Эффективность асептической обработки зерна при облучении монохроматическим и широкополосным УФ излучением в отношении микробиоты зерна
Введение
Зерно является благоприятным субстратом для развития микроорганизмов, из которых наиболее опасными с гигиенической и технологической точки зрения являются микроскопические (плесневые) грибы. Заселение зерна грибной флорой начинается еще в период его формирования в поле, источником инфекции является само растение, растительные остатки, почва, воздух, осадки.
При созревании зерно поражается преимущественно «полевыми» грибами родов Alternaria, Cladosporium, Helmintosporium, Fusarium и пр. В умеренных количествах эти организмы не оказывают существенного влияния на состояние зерна и его качество. При интенсивном развитии полевые грибы вызывают ряд заболеваний (черный зародыш, оливковая плесень, розовые зерна у ржи, фузариоз колоса зерновых), в разной степени ухудшающих качество зерна. Фузариоз колоса сопровождается загрязнением зерна микотоксинами (дезоксиниваленол, зеараленон и их производные, Т-2 токсин, фумонизины) [1].
При хранении наблюдается изменение видового состава микофлоры – полевые грибы сменяются грибами хранения. В этом процессе решающую роль играют условия хранения (влажность, температура, аэрация, засоренность и травмированность зерна). Основными представителями микофлоры в этот период являются грибы родов Aspergillus, Penicillium, Mucor и Rhizopus. Развитие этих видов приводит к заметному ухудшению жизнеспособности, качества и технологических свойств зерна. Наблюдается распад белков, гидролиз крахмала и липидов, изменение ферментного баланса зерна.
Получить качественную муку и хлеб из пораженного зерна практически невозможно. Помимо этого, такое зерно может быть загрязнено микотоксинами, такими как афлатоксины В и G, охратоксин А, койевая и пеницилловая кислота и др., что представляет серьезную угрозу для здоровья человека и животных. Стерилизация зерна позволяет не только защитить от рисков загрязнения или дальнейшей порчи его, но и снизит физиологическую активность живых компонентов зерновой массы.
УФ-излучение относится к безреагентным физическим методам асептической обработки продуктов, благодаря известному биоцидному, спороцидному и фунгицидному действию на патогенную микрофлору. УФ-излучение используется более 100 лет для целей обеззараживания (для обработки продуктов первая работа относится к 1930 г.).
Наиболее распространенными и эффективными источниками УФ-излучения, используемых в экологической технике, на сегодняшний день являются ртутные лампы низкого давления (РЛНД), обладающие высоким КПД излучения – 60 % и монохроматическим спектром излучения с максимальным выходом в линии 253,7 нм до 80 % от всего излучения. Ресурс ламп достигает 8000 часов, а для новых типов (амальгамных) – 12000 часов.
Однако такие лампы обладают рядом недостатков, которые не позволяют обеспечить эффективную обработку продуктов. Особенно в процессе движения, когда время обработки является критическим фактором. РЛНД имеют низкий выход излучения с единицы площади поверхности – от 1 Вт до 3Вт (для амальгамных ламп) с 1 см длины, что требует создания протяженной линии участка облучения для обеспечения необходимого уровня обеззараживания продукта.
Низкая интенсивность излучения и монохроматический спектр излучения могут приводить к фотореактивации микроорганизмов и в конечном счете снижать эффективность обеззараживания.
Еще одним недостатком для ламп являются требования к температурному режиму работы – эффективность излучения зависит от температуры окружающего воздуха, а для выхода на режим необходимо время для разогрева.
Увеличение давления ртути в лампе для повышения выхода излучения в УФ области спектра (ртутные лампы среднего и высоко давления) не эффективно, т.к. снижается КПД излучения в УФ области спектра, а сам спектр излучения близок к сплошному, где излучение в УФ 5-10 %, и снижается на порядок срок службы лампы (500-100 часов, по сравнению с 8000 -13000 часов у РЛНД).
Современной альтернативой ртутным лампам являются высокоинтенсивные импульсные источники излучения (ИИИ). Принцип действия ИИИ для обеззараживания основан на облучении объектов импульсным излучением микросекундной длительности сплошного спектра (200-1000 нм). Высокая интенсивность излучения достигается за счет электрического разряда энергии, накопленной в конденсаторе, в лампе в короткий промежуток времени. Это позволяет обеспечить ионизацию ксенона в лампе и достичь высоких яркостных характеристик излучающей плазмы.
Хотя КПД излучения в УФ области (200-300 нм.) спектра ИИИ не превышает 15%, суммарный выход излучения остается высокий по сравнению с ртутными лампами, благодаря высокой плотности энергии излучаемой с поверхности лампы (до 105 Вт/см2).
В текущей работе представлены результаты исследования эффективности воздействия УФ-излучения по отношению к споровым формам грибов, присутствующих на зерне. Основная задача исследования оценить возможность УФ асептической обработки зерна при его динамическом движении в области облучения.
Источники УФ излучения
Монохроматический источник излучения: ртутная лампа низкого давления LMPHGS120 производства Sanuvox US INC (https://sanuvox.com), внутренний диаметр колбы лампы 20 мм, межэлектродное расстояние 220 мм, мощность лампы в УФ (253,7 нм) 3,27 Вт. (данные получены трехканальным УФ-радиометром «ТКА-ПКМ» (производитель НТК «ТКА» http://www.tkaspb.ru/main), лампа относится к серии FoodSafe и снабжена покрытием TEFLON®, что обеспечивает защиту от попадания содержимого ламп на производственную линию в случае повреждения лампы.
Широкополосный источник излучения: импульсная ксеноновая лампа ИНП7/120 (производства компании ООО «Зенит Трейдинг» http://www.znt.ru) (внутренний диаметр 7 мм, межэлектродное расстояние 120 мм). Спектр излучения лампы 200-1100 нм, мощность излучения лампы в диапазоне 235-285 нм – 7 Вт. Питание лампы осуществляется импульсным блоком питания «Бетта-one» мощностью 300 Вт, частота следования импульсов 2 Гц. Блок питания «Бетта-one» разработан в лаборатории ЭМ4.3 НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Экспериментальный стенд
Стойка с закрепленными в ней лампами (на рисунках показаны импульсные ксеноновые лампы, расположение ртутных ламп аналогично) (поз. 4, рис. 1), лампы (поз. 2, рис. 1) расположены параллельно друг другу, над лампами расположены Г-образные металлические гнутые профили (поз. 5, рис. 1) таким образом, что угол сгиба профиля расположен над лампой, между краями соседних профилей расстояние 4 мм, в которое просыпается зерно в емкость (поз. 7. рис. 1). Расстояние между профилями выбиралось из условия просыпания зерна в один слой. Стойка изготовлена в ООО «АЛЬФА Инвест Инжиниринг».
Схема эксперимента: зерно пшеницы 500 г засыпалось в емкость (поз. 6, рис 1), подавалось питание на УФ-источники излучения, используемые в текущем эксперименте. Зерно из емкости равномерно просыпалось между профилями в щель (поз. 7, рис. 1), скорость просыпания зерна из емкости была такая, чтобы обеспечить отсутствие скопления зерна между профилями и соответствующий его нагрев (при работе импульсных ламп), расстояние от ламп до основания емкости сбора зерна 50 см. После однократного просыпания и облучения всего зерна установки выключались, зерно собиралось в емкость и процесс облучения при просыпании зерна повторялся. Таких повторов 10. Затем половина зерна (250 г) отсыпалась в отдельный пакет и запаковывалась для дальнейшего микробиологического анализа. Оставшиеся 250 г зерна подвергали еще раз 10-ти кратному облучению (20 проходов суммарно) по методике, приведенной выше. После, эти 250 г зерна также упаковывались для дальнейшего анализа.
Для анализа эффективности воздействия излучения, исходя из формы зерна и динамики его движения в воздухе, предполагаем, что зерно не изменяет положение в пространстве в процессе падения и каждая сторона зерна подвергается облучению только от одной лампы, к которой обращена данная сторона зерна.
Средняя облученность на поверхности зерен в пространстве вдоль траектории падения от используемых в эксперименте источников УФ (в заданных диапазонах) за один проход будет 4,0·10-3+0.5·10-3 Вт/см2 . Облученность на поверхности основания (на 50 см от лампы) составляет ~ 0,3·10-3 Вт/см2.
Результаты экспериментов
Оценка эффективности обработки УФ-излучением различного спектра проводился в соответствии с ГОСТ Р 51278-99 «Зерновые, бобовые и продукты их переработки. Определение количества бактерий, дрожжевых и плесневых грибов».
Анализ таблиц показывает, что использование широкополосного УФ-излучения при одинаковой плотности мощности обеспечивает на порядок больше снижение обсемененности зерна микроорганизмами. Использование широкополосного излучения имеет преимущество при использовании тех же габаритов устройства – эффективность обеззараживания от микробиоты зерна на порядок выше по сравнению с облучением монохроматическим излучением (табл. 1, 2). Полученные данные по дозовым характеристикам для импульсной ксеноновой лампы согласуются с данными полученными другими исследователями [2].
Вывод по результатам экспериментов
Использование УФ излучения позволяет эффективно обеззараживать контаминированное микроорганизмами зерно в процессе его движения. Прототип установки для асептической обработки зерновых продуктов от плесневелых грибов (патент № 2620831 «МОДУЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЫПУЧИХ ЗЕРНОВЫХ ПРОДУКТОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ») представлен на рисунке 3. Расчетная производительность 1600 кг/час: при использовании 15 ламп и 3 секции перпендикулярных друг другу, мощность установки 3900 Вт при использовании ламп типа ИНП 7/120 (расчетная эффективность >90%) и 330 Вт при использовании ламп типа LMPHGS120 (расчетная эффективность 67%).
Список литературы
1. Львова Л.С., Яицких А.В. Переработка зерна пшеницы, пораженного фузариозом // Пищевая промышленность. 2013. № 8. С. 34-36.
2. Maftei N.A., Ramos-Villarroel A.Y., Nicolau A.I. et al. Pulsed light inactivation of naturally occurring moulds on wheat grain // Journal of the Science of Food and Agriculture, 2014. V. 94. Issue 4. P. 721–726.
Желаев И.А.1 , Клевакин Р.В.2 , Яицких А.В.3
1 ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», г. Москва, Российская Федерация
2 ООО «АЛЬФА Инвест Инжиниринг», г. Москва, Российская Федерация
3 Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки – филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, г. Москва, Российская Федерация e-mail: microbiolab@mail.ru
Статья опубликована в сборнике:
Радиационные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности: состояние и перспективы: сборник докладов международной научно-практической конференции, Обнинск, 26-28 сентября 2018 г. Обнинск: ФГБНУ ВНИИРАЭ, 2018. – С.266-270.