Научная статья на тему 'Влияние ионизирующих излучений на продукты питания'

Влияние ионизирующих излучений на продукты питания Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
2877
252
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние ионизирующих излучений на продукты питания»

V

2004 14.-Р.

!.

'7.

001.8

и) не [уаль-ъвоз-

ИНИЯ,

аког-

ртизы

м экс-

1про-

ую-

:я на

тодес

жти-

эдшие

оизво-

>вание

: куль-

войст-

:рации

>вания

щенки

гг оце-

актив-

2СТВОМ

МИ.

компь-

КТ со-

зления нов и рацию хноло-шжахь вимо с компь-нариях ¡стиро-

кнопо-

ктер.

66.085:641.7

ВЛИЯНИЕ ИОНИЗИР УЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИИ НА ПРОДУКТЫ ПИТАНИЯ

Л.К. ПЕТРИЧЕНКО, А. Г. ВАСИЛЬЕВА

Кубанский государственный технологический университет Институт экономики, права и естественных специальностей

Современные технологии обработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания с целью продления сроков хранения, кроме традиционных способов -сушки, консервирования высокими либо низкими температурами, а также химическими соединениями, предусматривают использование различных видов ионизирующих излучений [1, 2]. Такая обработка разрешена более чем в 30 странах (США, Канада, Голлан-дия, Франция, Польша, Венгрия, СНГ и др.), причем перечень продуктов, которые подвергаются облучению, постоянно расширяется [3].

Ионизирующие излучения, воздействуя на микрофлору, способны обеспечить полную стерильность продукта. Это позволяет намного сократить применение химических консервантов, которые в большинстве своем являются чужеродными для организма человека [4-9]. Кроме того, ионизирующее излучение ингибирует прорастание овощей, замедляет созревание фруктов и тем самым удлиняет сроки их хранения [10-13], уничтожает зерновых вредителей и вредителей сушеных фруктов, овощей и пищевых концентратов [14-16].

Применение ионизирующих излучений для обработки пищевых продуктов по сравнению с традиционными способами консервирования требует меньших затрат при большей эффективности воздействия.

Широкое использование для обработки пищевых продуктов ионизирующих излучений вызывает у ряда исследователей некоторую настороженность. В связи с этим обобщение результатов изучения воздействия ионизирующих излучений на продукты питания является вполне обоснованным.

Стерилизующий эффект такой обработки зависит от вида микроорганизмов. Малые дозы облучения не приводят к гибели последних, а лишь угнетают их жизнедеятельность. Большие дозы облучения, вызывающие гибель микроорганизмов, способны оказывать негативное воздействие на пищевую ценность и органолептические показатели облученных продуктов [11]. Уменьшение количества грибов и дрожжей достигается дозой 0,1-0,5 Мрад, для инактивации гнилостных и патогенных микроорганизмов необходима доза 4-6 Мрад [4, 17].

Ионизирующее излучение приводит к изменениям в химическом составе продуктов. Обычно молекулы воды возбуждаются и ионизируются в гораздо большей степени, чем другие компоненты. Установлено, что возбужденные и ионизированные молекулы воды

образуют свободные радикалы и молекулярные продукты. Упрощенная формула этих реакций выглядит следующим образом:

Н20 —> 2,7 ОН' + 2,7 е~гидр +0,55 Н* +0,45 Н2 +

+ 0,71 Н202 + 2,7 Н30+, где ОН' иН’ - нейтральные свободные гидроксильные радикалы и атомы водорода; е гадР - гидратированный электрон, который был обнаружен в 1958-1963 гг.;

Н2, Н202 и Н30+ - молекулярный водород, пероксид водорода и ионы водорода [18-20].

Присутствие кислорода в облучаемой среде способствует более значительному распаду воды и образованию большего количества пероксидных соединений.

Основными продуктами радиолиза воды, действие которых в значительной степени определяет химический эффект облучения, являются гидроксильные радикалы, гидратированные электроны и атомы водорода.

Гидроксильные радикалы способны присоединяться к ароматическим и олефиновым соединениям, отбирать атомы водорода из связей углерод-водород в алифатических соединениях, например в спиртах, углеводах, карбоновых кислотах, эфирах, альдегидах, кетонах, аминокислотах и т. п., присоединять атомы водорода при разрыве связи сера-водород. Таким образом, при наличии в системе как ароматических, так и алифатических компонентов (например в белках или нуклеиновых кислотах) некоторые гидроксильные радикалы реагируют по типу присоединения, а некоторые - по типу отрыва. В любом случае продуктом реакции является органический свободный радикал.

В объектах, содержащих более одного компонента, воздействие гидроксильных радикалов распределяется в зависимости от молярной концентрации соединений, входящих в систему. Данные радикалы довольно неселективны, поэтому они реагируют главным образом с теми веществами, которые присутствуют в избытке. Следовательно, основные компоненты защищают более мелкие от воздействия гидроксильных радикалов.

Другим основным реакционноспособным элементом в облученных системах, содержащих воду, являются гидратированные электроны. Они более селективны, чем гидроксильные радикалы, поэтому не всегда взаимодействуя с главными компонентами системы могут вступать в реакцию с витаминами, пигментами и т. п. Однако с веществами, имеющими низколежащие свободные орбитали (большинство ароматических соединений, карбоновые кислоты, альдегиды, кетоны, тиолы и дисульфиды), соединяются очень быстро.

Гидратированные электроны слабо реагируют с алифатическими спиртами и углеводами. В белках они соединяются с остатками гистидина, цистеина, цисти-на и с некоторыми другими аминокислотами, но существенных реакций не дают.

Реакции атомов водорода занимают промежуточное положение междуг реакциями гидроксильных радикалов и гидратированных электронов. Как и гидроксильные радикалы, они могут соединяться с ароматическими и олефиновыми соединениями, хота скорость этих реакций в несколько раз ниже, чем у гидроксильных радикалов. В белках их основные реакции направлены на серосодержащие и ароматические аминокислоты.

Первичные процессы ионизации, протекающие в объектах, содержащих значительное количество влаги, завершаются примерно через Ю^-Ю^с, при этом образуются молекулы новых органических соединений и свободные органические радикалы. Эти радикалы образуются как косвенно, под влиянием гидроксильных радикалов, гидратированных электронов и атомов водорода, так и в результате прямого действия облучения.

Присутствие свободных органических радикалов в облученном продукте может вызвать разнообразные реакции. Они могут редуцировать второстепенные компоненты; отделять атомы водорода от тиолов и спиртов; взаимодействовать с кислородом с образованием пероксидных радикалов; распадаться с образованием новых радикалов, вызывая цепную реакцию; реагировать друг с другом посредством димеризации или диспропорционирования, образовывая новые продукты [19].

Время жизни радикалов зависит от содержания влаги, температуры и наличия кислорода. Подвижные радикалы обычно исчезают, оставляя относительно стабильные химические продукты облучения основных компонентов пищевых продуктов - белков, липидов, углеводов и т. д. [18, 20].

В результате воздействия излучения на белки может произойти разрыв водородных связей молекулы белка с последующим ее развертыванием; агрегация или диссоциация на более мелкие элементы, либо фрагментация. При некоторых изменениях химически активные группы становятся более доступными для реакций или изменяются настолько, что исчезают. Появляется возможность для реакций продуктов радиолиза белков с другими веществами, входящими в белковую среду, с образованием новых соединений, не характерных для конкретных продуктов. Все это приводит к исчезновению обычных свойств белка: ферменты могут потерять свою активность, хромопротеиды — изменяют цвет и т. п. [21].

Белок, представляющий собой сложный биополимер, построен из аминокислот, радиочувствительность которых зависит от длины углеродной цепочки алифатических кислот, наличия в молекуле аминокислоты

БН-группы, ароматического кольца, положения аминогруппы в молекуле кислоты и др.

Продуктами радиолиза аминокислот являются аммиак, карбоновые кислоты, амины и углекислый газ, образующиеся в результате их восстановительного дезаминирования и декарбоксилирования. Распад аминокислот, в том числе незаменимых, снижает пищевую ценность облучаемых продуктов [22].

Различна чувствительность аминокислот в свободном состоянии и включенных в белковую молекулу. Тирозин белка при облучении разрушается быстрее, чем свободный, а фенилаланин, аргинин, пролин и гистидин в составе белка более устойчивы. В свободном состоянии особо чувствительны к ионизирующему излучению серосодержащие аминокислоты, имеющие в своехм составе тиоловую или дисульфидную группы. Ароматические и гетероциклические аминокислоты по чувствительности к ионизирующему излучению могут быть поставлены в следующий ряд: гистидин > фенилаланин > тирозин > триптофан, а наиболее стабильны по отношению к облучению пролин и оксипро-лин [23].

Облучение жиров приводит к аутоокислительным изменениям, ведущим к образованию типичных продуктов окисления, и неокислительным радиологическим изменениям, в результате которых образуются специфические радиолитические соединения. В нормальных условиях некоторые из этих изменений могут происходить одновременно, и их эффекты суммируются, причем роль каждого из них в общем радиолизе зависит от условий облучения.

Облучение ускоряет процесс аутоокисления, особенно в присутствии кислорода во время и после облучения. Продукты, обнаруженные в облученных жирах, идентичны тем, которые обычно присутствуют в необ-лученных, но окисленных жирах. Степень окислительных изменений при облучении зависит от факторов, которые (за исключением дозы облучения) также типичны для окисления без облучения - температуры, присутствия или отсутствия кислорода, катализаторов, антиокислителей, состава жира и т. д.

Облучение натуральных жиров приводит к образованию гомологического ряда углеводородов, альдегидов, метиловых и этиловых эфиров и свободных жирных кислот.

Углеводороды представлены полным гомологиче-скимрядом С1 - Сп н-алканов, С2- Сп - 1-алкенов, некоторыми внутреннененасыщенными моноенами и, в отдельных случаях, полиенами; альдегиды - нормальными алканшхями с той же длиной цепи, что и у основных компонентов жирных кислот, а образующиеся в наибольшем количестве метиловые и этиловые эфиры - теми, которые соответствуют преобладающим насыщенным кислотам в жире.

В молекуле триглицерида радиолитическое расщепление происходит избирательно в пяти точках около карбоксильной группы (1-5) и беспорядочно во всех остальных связях С - С жирнокислотного остатка (6-9)

1,2004

ами-

;я ам-

н газ, годе-ами-шает

вбод-кулу. :трее, ягис-дном № ИЗ-цие в шпы. лоты ению щн>

: ста-шро-

ьным

про-

гиче-

ются

нор-

югут

шру-

злизе

осо-

)блу-

ирах,

ЮОб-

гель-оров, :е ти-[уры, оров,

разо-

цеги-

цных

гиче-з,не-[ и, в шь-;нов-еся в |шры 1ЭСЫ-

сще-

1КОЛО

всех

(6-9)

О

1 2 || 3 4 б 7 8 9

С—О—С—с—с—с—с—с—я 5 I соос„

I

соося

(п - число атомов углерода, входящих в состав триглицеридов).

Результирующие свободные радикалы теряют водород или происходит их рекомбинация с другими свободными радикалами. При этом образуются следующие продукты радиолиза: С„ ^ - углеводороды и формилдиглицериды (разрыв связи 3); Ся-2 - углеводороды и ацетидциглицериды (разрыв связи 4); ряд насыщенных и ненасыщенных углеводородов (расщепление других связей жирнокислотной цепи); С„ -альдегиды, алкилциклобутаноны, диглицериды и сложные эфиры оксоалкандиолов (расщепление связи 2); С„ - свободные жирные кислоты и пропан- и сложные эфиры пропендиолов (разрыв связи 1); метиловый эфир и сложные эфиры этандиолов (разрыв связи 5).

Рекомбинация свободных радикалов, образующихся при расщеплении вышеназванных связей, приводит к образованию следующих соединений: димерных или рекомбинированных углеводородов типа Сх-Сх, кето-нов типов Сх(СО)Сх и Сд.(СО)(СО)Сл эфиров типа СхСООСд. сложных диэфиров 2-алкил-1,3-пропандио-лов, сложных эфиров алкандиолов, диглицеридов, триглицеридов, триэфиров сложных бутантиролов, тетраэфиров сложного эритрила.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Основными соединениями, образующимися при обработке насыщенных жирных кислот с короткой цепью при отсутствии кислорода, являются водород, углекислый газ, окись углерода, ряд углеводородов (н-алканы и 1 -алкены) и альдегид. Примерно так же при радиолизе ведут себя жирные кислоты с более длинной цепью. Разумеется, чем длиннее цепь, тем более обширным (качественно) является гомологический ряд углеводородов.

Наличие одной двойной связи в жирнокислотной цепи влияет на образующиеся продукты радиолиза. Так, если в насыщенных кислотах образуются в основном алканы и 1 -алкены, то мононенасыщенная кислота образует алкены и алкадиены, диненасыщенная кислота - алкадиены и алкатриены и т. д. Во время облучения ненасыщенные кислоты также гидрогенизируют-ся, образуя небольшое количество соответствующих насыщенных жирных кислот и значительные количества димерных кислот, главным образом двуненасыщенных. Образование димерных и полимерных кислот с поперечными связями у атомов углерода, смежных с двойными связями, - это особенность облучаемых ненасыщенных жирных кислот по сравнению с насыщенными.

При облучении свободных жирных кислот в относительно больших количествах образуется углекислый газ; из ряда углеводородов в наибольших количествах

образуется продукт декарбоксилирования, т. е. углеводород, в котором на один атом углерода меньше, чем в жирной кислоте.

Облучение приводит к уменьшению или полному исчезновению полиненасыщенных кислот, которые во многом обусловливают пищевую ценность жиров.

Обработка углеводов ионизирующим излучением приводит к изменению их физико-химических свойств.

К наиболее типичным физическим изменениям можно отнести: снижение точки плавления и уменьшение способности вращать плоскость поляризации, у большинства сахаров меняются спектры поглощения. Для полисахаридов характерно уменьшение молеку-лярной массы и длины цепи, что приводит к понижению удельной вязкости полимеров [24, 25].

В результате облучения углеводов образуется газовая смесь, состоящая в основном из водорода, углекислого газа и следов метана, окиси углерода и воды, относительное соотношение данных компонентов зависит от вида облучаемого сахара. Появление этих продуктов изменяет редуцирующую способность сахаров.

Облучение вызывает разрыв полиозных цепей в молекулах полисахаридов и образование фрагментов различной длины частично деградированных декстринов, появление низкомолекулярных сахаров, а также других различных продуктов радиолиза.

При воздействии излучения на клетчатку и пектиновые вещества, содержащиеся в плодах и овощах, происходит их деполимеризация, которая приводит к размягчению тканей и ослаблению их устойчивости к фитопатогенным микроорганизмам [10, 11].

Нарушение структуры облученных полимеров способствует изменению чувствительности полисахаридов к .ферментам (а- и р-амилазе), что в свою очередь может влиять на степень их переваримости и усвояемости [19].

Установлено, что деструктивные процессы в углеводах продолжаются и после прекращения облучения под воздействием вторичных радикалов (продуктов превращения первичных). При хранении в них накапливаются и распадаются пероксидные соединения, происходят процессы разрыва полимерной цепи и образование межмолекулярных сшивок (в полисахаридах), образуются низкомолекулярные кетосоединения и кислоты, причем 50% общего выхода разложения углеводов связывают с превращениями пероксидных радикалов [26, 27].

Под воздействием ионизирующих излучений в продуктах образуются незначительные количества токсичных соединений (ацетальдегид, ацетон, фор-мальдегид, муравьиная кислота, бензол, толуол, сероводород, диметилдисульфид и Др.), которые не могут вызвать прямого отравления организма человека. Однако следует учитывать, что разнообразные продукты радиолиза способны взаимодействовать между собой, при этом возможно появление токсичных веществ.

Кроме того, данные соединения могут накапливаться и проявляться в виде хронического отравления, а также мутагенного, канцерогенного или другого неблагоприятного эффекта.

Изменение структуры соединений, входящих в состав продукта, влияет на чувствительность ферментов пищеварительного тракта, снижает его способность переваривать и усваивать пищу. Вместе с тем с точки зрения современной теории метаболистических процессов химическая структура компонентов пищи должна соответствовать ферментным системам организма. Качественные и количественные ее нарушения являются причиной возникновения непереносимости и несовместимости пищевых продуктов, которые могут проявляться в различных формах аллергических реакций организма [28, 29].

Потребление продуктов, содержащих пероксиды, способствует накоплению токсичных веществ, возникших в результате пероксидного окисления липидов в клетках, которое приводит к изменению структур-но-функциональных свойств мембран, вплоть до деградации их структур, и как следствие этого - к резкому' нарушению проницаемости мембран. Образующиеся токсичные радикалы оказывают повреждающее действие не только на липиды, но и на белки клеточных мембран; кроме того, установлено их токсичное действие на генетический аппарат клетки [30, 31].

Проведенный обзор свидетельствует, что продукты, подвергнутые действию ионизирующего излучения, несут в себе потенциальную опасность для здоровья человека, которая в совокупности с неблагоприятным воздействием окружающей среды - применением разнообразных пищевых добавок, средств защиты растений, животных и т. п. - создает серьезную угрозу для живущих и будущих поколений людей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Радиационная обработка пищевых продуктов / Под ред. В.И. Рогачева, Б.Г. Жукова и др. - М.: Атомиздат, 1971. - 248 о.

2. Сахно В.И. Новые возможности электрофизики в технологиях морепродуктов // Материалы 3-й Междунар. конф. «Повышение качества рыбной продукции - стратегия рыбопереработки в XXI веке», 03-08 сент. 2001 г. - Калининград, 2001. - С. 63-68.

3. Шабловская И.С., Харламова Т.А. Об опасности воздействия радиации на продукты питания // Хранение и переработка сельхозсырья. - 1997. -№ 7. - С. 54-56.

4. Бушканец Т.С. Применение ионизирующих излучений для предупреждения микробиологической порчи птицепродуктов // Материалы Всесоюз. науч.-техн. конф. “XX лет производства и применения изотопов и источников излучения в народном хозяйстве”. -Минск, 1968.-С. 211-214.

5. Гелъфант С.Ю., Немероцкая Н.Ф., Фрумкин М.Л. Использование ионизирующих излучений для удлинения сроков хранения мясных кулинарных изделий в пленочной упаковке // Там же. - С. 200-206.

6. Дутова Е.Н., Гофтарш М.М., Козырева С.К. Микрофлора рыбы и рыбопродуктов при лучевой обработке /'/' Там же. - С. 218-225.

7. Кардашев A.B., Карнет А.Т., Козлова Л.Л. г - Радиационное консервирование некоторых рыбных продуктов // Там же. - С. 237-241.

8. Крылова H.H., Красильникова Т.Ф., Пиульская В.П.

Применение г-излучен:ш для удлинения сроков хранения колбасных изделий // Там же. - С. 206-211.

9. Черкинский С.Н., Рябченко В.А. К вопросу о механизме бактерицидного действия г-излучения // Гигиена и санитария. -1968. -№ 6. -С. 44-^17.

10. Ковальская Л.П. Проблемы радуризации сочного растительного сырья // Материалы Всесоюз. науч.-техн. конф. “XX лет производства и применения изотопов и источников излучения в народном хозяйстве”. - Минск, 1968. - С. 95-101.

11. Метлицкий Л.В. г-Излучение картофеля, овощей и плодов для удлинения сроков их хранения // Там же. - С. 5-18.

12. Влияние ионизирующей радиации на задержку прорастания и устойчивость сахарной свеклы / М.З. Хелемский, В.Б. Варшавская, М.Л. Пельц и др. // Там же. - С. 117-124.

13. Шалинова P.T., Мальцева А.П., Ващинская Л.Ф., Агеенко Н.И. Изучение действия ионизирующего излучения на лежкость корнеплодов // Там же. - С. 129-134.

14. Итоги и перспективы применения ионизирующих излучений в обеспечении сохранности зерна / А. Б. Вакар, Г.А. Закладной, Е.С. Перцовский и др. // Там же. - С. 18-24.

15. Щеголева Г.И. Радиационная дезинсекция сушеных фруктов, овощей и пищевых концентратов // Там же. - С. 24-27.

16. Закладной Г.А., Ратанова В.Ф. Биологическая оценка ионизирующих излучений как средства для дезинсекции зерна // Там же.-С. 134-139.

17. Пальмнн В.В. Использование r-излучения для обработки мяса и мясных продуктов // Там же. - С. 27-40.

18. Хлебников В.И. Технология товаров (продовольственных): Учебник. - М.: Издат. дом «Дашков и К?», 2000. - 427 с.

19. Радиационная химия основных компонентов пищевых продуктов / Под ред. П.С. Элиаса и А. Дж. Кохена: Пер. с англ. - М. : Легкая и пищевая пром-сть, 1983. - 224 с.

20. Радиационная гигиена: Учебник / В.Ф. Кириллов, В.А. Книжников, И.П. Коренков; Под ред. акад. АМН СССР Л.А. Ильина. - М.: Медицина, 1988. - 336 с.

21. Ua.TT.Mira В.В., Силаев М.П. Некоторые биохимические аспекты проблемы радуризации мяса // Материалы Всесоюз. науч.-техн. конф. “XX лет производства и применения изотопов и источников излучения в народном хозяйстве”. - Мижк, 1968. - С. 189-196.

22. Фомин A.A., Коротков Ф.Г. Биологическая ценность облученного мяса // Там же. - С. 214-218.

23. Фомин A.A. Изменение аминокислотною состава белков мяса при облучении /У Гигиена и санитария. - 1969. - № 9. - С. 60-63.

24. Коротченко К.А. Обзор превращений, протекающих в крахмале под действием г-излучения // Материалы Всесоюз. науч.-техн. конф. “XX лет производства и применения изотопов и источников излучения в народном хозяйстве”. - Минск, 1968. - С. 153-163.

25. Путилова И.Н., Акулова И.С., Крутова Ю.Н., Маслова Г.М. Радиолиз кукурузного крахмала// Там же. - С. 163-169.

26. Кочетков Н.К., Кудряшов Л.И., Членов М.А. Радиационная химия углеводов. - М.: Наука, 1978. - 288 с.

27. Шарпатый В.А. Проблемы радиационной химии полисахаридов (обзор) // Радиационная биология. Радиоэкология. - 1999. -39,-№ 1.-С. 156-161.

28. Покровский A.A. Метаболистические аспекты фармакологии и токсикологии пиши. - М.: Медицина, 1979. - 184 с.

29. Топорская В.Н. Физиология и патология углеводного, липидного и белкового обмена. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 1970. - 248 с.

30. Дубенецкая М.М. Влияние окислившегося подсолнечного масла на организм экспериментальных животных // Гигиена и санитария. - 1971. -№ 12. - С. 33-36.

31. Магомедов М.Г. Влияние сочетанного радиационно-химического воздействия на показатели перекисного окисления липидов у белых крыс и морфометрическую характеристику гонад // Гигиена и санитария. - 2002. - № 6. - С. 53-56.

Поступила 07.07.03 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.