СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОЙ ДЕЗИНФЕКЦИИ ЯЙЦА
METHOD OF SURFACE DISINFECTION OF EGGS

Изобретение относится к области пищевой промышленности, а именно к способам дезинфекции пищевых продуктов, в частности поверхностной дезинфекции яйца совместным облучение пучком ускоренных электронов и излучением плазмы газового разряда (ИПГР) высокого давления (ВД) в воздухе.
Сущность изобретения заключается в том, что при облучении яйца пучком ускоренных электронов за счет подбора энергии электронов выбирается такой профиль распределения поглощенной дозы (ПД) внутри продукта, чтобы при облучении уничтожать все виды микроорганизмов, в том числе и патогенных, как на поверхности скорлупы, так и в ее порах и воздушной камере, вплоть до подскорлупных оболочек. При этом облучения самого белка производиться ускоренными электронами практически не будет. Одновременно производится облучение яиц ИПГР ВД в воздухе.
Продукты питания должны быть безопасны для потребителя. Одним из факторов опасности является микробиологическая загрязненность. При этом требования к микробиологической загрязненности включают контроль, как общей микробиологической загрязненности, так и наличия/отсутствия отдельных видов особо опасных патогенных микроорганизмов. Допустимый уровень микробиологической загрязненности достигается комплексом санитарно-гигиенических условий при изготовлении и расфасовке пищевых продуктов.
В настоящее время практически единственным способом снижения микробиологической загрязненности пищевых продуктов является термическая обработка. Однако термическая стерилизация ведет к необратимому изменению свойств сырья, что не всегда допустимо. Применяемые химические способы, например засолка, засахаривание, приводят к тому же результату, а кроме того используют большое количество консерванта. Поэтому для увеличения сроков хранения пищевых продуктов широко применяется термическая пастеризация, с последующим охлаждением до температур, при которых размножение микроорганизмов затруднено.
Известно, что одним из показателей, характеризующим качество яиц является чистота скорлупы. Однако наличие грязи (т.е. микроорганизмов) не только ухудшает внешний вид яиц, но и способствует проникновению микроорганизмов через поры скорлупы в содержимое яйца, что приводит к быстрой порче яиц, а также делает их опасными к заражению патогенными микроорганизмами, в том числе рода сальмонелла.
Мойка улучшает внешний вид яиц, но резко снижается их стойкость при хранении, поэтому применяется обычно перед разбиванием яйца в пищевой промышленности [1]. При этом мойка приводит к открытию пор в скорлупе, через которые проникают микроорганизмы, а также требует расхода горячей воды (~800°С) и химически дезинфекционных веществ (2-3% перекись водорода), что существенно увеличивает загрязнение природы отходами. [2]
Известно изобретение [патент RU 93001326 «Способ дезинфекции яиц»]. Сущность изобретения состоит в том, что предлагается способ дезинфекции яиц, в котором, с целью обеспечения экологической чистоты технологического процесса, повышения безопасности обслуживающего персонала при сохранении достаточного качества дезинфекции и жизнедеятельности яиц предусматривается их обработка микроволновой энергией в количестве 4,5-25 кДж/кг. К недостатку изобретения можно отнести то, что при обработке микроволновой энергией неизбежен существенный нагрев яйца с возможными негативными последствиями для белка.
Известно изобретение [патент RU 2524533 «Установка для уф дезинфекции твердых, жидких и газообразных продуктов»]. Изобретение относится к сфере биологического обеззараживания твердых, жидких и газообразных продуктов, предназначенных для использования в различных областях жизнедеятельности человека, животных и растений, предпочтительно в бытовых условиях и на малых предприятиях. Технический результат изобретения состоит в расширении функциональных возможностей установки при использовании ее в условиях малых предприятий и в быту и упрощении конструкции. Этот результат обеспечивается тем, что дезинфицируемый продукт перемещается по продуктопроводу, выполненному в виде двух плоских пластин, прозрачных для УФ-излучения и расположенных в корпусе вертикально или наклонно на расстоянии 0.2-10 мм друг от друга, а источники УФ-излучения расположены по обе стороны от продуктопровода. Такое конструктивное решение обеспечивает гарантированное обеззараживание любых жидких и газообразных продуктов, так как половина толщины слоя продукта гарантированно меньше глубины проникновения УФ-излучения для любых продуктов. К недостаткам изобретения можно отнести как низкий КПД преобразования энергии в УФ излучение, так и сложность проникновения УФ излучения через скорлупу, для уничтожения патогенных микроорганизмов в подскорлупных оболочках.
Известно изобретение [патент CN 203388215 U «Sterilizer for fruits, vegetables, eggs and poultry - Стерилизатор для фруктов, овощей и яйца птицы»]. Сущность изобретения состоит в поверхностной дезинфекции фруктов, овощей и яйца озоном, внутри установки, содержащий генератор озона. К недостатку изобретения относится циклический характер работы, что не позволяет его использовать в пищевой промышленности, а также сложность проникновения озона и подскорлупные оболочки, для уничтожения там патогенных микроорганизмов.
Альтернативой является радиационная стерилизация, вследствие универсальности поражающего действия ионизирующего излучения на любые биологические объекты. При этом поглощенная доза (ПД) радиационной стерилизации (независимо от вида излучения) не превышает 25 кГр [3].
Известно изобретение [патент RU 2000122 974 «Способ обработки объектов»] способ изменения свойств и/или обработки объектов, в частности пищевых продуктов, при котором объекты с помощью технологического транспортера транспортной системы транспортируют мимо, по меньшей мере, одного устройства для выхода электронов, в частности, ускорителя электронов в камере для облучения, причем необходимые для облучения, выходящие из накапливаемого катода электроны фокусируют и преобразуют в импульсы в блоке ускорителя волнами определенной заданной частоты, после чего электроны выходят с определенной частотой из устройства для выхода электронов, и их направляют на облучаемые объекты, отличающийся тем, что объекты передают на технологический транспортер с накопительного транспортера, причем скорость передачи задают регулируемым приводным устройством с помощью блока управления таким образом, что уже находящиеся на технологическом транспортере объекты не смещаются и объекты транспортируют мимо устройства для выхода электронов без промежутков между ними.
Ближайшим аналогом изобретения (прототип) является изобретение [патент RU 2654622 «Способ поверхностной дезинфекции яйца»] в котором поверхностная дезинфекция яйца достигается путем облучения пучком ускоренных электронов, отличающийся тем, что за счет подбора энергии электронов выбирается такой профиль распределения поглощенной дозы внутри яйца, чтобы при облучении уничтожать все виды микроорганизмов, как на поверхности скорлупы поглощенной дозой до 25 кГр, так и в ее порах и воздушной камере поглощенной дозой до 5 кГр, вплоть до подскорлупных оболочек суммарно на глубине до 0,47 мм, при этом облучения самого белка яйца ускоренными электронами не производится.
Недостатком прототипа является то, что даже при облучении тормозным излучением НЭП в пищевых продуктах возможно протекание различных химических реакций, которые могут изменить органолептические свойства продуктов, что вынуждает устанавливать предельные ПД при облучении различных продуктов. Поэтому снижение ПД при дезинфекции имеет очень важное значение
Технической задачей решаемой в данном изобретении было создание способа поверхностной дезинфекции яйца, сочетающего относительно невысокую энергию электронов, пониженную поглощенную дозу НЭП, невысокую цену и хорошую ремонтопригодность.
Решением поставленной задачи было то, что, за счет подбора энергии электронов выбирается такой профиль распределения поглощенной дозы внутри яйца, чтобы при облучении дезинфицировать яйцо от микроорганизмов, в том числе и патогенных, как на поверхности скорлупы, так и в ее порах и воздушной камере, вплоть до подскорлупных оболочек. При этом облучения самого белка производиться ускоренными электронами практически не будет. Одновременно производиться облучение поверхности яйца ИПГР ВД в воздухе. Совместное действие разных типов излучения приводит к синергетике, что позволяет уменьшить поглощенную дозу НЭП на поверхности яйца, а, следовательно, и поглощенную дозу от тормозного излучения НЭП в белке и желтке.
В настоящее время разработаны и выпускаются наносекундные ускорители электронов для технологий [6], позволяющие существенно снизить как затраты на сам источник излучения, так и на радиационную защиту персонала.
Кроме того, известно более сильное бактерицидное действие наносекундного электронного пучка (НЭП) [7], что даст возможность в 2-3 раза уменьшить величину ПД электронного пучка, что увеличит производительности метода при тех же затратах энергии и материальных средств
Особенностью спектра НЭП является наличие существенно большей части низкоэнергетичных электронов, которые возникают при ускорении на фронтах импульса ускоряющего напряжения. При решении рассматриваемой проблемы это является положительной особенностью, т.к. позволит получить нужный профиль распределения ПД внутри продукта.
К сожалению, полностью избежать облучения белка яйца невозможно, т.к. при поглощении электронов создается тормозное излучение, которое и будет вносить основной вклад в ПД, создаваемую внутри куриного яйца, которая будет в сотни раз меньше ПД на поверхности от электронного пучка.
ИПГР ВД содержит ультрафиолетовое излучение (УФИ). Входящие в состав ДНК пиримидиновые основания - тимин и цитозин, отличающиеся высокой фотохимической активностью в области 250-280 нм, образуют под воздействием УФИ «сшивки» (димеры), которые делают невозможным удвоение ДНК/РНК, а, следовательно, невозможно и размножение [8, 9]. Инактивированный таким образом микроорганизм уже не представляет никакой опасности для других «живых» организмов. При этом дозы УФИ, необходимые для инактивации различных патогенных микроорганизмов, включая вирусы, отличаются незначительно.
Поэтому важной является задача снижения ПД, в том числе за счет совместного воздействия ИПГР высокого давления и НЭП с различной ПД, которая и была целью данной работы.
Установка для реализации способа поверхностной дезинфекции яйца содержит источник ускоренных электронов УРТ-0,5, который выполнен в виде наносекундного частотного ускорителя электронов с полупроводниковым прерывателем тока и вакуумным диодом для двухстороннего облучения [10], генератора высоковольтных импульсов ГВИ-150 [11], с разрядной камерой, конвейер подачи яйца, биологическую защиту и пульт управления.
Большой размер холодного катода позволяет получать равномерное поле электронного излучения, необходимое для однородного облучения сразу партии из нескольких яиц.
Внешним электродом разрядной камеры является нержавеющая труба с наружным диаметром 60 мм (стенка 0,75 мм). Внутренний электрод камеры, на который подавался импульс положительной полярности алюминиевый провод диаметром 2 мм. Длина электродов 300 мм. П-образная конструкция разрядной камеры позволяет сформировать два очага разряда друг напротив друга, между которыми по конвейеру продвигается яйцо. Частота работы генератора составляла 37 Гц, расстояние от среза электродов до обрабатываемых яиц - 5 см.
Способ работает следующим образом. На пульте управления устанавливается требуемая частота работы генератора и ускорителя для получения на поверхности яйца поглощенной дозы НЭП и ИПГР ВД. Включаются генератор и ускоритель. Яйцо попадает в зону действия разрядной камеры по конвейеру. Происходит облучение яйца ИПГР ВД в воздухе с двух сторон. Затем яйцо подается конвейером под пучок электронов ускорителя. Происходит облучение яйца НЭП с двух сторон.
Экспериментальная проверка способа проводились на импульсно-периодическом наносекундном ускорителе УРТ-0,5 [10] (энергия электронов до 500 кэВ, длительность импульса 50нс, частота работы до 200 Гц). ИПГР ВД в воздухе получали с помощь генератора ГВИ-150 [11] (напряжение до 150 кВ, длительность импульса 35 нс, частота следования импульсов до 300 Гц).
Предварительно были выполнено облучение образцов только излучением ИПГР, а потом совместно ИПГР и наносекундным электронным пучком (НЭП).
Облучение ИПГР проводились на генераторе ГВИ-150, нагрузкой которого была разрядная камера. Внешним электродом камеры была нержавеющая труба с наружным диаметром 60 мм (стенка 0,7 5 мм), внутренний электрод, на который подавался импульс положительной полярности - алюминиевый провод диаметром 2 мм. Длина электродов 300 мм. Частота работы генератора составляла 37 Гц, расстояние от среза электродов до обрабатываемых образцов ~ 5 см.
Для исследования бактерицидного действия ИПГР на микрофлору яиц использовались пищевые столовые куриные яйца. Они укладывались в пластиковые контейнеры по 10 шт. На подающем транспортере
пластиковые контейнеры пропускаются через рабочее пространство установки (мимо среза электродов), подвергаясь облучению ИПГР ВД. Для исключения потерь ИПГР в материале контейнера его крышка не закрывалась. После обработки контейнеры с яйцами переворачивали, и яйца облучали ИПГР ВД с другой стороны. Время нахождения контейнера под облучением составляло ~ 3,5 с (время облучения яйца ~ 0,7 с). Вложенная в разряд энергия составляла ~ 375Дж/контейнер, что не достаточно для стерилизации, но позволяет оценить эффективность метода.
Эксперименты по облучению НЭП проводились на ускорителе УРТ-0,5. ПД определялась с помощью пленочного дозиметра СО ПД(Ф)Р-5/50 [12]. Методика облучения и измерения ПД описана в [13]. В процессе экспериментов ускоритель работал в режимах при зарядном напряжении 30 кВ. На подающем транспортере закрытые пластиковые контейнеры на 10 яиц пропускаются через рабочее пространство установки, подвергаясь равномерному по ширине облучению НЭП.
Для поиска синергетического эффекта вначале партии яиц облучались ИПГР ВД, а затем НЭП. Время нахождения контейнера под облучением ИПГР составляло 0,1,2 и 5 мин, ПД НЭП изменялась с шагом 0,1,3 и 5 кГр (Табл. 5). Для получения ПД ускоритель работал на следующих частотах: 1 кГр - 3 Гц; 3 кГр - 10 Гц; 5 кГр - 30 Гц. Размер партии составлял 20 яиц.
После облучения брались смывы с поверхности яиц, которые подвергали микробиологическому исследованию - осуществляли посев на питательные среды с выделением культур и идентификацией полученных микроорганизмов. Пищевые яйца исследовали на протяжении 25 суток - срок регламентированного хранения при температуре 0-20 0С, влажности 85-88% [14]. На 12-е и 25-е сутки производили второй и третий микробиологический контроль опытных и контрольных партий: смыв с поверхности яиц с последующим посевом на питательные среды (МПА, МПБ), термостатированием, выделением чистых культур и идентификацией микроорганизмов.
Кроме того исследовали основные химические показатели куриных яиц пищевых, методика эксперимента подробно описана в [15].
Для исследования действия НЭП и совместного действия ИПГР и НЭП использовали стандартные штаммы микроорганизмов рода Salmonella. Выполняли посев на плотную питательную среду (среда Эндо) из разведения 5 млрд микробных клеток на 1 мл. Сразу после посева чашки Петри подвергали воздействию наносекундным электронным пучком с поглощенными дозами 1,2,3,5 кГр. Опыт проводили в 3 параллелях, контрольные пробы находились в тех же условиях, что и опытные, но не обрабатывались НЭП. После облучения чашки помещали в термостат и инкубировали при температуре 35-37 ℃ в течение 24 часов. Далее проводили подсчет количества колоний на питательных средах (КОЕ). Методика анализа подробно описана [15]. Результаты экспериментов приведены в табл. 4 и 5.
Результаты экспериментов приведены в табл.1-5. Из табл. 1 видно, что обработка ИПГР ВД снижает общую микробную обсемененность, приводит к элиминации плесневых грибов рода Aspergillius ssp.
Экспериментально установили, что в пробе яиц, облученных ИПГР, массовая доля сырого жира практически не отличалась (10,8±0,52%) от контрольной (10,3±0,51%). Анализ содержания белковых веществ в яйцах не выявил статистически достоверных изменений и различий между пробами. При исследовании аминокислот было выявлено, что наибольшим изменениям подвержено содержание лизина составляло в опытных пробах (0,84%±0,03)%, а в контрольных (0,88±0,05)%. Все выявленные при макроскопической оценке и овоскопировании яиц изменения качеств и свойств скорлупы и внутренних структур соответствуют естественным изменениям при длительном хранении. Таким образов, полученные данные (табл. 2 и 3) свидетельствуют об отсутствии достоверных различий между изменениями в яйцах, обработанных ИПГР и в пробах из контрольной партии при хранении.
Культура Sal.enteritidis показала при облучении НЭП дозозависимый эффект (Табл. 4). Количество клеток уменьшается с ростом ПД, При ПД 3 кГр и выше происходит значительное угнетение роста, а при ПД 5 кГр рост отсутствовал.
По культуре Sal. typhimurium результаты более противоречивые - есть тенденция к снижению количества клеток с увеличением дозы, но при 5 кГр зависимость нарушается. Возможно, здесь имеет место стимулирующий эффект малых доз радиации или ошибка эксперимента. В целом можно предположить, что эта культура более устойчива к облучению НЭП. Учитывая тот факт, что Salmonella typhimurium - это возбудитель паратифа, низкая его радиочувствительность предполагает более тщательный контроль при радиационной стерилизации пищевых продуктов и медицинских инструментов.
У культуры Sal. Gallinarum тоже замечено угнетение роста с увеличением ПД. Однако бактерицидный эффект даже при 5 кГр не полный, количество клеток уменьшилось, но полной элиминации не происходило.
В пробах, обработанных НЭП с ПД 3 кГр отмечали подавление роста синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa), при поглощенной дозе 3-5 кГр синегнойная палочка в смывах не высевалась. Воздействие ИПГР не оказывает выраженного действия на данный микроорганизм.
Рост микроорганизмов рода Staphylococcus отмечали  во всех пробах, что указывает на их низкую радиочувствительность - при малых дозах НЭП с воздействием ИПГР или без него угнетения роста не установлено. В данном диапазоне доз и времени стафилококки чувствуют себя хорошо. Бактерицидный эффект возможен при более высоких дозах (при 10-15 кГр).
Однако, для микроорганизмов рода Klebsiella обнаружен синергетический эффект действия НЭП и плазмы: при ПД НЭП 3 кГр эти микроорганизмы высеваются при обработке плазмой в 0-1 минуту, а при 3-5 минутах погибают - в данных пробах роста нет (Табл. 5).
Микроорганизмы Enterococcus высевались во всех пробах, угнетения роста под действием НЭП или плазмы не выявлено.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что при облучении ИПГР ВД вложенной энергией ~ 375Дж не достаточно для стерилизации, но позволяет оценить эффективность метода как перспективную.
Действие НЭП в данном диапазоне ПД носит пограничный характер: часть микроорганизмов погибает, часть нет. Возможно, имеет место стимулирующий эффект малых доз радиации.
Так микроорганизмы рода Salmonella и Pseudomonas aeruginosa чувствительны к НЭП в ПД >3 кГр. Микроорганизмы Enterococcus и Staphylococcus более устойчивы к облучению, для их уничтожения нужны ПД > 5 кГр. Klebsiella - единственный микроорганизм, на котором установлен синергетический эффект действия НЭП и ИПГР ВД.
Таким образом, установлено, что при совместной обработке НЭП и ИПГР ВД возможно существенное снижение поглощенной дозы (до 5 раз) для поверхностной дезинфекции.
Список литературы
1. В.В. Гуслянников, М.А. Подлегаев // Технология мяса птицы и яйцепродуктов / М., «Пищевая промышленность», 1979., 286 с.
2. Лищук А.П. «Обеззараживание куриных яиц и яйцепродуктов (меланж и яичный порошок) от сальмонелл» диссертация на соискание ученой степени кандидата ветеринарных наук (16.00.06) / Лищук Андрей Петрович; Российская академия сельскохозяйственных наук. - Москва, 2002 - 177 с.
3. Туманян М.А., Каушанский Д.А. // Радиационная стерилизация / М.: Медицина, 1974. 304 с.
4. European Food Safety Authority / Statement summarising the Conclusions and Recommendations from the Opinions on the Safety of Irradiation of Food adopted by the BIOHAZ and CEF Panels // EFSA Journal 2011; 9(4): 2107, DOI: 10.2903/j.efsa.2011.2107
5. патент РФ №2233564, класс 7H 05 Н 5/00
6. С.Ю. Соковнин / Наносекундные ускорители электронов и радиационные технологии на их основе. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 225 с. ISBN 5-7691-1840-7
7. Соковнин С.Ю., Котов Ю.А. Рукин С.Н., Месяц Г.А. Исследование действия импульсного частотного электронного пучка на микроорганизмы в водных растворах // Экология. 1996. №3. С. 222-224.
8. http://bse.sci-lib.com/articlell4029.html
9. http://www.elm.su/uv_action_mod.html
10. Sokovnin, S. Yu., Balezin, M.E., Improving the Operating Characteristics of an URT-0.5Accelerator. Instrum. and Exper. Techn., V. 48, No. 3, 2005, pp. 392-396.
11. Соковнин С.Ю, Балезин М.Е., Булдаков И.А., Заякина О.М. Генераторы импульсов для плазменных технологий // Abstracts Russian-Chinese Workshop "Perspective Plasma Technologies PTT-2007", Томск, 12-21 сентября 2007. С. 38-39.
12. P.А. Абдулов, В.В. Генералова и др. // Дозиметрическое обеспечение радиационно-технологических процессов в России / Химия высоких энергий, 2002, т. 36, №1, с. 26-33.
13. Sokovnin S.Yu., Krivonogova A.S., Isaeva A.G., Shkuratova I.A., Donnik I.M., Drozdova L.I. // Using the method of nanosecond beam of accelerated electrons for egg sterilization in poultry industry / International Journal of Advanced Biotechnology and Research (IJBR) ISSN 0976-2612, Online ISSN 2278-599X, Vol-8, Issue-2, 2017, pp680-686 https://drive.google.com/file/d/0B81gDBwl33Uqc3FLenZxMEZNZnc/view
14. ГОСТ P 52121-2003 "Яйца куриные пищевые. Технические условия"
15. S.Yu. Sokovnin, R.A. Vazirov, M.E. Balezin, A.S. Krivonogova // Surface irradiation of chicken eggs by nanosecond electron beam / RAD Conference Proceedings, 2017, vol. 2, pp. 11-14, DOI: 10.21175/RadProc.2017.03 http://www.rad-proceedings.org/paper.php?id=105