Энергия электромагнитных излучений.

Воздействие на микроорганизмы различных форм лучистой энергии, представляющих собой электромагнитные колебания с различной длиной волны, проявляется по-разному. Биологическое действие излучений зависит от длины волны. Чем она короче, тем в ней больше заключено энергии, тем сильнее воздействие на организм. В основе действия лежат те или иные химические и физические изменения, происходящие в клетках микроорганизмов и в окружающей среде. Изменения могут быть вызваны только поглощёнными лучами. Следовательно, для эффективности облучения 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.

К ионизирующим излучения м относятся космические, рентгеновские лучи и радиоактивные излучения (a-, b-, g - лучи), возникающие при распаде радиоактивных элементов. Они имеют наиболее короткую длину волны и обладают высокой проникающей способностью.

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

Губительное действие ионизирующих излучений обусловлено рядом фактов. 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 возникает большое количество химических реакций, не свойственных нормально живущей клетке. В результате наступает глубокое нарушение обмена веществ, разрушаются ферменты, изменяются внутриклеточные структуры. Особой чувствительностью обладает ДНК, что и приводит к мутациям. В субстратах накапливается токсичное для микроорганизмов вещества, которые угнетают их развитие.

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

Ионизирующие излучения, особенно g-лучи, нашли широкое применение в медицине для обеззараживания воды. В пищевой промышленности используется обработка продуктов низкими дозами g-облучения, например, например, обработка поверхности упакованного хлеба, ягод, скоропортящихся плодов, картофеля, мяса, рыбы с целью частичного уничтожения микроорганизмов в продуктах.

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

В настоящее время диапазон использования ионизирующих излучений всё расширяется. Так, их используют 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 g-лучи, обладающие наибольшей проникающей способностью и не вызывающие при облучении появления в продукте «наведённой» радиации.

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

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

Применительно к радиационной обработке МАГАТЭ предложены специальные термины: радисидация (4-6кГр), радуризация (6-10кГр) и радаппертизации (10-50кГр).

Радисидация - это обработка пищевых продуктов в дозах, достаточных для гибели патогенных для человека микроорганизмов. Радуризация применяется для снижения численности микроорганизмов, вызывающих порчу и потери массы пищевых продуктов. Радаппертизация осуществляется для промышленной стерилизации пищевых продуктов в условиях, исключающих повторение инфицирование микроорганизмами.

По решению Объединённого комитета экспертов, ряда Международных организаций (ФАО, МАГАТЭ¹, ВОЗ²)в облучённых пищевых продуктах не

должно быть патогенных микроорганизмов и микробных токсинов, а также токсических веществ, которые могут образовываться в результате облучения.

Международными организациями утверждён перечень пищевых продуктов, которые разрешено подвергать радиационной обработке. В нашей стране в каждом отдельном случае разрешение выдают органы здравоохранения. В необходимых случаях для повышения эффекта облучения можно сочетать с другими факторами воздействия (холодом, нагреванием, химическими консервантами и др.).

В нашей стране проведение в настоящее время радиационной обработки продуктов сдерживается отсутствием достаточного количества стационарных и передвижных установок, а также специалистов нужной квалификации для

_{1 МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии при ООН.}

_{2 ВОЗ - Всемирная организация здравоохранения при ООН, ФАО Продовольственная и сельскохозяйственная организации при ООН}.

управления этой новой технологией хранения пищевых продуктов. Кроме того, нельзя не принимать во внимание и определённую настороженность

потребителя к облучённым продуктам.

Действие ультрафиолетовых лучей (Уф-лучей) на микроорганизмы сходно с ионизирующими излучениями: они вызывают либо гибель, либо мутации микроорганизмов в зависимости от вида микроорганизмов, дозы и продолжительности облучения.

Очень малые дозы облучения оказывают стимулирующее действие на отдельные функции микроорганизмов. Более высокие, но не приводящие к гибели дозы 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. 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 внутри клеток каротиноидные пигменты (бактерии, дрожжи), весьма устойчивы к действию УФ-лучей, поскольку каротиноидные пигменты поглощают УФ-лучи и 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.

Гибель микроорганизмов происходит 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 (перекись водорода, озон), губительно действующие на микроорганизмы. УФ-лучи адсорбируются важнейшими веществами клетки - белками, ДНК и РНК - и вызывают их химические изменения, повреждающие клетку. Так, летальный эффект УФ-лучей с длиной волны около 260 нм объясняется тем, что именно в этой области лежит максимум поглощения УФ-лучей молекулами ДНК и РНК.

УФ-лучи применяется для дезинфекции воздуха в медицинских и производственных помещениях, в холодильных камерах, для обеззараживания производственного оборудования, упаковочных материалов, тары. Обработка воздуха в течение 6 ч уничтожает до 80% микроорганизмов. УФ-лучи могут быть использованы для предотвращения попадания микроорганизмов извне при розливе, фасовке, упаковке 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 их невысокой проникающей способности, позволяющей обеспложивать только поверхность продуктов (например, поверхность упакованного хлеба). Тем не менее, известно, что облучение охлаждённых мяса, мясопродуктов удлиняет срок их хранения в 2-3 раза.

Для некоторых продуктов (например, для сливочного масла, молока) стерилизация УФ-лучами неприемлема, так как в результате облучения ухудшаются вкусовые и пищевые свойства продуктов. УФ-лучи успешно применяются для дезинфекции питьевой воды.

Лазерное излучение представляет собой фокусированное в виде пучка электромагнитное излучение в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового спектров. Оно обладает очень большой энергией и способно вызывать сильное биологическое воздействие. Этот вид излучения получают при помощи технических устройств - лазеров - оптических квантовых генераторов.

Под влиянием лазерного излучения повышается температура биологических тканей, происходит 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 ещё мало. Проведённые исследования показывают, что реакция на воздействие лазерного излучения у различных видов микроорганизмов 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.

Свет необходим только для фотосинтезирующих микробов, использующих световую энергию в процессе ассимиляции углекислого газа. 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 протекает ненормально: хорошо развивается только мицелий, а спорообразование тормозится.

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

Радиоволны. Короткие электромагнитные волны длиной от 10 до 50 м ультракороткие длиной от 10 м до миллиметров обладают стерилизующим эффектом. Это объясняется тем, что при прохождении коротких и ультрарадиоволн через среду, возникают переменные токи высокой (ВЧ) и сверхвысокой (СВЧ) частоты. В электромагнитом поле электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Характер нагревания в СВЧ-поле отличается от характера нагрева при обычных способах и обладает рядом преимуществ: объект нагревается быстро и равномерно и сразу во всех точках объёма. Так, в СВЧ-поле 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.

Вызывая нагревание среды, СВЧ-поле действует губительно на микроорганизмы. При этом основной причиной гибели микроорганизмов является повреждение клетки под влиянием высоких температур. Однако механизм действия СВЧ-энергии на микроорганизмы ещё окончательно не раскрыт.

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

Быстрота СВЧ-нагревания обеспечивает наиболее полное сохранение вкусовых и питательных свойств пищевых продуктов, а эффект воздействия на их микрофлору по сравнению с традиционными способами тепловой обработки практически одинаков.

Некоторые исследователи считают, что существует специфическое воздействие электромагнитных волн. Установлено, что СВЧ-поля малой интенсивности, не вызывающей нагревания среды, активируют некоторые физиологические и биохимические свойства микробных клеток.

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

Ультразвук

Ультразвуки (УЗ)¹ - это механические колебания с частотами выше 20000 Гц²(20 кГц), что находится за пределами частот, воспринимаемых человеком.

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

Среди микроорганизмов бактерии более чувствительны к действию УЗ, чем дрожжи; причём УЗ легче вызывает гибель палочковидных форм бактерий, чем шаровидных.

Механизм действия УЗ на микроорганизмы недостаточно изучен. Споры бактерий более устойчивы, чем вегетативные клетки. Основной причиной гибели микроорганизмов, очевидно, является особый эффект, называемый кавитацией. При прохождении через жидкость УЗ-волн_., в ней образуются мелкие разрывы, которые под действием сил поверхностного натяжения жидкости принимает форму пузырьков. В момент захлопывания кавитационного пузырька возникает мощная гидравлическая ударная волна, обладающая сильным разрушительным действием.

Практическое использование УЗ-волн с целью стерилизации эффективно в основном для жидких пищевых продуктов (молока, фруктовых соков, вин), воды, для мойки и стерилизации стеклянной тары. При обработке с мощностью УЗ-волн плотных пищевых продуктов с целью их стерилизации происходит не только уничтожение микроорганизмов, но и повреждение молекул самого сырья.

----------------------------------------------------------------------------------------------------

._{1 МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии при ООН.}

_{2 ВОЗ - Всемирная организация здравоохранения при ООН, ФАО Продовольственная и сельскохозяйственная организации при ООН}.

4.1.7. А нтимикробные химические вещества

Кроме питательных химических веществ, оказывающих положительное влияние на микроорганизмы, имеется ряд химических веществ, тормозящих или полностью прекращающих их рост. Химические вещества вызывают либо микробоцидное (гибель микроорганизмов), либо микробостатическое действие (приостанавливают их рост, но после удаления этого вещества рост вновь возобновляется). Характер действия (микробоцидный или микробостатический) зависит от дозы вещества, времени его воздействия, также температуры и рН. Малые дозы антимикробных веществ часто стимулирует развитие микроорганизмов. С повышение температуры токсичность многих антимикробных веществ, как правило, возрастает. Температура влияет не только на активность самого химического вещества, но и на микроорганизмы. При температурах, превышающих максимальную для данного микроорганизма, даже небольшие дозы таких веществ вызывают их гибель. Аналогичное действие оказывает и рН среды.

К различным антимикробным веществам один и тот же микроорганизм проявляет разную степень устойчивости. Одно и то же вещество может оказывать неодинаковое действие на различные виды микроорганизмов - одни вызывают быструю гибель, другие приостанавливают их развитие, третьи могут вообще не оказывать действие. Это зависит от наличия спор и капсул, устойчивых к химическим веществам. Антимикробные вещества значительно сильнее действуют на вегетативные клетки, чем на споры.

Из неорганических веществ сильным антимикробным действием обладают соли тяжёлых металлов (ртути, меди, серебра), окислители - хлор, озон, йод, пероксид водорода, хлорная известь, перманганат калия), щёлочи и кислоты (едкий натр, сернистая, фтороводородная, борная кислоты), некоторые газы (сероводород, оксид углерода, сернистый, углекислый газ). Вещества органической природы (спирты, фенолы, альдегиды, особенно формальдегид) также оказывают губительное действие на микроорганизмы.

Механизм губительного действия антимикробных веществ различен и зависит от их химической природы. Например, спирты, эфиры растворяют липиды ЦМП, вследствие чего они легко проникают в клетку и вступают во взаимодействие с различными её компонентами, что нарушает нормальную жизнедеятельность клетки. Соли тяжёлых металлов, формалин вызывает быструю коагуляцию белков цитоплазмы, фенолы - инактивацию дыхательных ферментов, кислоты и щёлочи - гидролиз белков. Хлор и озон, обладающие сильным окислительным действием, также инактивируют ферменты. Антимикробные химические вещества используют в качестве дезинфицирующих средств и антисептиков.

Дезинфицирующие вещества вызывают быструю (в течение нескольких минут) гибель микроорганизмов, они более активны в средах, бедных органическими веществами, уничтожают не только вегетативные клетки, но и споры. Они не вызывают появления устойчивых форм микроорганизмов. Микробоцидное действие антисептиков, в отличие от дезинфектантов, проявляется через 3 ч и более. Наибольшая активность проявляется в средах, содержащих органические вещества. Антисептики уничтожают только вегетативные клетки и вызывают образование устойчивых форм микроорганизмов.

Такие антимикробные вещества, как фенолы, хлорамин, формалин, в больших концентрациях (2-5%) являются дезинфектантами, но их растворы, разбавленные в 100-1000 раз, могут быть использованы как антисептики. Многие антисептики используют в качестве консервантов пищевых продуктов (сернистая, бензойная, сорбиновая кислоты, юглон, плюмбагин и др.).

Дезинфицирующие вещества в пищевой промышленности используются, как правило, для обработки рабочих поверхностей аппаратов и другого технологического оборудования, инвентаря, тары, посуды и помещений. В пищевой промышленности можно применять лишь такие препараты, которые не оказывают токсического действия на организм человека, не имеют запаха и вкуса. Кроме того, они должны обладать антимикробным действием при нормальной концентрации, растворяться в воде и быть эффективными при небольших сроках действия. Большое значение имеет также их стойкость при хранении. Препараты не должны оказывать разрушительного действия на материал оборудования, должны быть дешёвы и удобны транспортирования.

Для обработки оборудования на предприятиях пищевой промышленности в основном применяется хлорсодержащие вещества, дезинфицирующее действие которых обусловлено выделением активного хлора. Обычно для дезинфекции применяют растворы, содержащие 150-200 мг активного хлора в 1 дм³. Наиболее уязвимые в микробиологическом отношении места обрабатывают растворами, содержащими 400 мг активного хлора в 1 дм³. Продолжительность обработки оборудования должна быть не менее 15 мин. К неорганическим хлоросодержащим дезинфицирующим веществам относятся: хлорная известь, антиформин (смесь хлорной извести, кальцинированной и каустической соды), гипохлорит натрия; к органическим - хлорами Б, новые синтетические препараты (дихлордиметилгидантоин) и сложные комбинации новых хлорактивных соединений с поверхностно-активными веществами (например, сульфохлорантин, обладающий одновременно смачивающим, моющим и высоким антимикробным эффектом). В качестве дезинфектантов применяют также формалин (водный раствор формальдегида), известковое молоко, кальцинированную и каустическую соду.

Высокой антимикробной активностью в малых дозах обладают органические синтетические дезинфектанты - так называемые четвертичные аммониевые соединения. Их преимущество перед существующими антимикробными средствами заключается в том, что они хорошо растворимы в воде, не имеют запаха, вкуса, малотоксичный для организма человека, не вызывают коррозии металлов, не раздражают кожи рук персонала. Среди отечественных препаратов этой группы можно назвать цетозол и катамин-АБ. Механизм действия этого класса соединений на микроорганизмы ещё не совсем ясен. Предполагают, что они повреждают клеточную стенку бактерий, в результате чего резко возрастает проницаемость клетки, происходит денатурация белков, инактивация ферментных систем и лизис (растворение) микроорганизмов.

Сильным микробоцидным действием обладают многие газообразные вещества (формальдегид, сернистый ангидрид, окись этилена и -пропиолактон).

При применении дезинфектантов для обработки оборудования необходимо соблюдать следующие общие правила: применять их только после тщательной механической мойки оборудования; растворы дезинфектантов должны быть свежеприготовленными; после дезинфекции всё обработанное оборудование и коммуникации тщательно промывают до полного удаления дезинфектанта.

Питьевую воду, а также воду промышленную назначения обычно обеззараживают разнообразными путями - с помощью сильных окислителей (большое количество воды - хлором, малое - соединениями хлора, йодом, ионами тяжёлых металлов), путём озонирования, облучения ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 200-295 нм, обработки гамма-излучением, ультразвуком.

Для дезинфекции воздуха наиболее часто применяют хлорсодержащие препараты и триэтиленгликоль в виде их испарений или аэрозолей. Указанные дезинфектанты снижают общее количество микроорганизмов в воздухе более чем на 90%. Хорошие результаты для обеззараживания воздуха производственных цехов и холодильных камер даёт озонирование и ультрафиолетовое облучение. Периодическое применение физических (вентиляция, фильтрование) и химических способов дезинфекции, очистки и обеззараживания воздуха и сочетание их с влажной уборкой помещений позволяет значительно понизить бактериальную обсемененность воздуха производственных и бытовых помещений.

 

Биотические факторы

В естественных условиях обитания, в том числе и на пищевых продуктах, совместно развиваются различные микроорганизмы. В процессе эволюции возникли и сформировались различные формы взаимоотношений микроорганизмов друг с другом, а также с растениями, животными и человеком.

При симбиозе (совместном существовании) микроорганизмы оказывают воздействие в основном в результате влияния продуктов своей жизнедеятельности, которые могут проявлять либо благоприятное (например, витамины), либо губительное (например, антибиотики, токсины) воздействие.

Формы симбиотических взаимоотношений чрезвычайно разнообразны. Их можно разделить на две группы: ассоциативные (благоприятствующие) и антагонистические (конкурентные) взаимоотношения.