ). Додатково відкладена енергія може визначатися на певній глибині. Наприклад, E ₅₀ на глибині r ₅₀ = 4,53 см у воді для системи опромінення 10 МеВ становить,

\[ E_{mean}=E_{50}=Cr_{50} =2.33(4.53cm)=10.55 MeV \]

де С - швидкість втрат енергії для обробки електронним променем у воді та водоподібних тканині = 2,33 МеВ/см (Strydom et al., 2005).

З малюнка 6.4.4 при r _max дорівнює 2,8 см, максимальна доза становить 130% або 1,3 кГр, а вхідна доза дорівнює вихідній дозі при r _опт рівній 4 см. Цей результат означає, що якщо опромінений продукт має товщину від 2,8 до 4 см, DUR є постійним зі значенням 1,3 (DUR = 1,3 кГг/1,0 кГр). Таке значення DUR говорить про те, що процес опромінення забезпечує хорошу однорідність дози, розподіленої по всій товщині продукту. Якщо процес дає DUR 2 з мінімальною дозою 0,67 кГр (DUR = 1,35 кГг/0,67 кГр), то максимальна корисна товщина опроміненого продукту складе 4,5 см або r ₅₀, глибина, при якій доза становить половину максимальної дози.

Лінійний графік кривої глибина-доза для електронів 10 мегаелектронвольт у воді. — Рисунок\(\PageIndex{4}\): Крива глибина-доза для електронів 10 МеВ у воді, де вхідна (поверхнева) доза становить 100% (адаптовано з МАГАТЕ, 2002). r _max - глибина в см, на якій відбувається максимальна доза, r _opt - глибина, на якій доза дорівнює вхідній дозі (також описана рівнянням 6.4.7), r ₅₀ - глибина, при якій доза дорівнює половині максимальної дози, і r ₃₃ - глибина, на якій доза дорівнює третині максимальної дози.

Зверніть увагу, що r ₅₀ > r _опція. Отже, якщо товщина виробу перевищує r _opt, DUR збільшується. Оскільки DUR наближається до нескінченності на глибині 6,5 см для електронного променя 10 МеВ (рис. 6.4.4), будь-яка частина виробу, що перевищує цю глибину, залишатиметься непідданою обробці опроміненням. Тому максимальна товщина оброблюваного продукту для цієї системи опромінення складе 6,5 см. Цей результат підкреслює критичну проблему при використанні прискорювачів електронного пучка для пастеризації або стерилізації харчових продуктів, які повинні бути піддані в повному обсязі енергії випромінювання.

Інженер має можливість застосовувати електронні промені, використовуючи конфігурацію одного електронного променя (яка виставляє цільову їжу лише на верхній або нижній поверхні) або конфігурацію подвійного променя (яка виставляє цільову їжу як на верхній, так і на нижній поверхнях). Малюнок 6.4.5 ілюструє різницю між односторонніми та двосторонніми системами опромінення, що використовують електрони 10 МеВ у воді, коли DUR дорівнює 1,35.

На малюнку 6.4.5 показано, що при опроміненні лише зверху або знизу максимальна оброблювана товщина буде близькою до 4 см (затінені ділянки, рис. 6.4.6), тоді як система подвійного променя збільшує максимальну оброблювану товщину приблизно до 8,3 см (затінена область, рис. 6.4.7). Тому, щоб поліпшити здатність проникнення 10 МеВ електронного променя обробки, два прискорювачі 10 МеВ, один опромінює зверху, а інший знизу конвеєрної системи, часто використовуються в комерційних цілях (МАГАТЕ, 2002).

Лінійний графік розподілів глибинної дози для електронів 10 мегаелектронів у воді для односторонньої та двосторонньої конфігурації. — Рисунок\(\PageIndex{5}\): Глибинні розподіли дози для електронів 10 МеВ у воді для односторонньої та двосторонньої конфігурацій і *DUR* = 1,35. Нормалізована доза - це відношення максимальної до вхідної дози (Міллер, 2005).

Глибина, на якій відбувається максимальна пропускна здатність для двостороннього опромінення, може бути розрахована як (Miller, 2005):

\[ Depth_{optimum} = d_{opt} = 0.9\times E-0.4 \]

Вимірювання поглинаної дози

Ефективність іонізуючого випромінювання в харчовій промисловості залежить від правильної доставки поглиненої дози. Для розробки правильного процесу опромінення харчових продуктів оператор повинен мати можливість (1) вимірювати поглинену дозу, що доставляється до харчового продукту, використовуючи надійні методи дозиметрії; (2) визначити закономірності розподілу дози в упаковці продукту; і (3) контролювати рутинний процес випромінювання (через контроль процесу процедури). Дозиметри використовуються для контролю якості та технологічного процесу в радіаційних дослідженнях і комерційній обробці.

Надійні методики вимірювання дози, звані дозиметрією, мають вирішальне значення для забезпечення цілісності процесу опромінення. Неправильна дозиметрія може призвести до неефективного процесу опромінення їжі. Дозиметричні системи включають фізичні або хімічні дозиметри та вимірювальні прилади, такі як спектрофотометри та спектрометри електронно-парамагнітного резонансу (ЕПР). Дозиметр - це прилад, здатний забезпечити показання, яке є мірою поглиненої дози, D, відкладеної в його чутливому об'ємі, V, іонізуючим випромінюванням. Вимірювальний прилад повинен бути добре охарактеризований, щоб він давав відтворювані та точні результати (Attix, 1986).

Лінійний графік максимальної товщини проникнення для верхньої та нижньої конфігурацій з використанням 10-мегаелектронвольтових електронів у воді. — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Максимальна товщина проникнення для конфігурацій електронного променя лише зверху та знизу з використанням електронів 10 МеВ у воді та *DUR* = 1,35.

Існує чотири категорії систем дозиметрії відповідно до їх внутрішньої точності та використання (МАГАТЕ, 2002):

• Первинні стандарти (іонна камера, калориметри) вимірюють абсолютну (тобто не потрібно калібрувати) поглинену дозу в одиницях СІ.

Лінійний графік максимальної товщини проникнення двостороннього електронно-променевого опромінення з використанням 10-мегаелектронвольтових електронів у воді. — Малюнок\(\PageIndex{7}\): Максимальна товщина проникнення двостороннього електронного променя з використанням електронів 10 МеВ у воді (*DUR* = 1,35).

• Еталонні стандарти (аланін, Фріке та інші хімічні речовини) мають високу метрологічну якість, яку можна використовувати як еталонний стандарт для калібрування інших дозиметрів. Їх потрібно калібрувати відповідно до первинного стандарту, як правило, за допомогою стандартного дозиметра для перенесення.
• Стандарти передачі (термолюмінесцентний дозиметр, TLD) використовуються для передачі інформації про дозу з лабораторії національних стандартів до об'єкта опромінення для встановлення простежуваності до цієї лабораторії стандартів. Вони повинні використовуватися в умовах, визначених лабораторією, що видала. Їх потрібно відкалібрувати.
• Звичайні дозиметри (моніторинг технологічних процесів, радіохромні плівки) використовуються в установках радіаційної обробки для картографування доз і для моніторингу процесу для контролю якості. Вони повинні часто калібруватися проти еталонних або трансферних дозиметрів.

Опромінення харчових продуктів та безпечність харчових продуктів

Вплив іонізуючого випромінювання на патогени

Інактивація збудника - кінцевий ефект харчового опромінення. Вплив іонізуючого випромінювання має два основних впливу на патогенні мікроорганізми. По-перше, енергія випромінювання може безпосередньо розривати нитки (одинарні або подвійні) ДНК мікроорганізму. Другий ефект виникає опосередковано, коли енергія викликає радіоліз води з утворенням дуже реактивних водневих (H+) та гідроксильних (^• ОН) радикалів. Ці радикали можуть рекомбінуватися, утворюючи ще більше реактивних радикалів, таких як супероксид (HO ₂), пероксид (H ₂ _{O 2}) та озон (O ₃), які відіграють важливу роль у інактивації патогенів у продуктах харчування. Хоча ДНК є основною мішенню, інші біологічно активні молекули, такі як ферменти, також можуть піддаватися інактивації через радіаційне пошкодження, що підвищує ефективність лікування опроміненням.

Кінетика інактивації збудника

Традиційний підхід, який використовується в розрахунках термічної обробки, полягає у розробці кривих виживання, які є напівкологовими ділянками популяцій мікроорганізмів як функція часу при заданій температурі процесу. Цей же підхід може бути використаний для розробки кривих радіаційної виживання, тобто графіків журналу зміни мікробних популяцій як функції застосованої дози. У цьому розділі описана лише кінетика мікробної деструкції першого порядку.

Типова крива виживання, що показує кінетичну поведінку першого порядку з початковою популяцією мікробів та мікробною популяцією в певній дозі. — Рисунок\(\PageIndex{8}\): Типова крива виживання, що показує кінетичну поведінку першого порядку з N ₀ = початкова популяція мікробів і N = популяція мікробів у певній дозі, як при КУО/г, так і при КУО/мл. Пунктирна крива є початковим нелінійним ділянкою кривої.

Малюнок 6.4.8 - крива виживання, отримана для інактивації збудника в харчовому продукті внаслідок впливу енергії випромінювання. Виходячи з кінетики першого порядку (тобто ігнорування початкового нелінійного перерізу кривої, зазначеного стрілкою і пунктирною лінією на рис. 6.4.8) швидкість інактивації мікробів описується:

\[ \frac{dN}{dD}=-kD \]

де N = популяція мікробів в певній дозі (КУО/г або КУО/мл; КУО позначає колонієутворюючі одиниці)

D = застосована доза (кГр)

k = експоненціальна постійна швидкості (1/кГр)

Радіаційна стійкість цільового мікроорганізму зазвичай повідомляється як значення випромінювання D, D ₁₀, визначене як кількість енергії випромінювання (кГГ), необхідної для інактивації 90% (або одного зменшення журналу) конкретного мікроорганізму (Thayer et al., 1990). Використання цього визначення та інтеграція Рівняння 6.4.10 дає:

\[ N=N_{0}e^{-kD_{10}} \]

де N ₀ = початкова популяція мікробів (КУО/г або КУО/мл)

Виходячи з малюнка 6.4.8 та Рівняння 6.4.11, обернене нахилу лінії є значенням D ₁₀ і еквівалентно значенню D, що використовується в розрахунках теплового процесу, за винятком того, що вони мають одиниці часу як нахил зміни чисельності населення проти часу процесу. Співвідношення між значенням D ₁₀ і постійною швидкості становить:

\[ k=\frac{1}{D_{10}} \]

Значення D ₁₀ залежить від цільового збудника, типу та стану їжі (цілі, подрібнені, очищені, нарізані, заморожені тощо), а також атмосфери, в якій вона упакована (наприклад, продукти, упаковані у вакуумі, рН, вологість та температура) (Ніеміра, 2007; Olaimat and Holley, 2012; Moreira et al., 2012). Наприклад, D ₁₀ -значення для Salmonella spp. і Listeria spp. у свіжих продуктах можуть коливатися від 0,16 до 0,54 кГр, тоді як кишкова паличка трохи більш стійка до опромінення (іноді до 1 кГр) (Вентилятор, 2012; Rajtowski et ін., 2003). При опроміненні помідорів значення D ₁₀ для Escherichia coli O157: H7, Salmonella spp. та Listeria monocytogenes становлять близько 0,39, 0,56 та 0,66 кГр відповідно (Mahmoud et al., 2010). У комерційних додатках, правило полягає в розробці опромінення лікування для п'яти колод або 5 D ₁₀ зменшення популяції цільового збудника.

Додатки

Мета процесу опромінення їжі - доставити мінімальну ефективну дозу опромінення на всі порції продукту. Занадто висока доза (або енергія) в будь-якому регіоні цільового продукту може призвести до втрати енергії і погіршення якості продукції.

Для проектування процесу опромінення харчових продуктів повинна бути вказана поглинена доза в матеріалі, що цікавить, оскільки різні матеріали мають різні властивості поглинання випромінювання. Що стосується харчових продуктів, то цікавим матеріалом є вода, оскільки більшість продуктів поводяться по суті як вода незалежно від вмісту води. Вимоги до дози та максимально допустимі дози слід використовувати для конкретних застосувань (таблиці 6.4.3 та 6.4.4).

Кошториси витрат на об'єкти опромінення харчових продуктів включають капітальні витрати на обладнання, монтаж та екранування, обробку матеріалів та інжиніринг, а також змінні витрати, включаючи електроенергію, технічне обслуговування та робочу силу. Приблизна вартість об'єкта прискорювача електронного променя для темпу виробництва 2000 годин на рік становить від 2 до 5 мільйонів доларів США і залишається досить стабільною (Morrison, 1989; Miller, 2005; Університет Вісконсіна, 2019).

Вибір технології

Вибір правильної технології для конкретного застосування опромінення харчових продуктів залежить від багатьох факторів, включаючи характеристики харчових продуктів та вимоги до обробки (Miller, 2005). На малюнку 6.4.9 показані кроки, необхідні для вибору підходу до опромінення харчових продуктів.

Насамперед необхідно визначити характеристики продукту. Яка головна мета процесу? Що таке стан продукту, тобто заморожений, неупакований і т.д.? Яка щільність, форма та масова витрата продукту проходить через прискорювач? Другий крок визначає технологічні вимоги, включаючи товщину виробу і прийнятний DUR (Рівняння 6.4.5). Завершальним кроком є вибір відповідної радіаційної технології, виходячи з характеристик продукту і вимог до процесу. Вибір включає визначення найкращої технології (електронні промені проти рентгенівських променів проти гамма-променів), розміру прискорювача (ів) електронного променя або рентгенівських променів, і, у випадку електронних променів, чи буде ефективнішою обробка одним- або подвійним променем.

Діаграма, що показує кроки, необхідні для вибору правильної технології опромінення для харчової промисловості. — Малюнок\(\PageIndex{9}\): Кроки, необхідні для вибору правильної технології опромінення для харчової промисловості (адаптовано з Miller, 2005).

Спрощена блок-схема містить рекомендації, яких слід дотримуватися при виборі правильної технології опромінення харчових продуктів (рис. 6.4.10). Інженер повинен спочатку визначити, чи можна взагалі ефективно опромінювати продукт на основі співвідношення максимальної та мінімальної дози та концепцій енергоефективності. Глибина проникнення залежить від товщини маси виробу (г/см ²), яка базується на розмірах продукту та/або упаковки та щільності (Рівняння 6.4.4). Для процедур безпеки харчових продуктів DUR базується на вимозі мінімальної дози для зменшення популяції певного збудника (тобто значення D ₁₀, рівняння 6.4.12) та максимальній дозі, дозволеній місцевим регулюванням, або дозі, яку продукт може переносити, не погіршуючи її якість. Як зазначено на малюнку 6.4.10, в цілому виріб не буде придатним для обробки опроміненням, коли його товщина маси перевищує 50 г/см ², а DUR повинна бути менше 3.

Схема прийняття рішень для вибору правильного підходу опромінення. — Малюнок\(\PageIndex{10}\): Схема прийняття рішення щодо вибору правильного підходу опромінення (адаптована з Міллера, 2005). *MMR* - допустимий діапазон співвідношення максимальної та мінімальної дози (*DUR*).

Нарешті, інженер повинен вибрати системи обробки продукту для транспортування харчового продукту в і з електронного променя і рентгенівських опромінювачів через конвеєри. Орієнтація опромінювачів є важливим фактором, оскільки електронні промені орієнтовані вертикально до продукту, тоді як більш проникаючі рентгенівські промені дозволяють горизонтальне опромінення продуктів. Норма дози встановлюється шляхом зміни швидкості руху конвеєрів. Інженер також повинен визначити, чи повинні бути використані поглиначі для зменшення вхідної дози; забезпечити охолодження об'єкта, якщо це необхідно, оскільки багато харчових продуктів швидко псуються; включати екранування об'єкта (рентгенівські промені вимагають товстіших стін, ніж обробка електронного променя), і забезпечити видалення озону (суб- продукт опромінення від іонізації кисню в повітрі) (Міллер, 2005). Перед надходженням в систему опромінення продукція перевіряється в місцях постановки, де продукція укладається на палети і завантажується в контейнери для транспортування на конвеєрах через опромінювачі. Опромінені продукти потім завантажуються в транспортні засоби або зберігаються в холодильних камерах для розповсюдження роздрібним торговцям.

Швидкість, v, в см/с, конвеєра, що транспортує їжу через пристрій сканування електронного променя, визначається (Miller, 2005):

\[ v = \frac{1.85\times10^{6}I_{a}}{wD_{sf}} \]

Схема з пакетами на конвеєрній стрічці, відсканована електронним променем, що звисає зі стелі над стрічкою. — Рисунок\(\PageIndex{11}\): Типова конфігурація опромінення електронним променем, що показує плоскі харчові пакети, розміщені на конвеєрі з променем, спрямованим вниз і сканованим горизонтально поперек продукту Для двопучкового опромінення другий промінь спрямований вертикально вгору (адаптовано з Міллера, 2005).

де I _a = середній струм (А), параметр конфігурації прискорювача електронного променя

w = ширина сканування (см), параметр конфігурації прискорювача електронного променя (див. Рис.

D _sf = доза передньої поверхні (кГр), визначена як доза, що доставляється на глибині d в їжу (рис. 6.4.11); цільова доза

Швидкість конвеєра безпосередньо пов'язана з пропускною здатністю як:

\[ v = \frac{dm/dt}{A_{d}w} \]

де dm/dt = пропускна здатність або кількість продукту за раз (г/с)

A _d = повітряна щільність (г/см ²), отримана з Рівняння 6.4.15:

\[ A_{d}=\rho d \]

де ρ = щільність їжі (г/см ³)

d = товщина (або глибина) їжі (см)

Рівняння 6.4.13 і 6.4.14 показують, що для системи з фіксованим середнім струмом і шириною сканування, чим швидше швидкість руху конвеєра, тим більше продукту обробляється в установці і тим меншу дозу він отримує. Типові швидкості конвеєра коливаються від 5 до 10 м/хв.

Загальна маса продукту, що проходить через конвеєрну стрічку, розраховується як:

\[ m=A_{d}A_{c} \]

де m = маса їжі (кг)

A _d = повітряна щільність з Рівняння 6.4.15

A _c = площа поперечного перерізу їжі або упаковки (м ²)

Вимоги до пропускної здатності електронно-променевих установок (дм/дт) оцінюються на основі потужності променя, мінімальної необхідної дози та режиму опромінення (наприклад, електронний промінь проти рентгенівських променів) наступним чином (Miller, 2005):

\[ \frac{dm}{dt}=\frac{\eta P}{D} \]

де η = ККД пропускної здатності, яка становить від 0,025 до 0,035 при 5 МеВ і 0,04 до 0,05 при 7,5 МеВ для рентгенівського опромінення, і від 0,4 до 0,5 для режиму електронного променя (Miller, 2005)

P = потужність машини (кВт)

D = мінімальна потреба в дозі (кГр), яка коливається від 250 Гр для дезінсекції до 6-10 кГр для збереження свіжості спецій

Приклади

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Приклад 1: Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною

Проблема:

Якщо щільність падаючого струму на поверхні становить 10 ⁻⁶ А/см ² водопоглотителя на рис. 6.4.1, а енергія, що осідає на падаючий електрон, становить 1,85 МеВ-см ² /г, визначте поглинену дозу в кГр через 1 секунду.

Рішення

Використання рівняння 6.4.6:

\( D(d)=E_{ab}I^{“}_{A}t \)(Рівняння\(\PageIndex{6}\))

\( D(d)=(1.85 MeV \frac{cm^{2}}{g})\times (10^{-6}\frac{A}{cm^{2}})\times 1\ s \)

при 1 МеВ = 10 ⁶ еВ:

\( D(d)=(1.85 \frac{cm^{2}}{g})\times (10^{-6}\frac{A}{cm^{2}})\times 1\ s \)

В одиницях енергії 1 еВ (електровольт) дорівнює 1,60218 × 10 ⁻¹⁹ Джоулів і 1 кДж = 1000 Дж

\( D(d)=(1.85 \frac{cm^{2}}{g})\times (10^{-6}\frac{A}{cm^{2}})\times 1\ s(\frac{1C}{1A\times s})\times(\frac{1.6022\times10^{-19}J}{1\ eV})\times(\frac{1}{1.6022\times10^{-19}C}) \)

Нарешті, доза в кГр становить:

\( D(d)=1.85\frac{kJ}{kg} \text{ or }kGy \)

Поглинена доза через 1 секунду становить 1,85 кГр.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Приклад 2: Розрахунок коефіцієнта однорідності дози (DUR)

Проблема:

На малюнку 6.4.1 показано, що поглинена доза збільшується на глибині 2,75 г/см ² всередині опроміненого водопоглотчика. (а) Знайдіть коефіцієнт однорідності дози (DUR). (b) Прокоментуйте зміни (якщо такі є) цього параметра як функція глибини опроміненої цілі.

Рішення

(а) Виходячи з малюнка 6.4.1 та використовуючи рівняння 6.4.5, обчисліть DUR:

ДУР = Д _макс/Г _хв = 2,5/1,85 = 1,35

Значення DUR знаходиться в допустимому діапазоні для однорідності дози в комерційних системах опромінювача (близько 1,0).
(b) Виходячи з малюнка 6.4.1, DUR залишається постійним (= 1,35) до глибини 3,8 г/см ². Поза цією глибиною зменшується мінімальна доза, що збільшує DUR. Це чітко показано на малюнку 6.4.1, оскільки доза збільшується зі збільшенням глибини всередині продукту, а потім зменшується.

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Приклад 3: Товщина виробу для одностороннього опромінення електронного променя

Проблема:

Визначте максимально допустиму товщину продукту для одностороннього опромінення електронним променем електронами 10 МеВ, якщо допустимо співвідношення однорідності дози 3.

Рішення

З малюнка 6.4.4 і за допомогою Рівняння 6.4.5 визначте глибину в см для DUR = 3

DUR = D _макс/D _хв

D _max = 130% або 1,3 кГр (рис. 6.4.4) і D _min = 1,3/3 = 0,43 кГр або 43% відносна доза

Знову ж таки, з малюнка 6.4.4 значення глибини дорівнює 4,8 см = r ₃₃.

Таким чином, максимально допустима товщина продукту складе 4,8 см, а вихідна доза дорівнює третині від максимальної дози.

Приклад\(\PageIndex{4}\)

Приклад 4: Ефективність одностороннього та двостороннього опромінення

Проблема:

Визначте глибину при максимальній пропускній здатності при односторонньому і двосторонньому опроміненні води 10 МеВ (товщиною 5 см), коли поглинена енергія становить (а) 1,50 МеВ-см ² /г, (б) 2,20 Мев-см ² /г, і (в) 2,40 МеВ-см ² /г.

Рішення

Виберіть відповідне рівняння і обчисліть глибину в см.

Для одностороннього опромінення використовують Рівняння 6.4.7:

\( d_{opt}=0.4\times E - 0.2 \)

(а) 1,50 мев-см ² /г

\( d_{opt}=0.4\times (1.50) - 0.2 = 0.40 \text{ g/cm}^{2} \)

(б) 2,22 меВ-см ^2/г

\( d_{opt}=0.4\times (2.22) - 0.2 = 0.68 \text{ g/cm}^{2} \)

\( d_{opt}=0.4\times (2.40) - 0.2 = 0.76 \text{ g/cm}^{2} \)

Для двостороннього опромінення використовують Рівняння 6.4.9:

\( d_{opt}=0.9\times E - 0.4 \)

(а) 1,50 мев-см ² /г

\( d_{opt}=0.9\times (1.50) - 0.4 = 0.95 \text{ g/cm}^{2} \)

(б) 2,22 меВ-см ^2/г

\( d_{opt}=0.9\times (2.22) - 0.4 = 1.60 \text{ g/cm}^{2} \)

\( d_{opt}=0.9\times (2.40) - 0.4 = 1.76 \text{ g/cm}^{2} \)

Енергія, що поглинається (Мев-см ² /г)	d _опт (г/см ²) Односторонній	d _опт (г/см ²) Двосторонній
1,50	0,40	0,95
2.22	0,68	1.60
2.40	0,76	1.76

Результати показують, що конфігурація подвійного променя є більш ефективною щодо глибини проникнення з мінімальним використанням енергії, наприклад, проникнення 0,95 г/см ² проти 0,40 г/см ² за допомогою електронних пучків з 1,5 МеВ-см ² /г енергії.

Приклад\(\PageIndex{5}\)

Приклад 5: Взаємодія іонізуючого випромінювання з харчовим продуктом і вплив на глибину проникнення дози

Проблема:

Порівняння розподілів електронної глибини-дози 10 МеВ в мішку з вакуумно упакованих листям дитячого шпинату (товщина маси = 5,1 г/см ²) і яловичого котлета з яловичого фаршу (товщина маси = 5,1 г/см ²) наведено на малюнку 6.4.12. Визначте глибину, на якій відбувається максимальна доза для обох харчових продуктів і обговоріть свої результати.

Лінійний графік, що порівнює розподіли глибини дози для мішка вакуумного листя шпинату та яловичого котлета, згаданого раніше. — Рис.\(\PageIndex{12}\): Поглинена доза проти глибини проникнення у вакуумній упаковці листя шпинату та яловичого яловичого котлета при 10 МеВ падаючої енергії електронів.

Рішення

Знайдіть глибину (вісь x), при якій доза (вісь y) максимальна. Для шпинату глибина становить 3,00 см, а для котлета з яловичого фаршу - глибина = 2,70 см.

Обидва матеріали мають дуже схожий атомний склад і, отже, поглинають падаючу енергію дуже аналогічно.

Приклад\(\PageIndex{6}\)

Приклад 6: Розрахунок значення випромінювання D ₁₀

Проблема:

Листя салату ромен піддавалися опроміненню дозами до 1,0 кГр, використовуючи опромінювач електронного променя 10 МеВ для інактивації збудника. Населення тих, хто вижив при кожній дозі вимірювалася відразу після опромінення (див. Таблицю нижче).

Кількість патогенів (КУО/г) у листі салату ромен залежно від дози опромінення:

Доза (кГр)	Населення (журнал КУО/г)
0	6.70
0,25	5.50
0,50	4.30
0,75	3.30
1.00	2.00

(а) Обчисліть значення D ₁₀ збудника в свіжому продукті та визначити рівень дози, необхідний для 5-логового скорочення популяції збудника. Точка даних для дози 0 кГр представляє неопромінений продукт.
(b) Якщо максимальна доза, затверджена для опромінення свіжих овочів, близька до 1 кГр, чи підходить обробка опроміненням?

Рішення

Спочатку побудуйте логарифм популяції вижили в залежності від дози за заданими даними і визначте значення D ₁₀ з зворотного нахилу лінії (рис. 6.4.13).

Лінійний графік нахилу, згаданого раніше. Він має значення дози опромінення 0,216 кілограма. — Малюнок\(\PageIndex{13}\): Розрахунок значення D ₁₀, припускаючи інактивацію випромінювання як кінетику ^1-го порядку.

\( Slope = -\frac{logN_{1}-logN_{2}}{D_{1}-D_{2}} =-\frac{5-4}{0.375-0.591}=-\frac{1}{-0.216}=\frac{1}{0.216} \)

Потім визначте дозу, необхідну для 5-лог-скорочення чисельності мікробної популяції, тобто 5 D ₁₀, і перевірте, чи 5 D ₁₀ < 1,0 кГр. Якщо так, процес підходить для обробки свіжих продуктів. Якщо 5 D ₁₀ > 1.0 кГр, слід розглянути інший процес.

5 Д ₁₀ = 5 × 0.216 кГг = 1.10 кГр

Цей процес опромінення був би придатним, оскільки популяція збудників у листі салату ромен зменшиться на 5 журналів при впливі дози приблизно 1,0 кГр за допомогою електронних пучків 10 МеВ.

Приклад\(\PageIndex{7}\)

Приклад 7: Вибір найкращої технології опромінення

Проблема:

Електронний промінь 10 МеВ та рентгенівський прискорювач 5 МеВ доступні для опромінення наступних продуктів. Виберіть найкращу технологію опромінення для обробки кожного з продуктів. Припустимо мінімальну дозу 1 кГр.

(а) Яловичий фарш пиріжок, забруднений кишковою паличкою O157: H7, D _max = 1,25 кГр (товщина маси = 8,5 г/см ²)
(б) Помідор, забруднений Listeria monocytogenes, D _max = 1,4 кГр (товщина маси = 3,2 г/см ²)
(c) Салат Ромен, забруднений сальмонелою пуною, D _max = 1,37 кГр (товщина маси = 4,1 г/см ²)

Рішення

Використовуйте дану інформацію та блок-схему (рис. 6.4.10), щоб визначити, чи слід використовувати електронні промені або рентгенівські промені для опромінення різних продуктів.

(а) DUR для яловичого пиріжка (за допомогою рівняння 6.4.5, DUR = D _макс/D _хв) = 1,25 кГр/1 кГр = 1,25 = MMR
Наступний малюнок 6.4.10 при товщині маси d = 8,5 г/см ² і MMR = 1,25 призводить до умови 4: d >3,8 г/см ² і MMR < 1,5 і вибору рентгенівського випромінювання в якості відповідної технології для яловичого пиріжка.
(б) DUR для зразка томатів (за допомогою рівняння 6.4.5, DUR = D _макс/D _хв): 1,4 кГг/1 кГр = 1,4 = MMR
Наступний малюнок 6.4.10 з товщиною маси d = 3,2 г/см ² і MMR = 1.4 призводить до умови 6 або 7: d < 3,8 г/см ² і вибір одного або двостороннього електронного променя буде доцільним для зразка томата.
(c) DUR для салату ромен (використовуючи рівняння 6.4.5, DUR = D _макс/D _хв): 1,37 кГг/1 кГр = 1,37 = MMR

Наступний малюнок 6.4.10 при товщині маси d = 4,1 г/см ² і MMR = 1.37 призводить до умови 4: Товщина маси d = 4,1 г/см ². Оскільки d > 3,8 г/см ² та MMR < 1,5, виберіть рентген як відповідну технологію для салату ромен.

Продукт	Критерії	Вибір радіаційної технології
Яловичий пиріжок	d >3,8 г/см ², ММР < 1,5	Рентген
Помідор	d < 3,8 г/см ², ММР < 1,5	Електронні балки
Салат Ромен	d > 3,8 г/см ², ММР < 1,5	Рентген

Приклад\(\PageIndex{8}\)

Приклад 8: Розрахуйте дозу, необхідну для зменшення популяції збудників на 5 логів

Проблема:

Розрахуйте дозу, необхідну для 5-логового зменшення збудника для трьох продуктів з Прикладу 6.4.7, використовуючи наступну інформацію. Для кожного продукту визначте, чи потрібна доза менше максимально допустимої дози для цього продукту.

(а) Яловичий фарш пиріжок, забруднений кишковою паличкою O157: H7 (D ₁₀ = 0,58 кГр)
(б) Помідор, забруднений лістерією моноцитогенами (D ₁₀ = 0,22 кГр)
(c) Салат Ромен, забруднений сальмонелою пуною (D ₁₀ = 0,32 кГр)

Рішення

З огляду на значення D ₁₀ для кожного збудника, обчисліть 5D. Збудник з більш високим значенням 5D є більш стійким до опромінення і зажадає лікування в більш високих дозах.

Продукт	Збудник	5D (кГр)
Пиріжок з яловичого фаршу	Кишкова паличка O157: H7	2.90
Помідор	Лістерія моноцитогенів	1.10
Салат Ромен	Сальмонела Пуна	1.60

E. coli в яловичих котлетах потребуватиме більш високих доз для досягнення рівня інактивації 5-журналу, ніж дози, необхідні для лікування двох свіжих продуктів. Необхідна обробка зразків томатів знаходиться в межах допустимого рівня дози для фруктів і овочів (близько 1 кГр). Сальмонела в салаті вимагатиме трохи більшої дози, але Управління з контролю за продуктами та ліками США (FDA, 2018) дозволяє до 4 кГр для лікування листової зелені. Максимально допустима доза для інактивації збудника в свіжій і замороженій яловичині коливається в межах 4,5-7,0 кГр в різних країнах (табл. 6.4.4).

Приклад\(\PageIndex{9}\)

Приклад 9: Розрахунок швидкості конвеєра в системі електронних променів

Проблема:

Розрахуйте швидкість конвеєра, необхідну для опромінення вхідної дози 1,5 кГр (передньої поверхневої дози) для одностороннього процесу за допомогою пучка 10 МеВ, 1-мА з шириною сканування 120 см.

Рішення

Розрахуйте швидкість конвеєра за допомогою Рівняння 6.4.13:

\( v=\frac{1.85\times10^{6}I_{a}}{wD_{sf}} \)

Швидкість конвеєра, v, при заданих значеннях D _sf = 1,5 кГр, I _a = 10 ⁻³ А і w = 120 см дорівнює:

\( v=\frac{1.85\times10^{6}I_{a}}{wD_{sf}} = \frac{1.85\times10^{6}\times10^{-3}}{120\times1.5} = 10.28 \text{ cm/s} \)

Швидкість конвеєра змінюється залежно від пропускної здатності продукту. При цьому конвеєр повинен працювати зі швидкістю 10,28 см/с (6 м/хв), щоб забезпечити вхідну дозу 1,5 кГр при обробці їжі прискорювачем електронного променя 10 МеВ в односторонньому режимі і заданої ширини струму і ширини сканування. Чим швидше швидкість конвеєра, тим менша доза. Наприклад, якщо необхідний D _sf дорівнює 1 кГр, то конвеєр повинен працювати зі швидкістю 15,42 см/с (9,25 м/хв):

\( v=\frac{1.85\times10^{6}I_{a}}{wD_{sf}} = \frac{1.85\times10^{6}\times10^{-3}}{120\times1} = 15.42 \text{ cm/s} \)

Приклад\(\PageIndex{10}\)

Приклад 10: Розрахунок пропускної здатності для системи електронних променів

Проблема:

Розрахуйте пропускну здатність для електронно-променевої дезінсекції папайї (мінімальна необхідна доза 0,26 кГр) при опроміненні електронним променем (односторонній режим) потужністю 12 кВт і пропускною здатністю 0,5.

Рішення

(а) Обчисліть пропускну здатність при P = 12 кВт, D = 0,26 кГр, і η = 0,5.
З рівняння 6.4.17:

\( \frac{dm}{dt}=\frac{\eta P}{D} \)

Потім:\( \frac{dm}{dt} [\frac{kg}{s}]=\frac{0.5\times12[kW]}{0.26[kGy]} = 23.1\text{ kg/s} \)

(b) Припускаючи щільність площі 7 г/см ² і ширину сканування 120 см, обчислити швидкість конвеєра, v.
Знайдіть v за допомогою рівняння 6.4.14:

\( v=\frac{dm/dt}{A_{d}w} \)

при А _d = 7 г/см ², потім:

\( v=\frac{dm/dt}{A_{d}\times w} = \frac{23.1[\frac{kg}{s}]\times1000[\frac{kg}{g}]}{7[\frac{g}{cm^{2}}]\times 120[cm]} =27.5 \text{ cm/s} \)

(в) Якщо продукт розміщений в картонних коробках (рис. 6.4.11), які мають площу поперечного перерізу 7432 см ², розрахуйте загальну масу їжі, яку слід помістити в коробку
Знайдіть m за допомогою рівняння 6.4.16:

\( m=A_{d}A_{c} \)

при А _d = 7 г/см ² і А _с = 7432 см ², потім:

\( m=A_{d}\times A_{c}=\frac{7[\frac{g}{cm^{2}}]\times7432[cm^{2}]}{1000[\frac{g}{kg}]}=52\ kg \)

Дезінсекційна обробка папайї (доза 0,26 кГр) за допомогою одностороннього електронного променя може бути досягнута, коли 52 кг їжі поміщають під електронну балку з конвеєром, що працює зі швидкістю 27,5 см/с.

Зображення Кредити

Малюнок 1. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Профіль осадження енергії для електронів 10 МеВ у водопоглотнику (адаптовано з Міллера, 2005).

Малюнок 2. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Глибина проникнення дози для різних джерел випромінювання (рентгенівські промені, електронні пучки та гамма-промені) (адаптовано з МАГАТЕ, 2015).

Малюнок 3. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Типові криві глибина-доза для електронів різних енергій в діапазоні, застосованому до операцій харчової промисловості (адаптовано з МАГАТЕ, 2002).

Малюнок 4. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Крива глибина-доза для електронів 10 МеВ у воді, де вхідна (поверхнева) доза становить 100% (адаптовано з МАГАТЕ, 2002).

Малюнок 5. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Глибинні розподіли дози для електронів 10 МеВ у воді для односторонньої та двосторонньої конфігурацій (DUR = 1,35).

Малюнок 6. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Максимальна товщина проникнення для конфігурацій електронного променя лише зверху та знизу з використанням електронів 10 МеВ у воді (DUR = 1,35).

Малюнок 7. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Максимальна товщина проникнення двостороннього електронного променя з використанням електронів 10 МеВ у воді (DUR = 1,35).

Малюнок 8. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Типова крива виживання, що показує поведінку кінетики першого порядку.

Малюнок 9. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Кроки, необхідні для вибору правильної технології опромінення для харчової промисловості (адаптовано з Міллера, 2005).

Малюнок 10. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Схема прийняття рішення для вибору правильного підходу опромінення (адаптована з Міллера, 2005). MMR - допустимий діапазон співвідношення максимальної та мінімальної дози (DUR).

Малюнок 11. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Типова конфігурація опромінення електронним пучком.

Приклад 5. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Приклад 5.

Приклад 6. Морейра, Р.Г. (CC By 4.0). Приклад 6.

Посилання

Аттікс, Ф.Х. (1986). Вступ до радіологічної фізики та радіаційної дозиметрії. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Вілі Міжнаукові видання doi.org/10.1002/9783527617135.

Беккер, Р.К., Блай, Дж. Х., Клеленд, М.Р., і Фаррелл, Дж. П. (1979). Вимоги до прискорювача для обробки електронним пучком. Радіат. Фіз. Хім., 14 (3—6), 353—375. https://doi.org/10.1016/0146-5724(79)90075-X.

Браун, М. Фізика для техніки і науки (2-е. ред.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хілл/Шаум.

ЦДК. (2018). Попередня частота та тенденції зараження патогенами, що передаються зазвичай через їжу. Щотижневий звіт про мережу активного спостереження за хворобами харчового походження, захворюваність та смертність 68 (16), 369—373. CDC. Отримано з https://www.cdc.gov/mmwr/volumes/68/wr/mm6816a2.htm?s_cid=mm6816a2_w.

Клеленд, М.Р. (2005). Курс на малих прискорювачах. 383—416 (CERN-2006-012). Zeegse, Нідерланди. https://doi.org/10.5170/CERN-2006-012.383.

Юстіс, Р.Ф. Глобальний статус та комерційне застосування опромінення харчових продуктів. Гл. 20. В І.К. Ф.Р. Феррейра, А.Л. Антоніо, & Кабо-Верде, С. (ред.), Технології опромінення харчових продуктів. Поняття, програми та результати. Харчова хімія, функції та аналіз №4. Кембридж, У.К.: Королівське товариство хімії, будинок Томаса Грема.

Фан, Х. Іонізуюче випромінювання. В В.М.Гомес-Лопеса (ред.), Дезактивація свіжих і мінімально оброблених продуктів. doi.org/10.1002/9781118229187.

FDA. (2018). Опромінення при виробництві, обробці та обробці харчових продуктів. Код Федеральних правил Назва 21. 3, CFR179.26. Вашингтон, округ Колумбія: FDA. Отримано з www.accessdata.fda.gov/Сценарії/CDRH/CFDocs/CFCFR/Пошук. cfmfr=179 .26.

Здоров'я Канади. Технічне резюме. Оцінка безпеки охорони здоров'я Канади опромінення свіжого та замороженого сирого яловичого фаршу. Уряд Канади, охорона здоров'я Канади. Отримано з http://www.hc-sc.gc.ca/fn-an/securit/irridation/tech_sum_food_irradiation_aliment_som_tech-eng.php#toxicology.

МАГАТЕ. (2002). Дозиметрія для харчового опромінення. Технічні звіти Серія № 409. Відень, Австрія: Міжнародне агентство з атомної енергії. Отримано з https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/TRS409_scr.pdf.

МАГАТЕ. (2015). Посібник з належної практики в харчовому опроміненні. Технічні звіти Серія № 481. Відень, Австрія: Міжнародне агентство з атомної енергії. Отримано з https://www.iaea.org/publications/10801/manual-of-good-practice-in-food-irradiation.

ІФІКС. (1999). Факти про опромінення їжі. Секція продовольства та охорони навколишнього середовища. Спільний відділ ядерних технологій ФАО/МАГАТЕ в галузі продовольства та сільського господарства. Відень, Австрія: Міжнародна консультативна група з опромінення харчових продуктів.

Лагунас-Солар, М.К. (1995). Радіаційна обробка харчових продуктів: огляд наукових принципів та сучасного стану. J. Захист харчових продуктів, 58 (2), 186—192. https://doi.org/10.4315/0362-028x-58.2.186.

Магерані Б., Хоссейн Ф., Кріадо, П., Бен-Фадель, Ю., Сальмієрі, С., і Лакруа М. Розвиток світового ринку та прийняття споживачами технологій опромінення. Продукти харчування, 5 (4): 2—21. https://doi.org/10.3390/foods5040079.

Махмуд, Б.С., Бахман, Г., & Лінтон, Р.Х. (2010). Інактивація кишкової палички O157: H7, Listeria monocytogenes, Salmonella enterica та Shigella flexneri на листках шпинату рентгенівським шляхом. Харчовий мікробіол., 27 (1), 24—28. https://doi.org/10.1016/j.fm.2009.07.004.

Міллер, Р.Б. (2005). Електронне опромінення харчових продуктів: Вступ до технології. Харчування англ. Серія. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Спрінгер.

Морхаус, К.М., & Комолпрасерт В. Опромінення продуктів харчування та упаковки: огляд. Гл. 1. В К.М. Морхаус, & В.Комолпрасерт (ред.), Опромінення харчових продуктів і упаковки. Американське хімічне товариство. Серія симпозіумів ACS https://doi.org/10.1021/bk-2004-0875.

Морейра, Р.Г., Пуерта-Гомес, А.Ф., Кім, Дж., і Кастель-Перес, М.Е. (2012). Фактори, що впливають на d-значення радіації (D10) коктейлю кишкової палички та Salmonella typhimurium LT2, інокульованих у свіжих продуктах. Харчові науки, 77 (4), Е104-Е111. doi.org/10.1111/j.1750-3841.2011.02603.х.

Ніеміра, Б.А. Відносна ефективність промивання гіпохлориту натрію в порівнянні з опроміненням для інактивації кишкової палички O157: H7 Інтерналізується в листі салату ромен і дитячого шпинату. J. Захист харчових продуктів, 70 (11), 2526—2532. https://doi.org/10.4315/0362-028x-70.11.2526.

Олаймат А.Н., і Холлі Р.А. (2012). Фактори, що впливають на мікробну безпеку свіжих продуктів: огляд. Харчовий мікробіол., 32 (1), 1—19. https://doi.org/10.1016/j.fm.2012.04.016.

Райтовський, К.Т., Бойд, Г., & Тайер, Д. D-значення опромінення для Escherichia coli O157: H7 та Salmonella sp. на інокульоване насіння брокколі та вплив опромінення на лежкість паростків брокколі та життєздатність насіння брокколі. J. Захист харчових продуктів, 66 (5), 760—766. https://doi.org/10.4315/0362-028x-66.5.760.

Стридом, В., Паркер, В., & Оліварес, М. (2005). Електронні пучки: Фізичні та клінічні аспекти. В Е.Подгорсакт (ред.), Радіаційна онкологія фізика: посібник для викладачів і студентів. Відень, Австрія: МАГАТЕ.

Тейер, Д., Бойд, Г., Мюллер, В.С., Ліпсон, К.А., Хейн, В.К., і Баер, С.Х. (1990). Радіаційна стійкість сальмонел. Дж. інд. Мікробіол., 5 (6), 383-390. Про це: https://doi.org/10.1007/BF01578097.

Університет Вісконсіна. (2019). Процес опромінення їжі. UW Харчова опромінення освітньої групи. Отримано з UW-харчового опромінення.engr.wisc.edu/Матеріали/FI_process_brochure.pdf.

ЄСНРЦ. (2018). Комісія з ядерного регулювання США. Отримано з https://www.nrc.gov/about-nrc/radiation/health-effects/radiation-basics.html.

ХТО. (1981). Корисність опромінених продуктів. Технічний звіт серії 659. Женева, Швейцарія: Всесвітня організація охорони здоров'я. Отримано з https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/41508/WHO_TRS_659.pdf?sequence=1&isAllowed=y.