Закономерности ингибирования условно-патогенной микрофлоры под воздействием ионизационного облучения

УДК 621.384.6,579.676

DOI: 10.24411/2587-6740-2018-15082

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИНГИБИРОВАНИЯ УСЛОВНО-ПАТОГЕННОЙ МИКРОФЛОРЫ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗАЦИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Н.В. Илюхина, А.Ю. Колоколова, А.В. Прокопенко, В.П. Филиппович

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт технологии консервирования» (ФГБНУ «ВНИИТеК») — филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем имени В.М. Горбатова» РАН, г. Видное, Московская область, Россия

Использование радиационных технологий в сельском хозяйстве и пищевой промышленности является общемировой тенденцией. Мировые потери продовольственной продукции на всех этапах производства достигают 30%. Особенно существенные потери плодовоовощной продукции. Радиационная обработка пищевой продукции способствует подавлению развития патогенных микроорганизмов и, тем самым, продлению сроков хранения. Несмотря на многочисленные исследования в данной области, существующие методы облучения требуют дополнительной оптимизации для обеспечения возможности эффективного применения облучения для всех видов плодоовощной продукцией. Данная работа посвящена изучению эффективности облучения модельных систем, содержащих условно-патогенную микрофлору пучками электронов с энергией 6,5 и 10 МэВ. Проведены исследования по эффективности ингибирования начальной степени инокуляции микроорганизма E. coli с использованием ускорителей, находящегося в двух модельных системах. В работе был проведен сравнительный анализ эффективности облучения одного и того же объекта на двух радиационных установках с различной мощностью. Облучение дозами до 10 кГр выполнено в ЦКП ФМИ ИФХЭ РАН и на радиационно-технологической установке в ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна. Выявлены зависимости ингибирования патогенной микрофлоры, при облучении с различной интенсивностью, от структуры (плотности) изучаемых образцов. Получены результаты эффективного ингибирования начальной степени обсеменения для двух установок. Установлено, что эффективность ингибирования E. coli может варьироваться в зависимости от установки. Показана необходимость учитывать не только эффективность угнетения микрофлоры на конкретных продуктах, но и эффективность установки для конкретного образца.

Ключевые слова: радиационная обработка, модельные системы, ингибирование микроорганизмов, остаточная микрофлора, E. coli, рациональная обработка сырья.

Введение

По данным международной комиссии ФАО (Food and Agriculture Organization) ООН, мировые потери сельскохозяйственного сырья достигают 30%. В последнее время в России возрождается интерес к радиационным технологиям, как к основе для развития инновационной экономики. Радиационная обработка сельскохозяйственной продукции способствует задержке прорастания, дезинсекции (уничтожению насекомых), замедлению процессов созревания, продлению сроков хранения и подавлению развития патогенных микроорганизмов [1-3].

Использование радиационных технологий в сельском хозяйстве и пищевой промышленности является общемировой тенденцией. В соответствии со статистическими данными МАГАТЭ в мире насчитывается более 1500 ускорителей электронов, используемых, в основном, для обработки продуктов питания, сельскохозяйственного сырья, стерилизации медицинских изделий и радиационной химии. Наибольшее количество ускорителей установлено в США (более 500) и в Японии (более 300). Также ускорители численно преобладают и в странах БРИКС [4, 5].

Преимущества радиационных технологий заключаются в высокой степени эффективности и производительности, точности дозирования излучения, возможности облучения упакованных продуктов, отсутствии высокого нагрева продукта и, как следствие, в возмож-

70 -

INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL № 5 (36!

ности стерилизации термолабильных объектов, а также в низких эксплуатационных расходах и соответствии принятым экологическим нормам [6-8].

Несмотря на многочисленные исследования в данной области, существующие методы облучения требуют оптимизации для обеспечения возможности применения облучения для всех видов плодоовощной продукцией и сельскохозяйственного сырья. Основной проблемой является возможность минимизации воздействия ионизационного облучения. Решение данной проблемы возможно двумя способами: снижением интенсивности облучения и использованием установок с различными мощностями [9-11].

В данной работе был проведен сравнительный анализ эффективности облучения одного и того же объекта на двух радиационных установках с различной мощностью. Используемые электронные ускорители имеют различия по энергии пучка, мощности пучка, системе формирования рассеянного пучка и транспортировки обрабатываемого объекта. Различные параметры установок необходимо учитывать при облучении пищевой продукции пучками электронов, особенно при малых дозах от 1 до 5 кГр. Исследования проводили с применением модельных систем, которые позволяют стандартизировать условия облучения, для получения воспроизводимых результатов. Была изучена эффективность ингибирования микроорганизма E. Coli, находя-

2018

щегося в двух модельных системах с использованием ускорителей с энергией пучка 6,5 и 10 МэВ при прочих равных условиях. Проведены исследования по изучению и выявлению зависимостей ингибирования патогенной микрофлоры, при облучении с различной интенсивностью, от структуры (плотности) изучаемых образцов.

Объекты и методы исследования

В качестве носителя культуры была выбрана твердая и жидкая питательная среда, приготовленная по ГОСТ 11133 на основе мясного бульона с добавлением бактериологического агара. В исследовании по эффективности угнетения микроорганизмов использовали следующие штаммы: Escherichia coli (E. coli) ATCC, полученный из штамма ВКМ В 114191 .

Инокуляцию модельных систем проводили следующим образом: суспензию, содержащую определенное количество микроорганизмов одной из изучаемых культур, вносили в пробирки, содержащие 5 мл жидкой и твердой незастывшей среды, из расчета 2% иноку-лята от массы среды.

Исследования выполнены на ускорителях УЭЛВ-10-10-С-70 в ЦКП ФМИ ИФХЭ РАН со средней энергией электронов пучка 6,5 МэВ и на радиационно-технологической установке с ускорителем электронов УЭЛР-10-10-40 в ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна со средней энергией электронов 10 МэВ. Модельные системы облучали дозами в интервале 0-10 кГр.

www.mshj.ru

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ

Процесс облучения контролировался пленочными дозиметрами СО ПД(Э) — 1/10, изготовленными по ТУ 2379-006-1327176-00. Дозиметры располагались вблизи и внутри пробирок с аналогом носителя условно-патогенных микроорганизмов. После облучения на спектрофотометре проводилось определение поглощенной дозиметром дозы ионизирующего излучения от ускоренного электронного пучка.

Эффективность облучения определяли путем исследования остаточной микрофлоры образцов, подвергшихся различной интенсивности облучению, согласно действующей нормативной документации по определению количества мезофильно-аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов по ГОСТ 10444.15.

Результаты и обсуждения

На рисунках 1 и 2 приведены полученные результаты исследования радиационного воздействия на образцы с микроорганизмом E. coli, находящимся в средах с различным агрегатным состоянием.

Исследования, проведенные на установке УЭЛВ-10-10-С-70 в ЦКП ФМИ ИФХЭ РАН, показали, что характер угнетения E. coli имеет ступенчатый вид, который можно объяснить наличием в составе культуры двух субпопуляций, более устойчивых и менее устойчивых к облучению. Исследования зависимости облучения на твердых и жидких модельных средах показали аналогичные повторяющиеся графики, позволяющие сделать выводы, что отличий при облучении жидкой и твердой модельных сред на данной установке нет.

При облучении интенсивностью 3 кГр начальная обсемененность снижается на 106107 порядков, при облучении 5 кГр — на 1055 порядков, при 7 кГр происходит полное угнетения начальной степени обсеменения. Изучение зависимостей воздействия облучения от различной структуры и расположения носителя показали незначительную разницу в результатах исследования.

Исследования, проведенные на установке УЭЛР-10-10-40 в ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна, показывают, что характер угнетения E coli так же имеет ступенчатый вид. Ингибирование начальной степени инокуляции исследуемых образцов при облучении интенсивностью 3 кГр позволяет снизить начальную обсемененность на 104 порядков, при облучении 5 кГр — на 106 порядков, при 7 кГр происходит полное угнетения начальной степени обсеменения. Изучение зависимостей воздействия облучения от различной структуры и расположения носителя показало разницу в результатах исследования на 1,5 порядка при облучении интенсивностью 5 кГр, что необходимо учитывать при расчете дозы облучения.

Выводы

Результаты исследований показали, что эффективность ингибирования E. coli может варьироваться в зависимости от установки. Разница между двумя модельными средами,

^ 8

-I

VP о 7

8 *

g 6 GO 5

о 5

ш

S 4

X

го

Ü 3

0

1 2 5

* 1

-Жидкая питательная среда

Твердая питательная среда

2 4 6

Интенсивность облучения кГр

Рис. 1. Динамика ингибирования культуры E. coli под воздействием облучения на установке УЭЛВ-10-10-С-70 в ЦКП ФМИ ИФХЭ РАН

л 1- _

7

5 О 8* 6

0 ад

15 ° 5

s is5

S Ü 4

* S

01 3 ого-3

13 Ü ш о 2

5 о 2 ^ *

з ü 1

0

Твердая питательная среда

Жидкая питательная среда

Интенсивность облучения кГр

Рис. 2. Динамика ингибирования культуры E. coli под воздействием облучения на установке УЭЛР-10-10-40 в ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна

моделирующими твердые и жидкие продукты, для образцов, облучаемых электронами с энергией 6,5 МэВ, незначительна. На установке с энергией электронов 10 МэВ при облучении интенсивностью 5 кГр есть различия по эффективности угнетения, составляющие 1,5 порядка, что необходимо учитывать при расчете доз облучения. Для всех вариантов сред доза 7 кГр является летальной дозой, позволяющей полностью ингибировать начальную степень облучения.

Ввиду открывшихся обстоятельств необходимо не только учитывать эффективность угнетения микрофлоры на конкретных продуктах, но и отрабатывать эффективность установки для данного конкретного образца. Именно от этих характеристик зависит эффективность радиационной обработки.

Литература

1. Гельфанд С.Ю., Завьялов М.А., Петров А.Н., Прокопенко А.В., Филиппович В.П. Современные аспекты радиационной обработки пищевых продуктов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2013. № 2. С. 25-31.

2. Фрумкин М.Л., Ковальская Л.П., Гельфанд С.Ю. Технологические основы радиационной обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1973. 360 с.

3. Чиж Т.В., Козьмина Г.В., Полякова Л.П., Мельникова Т.В Радиационная обработка как технологический прием в целях повышения уровня продовольственной безопасности // Вестник Российской академии наук. 2011. № 4. С. 44-49.

4. Павлов Ю.С., Ершов Б.Г., Фоменко Ю.Л., Поляков А.А. Реализованные и разрабатываемые радиационные технологии в ИФХЭ РАН // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техническая физика и автоматизация. Вып. 67. Ч. 1. М.: ОАО «НИИТФА», 2013. С. 27-41.

5. Алексахин Р.М., Санжарова Н.И., Козьмин Г.В., Павлов А.Н., Гераськин С.А. Перспективы использования радиационных технологий в агропромышленном комплексе Российской Федерации // Вестник Российской академии наук. 2014. № 1. С. 78-85.

6. Радиационные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности / под общ. ред. Козьмина Г.В., Гераскина С.А., Санжаровой Н.И. Обнинск: ВНИИРАЭ, 2015. 400 с.

7. Потороко И.Ю., Калинина И.В., Руськина А.А. Научные подходы в обеспечении качества и безопасности плодов и овощей в процессе хранения. Мировой опыт. Ч. 1 // Bultetin of th South Ural state universiti. Ser. Food and biotchnology. 2017. Vol. 5. No. 1. Pp. 14-18.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ № 5 (365) / 2018

9

0

8

8. Павлов А.Н. Исследование радиологических показателей эффективности экспериментально-производственного процесса радиационной обработки сельскохозяйственной продукции растительного происхождения: автореферат. Обнинск: ВНИИРАЭ, 2016. 11 с.

9. Грачева А.Ю., Завьялов М.А., Павлов Ю.С., Прокопенко А.В., Филиппович В.П. Радиационное воздействие электронов на суспензии микроорганизмов //

Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техническая физика и автоматизация. Научно-технический сборник. 2015. Вып. 71. С. 73-79.

10. Rumyantseva Y.V. Using of food irradiation in ourlife / Международная научная школа. Томск, 2013. С. 89-91.

11. Ян Ван Коэй. Лучевая обработка пищевых продуктов // Бюллетень МАГАТЭ. 1997. Т. 23. № 3. С.33-36.

12. ГОСТ 11133-1-2014. Микробиология пищевых продуктов и кормов для животных. Руководящие указания по приготовлению и производству питательных сред. Ч. 1. Общие руководящие указания по обеспечению качества приготовления питательных сред в лаборатории, п. 3.2.7.

13. ГОСТ 10444.15-95. Продукты пищевые. Методы определения количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов.

Об авторах:

Илюхина Наталья Викторовна, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории качества и безопасности пищевой продукции, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1190-952X, inv63@mail.ru

Колоколова Анастасия Юрьевна, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории качества и безопасности пищевой продукции, ORCID: http://orcid.org/0000-0002-9816-1720, aykolokolova@yandex.ru

Прокопенко Александр Валерьевич, кандидат технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории процессов и оборудования консервного производства, ORCID: http://orcid.org/0000-0001-8853-4418, Scopus ID: 55976608200, Researcher ID: J-1540-2017, pav14@mail.ru Филиппович Виталий Павлович, старший научный сотрудник лаборатории процессов и оборудования консервного производства, vitfil1@yandex.ru

MECHANISMS OF INHIBITION OF CONDITIONALLY PATHOGENIC MICROFLORA UNDER THE INFLUENCE OF IONIZATION RADIATION

N.V. Ilyuhina, A.Yu. Kolokolova, A.V. Prokopenko, V.P. Filippovich

All-Russia research institute of preservation technology, Vidnoe, Moscow region, Russia

The use of radiation technologies In agriculture and the food Industry Is a common worldwide trend. Global reduction of food products at all stages of production has reached 30%. Especially significant reduction is in fruits and vegetables production. Radiation treatment of food products helps to suppress the development of pathogenic microorganisms as a result it extends the storage periods. Despite numerous studies in this field, existing methods of irradiation require optimization in order to ensure the possibility of using irradiation for all types of fruit and vegetable products. This research work is focused on the study of the effectiveness of irradiation of model systems containing conditionally pathogenic microflora by electron beams with an energy of 6.5 and 10 MeV. Studies were conducted on the effectiveness of inhibiting the initial degree of inoculation of the microorganism E. coli. Solid and liquid nutrient media were used as the culture carrier in the model systems. In this research work, a comparative analysis of the effectiveness of irradiation of the same object at two radiation installations with different power was performed. Irradiation with doses up to 10 KGy was carried out at the FMI Center of the Institute of Electrophysical Research of the Russian Academy of Sciences and at the radiation-technological facility at the A.I. Burnazyan Federal Medical Biophysical Centre of Federal Medical Biological Agency. The dependences of inhibition of pathogenic microflora, irradiation with different intensity, on the structure (density) of the samples studied are revealed. The results of effective inhibition of the initial degree of seeding for two plants are obtained. It was detected that the effectiveness of inhibition of E. coli can vary depending on the installation. It is important to take into account not only the effectiveness of the oppression of microflora on specific products, but also the efficiency of the installation for a specific sample.

Keywords: radiation treatment, model systems, inhibition of microorganisms, residual microflora, E. coli, rational processing of raw materials.

References

1. Gelfand S.Yu., Zavyalov M.A., Petrov A.N., Prokopenko V.A., Filippovich V.P. Modern aspects of radiation processing of food products. Khranenie i pererabotka selkhozsyrya = Storage and processing of farm products. 2013. No. 2. Pp. 25-31.

2. Frumkin M.L., Kowalskaya L.P., Gelfand S.Yu. Technological basis of radiation processing of food products. Moscow: Foodindustry, 1973. 360 p.

3. Chizh T.V., Kozmina GVV., Polyakova L.P., Melnicko-va T.V. Radiation treatment as a technology accepting for food safety. Vestnik Rossijskoj akademii nauk = Bulletin of the Russian academy of sciences. 2011. No. 4. Pp. 44-49.

4. Pavlov Yu.S., Ershov B.G., Fomenko Yu.L., Polyakov A.A. Implemented and developed radiation technology in IPCE RAS. Issues of nuclear science and technology. Ser. Technical physics and automation. Vol. 67. Part 1. Moscow: JSC "Scientific-research institute of technical physics and automation", 2013. Pp. 27-41.

5. Aleksakhin R.M., Sanzharova N.I., Kozmin GV., Pavlov A.N., Geraskin S.A. Prospects for the use of radiation technologies in the agro-industrial complex of the Russian Federation. Vestnik Rossijskoj akademii nauk = Bulletin of the Russian academy of sciences. 2014. No. 1. Pp. 78-85.

6. Radiation technologies in agriculture and food industry. Under editorship of Kozmin G.V., Geraskina S.A., Sanzharova N.I. Obninsk: All-Russian research institute of radiology and agroecology, 2015. 400 p.

7. Potoroko I.Yu., Kalinina I.V., Ruskina A.A. Scientific approaches in ensuring the quality and safety of fruits and vegetables during storage. World experience. Part 1. Bultetin of th South Ural state universiti. Ser. Food and biotchnology. 2017. Vol. 5. No. 1. Pp. 14-18.

8. Pavlov A.N. Research of radiological indicators of efficiency of experimental and production process of radio processing of agricultural products of plant origin. Abstract of dissertation. Obninsk: All-Russian research institute of radiology and agroecology, 2016. 11 p.

9. Gracheva AYu., Zavyalov M.A., Pavlov Yu.S., Prokopenko A.V., Filippovich V.P. Radiation effect of the electrons on the suspension of microorganisms. Issues of nuclear science and technology. Ser. Technical physics and automation. 2015. Vol. 71. Pp. 73-79.

10. Rumyantseva Y.V. Using of food irradiation in ourlife. Proceedings of Strategy design of youth science and innovation environment for modern engineer training. Tomsk, 2013. Pp. 89-91.

11. Yan Van Koej. Food preservation by radiation. Byulleten MAGATE = Bulletin IAEA. 1997. Vol. 23. No. 3. Pp. 33-36.

12. GOST 11133-1-2014. Microbiology of food and animal feeding stuffs. Guidelines on preparation and production of culture media. Part 1. General guidelines on quality assurance for the preparation of culture media in the laboratory, part 3.2.7.

13. GOST 10444.15-95. Food products. Methods for determination quantity of mesophilic aerobes and facultative anaerobes.

About the authors:

Natalia V. Ilyukhina, candidate of chemical sciences, leading researcher of the laboratory of quality and safety of food products, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1190-952X, inv63@mail.ru

Anastasiya Yu. Kolokolova, candidate of technical sciences, leading researcher of the laboratory of quality and safety of food products, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9816-1720, aykolokolova@yandex.ru

Alexander V. Prokopenko, candidate of technical sciences, professor, leading researcher of the laboratory of processes and equipment for canning production,

ORCID: http://orcid.org/0000-0001-8853-4418, Scopus ID: 55976608200, Researcher ID: J-1540-2017, pav14@mail.ru

Vitaly P. Filippovich, senior researcher of the laboratory of processes and equipment for canning production, vitfil1@yandex.ru

vniitek@vniitek.ru

INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL № S (36S) / 2018

www.mshj.ru