Особенности действия инфракрасного лазерного излучения на качественные показатели плодов яблони

ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ИНФРАКРАСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПЛОДОВ ЯБЛОНИ

А.В.АКСНОВСКИЙ, старший преподаватель,

А.С.ГОРДЕЕВ,

доктор технических наук, профессор,

Мичуринский государственный аграрный университет

Рассматриваются особенности механизма действия низкоинтенсивного инфракрасного лазерного излучения на показатели качества плодов яблони после съема и в период хранения. Представлены данные исследований, позволяющие сделать заключение о применения обработки инфракрасным лазерным излучением с целью повышения сохранности и качества плодов яблони.

Важным и перспективным направлением в лазерной физике и технике является разработка и использование новых приемов воздействия на биологические объекты с использованием уникальных возможностей лазеров.

В настоящее время наблюдается интенсивное внедрение низкоэнергетического, менее 5 мВт/м2, лазерного излучения в медицину и сельское хозяйство.

Лазерное излучение в диапазоне волн 0,4-1,0 мкм с плотностью потока 0,1-10 Вт/м2 оказывает стимулирующее воздействие на различные процессы, позволяет сохранить исходное качество урожая и снизить потери продукции при хранении [3, 5].

Не останавливаясь подробно на хорошо известных эффектах лазерного воздействия, выделим несколько надежно установленных их физиологических характеристик на клеточном уровне:

- изменение структуры хроматина и состояния нуклеиновых кислот;

- увеличение электрохимического потенциала и активности АТФ в митохондриях;

- увеличение скорости синтеза белка и скорости деления клеток ткани;

- увеличение активности ионов кальция в клетках;

- бактерицидный и бактериоста-тический эффект.

Для объяснения вышеперечисленных физиологических эффектов, вызываемых низкоинтенсивными лазерами предложено несколько гипотез.

Цели и методика исследований

При изучении механизма действия лазерного излучения А. Шахов (1974) вводит новое понятие - фотометаболизм. Процесс фотометаболизма, главным образом, протекает в органеллах клетки биоткани (микротельцах, митохондриях, ядре и хлоропластах) [10]. Лазерный и концентрированный солнечный свет (КСС) повышают фотометаболизм клетки. Эффект светового действия, в том числе лазерного излучения, на растения появляется только при наличии в клетках соответствующих молекул, способных к избирательному поглощению света с определенной длиной волны. Такие молекулы содержатся в нефотосинтезирующих органах растений, какими являются плоды. Этим объясняется их способность поглощать световую энергию. Эти молекулы относятся к соединениям наиболее общим образом, называемыми пигментами, которые участвуют не только в фотобиологи-ческих, но и в энзиматических реакциях. Предположительно на их поверхности биохимические процессы под действием оптического излучения протекают с большей скоростью, что приводит к дополнительному образованию метаболитов, активирующих обмен веществ [1].

Фотометаболизм охватывает систему нефотосинтетических процессов обмена веществ в клетке, способных изменяться под воздействием лазерного излучения, что может быть связано с регулированием биосинтеза энзимов на генном уровне. В свою очередь это может привести к образованию соединений, активи-

Агрономия. Растениеводство

рующих физиолого-биохимические процессы в клетке в сторону мобилизации защитных механизмов индуцированной устойчивости, которая тесно связана с ферментной активностью и синтезом антибиотических веществ типа фитоалексинов [6,7].

Возможной гипотезой возникновения ответной реакции при воздействии лазерного излучения является активизация защитных процессов, препятствующих старению и, как следствие этого, - повышение качества и продолжительности хранения [8,9].

Одна из гипотез заключается в том, что в биологическом объекте существуют определённые его генотипом электромагнитные или связанные с ними явления, которые со временем из-за патологических воздействий отклоняются от нормы, рассинхронизируются между собой. Воздействие на объект когерентным излучением вновь их синхронизируют, как бы возвращая в исходное состояние, закодированное в их

Features of the mechanism of action of light ultra red laser light on quality indexes of fruits of an apple tree after picking and in a storage period are considered. Data of the probes are submitted, permitting to make the conclusion about applications of machining by ultra red laser light with the purpose of increase of safety and quality of fruits of an apple tree.

структуре [4].

Воздействие не тепловым низкоинтенсивным лазерным излучением не носит энергетического характера в том смысле, как мы его обычно понимаем, так как мощности, затрачиваемые на получение эффектов, несоизмеримо малы в сравнении с солнечной энергией, при которой выращивается плод, и находятся в пределах ватт на квадратный метр облучаемой поверхности, хотя зависимость качества плода от мощности излучения наблюдается.

Один из путей рассматриваемого направления обработки растениеводческой продукции - применение полупроводниковых инфракрасных лазерных излучателей, обладающих необходимыми техническими характеристиками при использовании в существующих технологических процессах, хорошей надежностью, простотой управления и эксплуатации.

Основная причина причиной потерь и снижения качества плодов при хранении, транспортировке и реализации - поражение их микробиологическими и физиологическими заболеваниями. Потери от них составляют не менее 10-20%, а в странах с жарким климатом достигают 80% [11 ].

Повышение лёжкоспособности плодовой продукции возможно за счет формирования естественной устойчивости к заболеваниям в процессе хранения и сохранения ее товарных качеств.

На данный момент проблема сохранения продукции, включает разработку экологически чистых способов обработки плодов, позволяющих сохранить товарное качество в процессе транспортировки и хранения. Существующие способы воздействия на плоды имеют как преимущества, так и недостатки.

В результате ухудшения экологической обстановки, снижения, а зачастую потери всего урожая, из-за массового распространения заболеваний как в саду, так при хранении, особую ценность имеет разработка ресурсосберегающих технологий или технологических приёмов, позволяющих снизить потери продукции при хранении, однако при этом оставаясь весьма эффективными, экологически чистыми и низкоэнергоёмкими.

Для выявления влияния лазерной обработки на показатели качества и сохранность плодов яблони осуществлен ряд экспериментов, в процессе которых изучалось влияния инфракрасного лазерного излу-

чения длиной волны 890 нм на показатели качества, динамику изменения активности каталазы в плодах в послеуборочный период и при хранении.

Предмет исследований - изучение взаимосвязей между обработкой инфракрасным лазерным излучением и качественными показателями плодов яблони сорта Антоновка обыкновенная.

Оценивались следующие параметры плодов: внешний вид плодов; поражение их заболеваниями при хранении; степень зрелости плодов; уровень активности каталазы в плодах.

Для проведения исследований использовалась лабораторная установка на базе полупроводниковых лазерных диодов ЛПИ-101, имеющая

зволяют сказать, что повреждение физиологическими и микробиологическими заболеваниями плодов во время хранения находятся в тесной зависимости от уровня активности фермента каталаза.

Каталаза - фермент, относящий-

Агрономия. Растениеводство

средняя мощность импульса не более 5Вт;

Установку для облучения плодов (рисунок 1) закрепляют в штативе на расстоянии 0,5 м от поверхности, на которой находится плод.

После съёма плоды находились при температуре +18...+20 0С с относительной влажностью воздуха около 80-85 %. Через каждые пять дней проводилась переборка и анализ сохранности плодов. При хранении плодов в плодохранилище температурный режим находился в пределах 0...+2 0С и относительная влажность воздуха составляла 90-95%.

На рисунках 2 и 3 приведены регрессионные зависимости показателей качества плодов.

Проведенные исследования по-

ся к группе окислительно-восстановительных фермента оксидоре-дуктаз, под воздействием которого происходит разложение перекиси водорода. При дыхании в качестве первичного продукта гидрирования молекулярного кислорода образует-

3

2.5 2

1.5 1

о

^ -

__ _

— Ж—  ^

-

0,7

0,6

°,5

0,4

0,3

0,3

ОД

О

од

5 10 15 20

про до ткнтепъностъ 1ф£ненна, дни

25

" актив гость катапаз ы-К

~ ГОЕреЖДенге ЗёЁОЛЁЕаДЕШГСН-К

' акшЕгость кагал азы-О -годреждеке з зёолё Еашшли-0

Рис. 2 Регрессионные зависимости параметров плодов после съёма (К - партии контрольных плодов, О - партии плодов, обработанных лазерным

излучением)

1- подставка; 2 - облучаемый плод; 3 - прибор-формирователь импульсов; 4 облучатель, со встроенным полупроводниковым диодом, 5 - штатив.

Рис. 1 Принципиальная схема лазерного излучателя-установки для облучения плодов в лабораторных условиях

Агрономия. Растениеводство

ся ядовитое для растительных клеток вещество - перекись водорода, оказывающее токсическое действие на большинство дыхательных систем. Но кроме этой реакции катала-за может участвовать и в сопряженных окислительных процессах, влияя на процессы старения и длительность хранения плодовой продукции.

Один из максимумов резонансного поглощения каталазы находится в красной области спектра. Активация каталазы под действием лазера стимулирует усиление образования АТФ в митохондриях и снижение свободнорадикального (неферментативного) окисления и активных форм кислорода [2].

В момент облучения происходит резкое увеличение активности каталазы в облучённых плодах относительно контрольных в 1,5 раза (рисунок 3), а затем в процессе хранения в контрольных и облучённых плодах начинает снижаться. При этом скорость снижения данного показателя у экземпляров в обработанной партии меньше, чем в необлу-ченной. В результате через сто дней хранения содержание каталазы в облученных в 2,7 раза выше, чем в контрольных, плодах.

Повреждаемость плодов заболеваниями в течение всего времени хранения у облучённых и контрольных партий увеличивается (рисунок 4). Однако изменения повреждённости заболеваниями у облученной партии меньше (рисунок 39), в результате чего через сто дней хранения данный показатель облученной партии более чем шесть раз меньше, чем в контрольном варианте.

Таким образом, инфракрасная лазерная обработка приводит к уменьшению повреждаемости забо-

4

3.5 3

2.5 2

1.5 1

0,5

0

~ — —. / '

"Ч* -

___ -

1~~-' --У

У s '

—

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

20 40 (30 S0

продолжительность хранения, дни

100

- акшЕнпсгъ хагшазы-К

- пщргжднний за&лкЕаинямн-К

— “— жшенсчп иатапазы-0 —•— поЕргжднШЕ забопЕЕалнями-О

Рис. 3 Регрессионные зависимости параметров плодов после съема (К

- партии контрольных плодов, О - партии плодов обработанных лазерным излучением)

аэ аз

0,7

ае

015 0,4 0,3 0,2 0,1 О

\ /

\ /

4 4 / /

\

s

__

0,05

ОД

0,15

0,2

0,25

0,3 Q35

0,4

0,45

Рис. 4 Регрессионная зависимость повреждений заболеваниями плодов от плотности потока лазерного излучения после съема.

леваниями до 50 %, что коррелирует с высокой активностью каталазы.

Выводы. Анализ

1. Низкоинтенсивное инфракрасное лазерное облучение до 0,5 Вт/м2 оказывает существенное влияние на сохранность плодов яблони.

Лучшая сохранность наблюдалась у плодов яблони при обработ-

ке инфракрасным лазерным излучением с длиной волны 890 нм при плотности потока излучения 0,21 -0,25 Вт/м2.

2. Установлена зависимость уровня активности каталазы от повреждения плодов яблони физиологическими и микробиологическими заболеваниями в период хранения.

Литература

1. Басов Н.Г. Световое чудо века. - М.: Педагогика, 1984. - 36 с.

2. Брандт А.Б. Оптические параметры растительных организмов. - М.: Наука, 1967. - 305с.

3. Будаговский А.В. О способности клеток различать когерентность оптического излучения // Квантовая электроника. - 2005. - №4.- С.369-374.

4. Воронина О.Ю. Нерезонансный механизм биостимулирующего действия низкоинтенсивного лазерного излучения // ФЭИ. - Обнинск, 1990. - 321с.

5. Гордеев А.С. Автоматизация обработки яблок: Дис. ... доктора технич. наук. - Москва: МГАУ 1996.- 424с.

6. Денчева А. Лазерът в селското стопанство. - Земиздат, 1984. - 64с.

7. Илиева В.П. Применение методов лазерной техники в сельском хозяйстве. - София: Центр научно-технической и экономической информации, 1987. - 51с.

8. Инюшин В.М. Луч лазера и урожай. - Алма-Ата, 1981. - 212с.

9. Петров И.Ю. Изменения потенциалов плазматических мембран клеток листа зеленого растения при электромагнитном миллиметровом облучении // Доклады АН СССР -1989, Т.305.- № 2.-С. 474-477.

10. Шахов А.А. Теоретические и практические проблемы интенсификации сельскохозяйственного производства на фотосинтетической основе. - Кишинев: Штиинца, 1974. - С.6-24.

11. Marcellin, P Nouvelles tendances de la conservation des fruits et legumes I par refrigeration // La revue generate du froid. - 1982. - 72.3. - P143-151.