Энергия электромагнитных излучений

.

Влияние на микроорганизмы различных форм лучистой энергии, представляющих собой электромагнитные колебания с длиной волны 400-780 нм, проявляется по-разному. Биологическое действие излучений зависит от длины волны. Чем она короче, тем в ней больше заключено энергии, тем выраженнее эффект. В основе действия лежат те или иные химические и физические изменения, происходящие в клетках микроорганизмов и в окружающей среде. Изменения могут быть вызваны только поглощенными лучами, следовательно, большое значение имеет проникающая способность лучей.

К электромагнитным излучениям с разной длиной волн относятся: ионизирующие излучения (космические, рентгеновские лучи и радиоактивные излучения), ультрафиолетовые лучи, видимый свет, радиоволны.

Ионизирующие излучения. К ним относятся космические, рентгеновские лучи и радиоактивные излучения (а-, (3-, у-лучи), возникающие при распаде радиоактивных элементов. Это наиболее коротковолновые лучи, обладающие высокой проникающей способностью.

Эффект воздействия ионизирующих излучений на микроорганизмы зависит от дозы облучения (количества поглощенной энергии). В малых дозах эти лучи оказывают стимулирующее действие — повышают интенсивность жизненных процессов. Повышение дозы приводит к возникновению мутаций, а дальнейшее ее увеличение — к гибели. Микроорганизмы по сравнению с высшими организмами менее чувствительны к ионизирующим излучениям и погибают при дозах облучения, в сотни и тысячи раз превосходящих смертельную дозу для животных.

Губительное действие ионизирующих излучений обусловлено рядом факторов. Они вызывают радиолиз воды в клетках и субстратах. При этом образуются свободные радикалы, атомарный водород, перекиси. Эти соединения, обладая высокой химической активностью, вступают во взаимодействие с другими веществами и вызывают большое число химических реакций, не свойственных нормально функционирующей клетке. В результате происходит глубокое нарушение обмена веществ, разрушаются ферменты, изменяются внутриклеточные структуры. Особой чувствительностью обладает ДНК, что и приводит к мутациям. В субстратах накапливаются токсичные для микроорганизмов вещества, которые угнетают их развитие.

Устойчивость различных микроорганизмов к излучению этих видов неодинакова. Наиболее чувствительны грамотрицательные бактерии (например, кишечная палочка, протей, сальмонеллы — возбудители пищевых отравлений, гнилостные бактерии рода Pseudomonas — возбудители порчи рыбных и мясных продуктов). Слабой устойчивостью отличаются психрофильные бактерии. Более резистентны грамположительные бактерии, особенно некоторые микрококки и споры бактерий родов Bacillus и Clostridium, которые в 10-12 раз устойчивее, чем вегетативные клетки. Радиоустойчивость мицелиальных грибов и дрожжей некоторых видов к ионизирующим излучениям приближается к таковой бактериальных спор.

Ионизирующие излучения, особенно у-лучи, нашли широкое применение в медицине для обеззараживания воды. В пищевой промышленности обработке низкими дозами у-облучения подвергают, например, поверхности упакованного хлеба, ягод, скоропортящихся плодов, картофеля, мяса, рыбы с целью частично уничтожить микроорганизмы в продуктах.

Установлено, что микроорганизмы способны восстанавливать лучевые повреждения. Темп и характер репарации определяются видовыми особенностями микроорганизмов, их физиологическим состоянием, а также величиной поглощенной дозы и мощностью дозы у-излучения.

В настоящее время диапазон использования ионизирующих излучений все расширяется. Так, их применяют для задержки прорастания картофеля и овощей, дезинфекции зерна и зернопродуктов, сухофруктов; ускорения или замедления созревания плодов и в других целях.

Наиболее приемлемы для этих целей у-лучи, обладающие наибольшей проникающей способностью и не вызывающие при облучении появления в продукте «наведенной» радиации.

Источником излучения для радиационной обработки продуктов служат преимущественно радиоактивные изотопы 60Со и 137Cs.

При обработке пищевых продуктов радиобиологический эффект зависит от состава микрофлоры, ее численности, химического состава и агрегатного состояния продукта, поглощенной дозы и мощности дозы.

Применительно к радиационной обработке МАГАТЭ1 предложены специальные термины: радисидация (4—6 кГр), радуризация (6—10 кГр) и радаппертизация (10—50 кГр).

Радисидация — это обработка пищевых продуктов в дозах, достаточных для гибели патогенных для человека микроорганизмов. Радуризацию применяют для снижения численности микроорганизмов, вызывающих порчу и потери массы пищевых продуктов, радаппертизацию — для промышленной стерилизации пищевых продуктов в условиях, исключающих повторное инфицирование микроорганизмами.

По решению Объединенного комитета экспертов, ряда международных организаций (МАГАТЭ, ФАО, ВОЗ[1] [2]), в облученных пищевых продуктах не должно быть патогенных микроорганизмов и микробных токсинов, а также токсичных веществ, которые могут образовываться в результате облучения.

Международными организациями утвержден перечень пищевых продуктов, которые разрешено подвергать радиационной обработке. В нашей стране в каждом отдельном случае разрешение выдают органы здравоохранения. В необходимых случаях, чтобы повысить эффект, облучение можно сочетать с другими факторами (холодом, нагреванием, химическими консервантами и др.).

В нашей стране проведение радиационной обработки продуктов в настоящее время сдерживается отсутствием достаточного количества стационарных и передвижных установок, а также специалистов нужной квалификации для управления этой новой технологией хранения пищевых продуктов. Кроме того, нельзя не принимать во внимание и определенную настороженность потребителя к облученным продуктам.

Ультрафиолетовые лучи. Действие Уф-лучей на микроорганизмы сходно с таковым ионизирующих излучений: они вызывают либо гибель, либо мутации микроорганизмов в зависимости от вида микроорганизмов, дозы и продолжительности облучения.

В очень малых дозах облучение оказывает стимулирующее действие на отдельные функции микроорганизмов. В более высоких, но не приводящих к гибели дозах вызывают торможение отдельных процессов обмена, изменение свойств микроорганизмов, вплоть до наследственных. 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 клеток. При дозе ниже смертельной возможно восстановление (реактивация) нормальной жизнедеятельности микроорганизмов.

Наименее устойчивы к УФ-лучам бактерии, особенно патогенные. Среди неспороносных особенно чувствительны к облучению бактерии, выделяющие в окружающую среду пигменты (например, гнилостные бактерии Preudomonas fluorescens). Другие микроорганизмы, содержащие каротиноидные пигменты (бактерии, дрожжи), весьма устойчивы к действию УФ-лучей, поскольку эти пигменты поглощают УФ-лучи, чем обусловливают защитные свойства микроорганизмов.

Споры бактерий значительно устойчивее к действию УФ-лучей, чем вегетативные клетки; чтобы убить споры, требуется в 4—5 раз больше энергии. Конидии грибов более устойчивы, чем мицелий.

Микроорганизмы погибают при облучении их УФ-лучами с короткой длиной волны (250—260 нм). Это объясняется тем, что УФ- лучи воздействуют, с одной стороны, непосредственно на клетки, а с другой стороны — на субстрат. В облучаемой среде могут образоваться вещества (пероксид водорода, озон), губительно действующие на микроорганизмы. УФ-лучи адсорбируются важнейшими веществами клетки — белками, ДНК и РНК — и вызывают в них химические изменения, ведущие к повреждению клетки. Так, летальный эффект УФ-лучей с длиной волны около 260 нм объясняется тем, что именно в этой области лежит максимум их поглощения молекулами ДНК и РНК.

УФ-лучи применяют для дезинфекции воздуха в медицинских и производственных помещениях, в холодильных камерах, для обеззараживания производственного оборудования, упаковочных материалов, тары. При обработке воздуха в течение 6 ч погибает до 80% микроорганизмов. УФ-лучи могут быть использованы, чтобы предотвратить попадание микроорганизмов извне при розливе, фасовании, упаковывании пищевых продуктов, медицинских препаратов.

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.

Применение УФ-облучения с целью стерилизации пищевых продуктов ограничено вследствие его невысокой проникающей способности, позволяющей обеспложивать только поверхность продуктов (например, поверхность упакованного хлеба). Тем не менее известно, что облучение охлажденных мяса, мясопродуктов удлиняет срок их хранения в 2—3 раза.

Некоторые продукты (например, сливочное масло, молоко) стерилизовать УФ-лучами нельзя, так как в результате облучения ухудшаются вкусовые и пищевые свойства продуктов. УФ-лучи успешно применяют для дезинфекции питьевой воды.

Лазерное излучение. Это излучение представляет собой фокусированное в виде пучка электромагнитное излучение в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового спектра. Оно обладает очень большой энергией и способно оказывать сильное биологическое действие. Излучение этого вида получают при помощи технических устройств — лазеров (оптических квантовых генераторов).

Под влиянием лазерного излучения повышается температура биологических тканей, происходят коагуляция белков и разрушение клеток. Повреждающее действие зависит от длины волны, длительности импульсов, мощности излучения, а также свойств и структуры облучаемых объектов.

В настоящее время влияние этого рода излучений на микроорганизмы изучено еще мало. Проведенные исследования показывают, что реакция на лазерное излучение у микроорганизмов различных видов может различаться значительно, при этом споры более устойчивы, чем вегетативные клетки. Выявлено, что ультрафиолетовый спектр лазерного излучения обладает более высоким антимикробным действием, чем синий и красный.

В зависимости от природы спектра, мощности излучений и продолжительности облучения можно получить как стимулирующий, так и повреждающий (подавление роста) и летальный эффекты.

Это направление использования лазерного излучения представляет теоретический и практический интерес.

Видимый свет. Свет необходим только фотосинтезирующим клеткам, использующим световую энергию в процессе ассимиляции диоксида углерода. 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 мицелиальных грибов при постоянном отсутствии света нарушается: хорошо развивается только мицелий, а спорообразование тормозится.

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

Радиоволны. Это электромагнитные волны с различной длиной волны: короткие волны (ВЧ) длиной от 10 до 50 м и ультракороткие (УВЧ) длиной от нескольких миллиметров до Юм, губительно действующие на микроорганизмы. При прохождении коротких и ультракоротких радиоволн через среду возникают переменные токи высокой и сверхвысокой (СВЧ) частоты, в результате чего среда быстро нагревается до высокой температуры, и микроорганизмы погибают вследствие повреждения клеточных структур под влиянием высоких температур. Однако механизм действия СВЧ- энергии на микроорганизмы еще окончательно не раскрыт.

В СВЧ-поле объект нагревается быстро и равномерно и сразу во всех точках объема. Так, стакан воды закипает за 2—3 с, 1 кг рыбы варится в течение 2 мин, 1 кг мяса — 2,5 мин, курица — 6—8 мин.

СВЧ-энергия является перспективным способом тепловой обработки пищевых продуктов и может использоваться для пастеризации и стерилизации фруктовых соков, компотов, варки, сушки, разогрева, выпечки продукции. Разработаны СВЧ-установки периодического и непрерывного действия.

При СВЧ-нагревании наиболее полно сохраняются вкусовые и питательные свойства пищевых продуктов, а воздействие на микрофлору по сравнению с традиционными способами термической обработки практически одинаково.

Некоторые исследователи полагают, что электромагнитные волны оказывают специфические эффекты. Установлено, что СВЧ- поля малой интенсивности, не вызывающей нагревания среды, активируют некоторые физиологические и биохимические свойства бактериальных клеток.

Сверхвысокочастотную электромагнитную обработку пищевых продуктов все шире применяют в пищевой промышленности и общественном питании (для варки, сушки, выпечки, при разогревании и др.).

Ультразвук. Ультразвуки (УЗ) — это механические колебания с частотами выше 20 000 Гц[3] (20 кГц), что находится за пределами частот, воспринимаемых человеком.

УЗ-волны распространяются в твердых, жидких и газообразных средах, несут большой запас механической энергии и вызывают ряд физических, химических и биологических изменений. УЗ-волны вызывают кавитацию — образование мелких разрывов, принимающих форму пузырьков, под действием сил поверхностного натяжения жидкости. В момент захлопывания кавитационного пузырька возникает мощная гидравлическая ударная сила, оказывающая значительное разрушительное действие.

УЗ-колебания ускоряют многие химические реакции, вызывают распад высокомолекулярных соединений, коагуляцию белков, инактивацию ферментов и токсинов, могут привести к разрыву клеточной стенки и, иногда, к разрушению внутриклеточных структур. Летальное действие УЗ начинает проявляться при интенсивности 0,5—1 Вт/см2 и частоте колебаний порядка десятков килогерц.

Среди микроорганизмов бактерии более чувствительны к действию УЗ, чем дрожжи; причем УЗ легче вызывает гибель палочковидных форм бактерий, чем шаровидных. Споры бактерий более устойчивы, чем вегетативные клетки.

Ультразвуковое воздействие при определенных условиях приводит к ускорению биологических процессов. Так, в последнее время в научно-технической литературе стали появляться сведения об активирующем действии при обработке микроорганизмов ультразвуковыми колебаниями определенной частоты.

УЗ-волны находят применение для стерилизации жидких пищевых продуктов (молока, фруктовых соков, вин), воды, для мойки и стерилизации стеклянной тары. При обработке с помощью УЗ- волн плотных пищевых продуктов в целях их стерилизации происходит не только уничтожение микроорганизмов, но и повреждение молекул самого сырья.

  • [1] МАГАТЭ — Международное агентство по атомной энергии при ООН.
  • [2] ФАО — Продовольственная и сельскохозяйственная организация при ООН, ВОЗ — Всемирная организация здравоохранения при ООН.
  • [3] Герц (Гц) — единица частоты колебаний. 1 Гц = 1 с-1 (одно колебание в секунду); интенсивность УЗ-волн определяется количеством энергии, приходящейся на единицу площади за единицу времени.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >