Лучистая энергия

Воздействие на микроорганизмы различных форм лучистой энергии проявляется по-разному. В основе действия лежат те или иные химические или физические изменения, происходящие в клетках микроорганизмов и в окружающей среде.

Воздействие лучистой энергии подчиняется общим законам фотохимии – изменения могут быть вызваны только поглощенными лучами. Следовательно, для эффективности облучения большое значение имеет проникающая способность лучей.

Свет. В природе микроорганизмы постоянно подвергаются воздействию солнечной радиации. Свет необходим для жизни только фотосинтезирующих микробов, использующих световую энергию в процессе ассимиляции углекислого газа. Микроорганизмы, не способные к фотосинтезу, хорошо растут в темноте. Прямые солнечные лучи губительны для микроорганизмов; даже рассеянный свет подавляет в той или иной мере их рост. Однако развитие многих плесневых грибов в темноте протекает ненормально: при постоянном отсутствии света хорошо развивается только мицелий, а спорообразование тормозится.

Патогенные бактерии (за редким исключением) менее устойчивы к свету, чем сапрофитные.

Известно, что лучистая энергия переносится «порциями» – квантами. Действие кванта зависит от содержания в нем энергии. Количество энергии изменяется в зависимости от длины волны: чем она больше, тем меньше энергия кванта.

Инфракрасные лучи (ИК-лучи) обладают сравнительно большой длиной волны. Энергия этих излучений недостаточна, чтобы вызвать фотохимические изменения в поглощающих их веществах. В основном она превращается в тепло, что и оказывает губительное действие на микроорганизмы при использовании ИК-излучений для термической обработки продуктов.

Ультрафиолетовые лучи. Эти лучи являются наиболее активной частью солнечного спектра, обусловливающей его бактерицидное действие. Они обладают высокой энергией, доста-

точной для того, чтобы вызвать фотохимические изменения в поглощающих их молекулах субстрата и клетки.

Наибольшим бактерицидным действием обладают лучи с длиной волны 250–260 нм.

Эффективность воздействия УФ-лучей на микроорганизмы зависит от дозы облучения, т. е. от количества поглощенной энергии. Кроме того, имеет значение характер облучаемого субстрата: его рН, степень обсеменения микробами, а также температура.

Очень малые дозы облучения действуют даже стимулирующе на отдельные функции микроорганизмов. Более высокие,

но не приводящие к гибели дозы вызывают торможение отдельных процессов обмена, изменяют свойства микроорганизмов, вплоть до наследственных изменений. Это используется на практике для получения вариантов микроорганизмов с высокой способностью продуцировать антибиотики, ферменты и другие биологически активные вещества. Дальнейшее увеличение дозы' приводит к гибели. При ■ дозе ниже смертельной возможно восстановление (реактивация) нормальной жизнедеятельности.

Различные микроорганизмы неодинаково чувствительны к одной и той же дозе облучения (рис. 24, 25).

Среди бесспоровых бактерий особенно чувствительны к облучению пигментные бактерии, выделяющие пигмент в окру-

жающую среду. Пигментные бактерии, содержащие каротино-идные пигменты, чрезвычайно стойки, так как каротиноидные пигменты обладают защитными свойствами против УФ-лучей.

Споры бактерий значительно устойчивее к действию УФ-лучей, чем вегетативные клетки. Чтобы убить споры, требуется в 4–5 раз больше энергии (см. табл. 9). Споры грибов более выносливы, чем мицелий.

Гибель микроорганизмов может быть следствием как непосредственного воздействия УФ-лучей на клетки, так и неблагоприятного для них изменения облученного субстрата.

УФ-лучи инактивируют ферменты, они адсорбируются важнейшими веществами

клетки (белками, нуклеиновыми кислотами) и вызывают изменения – повреждение их молекул. В облучаемой среде могут образоваться вещества (перекись водорода, озон и др.), губительно действующие на микроорганизмы.

В настоящее время УФ-лучи довольно широко применяют на практике. Искусственным источником ультрафиолетового излучения чаще служат аргонно-ртутные лампы низкого давления, называемые бактерицидными (БУВ-15,

БУВ-30).

Ультрафиолетовыми лучами дезинфицируют воздух холодильных камер, лечебных и производственных помещений. Обработка УФ-лучами в течение 6 ч уничтожает до 80 % бактерий и плесеней, находящихся в воздухе. Такие лучи могут быть использованы для предотвращения инфекции извне при розливе, фасовке и упаковке пищевых продуктов, лечебных препаратов, а также для обеззараживания тары, упаковочных материалов, оборудования, посуды (в предприятиях общественного питания).

В последнее время бактерицидные свойства УФ-лучей успешно применяют для дезинфекции питьевой воды.

Стерилизация пищевых продуктов с помощью УФ-лучей затрудняется их низкой проникающей способностью, в связи с чем действие этих лучей проявляется только на поверхности или в очень тонком слое. Тем не менее известно, что облучение охлажденных мяса, мясопродуктов удлиняет срок их хранения в 2–3 раза.

Рис. 24. Отмирание бактерий под действием УФ-лучей (по данным автора):

а – Esch. coli; б – Pseud, fluorescens; в – Micrococcus candicans; г – Sarcina flava; д – Вас. subtilis; e – Вас. megatherium

Рис. 25. Выживаемость дрожжей

вина под влиянием различных доз

облучения УФ-лучами (по данным

Г. П. Авакяна):

а – Sacch. ludwigii; б – Sacch. vini; s –

Hans, apiculata; г – Torulopsis utilis; д –

Candida mycoderma

Предлагается применять УФ-лучи для стерилизации плодовых соков и вин (в тонком слое). При таком «холодном» способе стерилизации вино получается лучшего качества и сохраняется без порчи дольше, чем пастеризованное. Предлагается обработка совместно с ультразвуком (Г. П. Авакян).

Для некоторых продуктов (например, для сливочного масла, молока) стерилизация УФ-лучами неприемлема, так как в результате облучения ухудшаются вкусовые и пищевые свойства продуктов.

Радиоактивные излучения. Расщепление атомных ядер радиоактивных элементов сопровождается излучением α-лучей, β-лучей (высокоскоростные электроны) и γ-лучей (коротковолновые рентгеновские лучи). Энергия квантов радиоактивных излучений очень высока, в связи с чем они химически и биологически чрезвычайно активны, при этом γ-лучи менее активны, чем а- и β-лучи.

Характерной особенностью радиоактивных излучений является их способность вызывать ионизацию атомов и молекул (образуются положительно и отрицательно заряженные ионы), которая сопровождается разрушением молекулярных структур.

Микроорганизмы значительно радиоустойчивее, чем высшие организмы. Смертельная доза для них в сотни и тысячи раз выше, чем для животных.

Эффект действия ионизирующих излучений на микроорганизмы зависит от поглощенной дозы облучения. Очень малые дозы активизируют некоторые жизненные процессы микроорганизмов, воздействуя на их ферментные системы; они вызывают наследственные изменения свойств микробов, приводящие к появлению мутаций. С повышением дозы облучения обмен ' веществ нарушается значительнее, наблюдаются различные патологические изменения в клетках (лучевая болезнь), которые могут привести к их отмиранию. При дозе ниже смертельной может восстановиться нормальная жизнедеятельность облученных клеток.

Различные структуры и функции клетки обладают неодинаковой чувствительностью. Чувствительны к действию ионизирующих излучений многие ферментные системы, мембранные структуры, ядерный аппарат, особенно ДНК, что отражается при облучении на функции размножения.

Губительное действие радиоактивных излучений обусловлено многими факторами. Они вызывают радиолиз воды в клетках и в субстрате. При этом образуются свободные радикалы, атомарный водород, перекиси. Эти вещества, обладая высокой химической активностью, вступают во взаимодействие с другими веществами – возникает большое количество химических реакций, не свойственных нормально живущей клетке. В результате наступают необратимые нарушения обмена веществ, разрушаются ферменты, изменяются внутриклеточные структуры.

Радиоустойчивость различных микроорганизмов колеблется в широких пределах.

Для вегетативных клеток бактерий губительная доза облучения у-лучами лежит в пределах от 10 тыс. до 300 тыс. рад¹, а для некоторых – даже 1 млн. рад (табл. 10). Чувствительны к облучению кишечная палочка, протей и сальмонеллы – возбудители пищевых отравлений, многие бактерии рода Pseudomonas – распространенные возбудители порчи мясных и рыбных продуктов. Микрококки отличаются повышенной устойчивостью. Особо радиоустойчивы споры бактерий; для их гибели необходима доза от 500 тыс. до 5 млн. рад. Если, например, вегетативные клетки Clostridium botulinum гибнут при дозе облучения 0,4 Мрад, то их споры – при 2,0–2,5 Мрад.

Смертельной дозой для большинства грибов и дрожжей являются дозы порядка сотен тысяч рад, но существуют виды более и менее радиоустойчивые.

Радиопоражаемость микроорганизмов одного и того же вида изменяется в зависимости от возраста клеток, состава среды, мощности дозы (дозы облучения в единицу времени).

В настоящее время расширяется использование ионизирующих излучений (в медицине, сельском хозяйстве, промышленности). Наиболее приемлемыми для обработки сельскохозяйственного сырья, пищевых продуктов оказались γ-лучи, обладающие наибольшей проникающей способностью и не вызы-

¹ Ρ а д – единица измерения дозы ионизирующих излучений; соответствует 100 эрг, поглощенным 1 г облучаемого объекта. Крад – килорад= 1000рад. Мрад– мегарад= 1 млн. рад.

вающие при облучении появления в продукте «наведенной» радиации.

Трудами многих отечественных и зарубежных исследователей научно обоснована возможность и эффективность облучения γ-излучениями некоторых скоропортящихся пищевых продуктов для удлинения сроков их хранения. Источником этих лучей являются радиоактивные изотопы, чаще Со⁶⁰.

В связи с высокой радиоустойчивостью бактериальных спор для стерилизации пищевых продуктов требуются большие дозы – около 4–5 Мрад. Однако такие дозы вызывают нежелательные изменения свойств многих продуктов: цвета, запаха, вкуса, растительные продукты размягчаются. Поэтому разработаны дозировки γ-излучений для частичного уничтожения микроорганизмов в продуктах. Такую обработку нестерилизую-щими дозами называют ρ а ду ρ и за цие й. Облучение дозами в пределах от 0,2 до 0,6 Мрад, не ухудшая качества продуктов, в сотни раз снижает их обсемененность микроорганизмами и значительно удлиняет срок хранения, особенно при сочетании с холодом (см. гл. 7, «Микробиология мяса и рыбы»).

На эффективность облучения большое влияние оказывает первоначальная обсемененность продукта микроорганизмами. Чем она больше, тем ниже действие принятой дозы ионизирующей радиации.

В радуризированных продуктах, как показали гигиенические исследования и эксперименты на животных, токсические для человека и канцерогенные вещества, видимо, не образуются.

Однако радуризация пищевых продуктов в нашей стране разрешается органами здравоохранения с большой осторож-' ностью. Для внедрения в практику пищевой промышленности любого нового способа обработки пищевого продукта требуется всестороннее доказательство безвредности обработанного продукта и отсутствия снижения его пищевой ценности и орга-нолептических свойств. Исследования в этой области продолжаются.

Радиоволны. Это электромагнитные волны, характеризующиеся относительно большой длиной – от миллиметров до километров и частотами от 3 -10⁴ до 3·10^η герц (Гц) '.

Прохождение коротких и ультрарадиоволн (с длиной от 10 м до миллиметров) через среду вызывает в ней возникнове-" ние переменных токов высокой (ВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ). В электромагнитном поле электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Характер нагревания в поле ВЧ и СВЧ отличается от обычных способов нагрева и обладает рядом преимуществ. Объект

¹ Герц (Гц) = одно колебание в секунду. Килогерц (кГц)=1000 колебаний. Мегагерц (МГц) = 1 000 000 колебаний в секунду. Герц, килогерц и мегагерц – единицы частоты.

(продукт) нагревается быстро и равномерно но всей массе. Воду в стакане, например, можно довести до кипения в течение 2–3 с. Рыба (1 кг) варится в течение 2 мин, мясо (1 кг) – 2,5, курица – 6–8 мин.

Нагрев может происходить избирательно, т. е. различные компоненты облучаемого объекта в зависимости от их электрофизических свойств будут нагреваться в различной степени.

Гибель микроорганизмов в электромагнитном поле высокой интенсивности наступает в результате теплового эффекта, но полностью механизм действия СВЧ-энергии на микроорганизмы не раскрыт. Некоторые исследователи считают, что существует специфическое воздействие электромагнитных волн. Установлено, что СВЧ-поля малой интенсивности, не вызывающей нагревания среды, оказывают влияние на некоторые физиологические и биохимические свойства микробных клеток. Приводятся данные по гибели некоторых бактерий и дрожжей в СВЧ-поле при 35–40 °С (А. И. Педенко и др.).

Благодаря специфическим особенностям этого способа нагревания перспективно применение его для пастеризации и стерилизации пищевых продуктов, в частности для плодово-ягодных консервов (компотов, джемов, фруктовых соков и пр.). По сравнению с обычной паровой стерилизацией в автоклавах плоды и ягоды благодаря значительному сокращению срока нагревания (1–3 мин) до температуры 90–100 °С гораздо лучше сохраняют свои первоначальные свойства (аромат, вкус, консистенцию, витаминность) при обеспечении достаточной стерильности.

В последние годы сверхвысокочастотная электромагнитная обработка пищевых продуктов все более применяется в пищевой промышленности и общественном питании (для варки, сушки, выпечки, разогревания, размораживания и др.).

По сравнению с традиционным способом тепловой обработки время нагревания СВЧ-энергией до одной и той же температуры сокращается во много раз, в связи с чем полнее сохраняются вкусовые и питательные свойства продукта, а эффект воздействия на его микрофлору практически одинаков. Остаточной микрофлоры не более, чем в продукте, обработанном при той же температуре традиционным способом: в составе ее преобладают спороносные бактерии и микрококки.

Для каждого вида продукта требуются оптимальные режимы СВЧ-нагрева, так как микрофлора по составу может быть значительно различной, а чувствительность разных микроорганизмов неодинакова.