Проблемы технологии лучевой стерилизации пищевых продуктов

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 664.8.022.6

И. С. Докучаева, Г. Х. Гумерова, Е. Г. Хакимова

ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛУЧЕВОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Ключевые слова: лучевая стерилизация, продукты питания, радиотоксины.

Обсуждены экологические проблемы лучевой стерилизации пищевых продуктов. Показано, что радиационная обработка может оказывать негативное воздействие на их качество. Эти продукты не становятся радиоактивными, но имеются серьезные риски и недостатки использования данной технологии. В результате облучения образуются побочные продукты, потребление которых вызывает серьезный риск для здоровья. Использование облучения пищевых продуктов увеличит профессиональные и экологические опасности, связанные с регулярной заменой и транспортировкой гамма источников. Использованные гамма источники также становятся радиоактивными отходами, и до настоящего времени приемлемого метода долгосрочного управления радиоактивными отходами не создано.

Keywords: food irradiation, food stuff, radiotoxins.

Ecological problems of beam sterilization offoodstuff are discussed. It was shown that food irradiation can have negative impact on their quality. These foods do not become radioactive, but there are serious risks and drawbacks to the use of this technology. Chemical by-products called radiotoxines, link serious health risks with the consumption of irradiated foods. Increased use of food irradiation will increase occupational and environmental hazards. The gamma source for irradiation must be replaced regularly, so the risk of transportation accidents increases with time. Spent gamma sources also become radioactive waste, and there is still no acceptable method of long-term radioactive waste management.

Целесообразность применения различных видов облучения при хранении пищевых продуктов изучается во всем мире уже не одно десятилетие. Известно достаточно сильное бактерицидное действие ультрафиолетовых (УФ) лучей, основанное на том, что синий свет поглощается белками и нуклеиновыми кислотами бактериальной клетки и вызывает в ней губительные мутации. Недостатком УФ лучей является слабая проникающая способность, а также стимулирование окислительных реакций, приводящих к прогорканию жиров, снижению содержания аскорбиновой кислоты, обесцвечиванию или изменению окраски продуктов и другим нежелательным явлениям. В камерах хранения плодов и овощей УФ лучи успешно применяют против летучих спор на выходе воздуха из испарителя. При этом образуется озон, обладающий сильным бактерицидным действием при относительной влажности воздуха выше 60%.

Лазерная обработка находит применение при предпосевной обработке зерна, мясных продуктов, дистанционного зондирования полей, исследования качества зерна, яиц и других пищевых продуктов [1].

На шкале электромагнитных (ЭМ) волн гамма-излучение граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Это коротковолновое ЭМ излучение с длиной волны менее 0,01 нм и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть ведет себя подобно потоку частиц — гамма-квантов, или фотонов. Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. Для обработки питания и, в частности, плодов и овощей, используется гамма-излучение, испускаемое возбужденными ядрами при распаде таких радиоактивных элементов, как Со-60

(период полураспада около 5 лет) или Cs-137 (период полураспада около 30 лет).

В настоящее время радиационная обработка пищевых продуктов используется в некоторых странах с целью инактивирования микроорганизмов и различных вредителей, увеличения сроков хранения пищевых продуктов, их обезвреживания и консервирования. В основном применяется у-излучение, источником которого служит Со-60. При обработке пищевых продуктов радиобиологический эффект зависит от состава микрофлоры, её численности, химического состава и агрегатного состояния продукта, поглощённой дозы и мощности дозы. Постоянно расширяется перечень продуктов, которые подвергаются облучению: сырое и кулинарно-обработанное мясо, свежие плоды, овощи и фрукты, морепродукты, специи, кофе, соки.

В процессе обработки облучаемый объект помещается на ленту конвейера, затягивающего его в бетонную камеру на одну-две минуты. На большинстве предприятий по облучению пищи существует возможность погружения изотопа в бассейн с водой, чтобы позволить персоналу войти в помещение, где проходит технологический процесс. В таком случае вода поглощает почти все излучение, обеспечивая безопасность работы. Существует менее распространенный вариант, когда вместо использования воды, применяются подвижные щиты, которые поглощают излучение в тех зонах помещения, в которых это необходимо. Существует и еще один способ, при котором радиоизотоп постоянно находится под водой, и уже сама пища в герметичной упаковке погружается в воду. Для облучения пригодны только свежие и качественные продукты. Облучение испортившихся продуктов не делает их безопасными. МАГАТЭ предложены специальные термины:

радисидация (4-6 кГр), радуризация (6-10 кГр) и радаппертизации (10-50 кГр), применяемые к радиационной обработке пищевых продуктов.

Радуризация — это радиационная обработка пищевых продуктов с целью увеличения продолжительности хранения, в дозах, приводящих к ограниченному подавлению патогенных для человека микроорганизмов.

Радисидация — радиационная обработка с целью выборочного подавления микроорганизмов какого-либо типа (например, сальмонелл, трихинелл и др.).

Радаппертизация осуществляется для промышленной стерилизации пищевых продуктов в условиях, исключающих повторение инфицирование микроорганизмами.

В СССР исследования по разработке технологических режимов радиационного облучения в наибольших масштабах проводились во ВНИИ консервной и овощесушильной промышленности, ВНИИ зерна и Институте питания АМН СССР. Накопленный опыт показал, что по силе ростингиби-рующего действия на картофель и овощи гамма-излучение превосходит все антиростовые химические препараты. Но если для предотвращения или замедления прорастания требуются относительно малые дозы облучения (6-12 крад), то для подавления жизнедеятельности фитопатогенной микрофлоры дозы возрастают до 1000 крад и выше. Применять такое сильное облучение не имеет смысла, так как даже при дозах выше 200-300 крад (в зависимости от вида плодоовощного сырья) наблюдается размягчение тканей, изменение нормальной окраски, ухудшение вкуса, усиленное сокоотделение и появление специфического запаха облученных продуктов. Самое же существенное последствие раду-ризации (даже меньшими дозами) - ослабление сопротивляемости плодов и овощей к инфекционным заболеваниям. И чем выше доза облучения, тем значительнее потери от грибных и бактериальных гнилей [2].

Одна из гипотез объясняет ростингибирующее воздействие радиационного облучения нарушениями в энергетическом обмене и как следствие этого снижением способности к синтезу растительной ткани. По той же причине ослабляется устойчивость облученного плодоовощного сырья к фитопатоген-ным заболеваниям. Этому способствует вызванный облучением частичный распад полисахаридов - целлюлозы и веществ пектинового комплекса, обусловливающих структурную прочность плодовых тканей до облучения. Внешним проявлением этого распада является размягчение облученных плодов и овощей.

При обработке повышенными дозами гамма-лучей в значительной степени разрушаются аминокислоты облучаемой продукции (метионин, цисте-ин, гистидин, аргинин, тирозин) и витамины группы В. При хранении облученных плодов и овощей интенсивнее разрушаются каротин и аскорбиновая кислота, увеличивается содержание сахара.

В некоторых странах радиационное облучение применяют для плодов с коротким сроком хранения: земляники, малины, черешни, вишни, абрикосов, персиков, красных томатов и др. Это позволяет ото-

двинуть срок их реализации на 7—14 дней. Если к примеру красные томаты при температуре 8-10 °С хранятся не более недели, то после облучения они сохраняют исходное качество до трех недель. Свежие ягоды земляники при оптимальном темпера-турно-влажностном режиме можно хранить 45 дней, облучение ягод при закладке на хранение продлевает их сохраняемость на 6-7 дней.

Губительное действие ионизирующих излучений на живые организмы обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды, которым передается определенное количество энергии. При этом происходит радиолиз воды в клетках и субстратах, образуются свободные радикалы, атомарный водород, перекиси. Эти соединения, обладая высокой химической активностью, вступают во взаимодействие с другими веществами, и возникает большое количество химических реакций, несвойственных нормально живущей клетке. В результате наступает глубокое нарушение обмена веществ, разрушаются ферменты, изменяются внутриклеточные структуры. Особой чувствительностью обладает ДНК, что и приводит к мутациям. В субстратах накапливаются токсичные для организмов вещества, которые угнетают их развитие.

Устойчивость различных микроорганизмов к гамма-излучению неодинакова. Ионизирующее излучение уничтожает не все микроорганизмы: живыми остаются бактерии ботулизма, вызывающие тяжелейшее отравление консервированными продуктами, не погибают вирусы, которые являются возбудителями многих кишечных инфекций, и прионы, которые считаются ответственными за болезнь «коровьего бешенства». Зато погибает большинство «обычных», но довольно опасных бактерий: в мясе -кишечная палочка, в птице и яйцах - сальмонелла, в замороженных деликатесах - листерия. Во фруктах и овощах, например, в австралийском винограде или мексиканских апельсинах уничтожают плодовых мух и долгоносиков.

Для дезинсекции используют дозы излучений от 100 до 500 Гр, то есть гораздо большие, чем для радиационного стимулирования. Именно этот диапазон высоких доз излучений используется в радиационном мутагенезе, при котором семена облучают с целью получения многочисленных мутаций. При этом происходит сильное угнетение организмов, но значительная часть их все-таки выживает и дает большое число мутаций, большинство из которых является неблагоприятными. Мутанты, обладающие хозяйственно-полезными свойствами, возникают редко, как правило, в результате радиационного воздействия чаще появляются угнетенные и химерные (уродливые) формы.

Негативные аспекты облучения продуктов питания заключаются в том, что ионизирующее излучение приводит к образованию свободных радикалов, которые очень реакционноспособны благодаря наличию неспаренных электронов. Помимо непосредственного повреждения ДНК свободные радикалы могут действовать и косвенно. Они начинают преобразовывать различные кислоты в организме в другой состав, называемый гидроперекисью липида.

Потребление продуктов, содержащих пероксиды, способствует накоплению токсичных веществ, возникших в результате пероксидного окисления липи-дов в клетках, которое приводит к изменению структурно-функциональных свойств мембран, вплоть до деградации их структур, и как следствие этого — к резкому нарушению проницаемости мембран, атеросклерозу и ускоренному старению всего организма [6].

При скармливании подопытным животным продуктов, облученных стерилизующими дозами, было отмечено отрицательное воздействие на почки и функцию воспроизводства потомства. Обнаруженные структурные изменения во многом схожи с процессами, которые происходят при длительном воздействии радиации. Такое сходство обусловлено определенной общностью начальных биохимических факторов, вызывающих сходные по конечному эффекту реакции организма как при длительном питании облученными продуктами, так и после хронического облучения. Эти эффекты обусловлены процессами образования в облученных клетках растительного и животного происхождения радиоток-синных веществ, способных имитировать действие на организм радиации (радиомиметиков) [3-4].

Разработанные методы позволяют идентифицировать облученные пищевые продукты по изменению физических свойств, микрофлоры, химических компонентов (белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот, витаминов); по образованию свободных радикалов, по изменению люминесценции и др. Облученные продукты идентифицируют также по степени изменения активности ферментов, чувствительных к облучению.

При содержании в продуктах питания значительного количества воды в результате радиолиза образуются гидроксильные радикалы и гидратиро-ванные ионы. Гидроксильные радикалы, реагируя с ароматическими аминокислотами, образуют гидро-ксилированные продукты, которые могут быть биометчиками. Так, в мясе биометчиком может служить продукт гидроксилирования фенилаланин-2-оксифенилаланин, количество которого увеличивается с ростом дозы облучения. Возможно определение остаточного содержания тиамина в качестве показателя облучения мяса, рыбы, птицы [6].

Таким образом, использование радиационных технологий может оказать негативное влияние на окружающую среду по следующим причинам:

1. Предпосевная обработка семян гамма-облучением характеризуется низкой стабильностью и не всегда завершается явной стимуляцией и прибавкой урожая, поэтому внедрение данной технологии ни фактически, ни экономически не оправдано.

2. Дозы гамма-облучения, используемые с целью гамма-дезинсекции зерна для увеличения сроков его хранения, лежат в пределах критических доз для большинства сельскохозяйственных растений, то есть вызывают их сильное угнетение и образование химерных (уродливых) форм (мутантов), поэтому обработанное зерно не способно к прорастанию.

3. Для подавления низших микроорганизмов необходимы еще более высокие дозы гамма-облучения из-за их высокой устойчивости к любым повреждающим воздействиям. Но при таких дозах образуются радиотоксины, которые при потреблении облученных продуктов способны имитировать действие радиации на организм. Выжившие микроорганизмы, особенно грибы, в результате мутагенеза приобретают еще более высокую устойчивость. Тем самым можно спровоцировать появление штаммов патогенных микроорганизмов с высокой выживаемостью.

4. Использование радиационных технологий в агропромышленном комплексе приведет к неблагоприятным последствиям в отдаленном будущем вследствие недавно открытого эффекта радиацион-но наведенной неустойчивости (нестабильности) генетических характеристик и генома человека, означающего неизбежные мутации в клетках через несколько поколений.

5. Применение радиационных установок само по себе представляет опасность из-за возросшей угрозы радиационного терроризма. Кроме того, до сих пор не решены вопросы экологической безопасности применения радиационных установок, связанные с возникновением опасных нерадиационных факторов, а именно образованием вредных веществ — продуктов радиолиза воздуха, а также выделяющихся в результате облучения пестицидов, которыми обрабатывается зерно.

6. В настоящее время не существует достоверных методов всесторонней оценки радиационного риска, учитывающих не только экономический эффект от применяемой радиационной технологии, но и агроэкологические аспекты и отдаленные эффекты на последующие поколения.

Литература

1. В. В. Кирсанов, Вестник Казан. технол. ун-та. 18, 6, 231-234 (2015).

2.И. С. Шабловская, Т. А. Харламова, Хранение и перераб. сельхоз. сырья, 7, 54-56 (1997).

3.А. Е. Иванов, А. И. Левина, Бюлл. эксп. биологии и мед., 2, 230-232 (1978).

4.А. Е. Иванов, А. И. Левина, Бюлл. эксп. биологии и мед., 2, 233-236 (1981).

5. Патент РФ 2324176 (2008).

6. Л. К. Петриченко, А. Г. Васильева, Известия вузов. Пищевая технология, 1, 95-98 (2004).

© И. С. Докучаева, к.т.н., доцент кафедры оборудования пищевых производств КНИТУ, 183561@mail.ru; Г. Х. Гумерова, к.т.н., доцент каф. ОПП КНИТУ; Е. Г. Хакимова, ст. преподаватель каф. ОПП КНИТУ.

© I. S. Dokuchaeva, Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equipment, Kazan National Research Technological University, 183561@mail.ru; G. Kh. Gumerova, Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equipment, KNRTU; E. G. Khakimova, Master Teacher, Department of Food Production Equipment, KNRTU.