重鉻酸鹽劑量計在食品輻照加工中的應(yīng)用

吳翔 徐宏青

摘要 重鉻酸鹽劑量計是國內(nèi)食品輻照加工行業(yè)普遍使用的一種液體化學(xué)劑量計。介紹了其工作原理、組成、校準過程等，并簡要闡述了重鉻酸鹽劑量計在食品輻照加工確認和加工控制中的應(yīng)用，為其今后在國內(nèi)食品輻照加工中的廣泛應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 食品輻照；劑量測量；重鉻酸銀劑量計；操作鑒定；性能鑒定

中圖分類號 TS205 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）34-0081-03

Abstract Dichromate dosimeter is a kind of liquid chemical dosimeter which is widely used in food irradiation processing industry in China. The working principle， components， calibration process were briefly described.Application of dichromate dosimeter in food irradiation identify and process control to provide reference for the future wide application in domestic food irradiation processing.

Key words Food irradiation；Dosimetry；Dichromate dosimeter；Operational qualification；Performance qualification

食品輻照是利用電離輻射（60Co或137Cs放射性核素產(chǎn)生的γ射線、加速器產(chǎn)生的不高于10 MeV的電子束或不高于5 MeV的X射線）處理食品達到殺菌、保鮮、提高微生物安全性及延長貨架期等目的的一種食品加工技術(shù)。食品輻照約有100年的歷史，現(xiàn)在全球超過57個國家批準了食品輻照的具體應(yīng)用[1]，每年加工輻照食品數(shù)量近100萬t。

輻照加工過程本身就是給予被加工的產(chǎn)品一定的輻射能量，即吸收劑量。通常，吸收劑量與輻射效應(yīng)有對應(yīng)關(guān)系，因而準確測量吸收劑量，控制輻照加工過程中產(chǎn)品的吸收劑量，產(chǎn)品中就會出現(xiàn)所需的輻射效應(yīng)。因此，劑量測量計就成為一種獨立的、廉價的、可靠的控制食品輻照加工的工具[2]。

重鉻酸鹽劑量計是一種液體化學(xué)劑量計，幾乎不受環(huán)境光照、劑量率等因素影響，具有很好的可重復(fù)性，在國內(nèi)食品輻照加工中有著廣泛應(yīng)用[3]。

1 重鉻酸鹽劑量計工作原理和特性

重鉻酸鹽劑量計是含有一定濃度重鉻酸銀或重鉻酸鉀（銀）的稀高氯酸溶液。在酸性水溶液中，電離輻射與水相互作用產(chǎn)生的輻解產(chǎn)物可將劑量計溶液Cr2O2-7中的Cr6+離子定量地還原為Cr3+離子。該溶液吸收輻射能量后將引起特定波長下吸光度的改變，經(jīng)過校準后，即可由輻照前后吸光度的變化值確定劑量計溶液的吸收劑量。根據(jù)測量劑量的大小可分為低量程重鉻酸銀劑量計和高量程重鉻酸鉀（銀）劑量計，分別選擇350和440 nm波長用分光光度計測定高量程與低量程劑量計的吸收劑量[4]。

重鉻酸鹽劑量計具有性能穩(wěn)定、制備簡單、易測量、無需稀釋、吸收輻射能量特性與水等效、劑量響應(yīng)線性良好等特點，劑量計測量吸收劑量的重復(fù)性<1%，擴展不確定度為4%（k=2），不僅可作為傳遞標準使用，也能方便地用于常規(guī)劑量監(jiān)測[5]。

2 吸收劑量的計算

3 重鉻酸鹽劑量計校準

重鉻酸鹽劑量計摩爾吸光系數(shù)ε不僅與標準溶液的制備方法有關(guān)，而且受測定用儀器光學(xué)性能的影響。在使用重鉻酸鹽劑量計之前，為了得到準確可靠的摩爾吸光系數(shù)，應(yīng)當制備Cr2O2-7離子標準溶液，然后在所用的分光光度計上進行測定。

3.1 主要儀器與試劑 756MC紫外可見分光光度計，梅特勒1/10 000電子天平，茂福爐。K2Cr2O7，容量基準；HClO4，優(yōu)級純；KMnO4，分析純；NaOH，分析純；3次蒸餾高純水。

3.2 重鉻酸銀劑量計摩爾吸光系數(shù)ε的測定

取適量K2Cr2O7置于茂福爐中，在105 ℃下烘2 h，使用1/10 000電子天平稱取0.230 1 g，準確到0.1 mg，并用0.1 mol/L HClO4溶解，然后定量轉(zhuǎn)移到250 mL容量瓶內(nèi)，最后用0.1 mol/L HClO4稀釋到刻度。配制時實驗室與溶液的溫度控制在20 ℃。分別準確移取上述K2Cr2O7標準溶液4、6、8、9、10、11、12 mL于7個100 mL容量瓶內(nèi)，用0.1 mol/L HClO4稀釋到刻度。在波長350 nm，25 ℃下測定系列標準溶液的吸光度，測定結(jié)果詳見表1。

以標準溶液摩爾濃度與相應(yīng)的吸光度值進行線性回歸擬合處理，其斜率即Cr2O2-7離子的摩爾吸光系數(shù)ε。根據(jù)ε=A/（C×l），A=（ε×l）×C，利用C～A作線性回歸，得B=3.108 7，r=0.999 96，由ε×l=B，得到ε=310.1 m2/mol，G、ρ使用標準推薦值，l=0.01 m，代入K=1/（G×ε×l×ρ）=8 485.7，吸收劑量值可由D=K×△A計算得出。項目組制作的低量程重鉻酸銀劑量計參加了中國計量科學(xué)研究院“國家劑量保證服務(wù)”（NDS）校準，劑量計數(shù)據(jù)在3%以內(nèi)與計量院的評定值一致，取得了較好的結(jié)果。

3.3 高量程重鉻酸鉀（銀）劑量計摩爾吸光系數(shù)ε的測定

置適量K2Cr2O7于烘箱中，在105 ℃下烘2 h，使用1/10 000電子天平稱取1.589 9 g，準確到0.1 mg，并用0.1 mol/L HClO4溶解，然后定量轉(zhuǎn)移到250 mL容量瓶內(nèi)，最后用0.1 mol/L HClO4稀釋到刻度。配制時實驗室與溶液的溫度控制在20 ℃。準確地分別移取上述K2Cr2O7標準溶液4、6、8、9、10、11、12 mL于7個100 mL容量瓶內(nèi)，用0.1 mol/L HClO4稀釋到刻度。在波長440 nm，25 ℃下測定系列標準溶液的吸光度，測定結(jié)果詳見表2。

以標準溶液摩爾濃度與相應(yīng)的吸光度值進行線性回歸擬合處理其斜率即Cr2O2-7離子的摩爾吸光系數(shù)ε。根據(jù)ε=A/（C×l），A=（ε×l）×C，利用C～A作線性回歸，得B=0.465 9，r=0.999 91，由ε×l=B，得到ε（Cr2O2-7）=46.59 m2/mol， △ε=ε（Cr2O2-7）-2ε（Cr3+）=44.51 m2/mol，G、ρ使用標準推薦值，l=0.01 m，代入K=1/（G×△ε×l×ρ）=567 39，吸收劑量值可由D=K×△A計算得出[5]。

4 重鉻酸鹽劑量計組成及特性

重鉻酸鹽劑量計使用有效劑量范圍為0.4～40.0 kGy，低量程與高量程劑量計范圍是不同的，但2個范圍之間是銜接的，在食品輻照加工實際應(yīng)用中需要預(yù)估可能的劑量范圍并選用合適的劑量計。重鉻酸鹽劑量計組成及參數(shù)如表3所示。

5 重鉻酸鹽劑量計在食品輻照加工中的應(yīng)用

在各種有關(guān)食品輻照的指南和標準中，主要關(guān)心的活動是加工確認和加工控制[6]。參照ISO14470：2011標準要求，食品輻照加工確認分為3個階段，即安裝鑒定（IQ）、運行鑒定階段（OQ）和性能鑒定（PQ），加工控制則是對日常加工的監(jiān)控。上述所有過程都與劑量測量有著密切關(guān)系[7]。在食品輻照加工中，重鉻酸銀劑量計既可以作為標準傳遞劑量計使用，也可作為常規(guī)劑量計使用，在運行鑒定階段（OQ）用于表征輻照裝置，在性能鑒定（PQ）階段用于測定輻照食品產(chǎn)品中的劑量分布，在產(chǎn)品加工時用于監(jiān)測輻照加工生產(chǎn)。

5.1 安裝鑒定階段（IQ）

安裝鑒定的目的是證明輻照裝置及其加工用儀器設(shè)備符合安裝要求和既定參數(shù)要求，IQ階段并不涉及劑量測量，但建立可靠的劑量測量系統(tǒng)是必做的工作之一。在選用重鉻酸銀劑量計作為食品輻照裝置劑量測量系統(tǒng)時，需要考慮其適用的劑量范圍、輻射類型等問題，并將工作劑量計直接或間接通過標準劑量計溯原至國家基準劑量值。食品輻照所適用的電離輻射有60Co、137Cs等放射性核素產(chǎn)生的γ射線、加速器產(chǎn)生的10 MeV或10 MeV以下的電子束和加速器產(chǎn)生的5 MeV或5 MeV以下的X射線[8]，參照重鉻酸鹽劑量計測量標準，低量程重鉻酸銀劑量計僅適用于γ食品輻照，而高量程重鉻酸鉀（銀）劑量計則對γ、X射線和電子束輻照都是適用的。

5.2 運行鑒定階段（OQ）

運行鑒定的目的是在不同運行條件下，為每一套輻照裝置參數(shù)和加工參數(shù)建立基準數(shù)據(jù)用以評估裝置的有效性、可預(yù)測性和可重復(fù)性。食品輻照的運行鑒定是使用劑量計測定密度均一的測試材料中劑量分布，將常用的劑量計三維布置在裝有測試材料的輻照容器內(nèi)輻照，在選擇布置模式時要在可能最大及最小劑量點放置較多劑量計，而中等劑量點可以少布置一些，以便確定輻照容器內(nèi)最大及最小劑量點位置。

劑量分布記錄應(yīng)包括輻照容器描述、輻照運行條件、使用的材料、劑量測量和所得出的結(jié)論。對γ輻照裝置來說，通過測定劑量分布建立計時器設(shè)定值、傳輸速度和吸收劑量之間的關(guān)系。在電子束和X射線裝置中，對每一種用于加工的產(chǎn)品配置應(yīng)建立起束流性能、傳輸速度和劑量之間的關(guān)系。

5.3 性能鑒定階段（PQ）

性能鑒定的目的是證明輻照裝置是始終按照預(yù)期運行，并能滿足加工工藝的要求，其主要工具是測定劑量分布。在進行食品輻照性能鑒定時，輻照工廠使用日常輻照加工的食品產(chǎn)品，按照一定的裝載模式裝載到輻照容器內(nèi)，測定劑量分布。輻照工廠運行人員根據(jù)劑量分布中所得到的信息，可以確定食品輻照日常生產(chǎn)時產(chǎn)品最大、最小劑量點大小、位置及它們與參考劑量點之間的數(shù)量關(guān)系，同時能確定加工參數(shù)值，這些參數(shù)值包括γ輻照加工中計時器設(shè)定值、電子束輻照加工中傳輸速度等[9]。

5.4 產(chǎn)品加工階段

在食品輻照日常生產(chǎn)中，運行人員通常在輻照容器內(nèi)的產(chǎn)品上放置工作劑量計用以監(jiān)測輻照加工。工作劑量計放置的位置可以選擇最大、最小劑量點或合格的參考劑量點。當最大、最小劑量點位于產(chǎn)品箱內(nèi)部時，運行人員則無法布置劑量計進行監(jiān)測，這時通常的做法是使用參考劑量計。參考劑量計的位置選在產(chǎn)品箱或輻照容器的表面，這個位置應(yīng)方便運行人員布置并可重復(fù)操作。在裝載模式、傳輸通路等確定后，通過劑量分布測定最大、最小劑量點和參考劑量點之間的數(shù)量關(guān)系，這樣在讀取參考劑量計的量值后即可計算出最大、最小劑量點量值，從而評估劑量監(jiān)測值是否符合食品輻照工藝劑量要求[10]。

6 結(jié)語

重鉻酸鹽劑量計已有40多年的應(yīng)用歷史，具有性能穩(wěn)定、制備簡單、成本低廉、劑量響應(yīng)特性良好等優(yōu)點，在食品輻照加工中按照相關(guān)劑量測量標準建立重鉻酸鹽劑量測量系統(tǒng)，包括測量程序文件、經(jīng)過校準的測量器具、經(jīng)過培訓(xùn)的合格的測量人員等，并進行校準，建立量值溯原性。劑量測量系統(tǒng)要始終貫穿于食品輻照的加工確認和日常控制過程，確保輻照加工的質(zhì)量。

參考文獻

[1] 徐宏青，殷俊峰，董軍，等.歐盟食品輻照的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（2）：289-291.

[2] 張彥立，李承華.輻射加工劑量測量的標準化[C]//中國食品輻照技術(shù)研討會論文集.北京：中國同位素與輻射行業(yè)協(xié)會，2002：31-38.

[3] IAEA.Guidelines for the development，validation and routine control of industrial radiation processes[M].Vienna：IAEA，2013：12.

[4] 中國計量科學(xué)研究院.使用重鉻酸銀劑量計測量γ射線水吸收劑量標準方法：JJG 1028—91[S].北京：中國計量出版社，1991.

[5] 中國計量科學(xué)研究院.輻射加工劑量學(xué)與質(zhì)量控制[M].北京：中國計量科學(xué)研究院，1997：16-17.

[6] IAEA. Manual of good practice in food irradiation[M].Vienna：IAEA，2015：19-30.

[7] 中國計量科學(xué)研究院.使用重鉻酸鉀（銀）劑量計測量γ射線水吸收劑量標準方法：JJG 1018—90[S].北京：中國計量出版社，1990.

[8] 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能利用研究所.食品輻照通用技術(shù)要求：GB/T 18524—2001[S].北京：中國標準出版社，2002.

[9] International Organization for Standardization.Food irradiationRequirements for the development， validation and routine control of the process of irradiation using ionizing radiation for the treatment of food：ISO 14470：2011[S].Geneva：ISO，2011.

[10] IAEA. Dosimetry for food irradiation[M].Vienna：IAEA，2002：7-8.