CC BY
27
УДК 664:621.039.83 Табл. 1. Ил. 2. Библ. 22.
ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО И НЕИОНИЗИРУЮШЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПИШЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Дроздова Н.А., канд. техн. наук, Дыдыкин А.С., канд. техн. наук, Горбунова Н.А., канд. техн. наук, Семенова А.А., доктор техн. наук ФГБНУ «ВНИИМП им. В.М. Горбатова»
Ключевые слова: радиационная обработка, УФ, ИК, СВЧ, ТВЭЛ ускоритель, источники гамма-излучения, область применения
Реферат
Приведены различные виды радиационной обработки. В качестве ионизирующего излучения описаны рентгеновское, гамма-излучение и корпускулярные виды излучений. Из неионизиру-ющих представлены: ИК-, УФ-, радиоизлучение, в том числе СВЧ, а также электромагнитное и магнитное поля. Уделено внимание различным видам установок, принципам воздействия излучений, их характеристикам и особенностям. Рассмотрены основные промышленные и сельскохозяйственные области применения радиационных технологий.
USING IONIZING AND NON-IONIZING RADIATION IN FOOD INDUSTRY
Drozdova N.A., Dydykin A.S., Gorbunova N.A., Semenova A.A.
The V.M. Gorbatov All-Russian Meat Research Institute
IKey words: radiation treatment, UF, IR, SHF, fuel element, accelerator, sources of gamma-radiation, application area
Summary
In the article the different types of radiation treatment are presented. Ionizing radiation as described X-ray, gamma radiation and the corpuscular radiation types. The non-ionizing are presented: infrared, ultraviolet, radio waves, including microwave, electromagnetic and magnetic fields. We focus on the various types of plants, the principles of exposure to radiation, their characteristics and features. The main industrial and agricultural areas of application of radiation technologies are also described.
Введение
Радиоактивность - это свойство ядер определенных химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемым радиоактивным. Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью. Аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах через соответствующие ядерные реакции, называют искусственной радиоактивностью. Однако деление это условное по причине того, что оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам [3]. Таким образом, к радиационной обработке можно отнести технологии, связанные с применением радиоактивного излучения.
Облучение пищевых продуктов - процесс применения радиационной обработки, направленный на сохранение качества продуктов питания. Особенностью его является применяемая форма энергии. При этом необходимо учитывать, что любая обработка пищевых продуктов с целью кулинарной обработки или консервирования не должна отрицательно влиять на их доброкачественность, делать их непригодными или небезопасными для потребления человеком [16].
Виды излучений
Современные представления о радиационной обработке биологических объектов, в частности пищевой и сельскохозяйственной продукции, разделяют два основных метода воздействия: электромагнитные излучения с разной длиной волны (радиоволны, инфракрасные
и ультрафиолетовые лучи, рентгеновское и гамма-излучения); корпускулярные излучения (альфа- и бета-частицы, нейтроны, протоны и другие ядерные частицы) [7]. Далее, радиационные технологии, в зависимости от используемого метода воздействия, подразделяют на ионизирующее и неионизирующее излучение (рисунок 1).
Виды ионизирующего излучения характеризуются высокой энергией1 и близким по своему характеру химическим воздействием на вещество, где происходит поглощение энергии лучей, а также аналогичным действием на живые организмы. Таким образом, к ионизирующему излучению относятся электромагнитные излучения (рентгеновское, гамма-излучение) и корпускулярные (излучения разного рода ядерныхчастиц) [7].
Эффект ионизации заключаатся в электрическом взаимодействии заряженной частицы с электроном на оболочке атома или молекул ы вещества, через которое частица ноолетает, чтн приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул вещесмва. Сыособносткю к ионизации
обладают различные элементарные частицы (ядра атома - протоны, нейтроны, электроны), в связи с этим подразделяют альфа-, бета- и гамма-излучения.
Альфа-частицы по своей физической природе представляют собой положительно заряженные ядра атома гелия. Альфа-частицы испускаются при радиоактивном распаде тяжелых элементов (урана, тория, полония, плутония и др.). Чаще всего мишенью служит бериллий, поэтому получают полоний-бериллиевый Ро(Ве), плутоний-бериллиевый Ри(Ве) и радий-бериллиевый Ra(Be) источники нейтронов. Характерная особенность таких источников нейтронов - отсутствие гамма-излучения. Альфа-частицы обладают большой ионизи рующий спо соНняотью и двигаются со скоростью 20000 км/с. Основной причиной, по которой аль-фа-частнны не применяются в облучении пищевых продуктов, являетсн маленькая нронокающая способкость Н7, 1В, 21]. Аль-флнизлучнние может быть рассмотрено в качестве способа дезинфекции поверхностей упаковочных материалов и ох сред. И связн с тем, ато альфа-излучкняе
Рисунок 1. Виды неионизирующего и ионизирующего излучения
Неионизирующее излучение
Ионизирующее излучение
1»н 1н teen 1 IM In IHwi Инп 1 104 чн 18 ли < ин И ич »P1 nv
10
ID
10 =
10° 10'
юл 10 ï
Izd, I I I i I I I. ill
I = I h [
V imi
M0'
3-10"
I 3-10"
3'10P* lî'101
<
М0,Г МО11 3-10!
| HlllhlM|M."MPjy ^ |^tlhl|i.UjMILJ
I
l-7t0 HI
( аи и a-raJTi чв ' w »
I-4M «u
I
аншиич I
OnVMHI
1 К ионизирующим излучениям также относят медленные нейтроны, энергия которых соизмерима с энергией теплового движения молекул.
ВСЕ О МЯСЕ № 1 | 2017
легко экранируется, оно безопасно, однако, если происходит его депонирование внутри организма, это может нанести биологический ущерб [22].
Бета-излучением называется поток отрицательно заряженных электронов, испускаемых при распаде радиоактивных изотопов. Их скорость приближается к скорости света. Ионизирующая способность бета-частиц меньше, чем у альфа, но проникающая способность выше. Наиболее высокоэнергетические бета-частицы могут пройти слой алюминия до 5 мм. Проникающая способность бета-частиц зависит от их источника. Электроны, выделяемые катодом генератора бета-лучей, притягиваются положительно заряженным элементом генератора. Чем выше заряд этого элемента, тем быстрее движение электронов и тем больше проникающая способность. Бета-лучи с энергией 3 МэВ проникает в воду на глубину 1 см, а лучи с энергией 5 МэВ - 2,5 см. Двустороннее облучение удваивает глубину проникновения. Обработку бета-излучением можно рассматривать как способ стерилизации для продуктов, плотность которых близка к плотности воды [3].
Гамма- и рентгеновское излучения, в отличие от корпускулярных видов, обладают большой проникающей способностью, изменяющейся в широких пределах. Диапазоны энергий рентгеновского и гамма-излучения близки между собой и частично перекрывают друг друга. Свойства гамма- и рентгеновских лучей одинаковой энергии идентичны.
Гамма-излучение, испускаемое атомными ядрами в ходе радиоактивных превращений, обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт и оказывает воздействие на всю массу продукта одновременно. Действие гамма-излучения мгновенно прекращается в случае удаления источника облучения. Поэтому, чтобы предупредить вторичное обсеменение продукта, он должен быть защищен соответствующей герметичной упаковкой. Обработка упакованной продукции является одним из преимуществ данного вида воздействия (стерилизации) [3, 8].
Рентгеновское излучение образуется в вакуумной рентгеновской трубке, когда поток катодных лучей попадает на металлическую мишень (анод).
В зависимости от механизма возникновения спектры рентгеновских лучей могут быть непрерывными (тормозными) или линейчатыми (характеристическими). Непрерывный рентгеновский спектр испускают быстрые заряженные частицы в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Этот
спектр достигает значительной интенсивности лишь при бомбардировке электронами. Линейчатое излучение возникает после ионизации атома с выбрасыванием электрона из одной его внутренних оболочек. Это может быть результатом столкновения атома с быстрой частицей, например электроном или поглощение атомом фотона.
Эффективность воздействия ионизирующего излучения зависит от величины поглощенной дозы. При небольших дозах происходит стимулирующее действие, так называемый эффект радиационного гормезиса. При дальнейшем увеличении поглощенной дозы начинают происходить мутации в клетках и при последующем повышении дозы - гибель микроорганизмов [20].
Различные виды микроорганизмов по-разному проявляют чувствительность к действию радиоактивных лучей. Ме-зофильные бактерии более устойчивы к облучению, чем психрофильные. Наибольшая устойчивость свойственна грам-положительным бактериям, тогда как грамотрицательные отличаются хорошей чувствительностью.
Неионизирующим излучением называется электромагнитное излучение различной частоты, при которой не происходит ионизация атомов и молекул вещества в связи с недостаточной энергией кванта. К видами неионизирующего излучения относят ИК-, УФ-, лазерное и радиоизлучения, а также статическое электрическое и постоянное магнитное поля, которые по сути не являются излучениями и тем не менее, согласно руководству Р 2.2.2006-05, относятся к неио-низирующему излучению [18].
Во многих отраслях пищевой промышленности с целью интенсификации технологических процессов применяют обработку электромагнитным полем. Под его действием происходят сложные тепловые, химические и биологические воздействия на вещество. При этом электромагнитное поле может изменять реологические, биологические и органо-лептические свойства продукта [9].
С целью влияния на процессы роста и развития растений применяется внешнее магнитное поле. Достоинствами магнитно-импульсной обработки считаются высокая технологичность, возможность автоматизации, низкая энергоемкость и безопасность для человека. Метод основан на способности магнитного поля влиять на вирусы и иммунные реакции растений.
Под действием ультрафиолетового излучения, находящегося в диапазоне длин волн от 200 до 280 нм (область С),
возможно повреждение ДНК с образованием фотопродуктов, вызывающих мутацию или гибель микроорганизмов. Это зависит от биологически эффективной дозы и вида патогенов. В коротковолновом диапазоне (250-260 нм) происходит максимальное поглощение УФ-радиации молекулами ДНК и РНК, что и ведет к гибели микроорганизмов [20]. Вегетативные формы более чувствительны к воздействию УФ-лучей, чем дрожжи, плесневые грибы и споры бактерий.
Применение УФ-облучения ограничено в связи с невысокой проникающей способностью. В некоторых случаях проводят УФ-обработку различных напитков и упаковочных материалов. Так, с помощью УФ-лучей обеззараживают (пастеризуют) молоко и обрабатывают поверхность продукции, например, поверхность упакованного хлеба. Одним из широко применяемых направлений использования УФ-лучей является дезинфекция воздуха в производственных помещениях.
Электромагнитные ИК-волны способны оказывать термическое и биологическое воздействие на продукт. Величина проникновения зависит от частотной характеристики, типа поверхности, структуры и свойств материала. В результате обработки ИК-излучением увеличивается скорость биохимических процессов в белках, крахмалах, липидах и других биологических полимерах.
Во многих случаях применение ИК-волновой обработки повышает качество и выход готовой продукции. Например, выход полуфабрикатов, доведенных до кулинарной готовности с помощью ИК-обработки, в зависимости от вида генератора может увеличиться на 7-11 % по сравнению с традиционными тепловыми воздействиями. Существенным недостатком ИК-излучения является неравномерность нагревания.
После инфракрасных лучей в спектральном диапазоне лежат радиоволны, к которым относятся микроволны, в том числе сверхвысокочастотные (СВЧ). В отличие от ИК-излучения нагрев объектов под действием СВЧ волн происходит изнутри за счет поляризационного эффекта.
Традиционные способы нагрева основаны на принципе передачи тепла в объем вещества с его поверхности путём теплопроводности и конвекции. Нагрев происходит медленно и поверхность объекта перегревается. При воздействии микроволн продукт нагревается равномерно по всему объему. Это является результатом того, что в высокочастотном электрическом поле происходят пульсации полярных и поляризуемых молекул и ионов вещества [17].
Рисунок 2. Источники гамма-излучения
Микроволновая обработка значительно интенсифицирует технологические процессы пищевых производств, связанные с нагревом и сушкой продукции [17]. СВЧ технологии нашли широкое применение в процессах сушки, в том числе сублимационной, размораживания, пастеризации и стерилизации, варки, дезинсекции и др.
Принципиальные источники излучения
В роли источников ионизирующего излучения используют изотопные генераторы, ускорители электронов, а также источники, связанные с ядерными реакторами или рентгеновским излучением. На рисунке 2 показаны конструктивно различные источники ионизирующего излучения, которые в перспективе (радиоактивные источники 60Со,13^ уже используются) могут найти применение в промышленности.
Радиационные контуры и ТВЭЛ (рисунок 2) применяются пока в экспериментальных целях. Использование полностью или частично отработанных тепловыделяющих элементов реактора (ТВЭЛ) в качестве источников гамма-излучения для радиационной стерилизации представляет интерес, так как они обладают большой активностью. Большим недостатком всех установок с использованием ТВЭЛ является то, что они должны быть расположены вблизи атомных реакторов. В связи с низким уровнем безопасности, необходимостью частой замены ТВЭЛ, неравномерностью дозы излучения из-за нестабильного выгорания и быстрым спадом активности, установки с использованием ТВЭЛ будут оставаться сравнительно неудобными для промышленного использования до тех пор, пока не будут решены вышеуказанные технические трудности [19].
В настоящее время к использованию разрешены следующие установки [12]:
□ радиоактивные источники изотопов кобальта (60Со Т1/2 = 5,27 года, Е=1,25 МэВ) и цезия Т1/2= 30,17 года, Е = 0,66 МэВ);
□ электронные ускорители с энергией не более 5 МэВ;
□ источники электронного излучения с энергией не более 10 МэВ. Широкое распространение изотопных
источников 60Со и объясняется их сравнительной доступностью, возможностью приобретения в необходимых количествах, высокой проникающей способностью. При этом отсутствует риск наведенной радиоактивности в облучаемых изделиях.
В настоящее время в России и за рубежом производят промышленные установки гамма-излучения, в которых применяется кобальтовые таблетки (диаметром 6,8 мм и высотой 1,5 мм) с никелевым покрытием, заключенные в стержни из нержавеющей стали.
Несмотря на преимущества, гамма-установки дорогие, их стоимость оценивается примерно в 200-250 млн руб., кроме того, существуют определенные трудности с их обслуживанием и утилизацией отработанных элементов. Под оборудование необходимо отдельное специализированное помещение, защищающее персонал от радиационного излучения [8]. Существенно снизить стоимость может замена радионуклидов на более дешевые изотопы, например, европия: 152Еи и 154Еи [11].
Растет интерес к электронным ускорителям. Их использование дает возможность получать мощный пучок электронов, ускоренных до высокой энергии, выше тепловой. В отличие от гамма-установок излучение генерируется периодически, а не постоянно, поэтому технологии более экономичны и безопасны. Электронные ускорители различаются между собой по конструкции, энергии электронов, входной мощности и другим параметрам [13].
Установки типа ИЛУ (импульсные линейные ускорители) являются специфическими линейными высокочастотными ускорителями. В отличие от большинства линейных ускорителей это однорезона-торные машины, работающие в режиме стоячей полуволны [4].
Радиационно-технические установки с ускорителями типа УЭЛВ (ускоритель электронов линейный волновой) позволяют перенастраивать энергию в диапазоне 6-10 МэВ, мощность пучка 10-15 кВт, тем самым находят применение во многих промышленных областях: медицинской, фармацевтической, косметической и пищевой [15].
Благодаря широкому спектру действия электронные ускорители получили распространение в различных областях: в экологии для очистки сточных вод и обработки твердых отходов и выбрасываемых газов; в радиационной полимеризации; модифицировании материалов - применяются радиационно-физические технологии; в медицине с целью стерилизации расходных материалов и дезинфекции помещений [2].
Область применения радиационной обработки
В настоящее время область применения ионизирующих и неионизирующих видов излучений довольно обширна в агропромышленной и пищевой отраслях (таблица 1).
Ежегодные потери сельскохозяйственной продукции составляют около 30 % для мяса, 30 % для плодов и овощей, в том числе до 40 % картофеля и до 6-10 % для зерна, в частности до 25 % пшеницы. Основными причинами являются бактериальная порча, поражение вредителями, преждевременное прорастание и увядание корнеплодов [10].
В сельскохозяйственной отрасли существуют передвижные и стационарные
ВСЕ О МЯСЕ № 1 | 2017
установки. Например, передвижные гамма-установки типа «Колос» и «Стебель» предназначены для предпосевного облучения семян и бобовых, «Гамма-панорама» - для стимуляции роста и развития сельскохозяйственных растений и животных с целью селекции и стимуляции их роста и развития, стационарные установки типа «Гамма-поле» и «Стерилизатор» с источником 60Со используются соответственно для длительного и разового облучения растений в селекционной работе, а «Генетик» - для устранения насекомых-вредителей [2].
Области применения радиационных 1
В сельском хозяйстве для получения кормов и кормовых добавок из цел-люлозосодержащих отходов с большим количеством полисахаридов применяется радиационная деструкция. Действие ионизирующего излучения, а также ускоренных электронов и ионов позволяет амортизировать продукт, снизить содержание клетчатки и способствовать образованию мономерных и олигомер-ных углеводов [5].
С помощью ионизирующей радиации можно также влиять на ход обмена веществ в продуктах, в которых на про-
Таблица 1
нологий в пищевой промышленности
Метод
Цель, процесс радиационной Облучаемые объекты
технологии*
Низкая доза облучения (до 1 кГр)
Дезинсекция ИИ, УФ, СВЧ Семена сельскохозяйственных культур
Уничтожение насекомых и паразитов ИИ, СВЧ Зерновые, бобовые, свежие и сушеные фрукты, вяленая рыба и мясо, свежая свинина и т.п.
Задержка прорастания ИИ Картофель, лук, чеснок, корнеплоды, имбирь и т.п.
Задержка созревания ИИ Свежие фрукты и овощи
Обеззараживание УФ Воздух помещений, поверхность упаковки, вода
Обнаружение инородных тел ИИ (рентген-лучи) Готовая продукция
Средняя доза облучения (1-10 кГр)
Сушка ИК Картофель, овощи, фрукты, крупы
Сушка, в т.ч. сублимационная СВЧ Макаронные изделия, сухари, зерно, фруктовые соки, картофель хрустящий, сублимационное мясо
Бланширование, инактивация ферментов СВЧ Картофель, овощи, кукуруза в виде початков, мука
Раскройка теста СВЧ Хлебобулочные изделия, кондитерские изделия
Удлинение срока хранения ИИ, УФ, СВЧ Фрукты (в т.ч. виноград), овощи, мясо, мясной фарш, полуфабрикаты, готовые блюда
Активация микроорганизмов СВЧ Биосреды пищевых производств
Ферментация СВЧ Табак
Подавление роста патогенных микроорганизмов ИИ, УФ, СВЧ Пищевая продукция животного и растительного происхождения, свежие и мороженые морепродукты, свежая и мороженая птица и мясо
Улучшение технологических свойств пищи, экстракция ИИ, СВЧ Ягоды (повышение выхода сока), сушеные овощи (сокращение времени кулинарной обработки)
Размораживание СВЧ Пищевые полуфабрикаты, мясо, рыба и т.д.
Варка СВЧ Цыплята, сосиски, бекон, мясо ломтиками и т.д.
Поджаривание СВЧ Рыба, кофе, арахис, хрустящий картофель
Пастеризация ИИ Специи, ферментные препараты, натуральная камедь и т.д
Пастеризация СВЧ Хлебобулочные изделия, сухие вина, пиво, безалкогольные напитки, ветчина, крабы
Высокая доза облучения (10-50 кГр)
Стерилизация СВЧ, ИИ, ИК Мясо, птица, морепродукты, готовая пища, вина
и виноматериалы, торты
Глубокая стерилизация СВЧ+ИИ Стерилизованные больничные диеты
в сочетании с умеренной тепловой обработкой
*ИИ - ионизирующее излучение, СВЧ - электромагнитное излучение с частотами 3-30 ГГц, ИК и УФ - инфракрасное и ультрафиолетовое излучение соответственно.
тяжении всего периода хранения происходят физиолого-химические процессы. Данное свойство успешно можно применить для удлинения сроков годности фруктов, плодов и овощей [14].
Обработку продуктов питания ионизирующим излучением называют холодной стерилизацией, так как стерилизующий эффект достигается практически без повышения температуры. Таким образом, сырое мясо может становиться стерильным без применения температурного воздействия.
С помощью методов ионизирующего излучения можно увеличить сроки годности охлажденной продукции [4]. Для увеличения сроков годности мяса и мясопродуктов обработку проводят в герметичной таре дозами до 10 кГр. При этом для более высокого эффекта используют комбинированную обработку: тепловую инактивацию ферментов и облучение продукта при низкой температуре [6].
Например, сроки хранения охлажденной говядины, упакованной под вакуумом, при обработке дозой 3 кГр и последующем хранении при температуре +4°С увеличивались в 3 раза, а облучение дозой 4 кГр приостанавливало рост бактерий на 8 недель при температуре хранения 0 °С. Таким образом, радиационная обработка в сочетании с низкой температурой хранения (0-3 °С) может обеспечить реализацию безопасных, мясных продуктов с увеличенным сроком годности [6].
Подводя итоги, в зависимости от дозы облучения ионизирующее и неионизи-рующее излучения применяются для выполнения различных задач: задержки прорастания или созревания сельскохозяйственных культур, увеличения урожайности, мутационной селекции с целью создания новых видов растений; уничтожения паразитов и патогенных микроорганизмов, снижения количества микроорганизмов, вызывающих порчу продуктов; отслеживание динамики параметров жизнедеятельности организмов посредством маркировки; продления сроков годности, пастеризации или стерилизации всевозможных категорий продуктов питания и т.д.
© КОНТАКТЫ:
Дроздова Надежда Александровна
V +7 (495) 676-61-11 а drozdova@vniimp.ru
Дыдыкин Андрей Сергеевич
V +7 (495) 676-75-41 а das_tih@mail.ru Горбунова Наталия Анатольевна
V +7 (495) 676-93-17
а ngorbunova@vniimp.ru Семенова Анастасия Артуровна
V +7 (495) 676-61-61 а semmm@mail.ru
ВСЕ О МЯСЕ № 1 I 2017
