Chương 1- Tổng quan 1. Tổng quan tình hình ứng dụng chiếu xạ Chiếu xạ thực phẩm đã và đang được áp dụng nhằm loại bỏ vi sinh vật gây bệnh trong thực phẩm cũng như tăng thời gian bảo quản thực phâm [25]. Mức liều hấp thụ ứng với từng loại thực phẩm được quy định tại Quyết định số 3616/2004/QD-BYT của Bộ Y tế [26]. Trong đó, các thực phẩm chiếu xạ được phân theo 7 nhóm, liều lượng quy định đối từng nhóm và theo mục đích.
Với mục đích ức chế nảy mầm, tiêu diệt côn trùng và mục đích kiểm dịch, liều hấp thụ cho nhóm sản phẩm nông sản quy định trong khoảng 0,1 — 1 kGy. Dé tăng thời gian bao quản cho nhóm thủy sản đông lạnh, mức liều hap thụ quy định trong khoảng 1 - 3 kGy. Đối với mục đích kiểm soát nắm mốc cho thực phẩm khô, mức liều quy định trong khoảng 1 — 3 kGy. Trong khi đó, dé kiểm soát vi sinh vật gây bệnh trong thực phẩm, liều hấp thụ cần xử lý được quy định trong khoảng 1 — 7 kGy [26].
Đối với dụng cụ y tế, chiếu xạ ở mức liều 14,2 - 36,3 kGy có thé loại bỏ đến 108 lượng vi sinh vật tồn tại (SAL 1075) [27]. Vượt qua các rào cản về mặt tâm lý, ngày càng có nhiều quốc gia đã dần chấp nhận chiếu xạ là một phương pháp xử lý hiệu quả và tiện lợi [28-33]. Hiện có hơn 50 quốc gia chấp nhận chiếu xạ, trên 60 sản phẩm được thương mại hóa và trên 37 quốc gia đã thương mại hóa quy trình chiếu xạ [29, 34]. Tổng khối lượng tiêu thụ sản phâm đã qua chiếu xạ hàng năm lên đến hàng triệu tấn, bao gồm: trái cây tươi, thủy sản đông lạnh, thực phẩm khô, gia vi, thức ăn thú cưng và các loại thực phẩm chế biến sẵn [4].
Về mục tiêu kiểm dịch thực vật, chiếu xạ là một trong những phương pháp chính bên cạnh các phương pháp xử lý nóng, xử lý lạnh và xông khí nhằm mục đích kiểm soát sự lây lan côn trùng từ các nước xuất khâu đến các nước nhập khâu. Hiệu quả của chiêu xạ kiêm dịch phụ thuộc vào liêu lượng và mức độ ảnh hưởng của liều lượng lên chất lượng sản phẩm [5]. Chiếu xạ có tính hiệu quả và kinh té, đảm bảo chất lượng sản phẩm sau xử lý [35]. Một số quốc gia xem chiếu xạ là một trong những điều kiện dé nhập khẩu thực phẩm tươi, như đôi với New Zealand quy định trái cây tươi và rau củ chiếu xạ ở mức liều 289 Gy hoặc cao hơn tùy thuộc vào đối tượng kiểm dịch trước khi nhập khâu vào [36].
Đối với Mỹ, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm, FDA xem phương pháp chiếu xạ ở mức liều phù hợp là một trong ba phương pháp xử lý kiểm dịch thực vật chính áp dụng cho sản phẩm tươi nhập khẩu [37]. Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc cũng ban hành hướng dẫn trong việc sử dụng chiếu xạ như là một thước đo kiểm dich [38]. Nhằm đảm bảo hiệu quả kiểm dịch thực vật và chất lượng sản phẩm sau chiếu xạ, cần phải kiểm soát liều hấp thụ trong toàn sản phẩm chiếu xạ cũng như phản ứng của sản phẩm với từng mức liều cụ thê và có biện pháp giảm tỷ số bất đồng đều liều phù hợp. Dé xác định phân bồ liều trong sản phâm, có nhiều phương pháp được đề xuất như sử dụng giả hàng có cấu trúc hình học tương đồng với sản phẩm chiếu xạ được làm bằng chất nhạy màu [39].
Kết quả phân bố liều hấp thụ trong giả hàng thé hiện qua sự thay đổi màu sắc của chất nhạy màu. Một phương pháp hiệu quả là ứng dung máy cắt lớp CT dé xây dựng mô hình 3D của sản phẩm, kết quả hình ảnh cắt lớp thu nhận được sử dụng làm đầu vào mô phỏng bằng chương trình Monte-Carlo - MCNP5 dé xác định phân bó liều của sản phẩm [40]. Đề tăng độ đồng đều liều trong sản phâm, giảm tỷ số DUR, có nhiều biện pháp hiệu qua đã được đưa ra. Kim và cộng sự đề xuất biện pháp thay đổi góc chiếu xa (thay đổi hướng chùm tia tới) từ đó lựa chọn góc chiếu xạ phù hợp nhất [40, 41] và đạt hiệu quả đáng kể.
Một mô hình khác của Maxim đề xuất sử dụng buồng chiếu xạ có cấu trúc đặc biệt, trong đó electron được tán xạ bằng lưới thép bao quanh mẫu nhằm thay đổi hướng tới của chùm electron, phương pháp này giúp giảm hệ số đồng đều liều trong mau thử nghiệm còn 1,8 [42]. Các biện pháp đề xuất đã giảm được ty số đồng đều liều trong sản phẩm chiếu xạ, tuy nhiên chỉ hiệu quả trong trường hợp xử lý với từng sản phẩm đơn lẽ và gặp nhiều khó khăn khi ứng dụng trong quy mô công nghiệp, đặc biệt đối với các sản phẩm yêu cầu không tháo bao gói trong quá trình chiếu xạ. Ở Việt Nam, chiếu xạ thực phẩm và kiểm dịch đã được thương mại hóa và phát triển mạnh mẽ. Từ năm 1999 đến nay, đã có hơn 7 đơn vI/công ty chiếu xạ được thành lập.
Trong đó 5/7 đơn vị/công ty sử dụng nguồn gamma, 1 công ty (TNHH Chiếu xa Sơn Son) sử dụng may gia tốc chùm electron 5 MeV có bộ chuyên đồi tia X và 01 máy chiếu xạ chùm electron năng lượng 10 MeV tại VINAGAMMA phục vụ chiếu xạ thực phẩm, khử trùng dụng cụ y tế .Sản lượng chiếu xạ thực phẩm thực hiện trên máy gia tốc UELR-10-15S2 tại VINAGAMMA hàng năm đạt 7300 tan hàng thực phẩm và thức ăn thú cưng, 3650 mở hàng dụng cụ y tế. Các kết quả khả quan tại các đơn vị khác như Công ty chiếu xạ Toàn Phát, cũng như các kế hoạch mở rộng đầu tư nhà máy chiếu xạ mới của Công ty Cổ phần Chiếu xạ An Phú tại Bắc Ninh hoặc đầu tư mới như chiếu xạ Hạnh Nguyên cho thấy thị trường ứng dụng công nghệ chiếu xạ thực phẩm là rất lớn. Tuy có sự phát triển về số lượng thiết bị, nhưng các nghiên cứu trong nước về chiếu xạ thực phẩm, trong đó bao gồm chiếu xa bằng chùm electron 10 MeV còn nhiều hạn chế và chỉ dừng ở mức độ phân tích đường phân bố liều trong vật liệu cũng như các đánh giá sơ bộ về thiết bị chiếu xạ [79]. Các nghiên cứu về chiếu xạ kiểm dịch, đặc biệt là chiều xạ kiểm dich bang chùm electron hầu như chỉ được thực hiện tai VINAGAMMA, như nghiên cứu ảnh hưởng của liều xạ lên chất lượng trái vú sửa xuất khẩu và một số loại trái cây khác [43, 82].
Các biện pháp nhằm giảm hệ số đồng đều liều trong sản phẩm chiếu xạ chưa đầy đủ và cần được thực hiện nghiên cứu nhiều hơn. Tương tác electron với vật chất Với electron có năng lượng trong khoảng từ 1 đến 10 MeV, do khối lượng tương đối tính của electron lớn hơn so với các electron của nguyên tử nhưng lại nhỏ hơn nhiều so với khối lượng của hạt nhân nguyên tử, vì vậy các tán xạ do va chạm với hạt nhân không làm electron mat nhiều năng lượng mà chi làm thay đôi hướng của electron và phát bức xạ hãm. Tuy nhiên, các tương tác với electron của nguyên tử lại lam electron mat nhiều năng lượng và bức các electron ra khỏi nguyên tử (quá trình ion hóa nguyên tử). Các electron thứ cấp lại tiếp tục trải qua các tương tác Coulomb tạo ra các electron thứ ba,.
cho đến khi phan động năng cua electron sơ cấp ban dau bị hấp thu gần như hoàn toàn trong vật chat. Như vậy, khi electron so cap di vào vật chat sẽ xảy ra các quá trình: tán xa không đàn hôi với electron của nguyên tử sinh ra các electron thứ cap, tan xạ dan hôi với hạt nhân nguyên tử gây nên sự phân kỳ của chùm electron sơ câp và phát bức xạ hãm khi tương tác với trường hạt nhân nguyên tử. Tan xạ không đàn hồi với các electron của nguyên tử Tương tác giữa electron năng lượng cao với các electron tự do được mô tả theo lý thuyết cô điển của Thomson va Bohr.1 mô tả tương tác không đàn hồi của electron tới electron nguyên tử. Khoảng cách từ electron nguyên tử đến quỹ dao electron kéo dai (b) được gọi là thông số va chạm.
Sự thay đổi động lượng dp cua electron tới trong thời gian dt tỷ lệ với lực tương tác giữa 2 hạt. Giả sử phan năng lượng mà electron tới truyền cho electron của nguyên tử AE là một phần nhỏ so với năng lượng của electron tới và hướng của electron tới không thay đổi nhiều trong quá trình va chạm, sự thay đôi động lượng Ap cua electron nguyên tử được xác định bằng tích phân theo thời gian của thành phần vuông góc của lực. Do dt = dx/v nên ta có [6]: Ap = (e?/v) J coso(ae/r?) = 2c? /(bv).1) Năng lượng AE ma electron tới bi mat bang (Ap )?/m, với m là khối lượng nghỉ cua electron, khi đó: AE = 2¢€*/(mv70?).2) Nếu N là mật độ nguyên tử có nguyên tử số là Z thi sẽ có (2rbdb) NZAs electron của nguyên tử trên độ dai As có thông số va chạm trong khoảng b và db, được mô tả Hình 1.1: Giản đồ va chạm giữa electron sơ cấp va electron của nguyên tử [6]. Năng lượng trung bình của electron tới bi mat do va chạm trên một đơn vị độ dài (AE/As),.y được tính bằng tích phân theo thông số va chạm [6]: ~(AEJAs)„w= 4nNZ(c4/mv?) / (db/b) = Ar NZ(c4/mv2) Inman /Pmin).2: Electron truyền một phan năng lượng AE cho các electron trong thé tích hình trụ[6].
Do hat tới và bia đều là electron nên năng lượng truyền lớn nhất là Ƒ /2. Thông số va cham cực tiêu khi đó có thé được xác định qua phương trình (1. Giá tri cực đại của thông số va chạm cần được xét trong điều kiện electron của nguyên tử không hoàn toàn tự do và liên kết với nguyên tử với nhiều trạng thái khác nhau. Trên cơ sở mẫu thống kê nguyên tử, năng lượng electron tới bị mất do va chạm 10 được xác định qua phương trình [6]: ~(đE/ds).4) Với Iq, là năng lượng trung bình bình kích thích va ion hóa, tỉ lệ xấp xi với nguyên tử số của vật liệu và hằng số tỉ lệ cỡ bậc năng lượng Rydberg, 13,5 eV.
Ở vùng năng lượng không tương đối tính của electron, = mv? /2, quá trình mat năng lượng của electron do va cham sẽ giảm xap xỉ Z~!. Ở mức năng lượng tương đối tính, vận tốc ø gần băng vận tốc ánh sáng, năng lượng mat mát do va chạm tăng theo hàm logarit của năng lượng. Electron thứ cấp Phổ electron thứ cấp là kết quả của các va chạm giữa electron tới và electron của nguyên tử với xác suất tương tác vi phân do được tính là 2zbdò.