Исследование эффективности радиационной поверхностной обработки пищевой продукции низкоэнергетическим наносекундным электронным пучком

Во введении сформулированы цель и задачи исследования с обоснованием их
актуальности, сформулированы научная новизна и практическая значимость
полученныхрезультатоввобластирадиационнойобработкиППНЭПс
использованием технологии РПО; изложены защищаемые положения, приведены
сведения о структуре диссертации.
ГЛАВА 1 Аналитический обзор
В первой главе рассмотрены различные подходы к радиационной обработке
ПП и приведен анализ ускорительной техники, используемой в отрасли. Представлен
анализ микробиологического загрязнения ПП. Проанализированы различные методы
обработки ПП для инактивации патогенных бактерий и увеличения сроков хранения
(Таблица1).Проведенанализсуществующихиальтернативныхметодов
дозиметрического контроля обработанной ПП. Поставлены задачи настоящего
исследования.
ГЛАВА 2 Материалы и методы исследований
Эксперименты по облучению проводились на импульсно-периодических
наносекундных ускорителях УРТ-0.5 и УРТ-1. Для определения ПД, создаваемой
пучком электронов, использовались детекторы СО ПД(Ф)Р-5/50, а для измерения ПД
от ТИ – ТЛД-500. В качестве объектов РПО были выбраны ПП птицеводства. В
процессе обработки куриные яйца находились в пластиковых контейнерах, а куриное
мясо в пластиковых контейнерах-лотках. В опытах с куриными яйцами проводились
исследованиярадиационно-индуцированногосигналаЭПРпорошкаяичной
скорлупы. Определение глубины РПО проводили с использованием значений
экстраполированного пробега электронов. Определение пробега электронов и
распределения ПД по глубине в полиэтилене (аналоге биологической ткани)
выполнялось методом серого клина. ПД от электронного излучения измерялась
детекторами СО ПД(Ф)Р-5/50, закрытыми слоями полиэтилена различной толщины.
Во время экспериментов ускоритель УРТ-0.5 работал в режимах при зарядном
напряжении 25, 28 и 30 кВ (средняя энергия электронов E равна 500, 400, 300 кэВ
соответственно), а ускоритель УРТ-1 – 48, 40 и 30 кВ (E равна 680, 600, 520 кэВ
соответственно).
Таблица 1 – Сравнительная таблица источников электронного, рентгеновского, гамма-излучений и НЭП

Параметрыгамма-излучениеРентгеновскоеЭлектроны с энергией 6- Электроны с энергией до 1
сравненияизлучение10 МэВМэВ
ПроникающаяХорошая проникающая способностьВысокаяОтносительно небольшая Обработка поверхностного
способностьпроникающаяпроникающая способность слоя и в тонких слоях
способность(5-8 см)
Энергия60
Co: 1.17 и 1.33 МэВ; 137Cs: 0.662 МэВНе более 5 МэВ (в <10 МэВ< 1 МэВ США до 7.5 МэВ) Направленность Излучают изотропноНаправлены строго на продуктОтсутствует развертка пучка СкоростьНизкая мощность дозы, относительноСредняя мощность Высокая, переменная мощность дозы; обеспечивает обработкимедленная обработка продуктов додозывысокую пропускную способность (производительность) кГр/чДо 1 кГр/сДо 10 кГр/с НадежностьИсключительно Высокая надежностьВысокаяВысокая надежностьВысокаянадёжность, источниковнадежностьПростота в обслуживании и ремонте. Режим работыИзлучают всегда. Нельзя «выключить»Производит облучение только во время работы установки. ЭкономическиеВысокая стоимость радиоактивныхДорогостоящий и Низкиеэнергетические Энергозатраты минимальны затратыизотопов.ИмеетсяпроблемаэнергоемкийзатратыМенее 18 кВтч/кг утилизации отработанных источниковметод. До 200 До 165 кВтч/кг кВтч/кг. БезопасностьТребуютсясерьезныемерыпоТребуютсяТребуютсясерьезные Требования по обеспечению обеспечению безопасности персоналасерьезные меры по меры по обеспечению безопасности. Экологически Стержни требуют частого пополнения,обеспечениюбезопасности персонала, безопасное производство имелись случаи утери источников ибезопасностиэкологичный; радиационного поражения населенияперсонала,Экологически безопасное Экологическипроизводство безопасное производство Для изучения распределения ПД от ТИ внутри куриного яйца ТЛД детекторы располагались в различных сечениях вареных яиц (разрезанных вдоль либо поперек) таким образом, чтобы было возможно определить распределение ПД в различных точках объёма объекта. Для подтверждения полученных результатов измерения ПД с использованием детекторов были проведены прецизионные расчеты с использованием программного пакета PClab Версия 9.10 (Моделирование методом Монте-Карло). Для поиска эффективных методов дозиметрического контроля ПП было предложеноиспользованиеЭПРспектрометрии.Исследуемыеобразцы превращали в порошок путем механического измельчения в ступке. Измерения выполнялись на ЭПР спектрометре Bruker ELEXSYSE500. Микробиологическиеисследованияпроводилисьвнаучно- исследовательском институте биологической безопасности УрГАУ в рамках проекта РНФ № 16-16-04038. Были проведены исследования радиорезистивности патогенных штаммов микроорганизмов рода Salmonella (Sal.enteritidis 11272. Sal.typhimurium 79Sal.gallinarum 665).Сразупослепосеванаплотную питательную среду, образцы подвергали воздействию НЭП. Исследования исходной обсемененности проводили методом смыва с поверхности ПП с последующим посевом на стандартные питательные среды (мясопептонный агар, мясопептонныйбульон,висмут-сульфитныйагар),термостатированием, выделением чистых культур и идентификацией микроорганизмов. Для выявления и подсчета количества определяемых микроорганизмов в ПП были использованы методики согласно стандартам: ГОСТ 31904-2012, ГОСТ 31659-2012, СП 1.3.2322- 08, ГОСТ ISO 7218-2015 Образцы ПП исследовали непосредственно после облучения. В качестве контрольной группы использовались не облученные образцы. Основными показателями количества микроорганизмов, содержащихся в продуктах, были количества мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) при высеве микроорганизмов на соответствующие питательные среды. Для количественного учета применяли прямой подсчет микроорганизмов. Опыт проводили в 3 параллелях. В исследованиях качества облучённой продукции для анализа массовой доли витамина А в желтке и Витамина В2 в белке использовали метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (М-02-1006-08). Повреждение скорлупы после РПО оценивалось на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) LEO982. Анализ мясной продукции после облучения проводился по следующей нормативной документации на метод испытаний: определение рН – ГОСТ Р 51478-99; определение массовой доли влаги – ГОСТ 33319-2015; определение массовой доли белка и азота – ГОСТ 25011-81; определение массовой доли жира – ГОСТ 23042-2015; определение массовой доли фосфора – ГОСТ 32009-2013; определение массовой доли хлоридов – ГОСТ Р 51480-99; определение аминокислот – М-02-902-142-07. Проведено гистологическое исследование мяса бройлеров, облученного НЭП. Фиксацию выполняли формалином с последующей заливкой в парафин. Окрашивание проводилось гематоксилином, эозином по Бёмеру. Исследования с инкубационными куриными яйцамивыполнялисьсовместносУральскимнаучно-исследовательским ветеринарным институтом в рамках проекта РНФ № 16-16-04038. После РПО проводилиинкубациюпостандартнойтехнологии,используемойв промышленном птицеводстве. В процессе инкубации осуществляли овоскопию и макроскопический анализ качества инкубационных яиц. После завершения инкубации подсчитывали процент вывода яиц и общую длительность инкубации. ГЛАВА 3 Определение дозиметрических характеристик низкоэнергетического пучка электронов на примере наносекундного электронного пучка, генерируемого установкой УРТ-0.5 и УРТ-1 Определение экстраполированного пробега электронов в облучаемых объектах.Результатырасчетовэкстраполированногопробега моноэнергетичных электронов в объектах представлены в таблице 2. Таблица 2 – Экстраполированные пробеги моноэнергетических электронов Энергия,Толщина яичной скорлупы, мм.Толщина слоя куриного мяса, мм. МэВ 0.20.130.45 0.50.471.62 1.01.284.35 10.016.5756.35 Изучение дозиметрических характеристик поля поглощенных доз на поверхности и внутри облучаемой продукции. Результаты дозиметрических исследований, представленные на рисунке 1, показывают, что на ускорителях УРТ производится неоднородная обработка объектов по глубине. В дальнейшем при проведении экспериментальной апробации нами использовались ПД, создаваемые на поверхности объекта облучения. Рисунок 1 – Распределение ПД электронного пучка по глубине в полиэтилене при различном зарядном напряжении на ускорителе УРТ-0.5 (справа Emax = 0.5 МэВ) и УРТ -1 (слева Emax = 1 МэВ) Результаты измерений мощности ПД в стандартных лотках куриных яиц представлены в таблице 3. При зарядовом напряжении 30 кВ удается получить необходимый профиль распределения ПД по глубине. Однако при обработке инкубационных куриных яиц требуется учитывать влияние ТИ на эмбрион, поэтому проводились измерения ПД внутри куриных яиц с помощью ТЛД детекторов. Результаты измерения ПД от ТИ внутри яйца при двухстороннем облучении представлены на рисунке 2. Значение ПД внутри не превышает 0.31 сГр/имп., при этом на поверхности яйца ПД – 0.2 кГр/имп. При ПД равной 5 кГр, необходимой для инактивации патогенных штаммов микроорганизмов рода Salmonella, ПД от ТИ в желтке не превысит 5 сГр. В результате моделирования в программе PCLab ПД от ТИ электронов в скорлупе и узлах ускорителя была получена ПД, равная 0.11 сГр/импульс. Полученное значение несущественно отличается от экспериментально полученных значений (0.15 сГр/имп). Таблица 3 – Результаты измерений ПД электронного пучка Место расположения детектораПД, Гр/импульс при различном зарядном напряжении 30 кВ25 кВ20 кВ На крышке пластикового контейнера снаружи583±70505±61173±21 1.5 мм На поверхности скорлупы195±23170±208±1 Под скорлупой8.43±1.01-*- Под скорлупой и поглотителем 150 мкм0.61±0.07-- *значение ПД ниже порога чувствительности детектора. Рисунок 2 – Распределение ПД (сГр/импульс) от ТИ при РПО яиц на УРТ-0.5 в вертикальном (слева) и горизонтальном сечении (справа) Результаты измерений ПД в упаковочных материалах для филе и субпродуктов цыпленка-бройлера представлены в таблице 4. Тонкий слой полистирола не создает значительной преграды для пучка электронов, вследствие чего ПД снаружи и внутри отличаются намного меньше, чем при прохождении через толстый лоток. Таким образом, для равномерной обработки требуется использовать одинаковый тонкий слой полистирола или подложки, либо использовать разную длительность облучения сторон для создания равномерного распределения дозы на поверхности объектах. Исследование радиационно-индуцированного сигнала электронного парамагнитногорезонанса(ЭПР)прирадиационнойповерхностной антимикробной обработки. Полученные спектры ЭПР порошка радиационно обработанных яиц состоят из 4 пиков, характеризующиеся тремя молекулярными ионами: CO33-, CO2- и CO3-. Полученные спектры ЭПР порошка скорлупы куриных яиц представлены на рисунке 3. Определена зависимость интенсивности ЭПР сигнала от ПД. В течение 30 дней после радиационной обработки куриных яиц наблюдается снижение интенсивности ЭПР сигнала в среднем на 15 %. Таблица 4 – Результаты дозиметрии упаковки №Режим облучения п/пВид упаковки(ПД, кГр/частота работы ускорителя, Гц) Толщина:5 /1610 / 60 Пленки~80 мкм СнаружиВнутриСнаружиВнутри Подложки~1.5мм упаковки,упаковки кГр упаковки,упаковки кГркГркГр 2.8±0.314.1±1.7 снаружи– 1под пленкой – 31.0±3.7под пленкой 7.9±0.9 6.2±0.7– 22.3±2.7 210.5±1.210.0±1.227.6±3.323.3±2.8 38.6±1.07.25±0.830.8±3.715.7±1.9 49.4±1.34.3±0.532.7±3.917.3±2.1 Рисунок 3 – ЭПР спектры порошка яичной скорлупы после РПО электронным пучком 0.5 МэВ (слева). Зависимость интенсивности ЭПР сигнала от ПД после РПО (справа) ГЛАВА 4 Изучение эффективности радиационной поверхностной обработки контролируемых микроорганизмов, присутствующих в птицеводческой продукции Оценкаисходнойобсемененностиптицеводческойпродукции. Полученныерезультатыисследованийисходноймикробиологической обсемененности куриных яиц и мяса цыплят-бройлеров, представлены в таблице 5. Таблица 5 – Исходная микробиологическая обсемененность куриных яиц и мяса цыплят-бройлеров Куриные яйцаМясо цыплят-бройлеров КМАФАнМ, КОЕ/г 5.2·106КМАФАнМ, КОЕ/г 106 Доля, % ШтаммДоля, %Штамм 29.6Staphylococcus aureus22.8Pseudomonas aeruginosa 27.2Enterococcus faecium21.0Enterococcus faecium 18.8Staphylococcus epidermidis12.7Staphylococcus aureus 12.9E.coli10.4Staphylococcus epidermidis 5.6Pseudomonas aeruginosa8.5Staphylococcus saprophyticus 1.4Enterobacter spp.5.8Citrobacter 0.3Proteus spp.5.8Candida spp. 5.2E.coli 5.2Enterobacter spp. 1.6Proteus spp. 0.9Enterococcus faecalis 0.3Aspergillus spp. Инактивация патогенных штаммов микроорганизмов рода Sal. enteritidis,Sal.typhimurium,Sal.gallinarumпослерадиационной поверхностной обработки. Изучение эффективности НЭП производилось на различных штаммах микроорганизмов рода Salmonella для определения их радиочувствительности. Результаты облучения НЭП микроорганизмов in vitro представлены в таблице 6. При обработке НЭП на ускорителе УРТ-0.5 с ПД более 5 кГр полностью ингибируется пролиферативная активность у всех культур микроорганизмов рода Salmonella. Таблица 6 – Результаты обработки НЭП микроорганизмов рода Salmonella № ШтаммКоличество образованных колоний при ПД на поверхности, кГр микроорганизмов1.55.010.025.0Контроль 1 Sal. typhimurium27.4·10 3 Нет образованных 2 Sal. gallinarum19.0·103~ 109 колоний 3 Sal. enteritidis17.6·103 Эффективностьрадиационнойповерхностнойантимикробной обработкистоловыхиинкубационныхкуриныхяиц.Дляоценки эффективности РПО проводилась обработка куриных яиц НЭП на установке УРТ-0.5. Результаты микробиологического исследования после РПО куриных яиц представлены на рисунке 4. Рисунок 4 – Зависимости «доза-эффект» бактериальной обсемененности при облучении поверхности куриных яиц (слева), куриного филе (■), печени (●) и сердечек (►) (справа) Результаты для КМАФАнМ демонстрируют общую тенденцию снижения бактериальной обсемененности поверхности яйца при увеличении ПД. При обработке НЭП поверхности куриных яиц ПД до 7 кГр изменения микробиологической контаминации незначительны. Однако уже при ПД свыше 13 кГр бактериологическая обсемененность уменьшается на порядок по отношению к контрольному образцу. Результаты исследования жизнеспособности штамма микроорганизмов рода Staphylococcus aureus представлены в таблице 7. Обработка поверхности куриных яиц НЭП с ПД более 5 кГр привела к ингибированию штаммов микроорганизмов рода Staphylococcus aureus. При соблюдении условий хранения микробиологическая контаминация поверхности яиц остается на приемлемом уровне в течение 25 суток, в то время как в контрольных образцах её рост продолжается на протяжении всего времени. Таблица 7 – Результаты обработки НЭП микроорганизмов на поверхности куриных яиц Контрольнаягруппа,St.aureus, Экспериментальнаягруппа,St.aureus ПД,КОЕ/г(см3)КОЕ/г(см3) кГр 1 сутки12 сутки 25 сутки1 сутки12 сутки25 сутки 54002 90016 000Отсутствие роста 2560066016 000Отсутствие роста Эффективностьрадиационнойповерхностнойантимикробной обработки мяса бройлера. Обработка мяса проводилась НЭП на ускорителе УРТ-1. Полученная зависимость «доза-эффект» выживаемости бактерий после обработки НЭП представлена на рисунке 4. Данные демонстрируют общую тенденцию снижения бактериальной обсемененности ПП при увеличении ПД. В диапазоне доз от 10 до 15 кГр на поверхности продукции во всех сериях опытов отмечали достоверное снижение бактериальной обсемененности. Однако исследование жидкости в подложках с печенью и сердечками показало наличие микроорганизмов, как и при исходной обсемененности. Таким образом, использование РПО при обработке мясной продукции предпочтительно проводить без большого объема жидкостей или с замороженными объектах. Производительность экспериментально-производственного процесса радиационной поверхностной антимикробной обработки птицеводческой продукции с использованием установок УРТ-0.5 и УРТ-1. Проведены оценки производительности и экономические расчеты радиационной обработки куриных яиц. При двухстороннем облучении с учетом длины пластикового контейнера (266 мм) возможно производить обработку 20 яиц в секунду, что позволяет в течение всей смены (6 часов) обработать 432 000 яиц. Данные показатели обеспечивают загруженность птицефабрики средней производительности. ГЛАВА 5 Изучение влияния НЭП на качество и безопасность пищевой продукции Влияние НЭП на качество пищевых и инкубационных куриных яиц. Полученные результаты содержания витаминов в столовых куриных яйцах после облучения НЭП в дозах 5, 25 и 40 кГр представлены в таблице 8. Наличие ТИ при обработке НЭП обуславливает необходимость оценки влияния на развитие плода и цыпленка. Для полной дезинфекции поверхности яиц в нашей работе мы проводили облучения инкубационных яиц в дозе 40 кГр. При данной обработке ввиду наличия ТИ эмбрионы куриных яиц подвергаются воздействию в дозе 40 сГр. Макроскопический анализ качества инкубационных яиц показал отсутствие значимых различий показателей белка, желтка, воздушной камеры и скорлупы яйца. Морфологические признаки радиационного повреждения эмбрионов и его последствий обнаружены не были. Также для определения влияния обработки НЭП был оценен показатель вывода цыплят. Полученные результаты анализов представлены в таблице 9. Таблица 8 – Содержание витаминов в яйце Вид анализаСодержание витаминов, мг/кг после Контрольныезначения, облучения ПД, кГрмг/кг Витамин А в желтке 2.83±0.102.59±0.112.79±0.10 Витамин B2 в белке 3.55±0.422.24±0.122.28±0.21 Таблица 9 – Макроскопический анализ параметров инкубационных яиц и показатели вывода цыплят ПараметрКонтрольная группаЭкспериментальная группа (40 кГр) Средний диаметр белка, мм79.2 - 80.8 Высота белка яиц, мм7.6 Индекс белка, %1 Диаметр желтка, мм43.5-44.5 Индекс желтка, %0.4 Масса скорлупы, г7.57.4 Толщина скорлупы, мм0.330.32 Упругая деформация, мкм22.022.5 Количество точек и палочек на скорлупе, %5380 Вывод цыплят, %9498 Длительность инкубации, дней2120 Влияние НЭП на физико-химические свойства мяса бройлеров. Для анализа влияния РПО на пищевую ценность и качество мясной продукции были исследованы мясо цыплят-бройлеров, подвергнутые воздействию НЭП. Для изучения пищевой ценности изучались интегральные показатели мяса. При исследованиифизико-химическихпоказателейкуриногомяса(общее содержание влаги, жира, белка, азота, фосфора, хлоридов и др.) не выявлено значимых изменений в опытных пробах обработанных РПО с ПД до 10 кГр по сравнению с контрольными. ВЫВОДЫ 1.ПриоптимизациипрофиляраспределенияПДнеобходимо учитывать энергию электронов, геометрию облучения, плотность и элементный состав объекта. Экстраполированный пробег электронов может являться мерой глубины обработки объекта. 2.Показана возможность формирования глубинных распределений ПД электронного и ТИ на основе численного моделирования методом Монте-Карло процессов переноса излучения и визуализации дозовых полей, реализованных в современном программном коде PCLab Версия 9.10. Результаты расчетов подтверждены экспериментальными данными на фантомах исследуемых объектов с применением методов химической и твердотельной дозиметрии («детекторов - свидетелей») при импульсном облучении в различных режимах зарядного напряжения. 3.Наибольшая эффективность РПО с использованием импульсного НЭ пучка электронов установлена для куриных яиц, для которых показана высокаяэффективностьинактивациимикроорганизмов,входящихв таксономические группы, характерные для исходной микробиологической обсемененности. 4.При обработке НЭП с ПД не менее 5 кГр полностью ингибируется пролиферативная активность у всех штаммов микроорганизмов рода Salmonella. 5.Предложеннаясистемауправляемогоэкспериментально- производственного процесса радиационной поверхностной антимикробной обработки продукции НЭ импульсным электронным излучением с энергией до 1 МэВ обеспечивает микробиологическую безопасность и сохранение показателей качества при облучении куриных яиц в дозах до 25 кГр. 6.РадиационнаяповерхностнаяантимикробнаяобработкаНЭ импульсным пучком электронов с энергией 0.5 МэВ позволяет проводить обеззараживание поверхности инкубационных куриных яиц с ПД до 40 кГр. 7.Достигнутое в результате РПО снижение метаболической и ростовой активности микроорганизмов обеспечивает длительные сроки хранения яиц. Хранение облученных яиц в течение 25 суток не приводит к значимому изменению микробиологических показателей и соответствует нормативным требованиям, в то время как для необлученных яиц эти показали увеличились от 27 до 40 раз. 8.Использование методов ЭПР спектрометрии позволяет определять факт использования ИИ при обработке куриных яиц и уровень ПД в диапазоне от 1 до 40 кГр. В течение 30 дней после радиационной обработки куриных яиц наблюдается снижение интенсивности ЭПР сигнала в среднем на 15 %. 9.Результаты инактивации общей обсемененности микроорганизмами для филе цыплят не исключают возможности применения РПО с использованием импульсного НЭ пучка электронов. В то же время следует отметить целесообразностьиспользованиядляболееэффективнойобработки скоропортящейся продукции птицеводства, особенно субпродуктов, излучений с высокой проникающей способностью, таких как, ТИ с энергией ~5 МэВ и гамма- излучение 60Co. 10.Полученные результаты являются научной основой для внедрения и коммерциализации ускорителей УРТ, производительность которых позволяет обрабатывать более чем 100 млн яиц в год (УРТ-0.5). Технология апробирована в экспериментально-производственномпроцессерадиационнойобработки. Получен патент на «Способ поверхностной дезинфекции яйца». ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненаналитическийобзорсовременнойнаучно-технической, нормативной и методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в данной работе. В результате проведенных в едином цикле исследований с использованием методов радиационной поверхностной обработки,сформулированыобщиепредставленияобиспользовании низкоэнергетического наносекундного электронного пучка для снижения микробиологической контаминации и сохранения качества пищевой продукции. Сделан вывод о высоком потенциале использования низкоэнергетического наносекундного электронного пучка для радиационной обработки. Перспективыдальнейшейразработкитемыдиссертационного исследования имеют важное научно-практическое значение для радиационных технологий с целью дальнейших исследований методов обработки продукции низкоэнергетическим электронным пучком. Последующие исследования и валидация процесса радиационной поверхностной обработки позволят внедрить ускорители УРТ на производственные предприятия. В настоящее время идет подготовка к проведению опытно-промышленных испытаний на птицефабрике Новгородской области.