CC BY
115
Игорь Волотовский
директор Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, академик
Мария Мартынова Елена Скоринко
заведующая лабораторией биофизики и инженерии клетки Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, кандидат химических наук
и.о. ученого секретаря Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, кандидат биологических наук
УДК 577.352.42:612.014.464
Озонная технология хранения плодоовощной продукции
Овощи и фрукты — основной источник витаминов, минеральных солей, клетчатки, сахаров и биологически активных веществ, необходимых для нормального функционирования человеческого организма. Современная медицина настоятельно рекомендует существенно увеличивать потребление овощной продукции и считает это важным условием обеспечения здоровья населения.
Сокращение потерь при хранении выращенного урожая — один из путей пополнения продовольственного фонда государства. Эта проблема имеет комплексный характер и включает целый ряд вопросов, начиная от селекции, предпосевной подготовки семян, соблюдения севооборотов и всех приемов агротехники и заканчивая своевременной уборкой с последующей закладкой на хранение здорового материала. Немаловажная роль при этом принадлежит технологии самого процесса хранения сельскохозяйственной продукции, главная цель которой — обеспечить в течение максимально длительного времени высокое качество и биологическую ценность фруктов и овощей.
Необходимо отметить, что после закладки на хранение на протяжении всего зимне-весеннего периода в сельскохозяйственной продукции продолжается жизнедеятельность. При этом в ней происходят сложные биохимические и физиологические процессы: дыхание, увядание, прорастание и т.д., оказывающие существенное влияние на ее сохранность, товарный вид и вкусовые каче-
ства. Остановить эти процессы нельзя, но можно максимально минимизировать.
Основными причинами, вызывающими потери овощей во время хранения, являются грибковые, вирусные, бактериальные и физиологические заболевания, иными словами — микробиологически обусловленное гниение продукции. В то же время имеет место и «самосжигание» в ней ценных питательных веществ, вызванное обменными и ростовыми процессами. Несмотря на значительный технологический и технический прогресс в области хранения овощей, ежегодные потери выращенного урожая до сих пор составляют от 15 до 40%.
В последние годы во многих западноевропейских странах отмечается заметный рост объемов овощехранилищ с искусственно создаваемым охлаждением, которые приходят на смену традиционным, охлаждаемым только наружным воздухом. Стали появляться новые холодильные установки, где применяют такие технологии, как ice bank cooling (быстрое охлаждение ледяной водой), что позволяет поддерживать в холодильной камере высокую относительную влажность воздуха и постоянно низкую температуру. Они уже используются в Голландии, Бельгии, ФРГ, Англии, Дании и других странах. Среди иных новейших технологий следует отметить камеры-холодильники с поддержанием контролируемой или модифицированной атмосферы. Однако это значительно увеличивает стоимость хранения продукции. Вместе с тем высокие требования рынка к ее качеству, особенно в Западной Европе и США, обусловили большой интерес произво-
дителей к практическому использованию этих технологий. Тем не менее до сих пор хранение овощей в контролируемой атмосфере не нашло такого широкого распространения, как при хранении фруктов, из-за того, что ассортимент овощной продукции гораздо шире и она существенно дешевле [1].
Несколько иначе эта ситуация выглядит в странах Восточной Европы и СНГ. Здесь традиционно большое количество продукции собственного производства предназначается для обеспечения рынка в зимне-весенний период. Ставка на ее длительное хранение обусловлена также и климатическими условиями. Доминируют традиционное использование овощехранилищ, охлаждаемых наружным воздухом, и буртовой способ хранения овощей. Однако и здесь были разработаны приемы хранения плодоовощной продукции в холодильных камерах с контролируемой газовой средой, хотя они еще не нашли массового применения.
В настоящее время для увеличения сроков хранения различных видов овощной продукции активно применяют как химическое, так и физическое воздействие. Обработку овощей химическими средствами (опрыскивание растворами фунгицидов) можно проводить только в процессе их выращивания (до сбора). В последние годы все в большем объеме используют в этих целях различные биопрепараты — микробиологические или растительные, тормозящие развитие грибковых и бактериальных инфекций. Кроме того, производят обработку овощей гидразидом малеино-вой кислоты, 1-метилциклопропеном, горячей водой или паром (от 3 до 10 секунд при 52—5б °С), Y-облучением в дозе 0,04 — 0,08 кГр, высокой концентрацией двуокиси углерода, а также инертными газами — аргоном, неоном, криптоном [2, 3].
К сожалению, указанные приемы не только не позволяют комплексно решать все вопросы, касающиеся подавления патогенной микрофлоры и торможения метаболических процессов, протекающих в овощах при длительном хранении, но и существенным образом повышают стоимость продукции.
Одним из перспективных подходов к преодолению комплексной проблемы сокращения потерь продукции является обработка закладываемого материала озоно-воздушной смесью. Озон (О3) — аллотропная форма кислорода, газообразное вещество, в отличие от атомарного кислорода — относительно устойчивое соединение. Впервые он был обнаружен в 1785 г. голландским физиком Ван Марумом, а в 1840 г. более детально стал изучаться немецким ученым Шейнбейном, который и дал ему существующее название (от греческого оzain — пахнущий). Тогда же была определена высокая химическая активность озона как окислителя и его способность вступать в реакции практически со всеми органическими соединениями. Являясь сильнейшим природным окислителем, он обладает мощным бактерицидно-фунгицидным эффектом в отношении всех видов микроорганизмов.
Четкие положительные результаты использования озона получены при хранении картофеля, а также различных видов ягод (клубники, смородины, винограда и др.).
В нашей республике исследования биологического действия озона начались в конце 70-х гг. прошлого столетия в Институте фотобиологии АН БССР (с 2004 г. — Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси) под руководством академика Сергея Конева. Сотрудники института и других научных учреждений проводили работы по теоретическому обоснованию и разработке новых технологических приемов применения озоно-воздушной смеси для обработки плодоовощной продукции с целью увеличения сроков хранения выращенного урожая [4—12].
Принципиально новым подходом явилось создание таких схем, которые не только позволяют успешно подавлять патогенную микрофлору, обсеменяющую поверхностные структуры плодоовощных культур, но и влияют на их метаболизм.
Теоретической основой для разработки новой технологии хранения плодов и овощей послужили фундаментальные исследования процессов, протекающих в биологических объектах при взаимодействии с озоном. Впервые в Институте фотобиологии АН БССР были установлены молекулярно-мембранные механизмы действия О3 на клетки микроорганизмов и обнаружено, что биологическая активность озона обусловлена, прежде всего, его взаимодействием с плазматической мембраной клетки, а не внутриклеточными структурами. Другими словами, действие О3 носит поверхностный, а не объемный характер [4]. 3
Следует подчеркнуть, что такой вывод имеет 3 важных в практическом аспекте следствия:
• с помощью озонной обработки легко инактивировать поверхностную микрофлору, но трудно рассчитывать на прямолинейный успех в борьбе с внутриклеточной инфекцией;
• процессы озонолиза, протекающие с образованием продуктов окислительных реакций, происходят лишь на поверхности плодов в структурах, имеющих высокий уровень антиоксидантных систем, тогда как основная масса сельскохозяйственного продукта остается неуязвимой;
• поверхностное действие озона дает ключ к поиску возможных путей воздействия на физиологию плодов через их кутикулярные поверхностные структуры.
С точки зрения практического использования озона исключительное значение имела информация о том, что различные таксономические группы микроорганизмов (бактерии, дрожжи, грибы) по озонорезистентности отличаются в десятки раз (табл. 1). Ранее предлагавшиеся режимы обработки озоно-воздушной смесью не учитывали это обстоятельство, хотя хорошо известно, что различные виды плодоовощной продукции обсеменены своей специфической (по видовому и родовому составу) микрофлорой.
Кроме того, была установлена выраженная видо- и сортоспеци-фичность сельскохозяйственных культур по отношению к озону, обусловленная тем, что мишенью его действия являются поверхностные, кутикулярные слои плодов, а их структура, химический состав, физико-химические свойства неодинаковы. Важным аспектом работы оказалось исследование влияния озона на естественные защитные системы сельскохозяйственных культур, активность которых, по существу, определяет устойчивость
Таблица 1.
Влияние озона на выживаемость различных видов микроорганизмов
Виды микроорганизмов Д50, мгхмин/м3
Alternaría radicina 8000-9000
Alternaría brassicae 7000-8000
Monilia fructigena 3000-4000
Botrytis cinerea 3000-4000
Trichoderma lignorum 1000-1300
Erwinia caratovora 900-1200
Erwinia areidcae 900-1200
Penicillium purpurogenum 600-1000
Penicillium ciclopium 600-1000
Fusarium oxysporum 600-1000
Fusarium avenacium 600-1000
Fusarium sambucinum 600-1000
Pseudomonas fluorescens 800-900
Pseudomonas syringer 800-900
Candida utilis 150-200
Bacillus subtilis 100-150
тания, в котором они весьма чувствительны к внешним воздействиям, и легло в основу разработанного нами режима дробного озонирования. Его суть заключается в следующем: вначале сельскохозяйственная продукция, обсемененная разнообразными видами микроорганизмов и их спорами, обрабатывается низкой концентрацией О3, что вызывает, с одной стороны, гибель вегетативных клеток и сспор высокочувствительных видов, а с другой — стимулирует прорастание спор средней и высокой резистентности. Затем с интервалом, необходимым для прорастания стимулированных спор (18—24 часа), проводится повторная обработка опять-таки низкими дозами, не повреждающими продукт, но достаточными для инактивации проросших микроорганизмов. Таким образом, для достижения одного и того же эффекта вместо продолжительного воздействия высокими концентрациями озона можно использовать трех-, четырехкратный цикл озонирования низкими дозами О3.
К тому же в результате проведенных исследований было обнаружено, что многократные кратковременные обработки плодов и овощей низкими дозами озона приводят к модификации структурно-функционального состояния их кутикулярных образований, повышая механическую прочность кожицы. При этом одновременно снижается интенсивность метаболизма продукции, заложенной на хранение (табл. 2, 3).
Покровные ткани сельскохозяйственных культур, подвергающиеся прямому воздействию озонированной атмосферы, применя-
урожая к микробному поражению и его лежкоспособность. Поэтому сохранение (стимуляция) иммунных систем плодов является одним из главных условий при использовании любого (химического, физического) фактора воздействия на повышение сохранности урожая, в том числе и для подавления гнилостной фитопатоген-ной микрофлоры. Особая важность усиления иммунологического барьера вытекает и из того факта, что независимо от способа и степени подавления поверхностной микрофлоры в условиях обычного хранения для ее восстановления на поверхности плодов достаточно всего 5—10 дней.
Поскольку различные виды плодоовощной продукции обсеменены своей специфической гетерогенной популяцией микрофлоры, включающей и высокорезистентные виды, то, казалось бы, для достижения эффекта антисептирования потребуются очень мощные дозы О3, однако они не только нежелательны с экономико-энергетической точки зрения, но и могут приводить к ожогам самих продуктов. Таким образом, возникла потребность в разработке эффективных режимов подавления патогенной микрофлоры низкими концентрациями озона.
В практическом отношении при проведении фундаментальных исследований биологического действия О3 наиболее важным оказался установленный нами факт его бифа3зного влияния на клетки микроорганизмов. Именно это свойство озона, то есть способность его низких концентраций стимулировать процессы жизнедеятельности и переводить споры грибов в состояние активного прорас-
Таблица 2.
Влияние различных режимов озонирования на механическую прочность кутикулярных покровных структур плодоовощной продукции
и и ^ ? и,3 о ^ сс и н м а ё m * ^ сс и в i k S IS s О) ф X о; О ГО -^ .£> ^ О 1— о id и а ^ О 1— S ^ ^
Вд о р с S. i CL 1 о з о рдд m CD о о с ^ ^ о ао к X о. = 1= ^
Виноград 300 1х30(мин)х10 (мгхмин/м3) 20 116±9
Виноград 900 1х60(мин)х15 (мгхмин/м3) 20 130±10
Виноград 2400 1х120(мин)х20 (мгхмин/м3) 20 154±12
Виноград 108000 3х90(мин)х400 (мгхмин/м3) 7 152±19
Томаты 900 2х30(мин)х15 (мгхмин/м3) 14 109±16
Томаты 6000 2х120(мин)х25 (мгхмин/м3) 14 215±12
Таблица 3.
Влияние различных концентраций озона на интенсивность дыхания и ростовые процессы картофеля и моркови
Условия озонирования Картофель Морковь
Концентрация О3, мг/м3 Число обработок Суммарная доза О3, мг х мин/м3 Прорастание клубней,% Выделение СО2, % к контролю Прорастание корнеплодов, % Выделение СО2, % к контролю
Контроль — — 100 100 63 100
2—4 6 3240 90 90 53 61
10—15 6 12500 91 103 49 59
40—45 6 45900 93 82 54 70
емой с целью подавления патогенной микрофлоры, безусловно неиндифферентны к ней. На всем протяжении роста и развития плода или овоща именно поверхностные кутикулярные слои являются местом синтеза биологически активных веществ — гликози-дов, фенолов, альдегидов, фитоалексинов и других соединений, противодействующих развитию инфекционных заболеваний. А эффективность иммунитета растений является важнейшим фактором, способствующим длительному хранению. В связи с этим немаловажен вопрос о влиянии обработки озоно-воздушной смесью на собственные защитные системы сельхозпродукции. При проведении исследования состояния иммунных систем картофеля и моркови в течение более 100 суток хранения было установлено, что у обоих корнеплодов собственный естественный фон защиты от фитопатогенов (например рода Fusarium) после их обработки даже низкими (3500 мгхмин/м3) дозами озона повышался на 30—40%.
В целом, комплекс фундаментальных исследований молекуляр-но-мембранных механизмов действия озона на микроорганизмы позволил выяснить общие закономерности бактерицидно-фун-гицидного действия озонированной атмосферы, понять причины различной чувствительности микрофлоры к О3 и на этой основе разработать эффективные методы их инактива3ции, которые можно обобщить в виде следующих положений:
• действие озона носит бифазный характер: низкие дозы О3 стимулируют рост и развитие микроорганизмов, высокие — оказывают бактерицидно-фунгицидное действие через повреждение плазматических мембран и нарушение ионного гомеостаза клеток;
• низкие дозы озона стимулируют прорастание высокорезистентных для любых химических и физических воздействий споровых форм грибов и превращают их в высокочувствительные (в том числе и для О3) вегетативные формы клеток;
• озон в реальном масштабе доз взаимодействует только с поверхностными структурами клеток (в том числе и плодоовощной продукции) и не проникает в их объем;
• многократные кратковременные обработки различных видов продукции низкими дозами озона приводят к модификации струк-
турно-функционального состояния кутикулярных образований плодов, вызывая появление газоселективных свойств покровных тканей, снижение скорости испарения воды, торможение метаболических процессов и уменьшение биоэнергетических потерь в результате «самосжигания» ценных питательных веществ; • обработка корне- и клубнеплодов озоном в послеуборочный период приводит к длительному повышению активности их иммунной системы.
По результатам создания новой технологии хранения плодоовощной продукции с помощью обработки озоно-воздушной смесью сотрудниками Института фотобиологии АН БССР было получено авторское свидетельство СССР «Способ хранения овощей» № 1324600 (1987 г.). Тогда же в ходе выполнения работ по новой технологии было показано, что с использованием метода газовой хроматографии можно определять зависимость количественного и качественного газового состава атмосферы плодо- и овощехранилища от физиологического состояния урожая и регистрировать природу и интенсивность микробиологического поражения хранимой продукции. На этой основе разработан экспресс-метод оценки качества и прогнозирования лежкоспособности урожая в процессе его хранения (авторское свидетельство СССР «Способ контроля качества корнеклубнеплодов» № 1250210 (1986 г.).
В последние годы на мировых продовольственных рынках повысились требования к экологической чистоте овощной продукции. Следует сокращать объемы хранения овощей, обработанных любыми химическими соединениями, из-за опасения присутствия остаточных, хотя и следовых их количеств и все шире использовать озоно-воздушную смесь при хранении лука, моркови, картофеля (она уже применяется главным образом в странах Западной Европы и США). К тому же там используют озонирование для очистки воздуха от этилена — продукта метаболизма овощей, который приводит к быстрому старению продукции и сокращению сроков ее хранения [2].
В 2005 г. в Институте биофизики и клеточной инженерии совместно с Институтом овощеводства НАН Беларуси в рамках научно-технической программы Союзного государства «По-
вышение эффективности производства и переработки плодоовощной продукции на основе прогрессивных технологий и техники на 2005—2007 гг.» проведены исследования по разработке способа антисептирования семенного материала овощных культур путем его обработки озоно-воздушной смесью. Установлено, что при схеме дробных обработок низкими дозами озона трижды в течение трех дней подряд удается значительно сократить (в 2—3 раза) микробиологическую зараженность семян, не снижая при этом их всхожесть. К тому же окислительный стресс стимулирует эффективность прорастания семян свеклы и моркови.
С экономической и технологической точки зрения целесообразность применения озона не вызывает сомнений. Его легко получать путем электросинтеза непосредственно из кислорода воздуха при помощи относительно простых устройств — озонаторов. Среди основных достоинств О3 — его высокий окислительный потенциал (уступает только фтору и нестабильным радикалам) и низкая стоимость по сравнению с другими известными окислителями; безотходность производства и использования с точки зрения взаимопревращения кислород — озон — кислород и отсутствие кумулирующих вредных веществ; экологическая совместимость с окружающей средой.
Литература
1. Thompson A. K. Controlled Atmosphere Storage of Fruits and Vegetables // CAB International, 1998.
2. Adamicki F., Czerko Z. Przechowalnictwo warzyw i ziemniaka // Panstwowe Wy-dawnictwo Rolnicze i Lesne, Poznan, 2002.
3. Salunkhe D.K., Desai B.B. Postharvest Biotechnology of Vegetables // CRC Press, Inc. 2000. Vol. I.
4. Матус В.К. Молекулярно-мембранные механизмы действия озона на клетки микроорганизмов: Дисс. ... д-ра биол. наук: 03.00.02. Мн., 1990.
5. Мельникова А.М. Структурно-функциональная модификация плазматических мембран и митохондрий дрожжей озоном: Дисс. ... канд. биол. наук: 03.00.02. Мн., 1999.
6. Конеу С.В., Матус В.К. Бiялагiчная эфектыунасць азонна-аэраюнных стру-менняу i праблема захавання сельскагаспадарчай прадукцьп // Весц Акэдэмн навук БССР. Сер. бiял. навук, 1982, № 6. С. 66-72.
7. Разнонаправленное действие низких и высоких доз озона на репродуктивную способность и активность дыхания дрожжевых клеток Candida utilis // Журнал общей биологии, 1989, т. L, № 6. С. 815-818.
8. Игнатенко А.В., Черенкевич С.Н. Ковалентное сшивание и деструкция белков, вызванная озоном // Биофизика, 1985, т. 30, № 1. С. 18—22.
9. Семенкова Г.Н., Кедиц Г., Черенкевич С.Н., Хмельницкий А.И. Влияние озона на проницаемость плоских БЛМ // Биофизика, 1984, т. 29, № 2. С. 323—325.
Оборудование, необходимое для технологии хранения плодоовощной продукции с использованием озонированной атмосферы, выпускается в нашей республике (НПООО «Инитор»). Кроме того, рынок озонаторов предлагает приборы зарубежных производителей — России, Украины, США, Англии, Германии и др.
Таким образом, благодаря многолетней работе ряда научных коллективов в Беларуси создана солидная теоретическая база и получены обнадеживающие результаты по использованию озонной технологии при хранении плодоовощной продукции, которая может найти применение в имеющихся плодоовощехранилищах без их переоборудования. К сожалению, нужно констатировать, что работа в этом направлении не получила своего развития в силу сложившихся объективных политико-экономических причин, однако она может быть продолжена с целью решения актуальных задач аграрного сектора экономики. В стране имеется необходимый научно-практический потенциал для широкого развития новых подходов в обеззараживании выращенного урожая овощей. Новые экологически безопасные технологии длительного хранения сельскохозяйственной продукции внесут свою лепту в обеспечение экономической и продовольственной безопасности нашего государства, а их широкое практическое применение позволит снизить затраты валютных средств на закупку овощной продукции за рубежом.
10. Игнатенко А.В. Физико-химическое взаимодействие белков и ароматических аминокислот с озоном: Дисс. ... канд. биол. наук: 03.00.02. Мн., 1986.
11. Способ сушки семян зерновых культур // Авт. св. SU 1095899 A; A 01 F 25/08.
12. Скоринко Е.В. Механизмы действия озона на дрожжевые грибы Candida utilis. Дисс. ... канд. биол. наук: 03.00.02. Мн., 2004.
SUMMARY
The article concerns the perspectives of using ozone technology for fruits and vegetables postharvest storage. O3 treatment of fruits and vegetables results in both pathogen inhibition and me-thabolic processes inhibition.
