辐照灭菌

　　辐射灭菌是利用电离辐射杀死大多数物质上的微生物的一种有效方法。用于灭菌的电磁波有微波、紫外线(UV)、X射线和γ射线等。它们都能通过特定的方式控制微生物生长或杀死微生物。

一、辐照灭菌技术的原理

　　辐照灭菌技术的原理为在辐照过程中，伽玛射线穿透辐照货箱内的货物，作用于微生物，直接或间接破坏微生物的核糖核酸、蛋白质和酶，从而杀死微生物，起到消毒灭菌的作用。其优点:由于射线的穿透力强，可杀灭大小包装、散装、液体、固体、干货、鲜果内部的病菌和害虫，尤其适用于一些不宜进行加热、熏蒸、湿煮处理的食品。

　　从射线的发射功率上来讲，14KW的加速器，相当于100万居里(Ci)的⁶⁰Co放射源;但由于⁶⁰Co源是呈球形状发射射线，所以对射线的利用率低，大约只有20%，其它方向的射线都被浪费，而加速器的射线方向是一个方向，对射线的利用率高，达93%以上。所以如果将射线的利用率考虑在内，则14KW的电子加速器相当于460-470万居里的放射源。

　　加速器可以发射两种不同的粒子：电子束和X射线;其对被辐照物质的辐照效应来讲是一样的。我们也可以采用移动靶技术，按照我们的需要来及时选取不同的射线粒子进行辐照-但一般情况下不这么做，因为由电子转化成X射线的转化过程中有大量的功率被损耗。X射线的物理性质和伽玛射线的完全一样。主要应用领域：

　　1、农副产品、食品、海、水产品的保鲜。达到杀菌、杀虫、YZ发芽、延长货架期的目的;

　　2、一次性YL卫生用品的消毒灭菌(医用敷料、纱布、手套、手术用YL器械等);

　　3、中成药、保健品的杀菌利用电子束，能有效杀死中成药、保健品中的各种有害病菌，达到实用卫生要求;

　　4、各种玩具的灭菌;

　　5、高分子材料的降解;

　　6、商品养护(防霉)。

　　各种商品经电子束辐照后可起到防霉作用，从而达到对商品的养护。

　　另外一种装置，⁵⁹Co可以产生同位素⁶⁰Co，对医学和工业方面的应用，同位素⁶⁰Co是X射线管的重要替代物。⁶⁰Co发射的γ辐射能量为1.17和1.33兆电子伏，这两种辐射对检查金属中的缺陷特别有作用。钴的半衰期为5.27年，因此钴源可长期使用而无需更换。⁶⁰Co还可以用作杀菌方面，污泥浆本身含有很多磷、氮等优质肥料，人们也担心在污泥中隐藏了各种各样的细菌。

　　因此，先要用⁶⁰Co的伽玛射线进行辐照灭菌，然后才能用作肥料。

二、辐照灭菌技术的发展

　　γ射线作为一种可供选择的灭菌方式，当其用于灭菌的剂量在25-40kGy之间时，常常会影响到人工骨骼材料的机械性能，而导致移植的失败。

　　Brauer等研究了γ射线辐照后，纳米级牙齿材料机械性能的改变，表明经7kGy和35kGy的剂量照射后，统计学分析发现牙齿的硬度及弹性模数值，在对照组与辐照组之间没有显著性差异。从这些研究可以看出，在一定剂量范围内，部分材料在γ射线照射后，其机械性能仍然能达到其YL用途所要求的水平，并且部分材料在生物降解性能上也出现一定的改善。

　　有学者等利用10kGy、15kGy、20kGy、25kGy对丝素蛋白膜及丝素海绵膜进行辐照研究，结果显示这一系列剂量对丝素蛋白膜和丝素海绵膜的力学性能、结构及热稳定性都没有明显的影响。并且提出25kGy以下剂量辐照后对丝素蛋白性能的影响，比高温灭菌方式的影响小。因此，在对材料进行消毒灭菌时，针对不同材料应做出适当的剂量选择，以满足机体及YL上对材料机械性能、相容性及降解作用的要求。

　　有人提出在材料灭菌过程中常常要考虑到材料上所携带的病原微生物的数量、类型等。因此，在选择消毒灭菌的射线剂量上出现了一些争议，之前国际原子能机构(IAEA)建议的灭菌剂量为25kGy，但针对一些特殊材料，如骨移植材料，一些学者认为这个剂量不够，需要30kGy或者更高的剂量。

　　然而，又有研究指出使用20kGy以上的剂量照射会对骨基质蛋白及骨生物力学强度造成破坏，因此，有些生物材料的灭菌消毒的剂量趋向于选择较小的剂量(15-20kGy)。苏州大学李尚知等对ZG52个生物材料生产厂家生产的148种材料进行了初始菌检测，并进行了γ射线消毒灭菌，试验分为参照国际标准ISO11137的剂量设定组、公式法剂量设定组以及用VDmax(-1)法进行25kGy辐照的验证组。

　　实验结果表明，当初始污染菌小于1000cfu/unit时，前两个剂量组所需剂量均小于VDmax(-1)设定的剂量。研究人员认为，对于常规产品的辐射灭菌应当shou选国际标准，而低污染产品应当选用VDmax(-1)法。所以，针对不同的材料，在使用γ射线进行消毒或改性时，应当从各类材料的性质，带菌程度等进行综合考虑，选择适当方式计算消毒灭菌所需的剂量，并针对生产厂家的低污染生产提出要求，从而使材料应用于生物YL领域更加安全。

　　Croonenborghs等使用5MeV的X射线对聚合材料聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PPVC)和丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)进行消毒杀菌，并与60Coγ射线采用相同的辐照剂量率7.5Gy/h的杀菌消毒效果进行对比，分析各种材料进行杀菌消毒后的结构性质，发现相同数量级剂量的X射线与γ射线照射后的材料性质改变效应基本相同。

三、辐照灭菌在食品加工中的应用

　　一般的辐射过程是把食品或连同食品包装放入自动环形旋转的传送装置上，由入口进入辐射室自动在传输装置上环行1周接受辐射，由出口送出。辐射室墙厚达2m，并用重晶石处理，以防辐射线外泄危害人体健康。

　　辐射源钴60装在不锈钢盒中，形状类似于硬bi，盒上开个小孔，射线由此射出。辐射源置于辐射室ZY深井中，使用时由自动提升机提升至地面，辐照完毕后再由升降机重新放回深井中。整个辐射过程由计算机自动控制，操作人员远离现场，既安全又迅速。

　　1、水产品的低剂量辐照

　　美国学者认为，辐照是人工贮藏食品中能保持鲜度的唯yi方法。鱼类是公认的高蛋白、低脂肪的营养食品，经辐照过的鳕鱼中腐败细菌可减少99%，存放时间也大幅度延长，辐照可使食用鲜鱼的比例从30%提高至75%。此外，鱼粉是国际市场上畅销的养鸡饲料，过去10%~50%有沙门氏菌污染，而经15万拉德剂量的Y射线辐照处理遭受病菌污染的鱼粉，消毒彻底，效果相当好。

　　2、肉类制品辐照

　　对肉制品进行辐照，既可延长贮藏期，又能改善卫生质量。美国由于能源便宜，肉制品80%鲜售，20%腌制，鲜售所占的比例较大。通常牛肉经硫酸钠浸泡后，用透气塑料包装外加不透气包装，零售前打开外层包装，过气后牛肉恢复鲜红色再出售，在这一过程中极易污染细菌，而经辐照的牛肉，其细菌总数要比传统的方法明显减少。

　　另外，肉制品通常要使用起色剂亚硝酸盐，以保持肉品的鲜红色及防止肉毒杆菌的繁殖。但是，亚硝酸盐在一定条件下能与仲胺类生成对人体有害的致癌物亚硝胺。应用辐照技术，可以部分代替亚硝酸盐的作用，故可减少其使用量，达到护色与防腐的双重目的。

　　3、粮食辐照贮藏

　　1966年美国原子能委员会在美国农业部储存物昆虫研究实验室内建立了用钴60作照射源辐射散装粮食的装置，取得了成功。

　　目前，美国已实现了商业规模的辐照贮粮。辐照贮粮具有其他贮粮方法难以媲美的优点：不产生高温或较大的化学变化，不发生质变的污染;较高的剂量对各种害虫及各个虫期都有较好的致死效果，即便是低剂量也能使害虫发生生理变化而导致不育;射线穿透力强，可带包装处理，简便易行;可连续大批量自动化监控处理。

　　相比之下，常规或气调贮粮不足之处甚多。例如，面粉是直接食用的成品粮，一旦发生虫害很难处理，即使是回机过筛，虫卵、螨类也难以彻底清除;药剂熏蒸后虫尸留在面粉内会极大地影响面粉品质;加之面粉含水量大，极易吸湿产生热霉变且易迅速蔓延不可收拾;密封贮存或用聚酯/聚乙烯制成的小包装存放效果较好，但手续繁琐、价格昂贵，难于大批量处理。

　　又如，大米常规储存时，由于稳定性差，易“爆腰”(即产生裂纹)及陈化，若温度控制不当易发生霉变，产生岛青霉素、橘青霉素、黄绿青霉素等毒素，是较难储品种之一，而采用辐照法均可克服以上缺点。

　　4、果蔬类食品

　　南非荔枝是一种易腐水果，其病虫害十分严重，采用热水(46℃、20分钟)加辐照(75千拉德)处理，可有效控制虫害和腐败细菌的繁殖，对柠檬、木瓜等用30千拉德剂量辐照，即可有效杀死其内部的虫卵。

四、辐照灭菌的应用——饲料防酶

　　1、国内外饲料防酶技术的状况

　　目前饲料生产中多使用化学防霉剂，如丙酸、山梨酸、苯甲酸等有机酸及其盐类，但都存在YJ谱不宽，适应pH范围不宽，成本高等问题;而且，长期使用化学防霉剂，可能导致其在人体中富集，影响人类健康。

　　美国研究人员利用1×10⁶Rad-γ射线对鸡饲料进行辐照后，将其置于温度为30℃、相对湿度为80%)的条件下，存放一个月，结果霉菌没有繁殖，同时提高了饲料的新鲜程度;而未经处理的对照组鸡饲料，霉菌大量繁殖，已产生霉变。国内许多研究表明利用原子能技术，通过⁶⁰Coγ射线辐照后的饲料，具有GX、安全、无毒的特点。

　　2、饲料辐射灭菌的原理

　　饲料辐照是人类利用核技术开发出来的一项新型的食品保藏技术。

　　它的原理是:饲料经过一定剂量的电离射线(⁶⁰Coγ射线或¹³⁷Csγ射线或电子加速器产生的电子束-Z大能量10MeV或X射线-Z大能量5MeV)的辐照，杀灭饲料中的害虫，消除饲料中的病原微生物及其他腐败细菌或YZ某些饲料中的生物活性和生理过程，从而达到饲料储藏的目的。

　　尤其是γ射线或X射线具有强大的穿透能力，对经过包装的饲料同样可以达到杀虫、灭菌的目的并可以防止病原微生物及害虫的再度感染，因而可以在常温下长期保存。

　　3、辐照灭菌保存饲料技术的优越性

　　辐照保藏不需要加入添加物，与加热、冷冻等方法一样，是一种物理保存法，且属于冷处理技术，具有许多传统保存法不可比拟的优点：

　　①射线穿透力强，可对预先包装好的饲料通过剂量控制和辐照工艺进行均匀彻底处理，相比于热处理杀菌，辐照过程较易控制;

　　②辐照处理是“冷加工”，可保持食品原有的鲜度和风味，有的甚至可提高食品的工艺质量;

　　③辐照饲料不会留下任何残留物;

　　④节省能源，与热处理、干燥和冷冻保藏食品法相比，能耗降低几倍到十几倍;

　　⑤可对包装好的饲料进行杀菌处理，消除了在饲料生产和制备过程中可能出现的严重交叉污染问题;

　　⑥杀菌效果好;

　　⑦辐照灭菌速度快，操作简便，既经济，又省力，适于大规模加工。

　　4、辐照灭菌对饲料营养成分的影响

　　(1)对蛋白质的影响

　　蛋白质分子经辐照后会发生变性现象。如紫外线吸收光谱发生变化、蛋白质分子发生裂解以及裂解后的小分子聚合、释放H₂S、粘度和电泳性质有变化、形成羰基、结构和抗原性的改变以及蛋白质酶解能力的变化和氨基酸的破坏等。

　　这些变化会使蛋白质的颜色发生改变、使核蛋白失去生物过程中的功能以及饲料的功能性质发生改变等。经对辐照食品中蛋白质、氨基酸和酶解产物的分析，以及用辐照饲料饲养动物进行的研究，都证明了经适宜剂量(50kGy以下)照射的食品，蛋白质营养成份无明显变化，氨基酸组分恒定。

　　(2)对脂类的影响

　　脂肪分子经辐照后会发生氧化、脱羧、氢化、脱氢等作用，产生典型的氧化产物、过氧化物和还原产物。它取决于脂肪的类型、不饱和程度、照射剂量、氧的存在与否等等。饱和脂肪一般是稳定的，不饱和脂肪则易氧化，氧化程度与照射剂量成正比。

　　对许多植物油和鱼油进行辐照的结果表明，只有较大剂量(100kGy以上)辐照时，其物理性质如熔点、折射率、介电常数、粘度和密度才发生显著变化。同时，研究还表明，用40～50kGy的射线辐照后，脂肪的同化作用和热能价值并不发生改变，营养价值毫无变化。

　　(3)辐照对碳水化合物的影响

　　碳水化合物分子经辐照后相对比较稳定，只在大剂量辐照后才引起氧化和分解，如多糖类会放出H₂、CO、CO₂等气体，而且变得易于水解和松脆，粘度下降，熔点和旋光度下降，但主要还是引起光谱和多糖结构的变化。

　　一般情况下，糖对辐照是很稳定的，只要采用杀菌剂量照射，对糖的消化率和营养价值几乎没有影响。使用20～50kGy的剂量不会使糖类的食品质量发生变化，其营养价值并不因射线照射而改变。

　　(4)辐照对维生素的影响

　　维生素分子对照射较为敏感，特别是维生素E和维生素K更敏感，水溶性维生素亦较敏感。水的间接作用有较大影响。如果在低氧或密封条件下辐照，敏感性会大大减弱。而维生素B(烟酸)对辐照很不敏感，维生素D对辐照也相当稳定。可见，辐射灭菌是值得推广使用的饲料防酶技术。