Перспективы применения низкотемпературной плазмы для биодеконтаминации пищевых продуктов

УДК 641:579.67

Перспективы применения низкотемпературной плазмы

для биодеконтаминации пищевых продуктов

Е.Н. Кобзев, канд. биол. наук, доцент, В.А. Чугунов, канд. биол. наук, доцент, З.М. Ермоленко, канд. биол. наук, Г.В. Киреев, канд. биол. наук, Ю.А. Ракицкий, В.М. Тедиков, канд. биол. наук

ГНЦ прикладной микробиологии и биотехнологии, Московская обл., п. Оболенск Ю.С.Акишев, д-р физ.-мат. наук, профессор, М.Е. Грушин, канд. физ.-мат. наук, А.В. Петряков, Н.И.Трушкин, д-р физ.-мат. наук

Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, Московская обл., г. Троицк

Продовольственная безопасность - один из важнейших факторов обеспечения национальной безопасности России. Ее современная концепция включает много различных аспектов, среди которых вопросы обеспечения биологической безопасности пищевых продуктов являются весьма актуальными, особенно в связи с наблюдающимся ростом числа инфекционных заболеваний, передающихся алиментарным путем [1]. В связи с этим во всем мире проблемам обеспечения микробиологической безопасности продуктов питания уделяется все большее внимание.

К настоящему времени практика переработки и хранения пищевого сырья и продуктов питания накопила огромный опыт исследований и разработок, которые могут обеспечить необходимую биобезопасность населения [2-4].

В то же время, в условиях конкуренции на глобальном продовольственном рынке, все более жесткие требования к обеспечению биобезопасности и необходимости снижения стоимости проводимых для этих целей мероприятий заставляют производителей искать новые, более совершенные и экономичные способы обеспечения биобезопасности продуктов питания. Наряду с дальнейшим совершенствованием традиционных биотических и абиотических методов все большее внимание уделяется разработке новых перспективных способов биодеконтамина-ции и стерилизации пищевой продукции. К ним можно отнести мето-

ды комбинированного воздействия, которые основаны на совместном использовании физических и химических факторов для инактивации микроорганизмов. Эти методы включают, в частности, использование низкотемпературной плазмы, озонирования, фотокатализа и ультразвука. Высокая бактерицидная эффективность этих методов обусловливается образованием широкого спектра активных окислителей, свободных радикалов, заряженных частиц, сильно возбужденных нейтральных молекул, ультрафиолетового излучения. Суммарное воздействие этих активных агентов на клетки и споры микроорганизмов вызывает значительные структурно-функциональные повреждения и, в конечном счете, приводит их к гибели. Некоторые из этих методов уже успешно применяют при очистке воды и воздуха, а в последнее время начинают внедрять в пищевую промышленность. В этом отношении особого внимания заслуживают перспективные плазменные технологии биодеконтаминации пищевых продуктов.

В настоящее время известно, что низкотемпературная (холодная) плазма при атмосферном давлении может создаваться при разряде разных электрических полей и с использованием различных газов и их смесей (кислород, азот, гелий, аргон, воздух и др.). В зависимости от параметров создания электрических полей и состава применяемого газа в плазме может содержаться разное соотношение активных агентов. К

Внешний вид генератора «плазменная струя»

ним относят достаточно широкии спектр химически активных соединений: отрицательно и положительно заряженные ионы газа, свободные радикалы гидроксила (ОН.) и закиси азота (N0.), активные формы кислорода и азота (атомарный кислород (О), озон (О3), пероксинитрит ^N00?), супероксид-анион кислорода (О2?), синглетный кислород, диоксид азота (N0^, а также ультрафиолет [5-7]. Такое многообразие активных агентов холодной плазмы с высокой химической активностью обусловливает высокую эффективность ее бактерицидного действия. Это же многообразие активных агентов определяет основные особенности холодной плазмы, к которым можно отнести: безопасность плазмы для человека; щадящее воздействие плазмы на обрабатываемые объекты; обработка объектов при температуре, близкой к комнатной; экологическая безопасность генераторов плазмы; как правило, низкая проникающая способность плазмы; обработка объектов при атмосферном давлении.

Все вышеперечисленные активные агенты формируются в плазме в низких концентрациях, что обусловливает ее безопасность для человека и животных (рисунок). Чувствительность бактериальных клеток к плазме в 10-100 раз выше, чем чувствительность животных клеток [7]. Большинство исследователей считают, что этот факт связан с более высокой эффективностью антиокси-дантных систем у эукариотических клеток.

Низкие концентрации активных агентов в плазме и ее температура, близкая к комнатной, обусловливают щадящее воздействие на обрабатываемые объекты. Это позволяет стерилизовать современные полимерные материалы, например, в изделиях медицинского назначения [8].

В ходе плазменной обработки не образуются и не используются стабильные химически-агрессивные соединения, что свидетельствует об экологической безопасности генераторов плазмы.

Одна из важнейших особенностей холодной плазмы заключается в ее низкой проникающей способности. С одной стороны, это ограничивает сферу ее применения (только для обработки поверхности, а в ряде случаев жидкостей и аэрозолей), с другой - гарантирует даже при избыточном воздействии плазмы на поверхность целостность нижележащих слоев материала или тканей организма.

Что касается масштабирования плазменных генераторов, то можно сказать, что в настоящее время существует значительное количество их типов, способных проводить обработку объектов при атмосферном давлении. Это позволяет удешевить процесс за счет отсутствия вакуумных установок, а также проводить обработку «на конвейере».

К настоящему времени во многих исследованиях за рубежом и в России продемонстрировано инактиви-рующее воздействие холодной плазмы на целый ряд микроорганизмов: грамотрицательные и грамположи-тельные бактерии, дрожжи, споровые формы бактерий и грибов, микроводоросли и вирусы [5-7, 9-14].

Результаты проведенных исследований показывают, что применение холодной плазмы для биодеконта-минации пищевых продуктов является перспективным методом, особенно для обеззараживания продуктов, чувствительных к нагреванию. В этом отношении весьма характерны свежие овощи и фрукты, для которых тепловая обработка совершенно неприемлема. В связи с этим для их биодеконтаминации обычно используется хлор, однако его эффективность невелика. Так, показано, что обработка измельченного салата-латука хлорированной водой в течение 7 мин при 43 °С приводила к сниже-

нию численности загрязняющей микрофлоры примерно на 1,75 порядка [15]. Было проанализировано применение различных дезинфектантов (хлор, перекись водорода, фосфат натрия, уксусная кислота, перокси-уксусная кислота) для элиминации клеток E. coli O157 на поверхности яблок [16]. Авторы обнаружили, что эти дезинфектанты, использованные как по отдельности, так и в различных комбинациях, лишь незначительно уменьшали обсемененность. Однако, несмотря на ограниченную бактерицидную эффективность и наличие определенного риска для здоровья человека, удовлетворительной альтернативы хлору до сих пор нет [17]. Именно поэтому плазменная биодеконтаминация свежих фруктов и овощей может, на наш взгляд, стать перспективной альтернативой используемым дезинфектантам, благодаря эффективной инактивации микроорганизмов при сохранении качества и товарного вида продуктов и упаковочных материалов.

В ряде работ уже продемонстрирована возможность применения плазменных технологий для биодеконтаминации поверхности различных свежих фруктов и овощей. Так, показана возможность применения холодной плазмы для увеличения сроков хранения яблок [18]. Удалось добиться снижения численности клеток Salmonella Stanley и Escherichia coli на поверхности яблок примерно на четыре порядка за 3 мин плазменной обработки [19].

В ходе предварительных исследований сотрудниками ФБУН ГНЦ прикладной микробиологии и биотехнологии продемонстрирована высокая бактерицидная эффективность низкотемпературной плазмы, получаемой с помощью генератора на основе диэлектрического барьерного разряда. На примере свежих овощей и фруктов (салат «китайская капуста», листья белокочанной капусты, ягоды винограда) нами показано, что плазменная обработка в течение 20-30 с приводила к значительному снижению количества естественной или привнесенной микрофлоры на поверхности данных продуктов (на 1-5 порядков в зависимости от условий эксперимента). Визуальный осмотр обработанных образцов фруктов и овощей не выявил нарушения их поверхности и товарного вида обработанных продуктов.

Разрабатывается другое перспективное направление в использовании холодной плазмы - метод плазменной обработки с образованием на поверхности овощей и фруктов активной пленки [20]. Плазменную обработку проводили при температуре около 40 °С и поэтому она не приводила к разрушению витаминов. Продукты после такой обработки оставались нетоксичными и не вызывали аллергических реакций. Активная пленка содержала пробио-тики, витамины и противомикроб-ные препараты, защищающие от порчи. Предложено использовать такие биологически активные упаковки для обработки свежих овощей и фруктов.

Также в ряде работ показано воздействие холодной плазмы на биопленки микроорганизмов, стимулирующих биопорчу продуктов. Так, биопленки бактерий Pantoea agglomerans применяли с целью моделирования заражение тканей растений [21]. Для генерирования холодной плазмы авторы использовали тлеющий разряд при атмосферном давлении, а в качестве плазмо-образующего газа - смесь гелия с кислородом. На основании полученных результатов был сделан вывод, что холодная плазма достаточно эффективно разрушала не только отдельные клетки Р. agglomerans, но и клетки в составе биопленок, которые значительно более устойчивы к воздействию дезинфектантов и консервантов. Обработка холодной плазмой поверхности перца, обсемененной культурой Р. agglomerans, приводила к гибели микроорганизмов, не вызывая при этом теплового повреждения свежего перца [21]. Исходя из всего вышесказанного, авторы сделали вывод, что обработка холодной плазмой перспективна в отношении свежих пищевых продуктов, которые не могут быть обработаны другими методами без индуцирования изменений в текстуре, цвете, вкусе или качестве пищи, включая такие показатели, как содержание пищевых компонентов и структура растительной ткани.

Близкие результаты также были получены другой исследовательской группой, которая работала с биопленками Rhizobium gallicum и Chromobacterium violaceum [22]. Использование источника холодной плазмы на основе плазменной струи

при атмосферном давлении и гелий/азотной плазмообразующей газовой смеси позволило установить, что устойчивость биопленок к плазменной обработке была заметно выше по сравнению с планктонными клетками. После часовой экспозиции наблюдалось снижение численности жизнеспособных клеток биопленок на три порядка, такое же, как и в работе [21].

Кроме обработки свежих фруктов и овощей получены предварительные данные по другим продуктам питания. Так, высокая эффективность плазменной обработки продемонстрирована в модельных экспериментах при обеззараживании бекона и мяса птицы, инокулирован-ных Listeria innocula и другими патогенами [23-25]. Были проведены аналогичные эксперименты по плазменной биодеконтаминации поверхности сыра и ветчины, инокулиро-ванной тремя штаммами Listeria monocytogenes [26]. Плазменная обработка - эффективный метод де-контаминации пищевых продуктов, искусственно обсемененных такими микроорганизмами, как кишечная палочка, сальмонеллы, листерии, кампилобактерии. При этом, то непродолжительное воздействие плазмы (порядка нескольких минут), которое требовалось для гибели патогенной микрофлоры, практически не оказывало влияния на физические и органолептические свойства продуктов и их текстуру.

Деконтаминирующий потенциал холодной плазмы также был продемонстрирован при обработке яиц, скорлупа которых экспериментально инокулировалась бактериями Salmonella enteridis и Salmonella typhimurium. Анализ полученных данных не выявил негативного воздействия холодной плазмы на качество обработанных яиц [27].

Исследована возможность применения холодной плазмы для стерилизации продуктов в запечатанной упаковке. Авторы показали, что в течение нескольких минут уничтожались как вегетативные клетки, так и споры Bacillus subtilis [28]. Полученные данные, по сути, могут стать значительным прорывом в технологиях пищевой безопасности.

В заключение также необходимо отметить, что бактерицидная эффективность холодной плазмы проявляется и в отношении микроорганиз-

мов, устойчивых к антибиотикам и консервантам, для борьбы с которыми стандартными методами требуется много сил и средств [29].

Таким образом, имеющиеся в литературе экспериментальные данные, свидетельствуют о перспективности применения низкотемпературной плазмы для биодеконтаминации свежих фруктов, овощей и других пищевых продуктов. Эксперты прогнозируют широкое применение плазменных технологий в пищевой промышленности для биодеконтаминации продуктов, пищевого сырья и упаковочных материалов, что позволит повысить сроки хранения продуктов питания и даст возможность транспортировать их на дальние расстояния без потери полезных качеств и товарного вида. Основные преимущества нового плазменного метода биодеконтаминации перед традиционными способами - щадящие условия процесса, который осуществляется при малом времени обработки, комнатной температуре и атмосферном давлении, экологическая безопасность, низкие энергозатраты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ефимочкина, Н.Р. Эмерджент-ные бактериальные патогены в пищевой микробиологии/Н.Р. Ефимочкина. - М.: РАМН, 2008. - 256 с.

2. Мудрецова-Висс, К.А. Микробиология, санитария и гигиена/К.А. Мудрецова-Висс, В.П. Дедюхина. -М.: ФОРУМ, 2010. - 400 с.

3. Жарикова, Г.Г. Микробиология продовольственных товаров. Санитария и гигиена/Г.Г. Жарикова. - М.: Академия, 2008. - 304 с.

4. Brown, A.C. Understanding Food: Principles and Preparation/A.C. Brown. - Wadsworth Publishing, 2010. - 625 p.

5. Moisan, M. Low temperature sterilization using gas plasmas: A review of the experiments, and an analysis of the inactivation mechanisms/M. Moisan, J. Barbeau, S. Moreau et al.//Int. J. Pharmaceut. -2001. - Vol. 226. - P. 1-21.

6. Laroussi, M. Low temperature plasma-based sterilization: overview and state-of the-art/M. Laroussi// Plasma Process Polymer. - 2005. -Vol. 2. - P. 391-400.

7. Dobrynin, D. Physical and biological mechanisms of direct plasma interaction with living tissue/

D. Dobrynin, G. Fridman, G. Friedman et al.//New Journal of Physics. -2009. - Vol. 11, 115020 (http://www. njp.°rg/).

8. Applied Plasma Medicine/G. Fridman [et al.]//Plasma Process Po-lym. - 2008. - Vol. 5, Is. 6. - P. 503533.

9. Laroussi, M. Low-Temperature Plasmas for Medicine?/M. Laroussi// IEEE Trans. Plasma Sci. - 2009. - Vol. 37. - N 6. - P. 714-725.

10. Создание неравновесной плазмы при атмосферном давлении в жидкости с газовыми пузырьками и в воздухе с жидким аэрозолем и ее использование для стерилизации/ Ю.С. Акишев [и др.]//Физика плазмы. - 2006. - Т. 32. № 12. - С. 11421152.

11. Перспективы применения низкотемпературной плазмы в области биологической и экологической безопасности/В.П. Холо-денко [и др.]//Химическая и биологическая безопасность. - 2006. -№ 5. - C. 3-13.

12. Atmospheric pressure non-thermal plasma sterilization of microorganisms in liquids and on the surfaces/Akishev Yu. [et al.]//Pure and Applied Chemistry. - 2008. - Vol. 80. - N 9. - P. 1953-1969.

13. Инактивация микроорганизмов в модельных и природных биопленках низкотемпературной плазмой при атмосферном давле-нии/Е.Н. Кобзев [и др.]//Ш Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010». - М., 2010. -С. 162-164.

14. Inactivation of microorganisms in model biofilms by an atmospheric pressure pulsed non-thermal plasma/ Yu. Akishev [et al.]//Nato Science for Peace and Security Series - A: Chemistry and Biology. Ed. By Z. Machala, K. Hensel, Yu. Akishev. -2012. - P. 149-161.

15. Effect of warm, chlorinated water on the microbial flora of shredded iceberg lettuce/P.J. Delaquis [et al.]//Food Res. Int. - 1999. - Vol. 32. - P. 7-14.

16. Du, J. Efficacy of chlorine dioxide gas in reducing Escherichia coli O157:H7 on apple surfaces/J. Du, Y. Han, R.H. Linton//Food Microbiol. -2003. - Vol. 20. - P. 583-591.

17. Nguenthe, C. The microbiology of minimally processed fresh fruits and vegetables/C. Nguenthe, F. Carlin//

Crit. Rev. Food Sci. Nutrition. - 1994. -Vol. 34. - P. 371-401.

18. Cold atmospheric-pressure plasmas applied to active packaging of apples/S.A. Fernandes-Gutierrez [et al.]//IEEE Trans. Plasma Sci. - 2010. -Vol. 38. - N 4. - P. 615-629.

19. Niemira, B.A. Cold plasma inactivates Salmonella stanley and Escherichia coli O157:H7 inoculated on golden delicious apples/B.A. Niemira, J. Sites//J. of Food Protection. -2008. - Vol. 71. - P. 1357-1365.

20. Pedrow, P. Atmospheric pressure cold plasma processing of bioactivity packaging applied directly to fresh fruits and vegetables/P. Pedrow, E. Wemlinger, I. Alhamarneh//NATO Advanced Research Workshop. Plasma for bio-decontamination, medicine and food security. Book of Abstracts. - 2011. - P. 41-42.

21. Atmospheric plasma inactivation of biofilm-forming bacteria for food safety control/M. Vleugels [et al.]//

IEEE Trans. Plasma Sci. - 2005. - Vol. 33. - N 2. - P. 824-828.

22. Environmental and biological applications of microplasmas/K. Becker [et al.]//Plasma Phys. Control Fusion. - 2005. - Vol. 47. - P. B513-B523.

23. Effect of atmospheric pressure plasma on inactivation of pathogens inoculated onto bacon using two different gas compositions/B. Kim [et al.]//Food Microbiology. - 2011. - Vol. 28. - N 1. - P. 9-13.

24. Cold atmospheric pressure plasma treatment of ready-to-eat meat: Inactivation of Listeria innocula and changes in product quality/S.K. Rud [et al.]//Food Microbiology. -2012. - Vol. 30. - P. 233-238.

25. Cold atmospheric gas plasma disinfection of chicken meat and chicken skin contaminated with Listeria innocula/E. Noriega [et al.]//Food Microbiology. - 2011. - Vol. 28. - N 7. - P. 1293-1300.

26. Evaluation of atmospheric pressure plasma to improve the safety of sliced cheese and ham inoculated by 3-strain cocktail Listeria monocytogenes/H.P. Song [et al.]// Food Microbiology. - 2009. - Vol. 26. - N 4. - P. 432-436.

27. Niemura, B.A. Cold plasma decontamination of foods/B.A. Niemura//Annu. Rev. Food Sci. Technol. - 2012. - N 3. - P. 125-142.

28. Decontamination of Bacillus subtilis spores in a sealed using a non-thermal plasma system/K.M. Keener [et al.]//NATO Advanced Research Workshop. Plasma for bio-decontamination, medicine and food security.- 2011. - P. 43-44.

29. Use of atmospheric non-thermal plasma as a disinfectant for objects contaminated with methicillin-resistant Staphylococcus aureus/M.L. Burts [et al.]//Am. J. Infect. Control. - 2009. - Vol. 37. - N 9. - P. 729733.

Перспективы применения низкотемпературной плазмы для биодеконтаминации пищевых продуктов

Ключевые слова

пищевые продукты; нежелательная микрофлора; низкотемпературная плазма; инактивация патогенных микроорганизмов; биодеконтаминация.

Реферат

Дан краткий обзор проблемы биологической безопасности пищевых продуктов, необходимости разработки и внедрения новых, более совершенных и экономичных способов обеспечения их биобезопасности. В качестве одного из перспективных способов рассматривается применение низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении. Основное преимущество этого метода перед традиционными способами биодеконтаминации -щадящее воздействие на объект, позволяющее обрабатывать, в том числе, свежие фрукты и овощи. Плазменная обработка осуществляется при комнатной температуре и атмосферном давлении. Она характеризуется малым временем обработки, является экологически безопасной ввиду отсутствия долгоживущих химически агрессивных реагентов, не требует высоких энергозатрат. Все эти преимущества метода позволяют прогнозировать его широкое применение для стерилизации и биодеконтаминации продуктов, пищевого сырья и упаковочных материалов.

Авторы

Кобзев Евгений Николаевич, канд. биол. наук, доцент,

Чугунов Владимир Александрович, канд. биол. наук, доцент,

Ермоленко Зинаида Михайловна, канд. биол. наук,

Киреев Георгий Вадимович, канд. биол. наук,

Ракицкий Юрий Александрович,

Тедиков Владимир Михайлович, канд. биол. наук,

ГНЦ прикладной микробиологии и биотехнологии, 142279,

Московская обл., Серпуховской р-н, п. Оболенск,

kobzev_e@mail.ru;

Акишев Юрий Семенович, д-р физ.-мат. наук, профессор, Грушин Михаил Евгеньевич, канд. физ.-мат. наук, Петряков А.В.,

Трушкин Николай Иванович, д-р физ.-мат. наук,

ГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных

исследований», 142190, Московская обл., г. Троицк,

ул. Пушковых, д. 12, info@obolens.org

Prospects of the Use of Low-Temperature Plasma for Betacontamination Food Products

Key words

foods; harmful microflora; low-temperature plasma; pathogen inactivation; biodecontamination.

Abstracts

There is an overview of food biological safety problems. The necessity of development and innovation of more sophisticated and beneficial procedures to assure food biosafety is also discussed. The application of low-temperature plasma at atmospheric pressure is one of promising procedures and is advantageous over a series of conventional ones. Being a delicate procedure it makes it possible to treat different food items, including fresh fruit and vegetables. The plasma treatment is carried out at ambient temperature and atmospheric pressure. It is short - time, power beneficial and ecologically friendly because of the absence of long-acting aggressive chemicals. Due to these merits the procedure is expected to be widely applied for sterilization and decontamination of food stuffs, food raw and packing materials.

Authors

Kobzev Evgeniy Nikolaevich, Candidate of Biological Science, Docent, Chugunov Vladimir Alexandrovich, Candidate of Biological Science, Docent, Ermolenko Zinaida Mikhaylovna, Candidate of Biological Science, Kireev Georgiy Vadimovich, Candidate of Biological Science, Rakitskiy Yuriy Alexandrovich,

Tedikov Vladimir Mikhaylovich, Candidate of Biological Science, SSC of Applied Microbiology and Biotechnology, Obolensk, Serpukhov Area, Moscow Region, 142279, kobzev_e@mail.ru; Akishev Yuriy Semyonovich, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Grushin Mikhail Evgenyevich, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Petryakov A. V,

Trushkin Nikolay Ivanovich, Doctor of Physical and Mathematical Sciences,

SSC RF «Troitsk Institute of Innovative and Fusion Researches», 12, Pushkovykh St., Troitsk, Moscow Region, 142190, info@obolens.org