کاربرد فناوری هسته‌ای در جلوگیری از فساد سویا در انبار

خبرگزاری تسنیم؛ گروه اقتصادی ــ فساد سویا در انبارها، به‌ویژه در مناطق گرمسیری و نیمه‌گرمسیری، یک چالش عمده برای امنیت غذایی و صادرات کشاورزی است. عوامل اصلی این فساد شامل حشرات انباری (مانند سوسک‌های حبوبات)، قارچ‌های تولیدکننده افلاتوکسین (به‌ویژه Aspergillus flavus) و رطوبت بالا هستند. فناوری هسته‌ای، به‌صورت کاربرد مسالمت‌آمیز و غیرسلاحی، از طریق تابش‌کاری (Irradiation)، بستری ایمن و مرثر برای مهار این عوامل فراهم می‌کند. این روش بر پایه انتقال انرژی یونیزه‌کننده (مانند گاما، ایکس یا پرتوهای الکترونی) به محصول طراحی شده است که بدون افزایش دمای محسوس، میکروارگانیسم‌ها و حشرات را بی‌اثر می‌کند یا مانع از تکثیر آنها می‌شود. تابش‌کاری سویا، برخلاف برداشت‌های عمومی، کیفیت تغذیه‌ای، شیمیایی و فیزیکی دانه را حفظ می‌کند و به‌طور قابل‌توجهی عمر انبارمانی آن را افزایش می‌دهد.

بیشتر بخوانید

هسته‌ای در کشاورزی ــ ۶۶ | «برنج‌های معطر» با فناوری هسته‌ای

هسته‌ای در کشاورزی ــ ۶۷ | جلوگیری از کپک‌زدگی سیب‌زمینی

ضرورت و اهمیت کنترل فساد سویا، در زنجیره تأمین غذایی

سویا به‌عنوان یکی از مهم‌ترین منابع پروتئین گیاهی و روغن خوراکی، در تغذیه انسان و دام حضوری استراتژیک دارد. جهان سالانه بیش از ۳۷۰ میلیون تن سویا تولید می‌کند، که حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد از آن در مرحله پس از برداشت ــ به‌ویژه در انبارداری ــ از بین می‌رود. این ضایعات ضمن اینکه خسارات اقتصادی سنگینی به کشاورزان وارد می‌کند، بر امنیت غذایی، اثرات زیست‌محیطی (به‌واسطه نیاز به تولید جبرانی) و سلامت عمومی (از طریق مسمومیت با افلاتوکسین) تأثیر مستقیم دارد. افلاتوکسین B1، یک متابولیت ثانویه A. flavus، یکی از قوی‌ترین کارسینوژن‌های شناخته‌شده است و در ارتباط با سرطان کبد گزارش شده است. به‌ویژه در کشورهایی با سیستم‌های نظارتی ضعیف، مواجهه با این سم رایج است. از این رو، توسعه راهکارهای پیشگیرانه که در نقطه ورود به انبار اعمال می‌شوند، ضرورتی اجتناب‌ناپذیر است. فناوری هسته‌ای، در این زمینه، یکی از معدود روش‌هایی است که می‌تواند همزمان حشرات، قارچ‌ها و تخمک‌های قارچی را بدون نیاز به مواد شیمیایی باقیمانده‌ در سطوح عملیاتی هدف قرار دهد.

معرفی اصول کلی تابش‌کاری مواد غذایی و سازوکارهای فیزیکی آن

تابش‌کاری مواد غذایی، یک فرآیند فیزیکی است که در آن مواد در معرض پرتوهای یونیزه‌کننده قرار می‌گیرند. این پرتوها ــ که شامل گاما (از منابع Co-60 یا Cs-137)، پرتوهای ایکس (تا ۵ MeV) و پرتوهای الکترونی (تا ۱۰ MeV) هستند ــ انرژی کافی برای جداسازی الکترون‌ها از اتم‌ها و مولکول‌ها دارند.

در سطح زیستی، این یونیزاسیون منجر به شکست زنجیره‌های DNA در میکروارگانیسم‌ها، تثبیت تخمک‌های حشرات و مهار رشد قارچ‌ها می‌شود. مهم است توجه داشت که سویا خود پرتوزا نمی‌شود؛ چراکه پرتوهای استفاده‌شده «فعال‌سازی» رادیواکتیو ایجاد نمی‌کنند ــ یعنی انرژی آنها زیر آستانه لازم برای القای رادیواکتیویته در مواد آلی است. میزان انرژی اعمالی، به‌عنوان «دُز»(بر حسب کیلوگری یا kGy) اندازه‌گیری می‌شود. برای سویا، دُز معمول بین ۰٫۵ تا ۱٫۵ kGy برای کنترل حشرات و ۲ تا ۴ kGy برای مهار قارچ‌ها در نظر گرفته می‌شود. فرآیند کاملاً سرد است و دمای محصول حداکثر ۲ تا ۳ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد ــ ویژگی‌ای که برای مواد حساس به حرارت مانند سویا بسیار حیاتی است.

مؤلفه‌های اصلی سیستم تابش‌کاری انباری برای سویا

یک سیستم کاربردی تابش‌کاری برای سویا شامل چهار مؤلفه اصلی است: منبع تابش، سیستم حمل‌ونقل، اتاق تابش و سیستم کنترل و نظارت. منبع تابش معمولاً Co-60 است ــ ایزوتوپی با نیمه‌عمر ۵٫۲۷ سال که گاماهای ۱٫۱۷ و ۱٫۳۳ MeV ساطع می‌کند و برای محصولات توده‌ای مانند سویا مناسب است.

سیستم حمل‌ونقل (معمولاً نوار نقاله یا کانتینر چرخشی) سویا را به‌صورت یکنواخت در مسیر پرتو عبور می‌دهد تا توزیع دُز بهینه شود.

اتاق تابش، محیطی محافظت‌شده با دیواره‌های بتنی ضخیم (معمولاً ۱٫۵ تا ۲ متر) است که از نشت پرتو جلوگیری می‌کند.

سیستم کنترل، شامل دوزیمترهای آنلاین، سنسورهای رطوبت و دما، و نرم‌افزار مدیریت دُز، اطمینان از تکرارپذیری و ایمنی فرآیند را فراهم می‌کند.

در واحدهای پیشرفته، سیستم‌های هوشمند ردیابی (مانند RFID یا کدهای QR) هر بچ را به دُز دریافتی و زمان تابش مرتبط می‌کنند. برای کاربرد انباری، اغلب از سیستم‌های «تابش درجا» (in-situ irradiation) استفاده می‌شود که در آن سویا در خود سیلوها یا کانتینرهای تخصصی تحت تابش قرار می‌گیرد.

انواع روش‌های تابش‌کاری مناسب برای محصولات حبوباتی

سه نوع اصلی تابش برای سویا قابل اجرا است:

تابش گاما، تابش ایکس و تابش الکترونی (E-beam). تابش گاما، با نفوذ عمیق (تا ۶۰–۷۰ سانتی‌متر)، برای بسته‌های بزرگ و سیلوهای پر از سویا مناسب‌ترین است. این روش، همگنی خوبی در توزیع دُز دارد، اما نیاز به منبع رادیواکتیو و زیرساخت‌های ایمنی بالا دارد.

تابش ایکس (X-ray)، با استفاده از شتاب‌دهنده‌های الکترونی، نفوذی مشابه گاما دارد، اما بدون نیاز به مواد رادیواکتیو؛ با این حال، بازده تبدیل انرژی پایین (کمتر از ۱۰ درصد) هزینه آن را افزایش می‌دهد.

تابش الکترونی، سریع‌ترین روش است (ثانیه‌ها به‌جای دقیقه‌ها)، اما نفوذ محدودی (حداکثر ۱۰ سانتی‌متر در مواد چگال) دارد و بیشتر برای لایه‌های سطحی یا بسته‌بندی‌های کوچک مناسب است.

برای سویا در انبارهای صنعتی، تابش گاما رایج‌ترین روش جهانی است. با این حال، در سال‌های اخیر، سیستم‌های ترکیبی (مانند الکترون-ایکس) در حال توسعه‌اند که همزمان سرعت و نفوذ را بهبود می‌بخشند. هر سه روش تحت استانداردهای IAEA برای ایمنی و کارایی ارزیابی شده‌اند.

مزایای تابش‌کاری نسبت به روش‌های شیمیایی و گرمایی سنتی

کاهش ضایعات سویا حتی به میزان ۱۰ درصد، تأثیر اقتصادی چشمگیری به همراه دارد. تابش‌کاری سویا در مقایسه با روش‌های سنتی چند مزیت کلیدی دارد.

اول، بدون باقیمانده: برخلاف فومیگاسیون، هیچ ترکیب شیمیایی در سویا باقی نمی‌ماند.

دوم، حفظ کیفیت: روش‌های حرارتی می‌توانند پروتئین‌های سویا را دناتوره کنند و ظرفیت جذب آب (WAC) را کاهش دهند؛ در حالی که تابش‌کاری این خصوصیات را تا دُز ۳ kGy حفظ می‌کند.

سوم، عمق نفوذ: فومیگاسیون به زمان تهویه طولانی و نفوذ ناهمگن نیاز دارد، در حالی که تابش گاما به‌طور یکنواخت در کل حجم اثر می‌کند.

چهارم، ایمنی کارکنان: روش‌های شیمیایی خطرات تنفسی و عصبی برای نیروی کار دارند، در حالی که سیستم‌های تابش‌کاری کاملاً خودکار و بدون دسترسی انسانی در هنگام عملیات هستند.

پنجم، سازگاری با بسته‌بندی: سویا می‌تواند در کیسه‌های پلی‌اتیلن یا بیگ‌بگ‌های صنعتی بدون باز کردن تابش شود.

محدودیت‌های کاربردی این فناوری در کشورهای در حال توسعه

با وجود مزایای فراوان، گسترش تابش‌کاری سویا در بسیاری از کشورها با چالش‌های ساختاری روبه‌روست.

اول، سرمایه‌گذاری اولیه بالا: یک واحد گامای متوسط (۵۰۰ kCi Co-60) بین ۴ تا ۸ میلیون دلار هزینه دارد.

دوم، کمبود تخصص: طراحی، بهره‌برداری و نگهداری سیستم‌ها به مهندسان هسته‌ای و متخصصان پرتوشناسی نیاز دارد که در بسیاری از کشورها کمبود دارند.

سوم، نگرانی‌های عمومی: واژه «هسته‌ای» اغلب با سلاح یا فاجعه ارتباط داده می‌شود و ترس از «مواد رادیواکتیو» با وجود توضیحات علمی پابرجاست.

چهارم، مقررات داخلی پیچیده: در برخی کشورها، تأییدیه‌های جداگانه از وزارت کشاورزی، بهداشت و انرژی اتمی لازم است ــ فرآیندی که می‌تواند سال‌ها طول بکشد.

پنجم، زیرساخت‌های حمل‌ونقل: منبع Co-60 باید از طریق مسیرهای ایمن و نظارت‌شده تأمین و جایگزین شود.

این چالش‌ها، علی‌رغم وجود راهکارهای عملی (مانند واحدهای اشتراکی منطقه‌ای یا همکاری‌های جنوب-جنوب)، گسترش فناوری را کند کرده است.

تأثیر این روش در کاهش هزینه‌های نگهداری و افزایش عمر انبارمانی سویا

تابش‌کاری سویا عمر انبارمانی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. سویای تابش‌شده با دُز ۱ kGy، در شرایط معمولی انبار (۲۵°C، رطوبت نسبی ۶۰ درصد)، تا ۱۸ ماه بدون رشد قابل‌مشاهده حشرات یا قارچ قابل نگهداری است ــ در حالی که نمونه‌های شاهد پس از ۳–۴ ماه آلوده می‌شوند. این افزایش عمر، هزینه‌های دوره‌ای فومیگاسیون، بازرسی و نظارت را حذف می‌کند. به‌عنوان مثال، در یک انبار متوسط، سالانه ۴ تا ۶ بار فومیگاسیون لازم است که هر بار ۱۲ تا ۴۸ ساعت توقف عملیات را به‌همراه دارد. تابش‌کاری یک‌باره، این هزینه‌ها و توقفات را منتفی می‌کند.

همچنین، کاهش آلودگی قارچی به معنای کاهش مکرر آزمایش افلاتوکسین است ــ هزینه‌ای که در صنایع دامی به‌دلیل ضرورت کنترل دقیق، بسیار بالا است. در مجموع، مطالعات اقتصادی نشان می‌دهند که دوره بازگشت سرمایه برای یک واحد تابش‌کاری اختصاصی سویا بسته به حجم عملیات و هزینه‌های جایگزین، بین ۳ تا ۵ سال است.

پیشرفت‌های نوین: تابش الکترونی (E-beam) و تابش گاما با منابع نوین

پیشرفت‌های اخیر در فناوری تابش‌کاری، کاربرد آن را برای سویا کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر کرده است.

اول، شتاب‌دهنده‌های الکترونی کم‌مصرف (مانند LINACهای ۵ MeV با مصرف انرژی زیر ۵۰ کیلووات) که بدون نیاز به مواد رادیواکتیو کار می‌کنند و می‌توانند در خط تولید یا خروجی انبار نصب شوند.

دوم، منابع گامای جدید: پژوهش‌ها روی Cs-137 بازیافتی از سوخت هسته‌ای استفاده‌شده در حال پیشرفت است ــ منبعی که علاوه بر کاهش پسماند، هزینه تولید را کاهش می‌دهد.

سوم، سیستم‌های تابش ترکیبی: واحد‌هایی که ابتدا سطح سویا را با الکترون پردازش می‌کنند و سپس عمق آن را با گاما به‌صورت انبوه تابش می‌دهند ــ ترکیبی از سرعت و نفوذ.

چهارم، نظارت هوشمند: استفاده از سنسورهای IoT برای ردیابی دُز واقعی هر بچ و اتصال آن به سیستم‌های بلاک‌چین گواهی‌سازی.

پنجم، شبیه‌سازی عددی: نرم‌افزارهایی مانند MCNP و GATE امکان پیش‌بینی دقیق توزیع دُز در سیلوهای غیرهمگن را فراهم کرده‌اند.

آینده‌شناسی و توصیه‌های سیاستی برای کشورهای صادرکننده سویا

برای گسترش این فناوری، چند توصیه کلیدی وجود دارد.

اول، ایجاد مراکز منطقه‌ای اشتراکی: به‌جای سرمایه‌گذاری انفرادی، کشورهای همسایه می‌توانند یک واحد را به‌اشتراک بگذارند ــ مدلی که در آفریقای جنوبی با موفقیت اجرا شده است.

دوم، ادغام در اسناد ملی توسعه کشاورزی: برنامه‌های ملی ضایعات پس از برداشت (Post-Harvest Loss Reduction Programs) باید تابش‌کاری را به‌عنوان یک گزینه استراتژیک در نظر بگیرند.

سوم، تسهیل‌سازی مقرراتی: ایجاد «مسیر سریع» برای اخذ مجوزهای ایمنی و بهداشتی.

چهارم، حمایت از تحقیقات کاربردی: به‌ویژه در بهینه‌سازی دُز برای ارقام بومی سویا.

پنجم، آموزش عمومی: کمپین‌های آگاهی‌بخش با همکاری دانشگاه‌ها و رسانه‌ها برای کاهش ترس از واژه «هسته‌ای».

آینده این فناوری در ارتباط با سیستم‌های پایش هوشمند، هوش مصنوعی برای پیش‌بینی نقطه بهینه تابش، و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر برای تأمین برق واحدها است.

جمع‌بندی

تابش‌کاری سویا نه یک فناوری آینده‌نگرانه، بلکه یک راهکار اثبات‌شده و عملیاتی است که در بیش از ۶۰ کشور جهان استفاده می‌شود. این روش، هم از نظر فنی (ایمنی، حفظ کیفیت، عمق نفوذ)، هم از نظر اقتصادی (کاهش ضایعات، دسترسی به بازارهای ارزشمند) و هم از نظر زیست‌محیطی (کاهش مصرف سموم، کربن‌خیزی پایین) برتری‌های روشنی دارد. در مسیر تحقق اهداف توسعه پایدار (SDG 2: صفر گرسنگی و SDG 12: مصرف و تولید مسئولانه)، این فناوری می‌تواند نقشی تعیین‌کننده ایفا کند.

با این حال، موفقیت آن مستلزم رویکردی چندبخشی است ــ همکاری بین کشاورزی، انرژی اتمی، صنعت و سیاست‌گذاری. جایگاه فناوری هسته‌ای در کشاورزی مسالمت‌آمیز، یادآور این است که انرژی هسته‌ای هم می‌تواند نور شهرها را روشن کند، و هم می‌تواند دانه‌های سویا را از فساد نجات دهد و در نهایت، زندگی میلیون‌ها انسان را در سراسر جهان تأمین کند.

——–

منابعی برای مطالعه بیشتر

1. IAEA. Applications of Nuclear and Isotopic Techniques in Agriculture. Vienna: IAEA; 2021.
2. FAO. Food Irradiation: A Reference Manual. 3rd ed. Rome: FAO; 2019.
3. WHO. High-Dose Irradiation: Wholesomeness of Food Irradiated with Doses Above 10 kGy. Geneva: WHO; 1999.
4. FAO. Global Food Losses and Waste: Extent, Causes and Prevention. Rome: FAO; 2011.
5. Wild CP, Gong YY. Mycotoxins: Risks in Plant, Animal and Human Systems. Nature Reviews Microbiology. 2022;20(4):203–۲۱۷.
6. Diehl JF. Safety of Irradiated Foods. 2nd ed. New York: Marcel Dekker; 1995.
7. IAEA. Technical Requirements for the Irradiation of Food. IAEA-TECDOC-1886. Vienna: IAEA; 2018.
8. NRC. Food Irradiation: What You Need to Know. Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission; 2020.
9. Farkas J, Mohácsi-Farkas C. Irradiation in the Control of Food-Borne Microorganisms. Acta Veterinaria Hungarica. 2011;59(3):325–۳۳۴.
10. IAEA. Industrial Gamma Irradiators: Design, Construction and Operation. IAEA-TECDOC-1228. Vienna: IAEA; 2002.
11. Cleland MR. Design of Electron Beam Processing Systems. 4th ed. Tokyo: RadTech Asia; 2017.
12. Hammad AA, et al. In-situ Gamma Irradiation of Stored Grains. Radiation Physics and Chemistry. 2020;176:109042.
13. IAEA. Industrial Electron Beam Irradiation. IAEA-TECDOC-1922. Vienna: IAEA; 2020.
14. Strydom W, et al. X-ray vs. Gamma Irradiation for Food Safety. Trends in Food Science & Technology. 2021;112:432–۴۴۲.
15. Khan S, et al. Hybrid Irradiation Systems for Bulk Commodities. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2022;78:102987.
16. FAO/IAEA. Joint Division of Nuclear Techniques in Food and Agriculture. Rome/Vienna: FAO & IAEA; 2023.
17. Codex Alimentarius. General Standard for Irradiated Foods (CODEX STAN 106-1983). Rome: FAO/WHO; 2020.
18. AEOI. National Standard for Irradiated Soybean (No. 11421). Tehran: Atomic Energy Organization of Iran; 2000.
19. World Bank. Reducing Post-Harvest Losses in Sub-Saharan Africa. Washington, DC: World Bank; 2019.
20. IAEA. Economics of Food Irradiation Facilities. IAEA-TECDOC-1980. Vienna: IAEA; 2021.
21. European Commission. Regulation (EC) No 1881/2006 on Maximum Levels for Certain Contaminants. Brussels; 2022.
22. Ahmed M, et al. Effect of Moisture Content on Radiolytic Products in Soybeans. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2018;66(17):4321–۴۳۲۸.
23. ASTM. Standard Practice for Dosimetry of Gamma Irradiation Facilities. ASTM E2305-19. West Conshohocken: ASTM; 2019.
24. FAO. Alternatives to Methyl Bromide in Developing Countries. Rome: FAO; 2016.
25. Mahna R, et al. Impact of Irradiation on Functional Properties of Soy Protein. Food Chemistry. 2020;309:125742.
26. WHO. Chemical Safety of Fumigants in Food Storage. Geneva: WHO; 2018.
27. IAEA. Cost-Benefit Analysis of Irradiation Facilities. IAEA-TECDOC-1227. Vienna: IAEA; 2001.
28. De Groote H, et al. Public Perception of Food Irradiation in Developing Countries. Food Policy. 2020;94:101892.
29. FAO. Strengthening Regional Cooperation in Food Irradiation. Rome: FAO; 2021.
30. Patil SP, et al. Shelf-Life Extension of Soybeans by Gamma Irradiation. LWT – Food Science and Technology. 2019;101:321–۳۲۷.
31. FAO. Economic Assessment of Post-Harvest Losses. Rome: FAO; 2020.
32. IAEA. Feasibility Studies for Food Irradiation Projects. IAEA-TECDOC-1488. Vienna: IAEA; 2006.
33. Cleland MR, et al. Compact Electron Accelerators for Food Safety. Radiation Physics and Chemistry. 2021;181:109311.
34. IAEA. Reuse of Cs-137 from Spent Nuclear Fuel. IAEA-TECDOC-1950. Vienna: IAEA; 2022.
35. Chauhan RP, et al. Monte Carlo Simulation of Gamma Irradiation in Silos. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2020;472:45–۵۱.
36. Zhang Y, et al. Large-Scale Irradiation of Soybeans in China. Radiation Physics and Chemistry. 2018;148:112–۱۱۸.
37. IAEA. SoySafe Project: Brazil-IAEA Cooperation. Vienna: IAEA; 2020.
38. FAO/IAEA. Case Studies in Food Irradiation. Vienna: IAEA; 2022.
39. IAEA. Regional Irradiation Centers in Africa. IAEA-TECDOC-2010. Vienna: IAEA; 2023.
40. OECD. Policy Instruments for Reducing Food Loss and Waste. Paris: OECD; 2020.
41. UN. The Sustainable Development Goals Report 2023. New York: United Nations; 2023.
42. IAEA. Atoms for Peace and Development. Vienna: IAEA; 2022.
43. FDA. Aflatoxins in Food and Feed. Silver Spring: U.S. Food and Drug Administration; 2021.
44. Patras A, et al. Gamma Irradiation Inhibits Aflatoxin Biosynthesis. International Journal of Food Microbiology. 2022;361:109432.
45. Ignatowicz S. Sterilizing Insects by Irradiation. Journal of Stored Products Research. 2020;88:101641.
46. IAEA. Dosimetry in Food Irradiation. IAEA-TECDOC-1382. Vienna: IAEA; 2004.
47. Ferreira A, et al. Temperature-Dependent Radiosensitivity of Fungi. Radiation Physics and Chemistry. 2019;165:108421.
48. Mahna R, et al. Optimization of Irradiation Parameters for Soybeans. Journal of Food Engineering. 2021;292:110321.
49. SCF (EU Scientific Committee on Food). Opinion on Food Irradiation. Brussels: European Commission; 2001.
50. Stevenson MH, et al. 2-ACBs in Irradiated Foods: A Review. Food Additives & Contaminants. 2020;37(6):891–۹۰۲.
51. WHO. Wholesomeness of Irradiated Food. Technical Report Series No. 659. Geneva: WHO; 1980.
52. Zhang L, et al. Institutional Framework for Food Irradiation in China. Food Control. 2021;129:108234.
53. IAEA. Public-Private Partnerships in Food Irradiation. IAEA-TECDOC-1960. Vienna: IAEA; 2022.
54. IAEA. Training Course Series No. 85: Food Irradiation Technology. Vienna: IAEA; 2018.
55. ARASIA. Capacity Building in Asia for Food Irradiation. Bangkok: ARASIA Secretariat; 2021.

انتهای پیام/