Исследование эффективности радиационной стерилизации растительного сырья с использованием установки гамма-излучения гур-120

Исследование эффективности радиационной стерилизации растительного сырья с использованием установки гамма-излучения ГУР-120

Пименов Е.П., Павлов А.Н., Козьмин Г.В., Спирин Е.В, Санжарова Н.И.

ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии РАСХН, Обнинск

Представлены результаты исследования эффективности использования установки гамма-излучения ГУР-120 (60Со) для обработки некоторых видов сухих пищевых продуктов с целью достижения требуемых уровней микробиологической чистоты. Показано, что выбранные дозы (4 кГр для плесневых грибов и дрожжей, 10 кГр для бактерий) обеспечивают 80-100% эффективность радиационной обработки, уровень которой существенно зависел от начальной степени обсеменённости продукции. Недостаточная равномерность поля облучения компенсировалась выбранным режимом поворачивания продукции. Требуемые нормы качества сухих пищевых продуктов по содержанию микроорганизмов могут быть достигнуты в результате облучения с помощью исследованной установки при условии соблюдения выбранных дозовых режимов облучения, предварительного контроля первичной микробиологической загрязнённости продукта, а также обеспечения равномерности радиационного воздействия.

Ключевые слова: радиационные технологии, гамма-излучение, 60Со, радиационная стерилизация, микроорганизмы, специи, сушёные травы и овощи.

Проведённые в 50-80-е гг. прошлого века радиобиологические исследования заложили основы применения радиационных технологий (РТ) в агропромышленном производстве [7]. Основное внимание разработок тех лет было связано с созданием РТ по стерилизации продуктов питания в целях их длительного хранения. Эта проблема была ключевой в решении вопросов обеспечения армии и населения в период вероятного применения ядерного оружия. В настоящее время стратегия применения радиационных технологий в сельском хозяйстве и пищевой промышленности существенно изменилась, и радиационные технологии рассматриваются как инструмент микробиологической безопасности продукции агропромышленного производства.

Лидерами по использованию радиационных технологий в сельском хозяйстве являются Китай (146000 т), США (92000 т) и Украина (70000 т) [8]. В таблице 1 приведены данные, характеризующие объём облучённых продуктов питания в мире по состоянию на 2005 г.

Таблица 1

Объём облучённой продукции (т) в мире по состоянию на 2005 г. [8]

Направление использования РТ Американский регион Европейский регион Азия и Океания Африка, Украина и др. Сумма

Дезинфекция специй, сухих овощей и фруктов 101400 3649 62912 17725 185686

Дезинфекция цельного зерна и фруктов 7000 11 4582 70000 81593

Дезинфекция мяса и морепродуктов 8000 9263 15208 - 32471

Торможение роста корнеклубнеплодов и лука - - 88196 - 88196

Облучение других видов продукции (диетические продукты, мёд и др.) - 2137 12411 2310 16858

Все направления РТ 116400 15060 183309 90035 404804

Пименов Е.П.* - зав. лаб., к.б.н.; Павлов А.Н. - начальник гамма-установки; Козьмин Г.В. - вед. научн. сотр., к.б.н.; Спирин Е.В. - зав. лаб., д.б.н.; Санжарова Н.И. - зам. директора, чл.-корр. РАСХН, д.б.н., профессор. ВНИИСХРАЭ РАСХН.

‘Контакты: 249032, Калужская обл., Обнинск, Киевское шоссе, 109-й км. Тел.: (48439) 9-69-34; e-mail: pimenovep1@rambler.ru.

На современном этапе использования радиационных технологий в сельском хозяйстве почти 90% облучённых продуктов представляют собой продукцию растительного происхождения [8]. Основной объём облучённых растительных продуктов приходится на дезинфекцию специй, сухих овощей и фруктов (52%). На втором месте по объёму облучённой растительной продукции стоит радиационное торможение роста корнеклубнеплодов и лука (25%) [8].

Известно, что все производимые пряности, сушёные овощи и травы естественным образом обсеменены микроорганизмами, избавиться от которых фумигацией без ухудшения вкусовых качеств продуктов невозможно [1]. Радиационная обработка с использованием гамма-установок и ускорителей электронов лишена этого недостатка и может быть использована в промышленных масштабах [1, 3].

Опыт использования радиационной обработки для деконтаминации растительной продукции позволил определить диапазон наиболее эффективных доз облучения. В таблице 2 представлены рекомендуемые международным стандартом ДБТМ Р1885-2004 диапазоны доз для пряностей и трав [6].

Таблица 2

Рекомендуемые дозы облучения для некоторых пряностей, трав и овощных приправ [6]

Продукт Диапазоны доз

Все пряности От 4 до 8

Базилик От 6 до 8

Тмин От 3 до 8

Кардамон От 4 до 8

Корица От 3 до 8

Кориандр От 4 до 8

Чесночный порошок От 6 до 12

Имбирь От 4 до 8

Майоран От 6 до 12

Мускатный орех От 4 до 8

Луковый порошок От 7 до 15

Паприка От 3 до 8

Чёрный перец От 6 до 12

Красный перец От 3 до 8

Примечание. Для достижения минимальной поглощённой дозы для всей партии обработки часть партии может получить более высокую дозу облучения. Наиболее высокая доза должна находиться в пределах указанной верхней границы поглощенной дозы.

Цель настоящей работы заключалась в исследовании эффективности радиационной обработки различных видов сушёной растительной продукции при рекомендуемых дозах облучения.

Согласно нормативному документу ДБТМ Р1885-2004 [6], численность спорообразующих бактерий снижается до приемлемого уровня при дозе от 8 до 15 кГр, неспорообразующие бактерии подавляются дозами от 4 до 7 кГр, а для ингибирования плесневых грибов необходима доза облучения от 3 до 6 кГр. Исходя из этих рекомендаций, специи, сушёную зелень трав и сушёные овощи облучали дозами 4 и 10 кГр.

Объектом исследований было сельскохозяйственное растительное сырье: специи (чёрный и красный перец, кориандр), травы (укроп, петрушка, базилик), овощи (капуста, лук).

Облучение произвели на установке ГУР-120, в состав которой входит 8 блоков облучения по 4 в линию друг против друга, заряженных источниками 60Co. Растительное сырье находилось в мешках толщиной 30 см. Средняя мощность дозы внутри объекта составляла 0,9 кГр/ч.

Перепад между средней мощностью дозы на поверхности объекта, обращённой к ближайшей линии источников, и средней мощностью дозы с обратной стороны составлял 44%. Поворачивание продукта в период облучения обеспечило равномерность облучения не менее 80%.

Поглощённые дозы в облучаемом сырье контролировали в точках минимальных и максимальных уровней облучения с помощью термолюминесцентных и ферросульфатных детекторов, а также цветовых визуальных индикаторов дозы, предназначенных для экспрессного визуального определения поглощённой дозы в материалах и изделиях при их радиационной обработке, а также для разделения облучённой и необлучённой продукции.

Микробиологический контроль растительного сырья осуществляли до и после облучения. Из каждой упаковки с продуктом с соблюдением стерильности отбирали пробы из пяти точек, смешивали и делили на 2 подобразца. Из 10 г каждого подобразца делали смыв 100 миллилитрами физиологического раствора (0,85% NaCl), готовили ряд серийных разведений и высевали по 0,1 мл на поверхность плотных питательных сред (по 5 чашек Петри для каждого подобразца). Количество мезофильных аэробных и факультативных анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) учитывали после выращивания при 30-37 оС в течение 48-72 часов на мясопептон-ном агаре (МПА); численность бактерий группы кишечной палочки (БГКП), выращенных при той же температуре в течение 48 часов, определяли на среде Эндо; число плесневых грибов и дрожжей подсчитывали после инкубации в течение 72 часов при 28 оС на среде Сабуро [5].

Статистическую обработку результатов проводили с использованием программы Microsoft

Excel.

Качество облучения сырья оценивали по соответствию требованиям микробиологической безопасности пищевых продуктов [2]. Эффективность радиационной обработки рассчитывали по формуле:

Э = [(Кн - Ко)/Кн]100%,

где Э - эффективность облучения в %, Кн - количество микроорганизмов в 1 г необлучённого продукта, Ко - количество микроорганизмов в 1 г продукта после облучения.

Следует отметить, что облучение пряностей для снижения числа микроорганизмов также вызывает гибель контролируемых видов насекомых-вредителей на всех стадиях их развития [4, 6].

Микробиологические анализы показали, что исходный уровень загрязнения растительного сырья микроорганизмами при посеве на агаризованные среды варьирует для КМАФАнМ от 0 до 108 колониеобразующих единиц на грамм (КОЕ/г) специй, для БГКП - от 0 до 105 и для дрожжей и плесневых грибов - от 0 до 106 КОЕ/г, в зависимости от вида продукта (табл. 3). Наибольшее количество мезофильных аэробов и факультативных анаэробов отмечено в зелени сушёных трав - укропе и петрушке. Загрязнение бактериями группы кишечной палочки в большом количестве обнаружено в образцах сушёной капусты и меньше, но выше санитарной нормы, в молотых красном и чёрном перце, а также зелени базилика.

Эффективность радиационного воздействия зависела не только от начальных уровней микробиологического загрязнения, но и от группового состава присутствующих в продукте организмов (табл. 3).

Таблица 3

Эффективность гамма-облучения растительного сырья

Наименование продукта Численность микроорганизмов, тыс. КОЕ/г продукта Эффективность, %

до облучения после облучения

КМАФАнМ

Специи:

перец чёрный молотый 1850±265 110±21 94

перец красный молотый 105±8,9 55±4,5 48

кориандр молотый 2500±440 70±13 97

Сушёные травы:

зелень петрушки 8300±1400 1450*±260 83

зелень укропа 12000±2200 300±53 98

зелень базилика 300±36 0 100

Овощи:

капуста сушёная дробленая 110±21 6,5 94

лук сушёный дробленый 28±3,2 0,5±0,1 98

БГКП

Специи:

перец чёрный молотый 0,5±0,09 0 100

перец красный молотый 1,6±0,3 0 100

кориандр молотый 0 0 -

Сушёные травы:

зелень петрушки 0 0 -

зелень укропа 0 0 -

зелень базилика 0,05±0,1 0 100

Овощи:

капуста сушёная дробленая 5,8±0,4 0 100

лук сушёный дробленый 0 0 -

Плесени и дрожжи

Специи:

перец чёрный молотый 3,3±0,5 0 100

перец красный молотый 60±8,3 2,5*±0,5 96

кориандр молотый 10±0,6 0 -

Сушёные травы:

зелень петрушки 6,2±0,8 0,17±0,03 97

зелень укропа 15,6±2,9 1,2*±0,2 92

зелень базилика 0,35±0,06 0 100

Овощи:

капуста сушёная дробленая 2,7±0,3 0,5±0,1 81

лук сушёный дробленый 0,12±0,02 0 100

Примечание. * - Превышение нормативов [2].

В составе микрофлоры специй и трав до облучения преобладали спорообразующие бактерии. Во всех изученных видах сырья присутствовали плесневые грибы родов Pénicillium и Aspergillus. Бактерии группы кишечной палочки обнаружены в образцах сушёной зелени базилика (5,0х101 КОЕ/г) и в сушёной дробленой капусте (5,8х103 КОЕ/г). В результате радиационного воздействия в дозе 4 кГр эта группа бактерий полностью погибала.

В специях после облучения в дозе 10 кГр сохранялось от 5,5х104 до 1,1 х106 КОЕ/г выживших спорообразующих бактерий, а в красном перце после облучения в дозе 4 кГр - 2,5х103 КОЕ/г плесневых грибов. В сушёной зелени укропа и петрушки до облучения на МПА обнаружено 1,2х107 и 8,3х106 КОЕ бактерий/г, соответственно. В облучённых образцах численность этой

группы микроорганизмов в укропе снизилась до допустимого уровня (3х105 КОЕ/г), а в зелени петрушки превышала норматив на порядок, что можно объяснить высоким первоначальным обсеменением этого продукта спорообразующими бактериями. Сушёная зелень укропа и петрушки до воздействия в значительной степени была обсеменена плесневыми грибами (1,56х104 и 6,2х103 КОЕ/г, соответственно). Как показал эксперимент, дозы 4 кГр оказалось недостаточно для подавления грибов и дрожжей в сушёной петрушке до безопасного уровня. В остальных образцах растительного сырья плесневые грибы и дрожжи ингибировались излучением в дозе 4 кГр. При этом чтобы достичь уровней, соответствующих санитарным требованиям содержания спорообразующих бактерий в пищевых продуктах, были необходимы дозы облучения до 10 кГр.

При исследовании воздействия излучения на спорообразующие бактерии в красном перце эффективность составила всего 48%. Такая низкая эффективность, скорее всего, связана с высокой резистентностью этой группы микроорганизмов.

В результате настоящих исследований было установлено, что эффективность радиационной обработки сушёных специй и зелени (перца, кориандра, зелени петрушки, укропа и др.) при облучении в дозе 4 кГр для подавления содержания плесневых грибов и дрожжей составляет от 80 до 100%. Аналогичный результат получен и при подавлении жизнеспособности спорообразующих бактерий облучением в дозе 10 кГр. Из-за неполного уничтожения микроорганизмов при высокой исходной обсеменённости продукции принятые нормативы качества могут быть не достигнуты. Для удовлетворения требований к содержанию бактерий и грибов в этом случае дозы облучения необходимо увеличивать. Определение качественного и количественного состава микрофлоры в продукции до облучения позволит заранее планировать использование доз гамма-излучения, приводящих к требуемому уровню деконтаминации. При отсутствии предварительного контроля необходимо применять заведомо более высокие дозы по сравнению с рекомендованными.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (контракт № 14.512.11.0059).

Литература

1. Безопасность и пищевая ценность облученной пищи. ВОЗ /пер. с англ. М.: Медицина, 1995. 209 с.

2. Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к товарам, подлежащим санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю). Утверждены Решением Комиссии таможенного союза от 28 мая 2010 г. № 299. Глава 2. Раздел 1. Требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. С. 6-357. URL: http://www.fsvps.ru/fsvps-docs/ru/laws/tsouz/t_souz_food.pdf.

3. Кодекс Алиментариус. Облучённые продукты питания /пер. с англ. М.: Весь Мир, 2007. 24 с.

4. Козьмин Г.В., Зейналов А.А., Коржавый А.П., Тихонов В.Н., Цыгвинцев П.Н. Применение ионизирующих и неионизирующих излучений в агробиотехнологиях. Обнинск: ВНИИСХРАЭ, 2013. 191 с.

5. Лабинская А.С. Микробиология с техникой микробиологических исследований М.: Медицина, 1978. 394 с.

6. ASTM-F-1885-04. Standard Guide for Irradiation of Dried Spices, Herbs, and Vegetable Seasonings to Control Pathogens and Other Microorganisms /American Society for Testing and Materials. Philadelphia. 2004. Reapproved 2010. 5 p.

7. Farkas J., Mohacsi-Farkas C. History and future of food irradiation //Food science and technology. 2011. V. 22, N 11. P. 121-126.

8. Kume T., Furuta M., Todorikis S., Uenoyama N., Kobayashi Y. Status of food irradiation in the world //Radiation Physics and Chemistry 2009. V. 78, N 3. P. 222-226.

A study into the effectiveness of radiation sterilization of vegetable materials using gamma-emitter GUR-120

Pimenov E.P., Pavlov A.N., Kozmin G.V., Spirin E.V., Sanzharova N.I.

Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology, Russian Academy of Agricultural Sciences, Obninsk

Results are presented from the study of effectiveness of gamma-emitter GUR-120 (60Co) for treating some types of dry food products to achieve the required levels of microbiological safety. The doses chosen (4 kGy for mold fungi and yeast; 10 kGy for bacteria) are shown to ensure 80-100% efficiency of radiation treatment, its level being significantly dependent on the initial produce infestation. Insufficient evenness of the irradiation field was balanced by the selected mode of products turning. The necessary quality standards in terms of microorganism content for dry foodstuffs are achieved by the use of the study device if the following conditions are met: proper maintenance of the selected irradiation mode, preliminary control of primary infection of products, evenness of radiation exposure.

Keywords: radiation technology, gamma-irradiation, 60Со, radiation sterilization, microorganisms, spices, dried herbs and vegetables.

Pimenov Е.P.* - Head of Lab., C. Sc., Biol.; Pavlov A.N. - Chief of gamma-emitter; Kozmin G.V. - Leading Researcher, C. Sc., Biol.; Spirin Е.V. - Head of Lab., D.Sc., Biol.; Sanzharova N.I. - Deputy Director, Corresponding Member of RAAS, D.Sc., Biol., Prof. RIARAE. ‘Contacts; Kievskoe Sh., 109 km, Obninsk, Kaluga region, Russia, 249032. Tel.: (48439) 9-69-34; e-mail: pimenovep1@rambler.ru.