高能電子用于PET 瓶殺菌的研究

張國宏 陸健鋒 于麗坤 謝駿琦

無論是超潔凈灌裝技術還是無菌灌裝技術，在生產過程中對與產品直接接觸的容器進行殺菌處理是不可缺少的工藝環節。目前，在使用化學方法對容器進行殺菌處理時，常常需要使用水沖洗或熱分解來減少化學品的殘留，這就帶來了能耗問題和環保問題，同時，塑料材料對化學品的吸附也會對內容物的品質造成或多或少的負面影響。在當今環保壓力日漸增大的大形勢下，尋求一種安全、高效、節能、環保、經濟的包裝容器物理殺菌技術已成為行業發展的迫切需求。

高能電子殺菌技術屬于輻射加工技術，目前，其已經獲得FDA（美國食品藥品管理局）的批準而投入使用。高能電子對微生物的殺滅分為直接作用和間接作用。直接作用是指DNA 分子本身因電離作用受損而導致細胞死亡。間接作用是指水分經輻射電離而產生各種游離基和過氧化物，其再與細胞內物質作用，從而使微生物失活。高能電子相對于鈷60，雖然在穿透力方面有一定限度，但也有其明顯的優勢，如輻射時間短；輸出功率可以控制；運轉操作比較簡單；不產生放射性廢物；運行成本相對較低。高能電子殺菌技術現已廣泛地應用于醫療用品、輻射食品等產品的滅菌，是一種安全、成熟的物理殺菌方法。本文對高能電子用于PET 空瓶的殺菌工藝及其工業化應用進行了初步研究。

1.材料及方法

1.1.劑量檢測

1.1.1.劑量檢測材料美國GEX 公司B3 WINdose 薄膜劑量計。

1.1.2.劑量檢測方法

1.1.2.1.將劑量片貼于試驗樣品的相關位置上，執行輻射測試。

1.1.2.2.將處理后的劑量片取下，置于白紙上，在58.5℃烘箱中烘15min，然后用鑷子直接把劑量片插入分光光度計測量位置，根據在552nm 處測定的吸光度，轉算成劑量值。

1.2.微生物殺菌測試

1.2.1.菌種

1.2.1.1.短小芽胞桿菌ATCC 27142：購于中國工業微生物菌種保藏管理中心。

1.2.1.2.萎縮芽胞桿菌ATCC 9372：購于中國工業微生物菌種保藏管理中心。

1.2.2.芽胞懸液制作

按照《消毒技術規范》（2008 版）之2.1.2 菌懸液與菌片的制備執行。

1.2.3.樣品接種

1.2.3.1.PET 片的接種：取菌液0.1mL，接種到PET 片上，接種面積控制在1cm2。接種后的PET 片放入干燥箱，在45℃下干燥30min 后用于測試操作。

1.2.3.2.PET 瓶的接種：取所需量的菌液，如為點接要求，則將菌液點滴到指定的位置；如為面接要求，則將菌液滴加到制定的區域，然后旋轉或拍打空瓶，使菌液以小液珠形式均勻分散到指定區域的所有位置。接種后的空瓶置于45℃烘箱烘干30min，至菌液徹底干燥后用于測試操作。

1.2.4.樣品輻射處理

1.2.4.1.離線輻射：將待測樣品放入輻射屏蔽體中，固定待測樣品與高能電子發射器的距離。按照高能電子發射器操作要求開啟設備，待能量和束流穩定后，開始計時，計時結束后，降低束流和電壓，關閉設備，取出待測樣品。

1.2.4.2.在線輻射：開啟空瓶輻射傳輸設備和高能電子發射器，待能量、束流及傳輸速度穩定至所需值后，將待測空瓶通過傳輸裝置自動送入輻射屏蔽體中，對樣品進行在線輻射處理，在屏蔽體出口處按照要求取出待測樣品。

1.2.5.樣品微生物檢測

按照參照《消毒技術規范》（2008 版）之2.1.3 活菌培養計數技術執行。

2.結果與討論

2.1.D10 值的測定

D10值是指殺滅90%微生物所需的輻射劑量（kGy）。D10值在電離輻射滅菌中對輻射劑量的估算占有重要地位。本試驗中以PET 片為載體，通過存活曲線方法[1]測定萎縮芽胞桿菌和短小芽胞桿菌的D10值。

萎縮芽胞桿菌易于培養和計數，在測定高能電子能量（keV）對D10值影響時，使用萎縮芽胞桿菌可減少因培養計數的誤差而產生的干擾。我們設定高能電子的不同能量，測定萎縮芽胞桿菌芽胞經不同劑量處理后的存活菌量，每個樣品測三個平行樣，取平均值作為一次測試結果，重復測試三次，結果見圖1。

圖1 不同能量下，劑量與萎縮芽胞桿菌芽胞的存活菌量對數值（log（N））的關系

對劑量與萎縮芽胞桿菌芽胞存活菌量的關系進行數據線性回歸分析，由回歸方程計算出其對應的D10值, 結果見表1。

表1 不同能量下，劑量與萎縮芽胞桿菌芽胞存活菌量變化關系回歸分析結果

對于高能電子而言，其能量代表其穿透能力。通過數據比較發現，在150keV 時，接種干燥后的菌膜厚度對測試結果有一定的干擾，其D10值要明顯高于300keV 和400KeV 下的值，產生“在較低的能量下，需要更大的殺菌劑量”這一假象。當能量增大到一定值后，菌膜厚度對測試結果的影響將大為減弱，300keV 和400keV 下的D10值接近。

在400keV 下，測定短小芽胞桿菌芽胞經不同劑量處理后的存活菌量，每個樣品測三個平行樣，取平均值作為一次測試結果，重復測試三次。結果與同能量下萎縮芽胞桿菌芽胞的存活菌量的對比見圖2。

對劑量與短小芽胞桿菌芽胞存活菌量的關系進行數據線性回歸分析，由回歸方程計算出其對應的D10值, 結果見表2。

圖2 400keV 下劑量與短小芽胞桿菌芽胞和萎縮芽胞桿菌芽胞的存活菌量對數值（log（N））的關系

表2 400keV 下劑量與短小芽胞桿菌芽胞和萎縮芽胞桿菌芽胞菌量變化關系回歸分析結果

輻射滅菌法最常用的生物指示菌為短小芽胞桿菌芽胞[2]。表3 中羅列了部分文獻中所報道的高能電子對短小芽胞桿菌芽胞殺滅的D10值。本測試中將菌量為106數量級的短小芽胞桿菌芽胞接種于PET 片上，測得的D10值為2.09，其值要高于文獻報道值。

表3 不同文獻中所報道高能電子對短小芽胞桿菌芽胞殺滅的D10 值

D.A. Cleghorn [10] Bacillus pumilus ATCC 27142 HEDP Radiachromic Films Far West Technology, Goleta, CA, USA 1.1 to 1.6 Glass fiber filter with non additives 1.6 Hitoshi ITO [11] Bacillus pumilus E601 Glass fiber filter with peptone+glycerin 2.1 Fricke dosimeter Cellulose filter with peptone+glycerin 1.7 Toru Hayashi [12] Bacillus pumilus E601 聚偏二氯乙烯涂層的聚丙烯 Fricke dosimeter 1.6

影響D10值大小的原因有很多，如芽胞的制備方法、干燥程度、載體的種類及輻射的均勻度等[4]。耿彥生[6]研究表明，電離輻射對布指示菌片、濾紙指示菌片、塑料指示菌片和可溶性菌片上的短小桿菌E601 的D10值分 別 為1.60、1.61、2.19、2.53。同時，齊子榮[13]研究表明，D10值又取決于照前菌數的多寡，以短小桿菌E601 芽胞為例，它在三種不同的照前菌數1.4×107、8.4×106、2.4×104、1.4×107個/ml 時，所得D10值分別為1.72、1.56、1.34，結果顯示，照前菌數多，D10值高，反之則低。

除以上相關原因外，劑量檢測方法以及試驗裝置也會影響到試驗結果。本試驗是在工業化裝置上進行的理論曲線測試，由于所借用裝置的特殊性，不能實現“即開即斷”式的輻射，設備穩壓、升束流和降壓、降束流時產生的“無效劑量”會帶入結果中，從而也會使得達到相同殺菌效果時的劑量要高于實際劑量。

萎縮芽胞桿菌ATCC 9372 是PET 無菌冷灌裝生產線中包材化學法殺菌驗證中使用的挑戰菌。萎縮芽胞桿菌芽胞作為輻射殺菌工藝的生物指示菌也有報道[14][15]。在本測試中，萎縮芽胞桿菌的D10值要小于短小芽胞桿菌的D10值。

2.2.高能電子對PET 瓶內壁殺菌的離線測試

2.2.1.高能電子對PET 瓶內壁殺菌的劑量確定

2.2.1.1.高能電子對PET 瓶殺菌劑量上限設定

在一定劑量下，高能電子會與高分子材料發生交聯或裂解反應。資料總結了電離輻射殺菌對商業用食品塑料包裝材料的機械性能、塑料成分遷移量、阻隔性能及感官性能等方面的影響[16]。Geulas 等[17]對比了PP、PS 和 PET的抗輻射能力，結果發現在輻射量為60kGy 時，PP 和PS 的斷裂伸長率分別降低了93%和61%，而PET 幾乎沒有受到影響。PET 是常用的包裝材料中對輻射耐受能力最強的材料。資料表明[18]PET 對輻射最大容許劑量為1000～1500kGy。

我們以高能電子對PET瓶輻射處理后空瓶的顏色變化和恢復程度為指標，來確定高能電子對PET 瓶輻射劑量的上限。分別對添加綠色色母、白色色母和無色母添加的PET 瓶進行輻射處理，然后觀察其顏色的恢復時間，結果見表4。

表4 添加不同色母的PET 瓶在不同能量和劑量下顏色恢復時間

我們通過試驗發現，在一定輻射劑量下，輻射處理后的PET 瓶的顏色會發生變化，其后會逐漸恢復到正常。

圖3 高能電子輻射PET 瓶后的色澤變化及其相關機理

汪輝亮對聚乙烯( PE) 輻射致色的主要原因進行了研究[19]，結果表明，PE 輻射后黃度的產生以及后期的消退主要是由生成的陷落自由基引起的。PET 瓶在經高能電子處理前后的顏色變化及其機理見圖3，PET 分子鏈與捕捉到的電子形成自由基，自由基遷移形成酮醌式顯色基團，放置之后，隨著電子的釋放，形成的自由基緩慢脫離或復位，酮醌式顯色基團消失，PET 的顏色會逐漸恢復回來。試驗數據顯示，變色程度和恢復時間與高能電子的能量無關，而與劑量和所添加的色母有關。對于沒有添加色母或添加綠色色母的PET 瓶，在70kGy 左右輻射后，其顏色在六天內基本顏色會恢復正常，而對于添加白色色母的PET 瓶，在70kGy 左右輻射后，其顏色需要在20 天以上才可能恢復正常。在使用高能電子對PET瓶進行殺菌時，考慮飲品實際生產的特點，我們初步確定將高能電子劑量限制在70kGy 以下。

2.2.1.2.高能電子對PET 瓶殺菌劑量下限設定

目前國際上常用的滅菌劑量（Sterilization Dose，SD）設定方法主要包括25kGy 單一劑量法、公式法和AMMI 方法。在世界上大多數國家或地區中，最低劑量為25 kGy， 但是在許多情況下，它顯然高于必要水平[20]。輻射滅菌劑量也可由公式計算所得[18]：

其中：SD 為輻射劑量

D 為指示菌的D10值

N0為輻射前污染菌數

N 為輻射后殘留菌數

SD 值大小主要取決于產品的初始污染菌類型、數量和無菌保證水平（SAL）。如果滅菌前污染微生物計數非常低，而且D10也很小，為了提高經濟效應，避免產品的輻射損傷，也可采用較低的滅菌劑量[18]。研究表明，在一次性醫療用品上可降低輻射劑量[21]。對于一次性使用PVC 輸液器，無菌保證水平取10-6，輻射滅菌劑量值選擇為8～13kGy[22]。

資料表明，對于塑料容器，大約9kGy 就可以將短小芽胞桿菌ATCC 27142 芽胞殺滅到6log[9]。目前，隨著PET 瓶在線吹制技術的廣泛應用，相對于離線吹制，PET 瓶的初始染菌數量可大幅度降低并可有效控制。結合資料，本項目以9kGy 作為輻射劑量最低值作為探索方向。

2.2.2.高能電子對PET 瓶內壁殺菌的能量確定

采用高能電子對PET 瓶內壁進行殺菌的方法有多種[23]。在采用外照射法對PET 空瓶內壁進行殺菌時，空瓶各部分的厚度將會對高能電子殺菌效果有一定的影響。

高能電子發射器的能量決定了高能電子的穿透能力，能量越高，穿透的厚度就越大（見圖4）。

圖4 不同能量深度劑量分布曲線

PET 材料的密度為1.38g/cm3，計算所得不同能量高能電子所穿透的最佳厚度值（Ropt）見表5。

表5 不同能量所對應的PET 材料最佳厚度值

表6 測試用PET 瓶主要指標及劑量測試點

表7 不同能量下瓶身內壁不同點的劑量值

我們在不同能量下，測定了表6 所列參數的樣品瓶瓶身內壁不同點的劑量值（見表7），其中表面劑量為PET瓶外壁離發射器最近點的值，雖然在試驗中輻射參數一致，但由于試驗裝置的原因，開機和關機過程的操作過程會導致表面劑量值的波動。從表7 中可以看出，在350KeV，由于穿透厚度所限，PET 瓶內壁多個點的劑量＜3.4kGy，而在450keV，測試點的劑量均達到9kGy 以上，由于瓶底結構的特點，瓶底04 點和05 點是輻射的薄弱點。

表8 增加導向磁場前后，不同能量下瓶口內壁不同點的劑量值

PET 瓶口部分一般是整個瓶體中最厚的部分，在試驗中單獨對瓶口部分進行劑量測試，結果見表8。從數據可以看到，即使在450keV 下，瓶口部分仍有部分區域的劑量無法達到要求。在實際操作中，為了解決瓶口內壁劑量弱的問題，我們在瓶口上部增加導向磁場，通過導向磁場改變瓶口上部的高能電子的流向，將與瓶口平行的電子流導入到瓶口內。測試表明，導向磁場的設置，瓶口內壁的劑量值有增加的趨勢，且各測試點的劑量均達到9kGy以上。

2.2.3.高能電子對PET 瓶內壁殺菌的微生物挑戰測試

我們將確定的指示菌芽胞接種于PET 瓶身內壁劑量較小的05 點所在的瓶底及其04 點所在的瓶底四周邊緣，以及接種于瓶口內壁，然后在450keV、1mA、20s 下對樣品進行殺菌處理，其結果見表9 和表10。

表9 瓶底內壁指示菌芽胞殺滅對數值（KL）

表10 瓶口內壁指示菌芽胞殺滅對數值（KL）

試驗結果表明，當我們將在空瓶滅菌的挑戰測試中，接種于整個空瓶內壁的菌液量集中接種在劑量相對較小的區域時，經過高能電子殺菌處理后，殺滅對數值可以達到6log 以上，在某種程度上說明試驗確定的高能電子殺菌工藝參數滿足對整個空瓶6log 殺滅對數值的需求。

2.3.高能電子對PET 瓶內壁殺菌的在線測試

2.3.1.高能電子對PET 瓶殺菌內壁劑量測試

我們用蒙特卡羅模型對工業化實施中所需要使用的PET 瓶的瓶內壁各部分的劑量進行了模擬預判，從模擬結果看（見圖5），由于受PET 瓶瓶型結構以及瓶壁厚度的影響，瓶口、瓶肩、瓶腰（logo 凹凸處）和瓶底部分是劑量的薄弱點。

圖5 工業化PET 樣品瓶內壁劑量的蒙特卡羅模擬

在24000 瓶/小時的運行速度下，我們對瓶肩、瓶腰和瓶底內壁的特定點進行了劑量測試，結果見表11、表12、表13 和表14。

表11 瓶口內壁輻射劑量測定值

表12 瓶肩內壁輻射劑量測定值

表13 瓶腰內壁輻射劑量測定值

表14 瓶底內壁輻射劑量測定值

測試結果表明，在選定的高能電子對PET 瓶內壁殺菌的工藝條件下，對于選定的測試點，其劑量均高于9kGy。

2.3.2.高能電子對PET 瓶內壁殺菌微生物挑戰測試

我們針對蒙特卡羅模擬計算所示的空瓶內壁可能存在的輻射薄弱點，在24000 瓶/小時的運行速度下，對瓶口、瓶腰和瓶底內壁進行了指示菌芽胞殺滅對數值測試，結果見表15。

表15 空瓶內壁不同部位指示菌芽胞殺滅對數值（KL 值）

表16 高能電子對PET 瓶內壁指示菌芽胞殺滅對數值（KL 值）

表17 高能電子對異常PET 瓶內壁指示菌芽胞殺滅對數值（KL 值）

結果顯示，在測試條件下，PET 瓶內壁測試區域對指示菌芽胞的殺滅對數值均＞6log。

在瓶口及空瓶內壁各區域通過微生物挑戰測試后，在24000瓶/小時的運行速度下，我們對整個空瓶進行了指示菌芽胞殺滅對數值測試，考慮到高能電子殺菌裝置的工位數量為45，我們確定測試樣品數量不少于135 瓶（45 瓶/輪×3 輪），并重復測試三次，結果見表16。

測試結果顯示，在測試條件下，除一瓶測試結果為5.84log外，其它樣品對指示菌芽胞的殺滅對數值均超過6log。我們在不考慮測試操作誤差情況下，對異常瓶進行了厚度檢測，發現其瓶壁和瓶底與正常瓶相比都存在明顯的差異。

為了解異常瓶對測試結果的影響，我們篩選了不合格瓶進行了測試，結果見表17。

如前所述，對于高能電子外照射工藝，PET 瓶的各部分厚度與內壁的劑量相關并影響到殺菌效果，結果表明，對于異常瓶，其對指示菌芽胞的殺滅對數值小于6log 的比例達到了44%。為了保證生產的安全性，控制吹瓶質量和保證空瓶各部分厚度的穩定性將成為品控重點。同時，從另一個層面也說明，高能電子外照射工藝更適合輕量化瓶的生產。

2.4.結束語

高能電子輻射加工技術是20 世紀90 年代以來才被廣泛關注的高新技術，近年來發展勢頭迅猛。在PET 瓶殺菌方面，同傳統的濕法殺菌（如PAA 法）和VPHP 干法殺菌相比，高能電子干法殺菌（EDS）技術具有無可替代的安全性、高效性和經濟性，特別是在環保方面更是傳統方法所無法相比的。隨著環保需求的增強，以及EDS 殺菌裝備工業化生產技術的成熟，在瓶裝水、飲品和液體乳制品的生產中，相信EDS 技術將會突顯其特殊的意義及價值。