Влияние ультрафиолетового излучения на показатели безопасности
Зарегистрируйся в два клика и получи неограниченный доступ к материалам,а также
промокод
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Сельскохозяйственная, а также продовольственная организация ООН (ФАО ООН), совместно с Всемирной организацией здравоохранения одобряют применение ультрафиолетового излучения, применяемого в процессе обработки пищевых продуктов. Цель такой обработки – лучевое консервирование, а также стерилизация продуктов. Были проведены работы, направленные на установление качества пищевых продуктов, которые подвергались лучевой стерилизации [10]. В итоге оказалось, что метод довольно перспективный. Сегодня ультрафиолетовое излучение рекомендовано применять при хранении полуфабрикатов, мяса, рыбы, а также иной пищевой продукции. В частности, весной и летом это прежде всего касается фруктов и ягод, которые быстро портятся, концентратов фруктовых соков, прочей продукции сельского хозяйства [21].
Последние несколько лет эта технология активно внедряется в России. Широкое признание метода объясняется четким пониманием технологии и регламента ее использования, а также повышением надежности и экономичности промышленного УФ-оборудования.
Преимущества метода УФ-обеззараживания:
Высокая эффективность обеззараживания в отношении широкого спектра микроорганизмов, в том числе устойчивых к хлорированию, таких как вирусы и цисты простейших.
Отсутствие влияния на физико-химические и органолептические свойства воды и воздуха, нет опасности передозировки.
Не образуются побочные продукты.
Простота эксплуатации УФ-установок, не требуются специальные меры безопасности.
Низкое энергопотребление и низкие эксплуатационные расходы, не требуются расходные материалы.
Компактность УФ-оборудования.
В качестве источников бактерицидного УФ-излучения обычно используется электрическая дуга в парах ртути. Постоянное повышение требований в отношении экологической безопасности стимулировало исследования альтернативных источников бактерицидного УФ-излучения и разработку технологии их применения. Хорошо известным источником УФ-излучения являются импульсные разряды в инертных газах и их смесях с галогенами (эксимерные смеси). В настоящее время для различных сфер применения разрабатывается оборудование с использованием импульсных ксеноновых ламп, спектр излучения которых отличается высоким содержанием УФ (рис. 6).
Рисунок 6 - Спектр излучения импульсной ксеноновой лампы при плотности тока 6,5 кА/см2 (1) и 1 кА/см2 (2)
Благодаря импульсному УФ-излучению бактерицидного диапазона обеспечивается обеззараживающий эффект, аналогично тому, как это происходит при использовании непрерывно функционирующего источника (скажем, ртутной лампы высокого давления) (рис. 7). Впрочем, импульс излучения ксеноновой лампы достигает своей пиковой мощности на уровне 3-10 МВт, в связи с чем резонно будет задаться вопросом: существуют ли какие-либо отличия в ходе обеззараживания с помощью ультрафиолетовых лучей малой и большой мощности? И второй вопрос: находится ли обеззараживание под каким-либо влиянием импульсного излучения видимого диапазона? Эксперименты, в рамках которых обеззараживание производилось с помощью импульсного излучения, наглядно продемонстрировали, что, когда означенный импульс превышает пороговую мощность, возможно проявление импульсного нагрева – еще одного дополнительного механизма влияния ультрафиолетового излучения на микроорганизмы [25].
1 – относительная спектральная кривая бактерицидного действия Sl; 2 – распределение энергии излучения Il по спектру импульсной ксеноновой лампы в диапазоне 200-300 нм; 3 – произведение Sl Il – бактерицидная эффективность
Рисунок 7 - Определение бактерицидной эффективности импульсной ксеноновой лампы
Дезинфекция с помощью импульсного УФ-излучения имеет следующие механизмы.
1. Бактерицидное УФ-излучение (бактерицидный диапазон 205-315 нм).
Данный вид излучения всегда характеризуется бактерицидным действием, состоящем в том, что молекулы ДНК и РНК внутри клетки поглощают УФ-фотоны, связи в молекуле ДНК разрываются, но в то же время образовываются новые, и как следствие микроорганизм лишается способности к реализации репродуктивной функции. Анализируя кривую эффективности бактерицидного влияния УФ-излучения, можно сказать, что в зависимости от того, какова длина волны, она превосходно согласуется с кривой УФ-излучения молекулами ДНК. Ее максимум располагается приблизительно на уровне 260 нм (рис. 1.7, кривая 1), в связи с чем ртутные лампы низкого давления, длина волны которых достигает 254 нм, характеризуются излучением, обладающим высоким уровнем бактерицидной эффективности. Десятикратное сокращение количества микроорганизмов требует определенной ультрафиолетовой дозы, величина которой находится в зависимости от вида данных микроорганизмов; многие вирусы и бактерии требуют дозы, лежащей в диапазоне 2–20 мДж/см2 [3].
2. Импульсный перегрев микроорганизмов.
Импульсному излучению свойственно бактерицидное действие, а механизм его воздействия на микроорганизмы находится в зависимости от того, какова пиковая плотность мощности УФ-излучения. При этом каждому виду микроорганизмов соответствует собственное значение данного показателя. Дезинфекция с помощью импульсного излучения делится на такие компоненты:
на микроорганизм воздействует бактерицидное УФ-излучение;
микроорганизм разрушается вследствие того, что в ходе поглощения всего ультрафиолетового излучения он перегревается.
Когда пиковая плотность мощности УФ-излучения становится ниже пороговой, определение обеззараживания осуществляется с помощью УФ-излучения бактерицидного диапазона 205–315 нм.
В условиях, когда импульсное излучение характеризуется высокими плотностями, а показатели суммарной плотности мощности УФ-излучения в спектральных диапазонах A, B, C (200–400 нм) превышают пороговую, то скорость сброса тепловой энергии меньше скорости подвода лучистой энергии микроорганизмом во внешнюю среду, вследствие чего он перегревается, что провоцирует дезинтеграцию [3, 29].
Также, помимо величины пиковой мощности требуется обеспечить подвод энергии к «мишени», которая достаточна для того, чтобы ее нагреть. Когда импульс излучения характеризуется чрезвычайно коротким размером (скажем, меньше 1 мкс), у микроорганизмов попросту не получится успеть нагреться. Таким образом, требуется, чтобы была обеспечена как импульсная мощность излучения, так и поглощенная доза энергии с тем, чтобы обеспечить с ее помощью нагрев микроорганизма до высоких температурных показателей. Подчеркнем, что наиболее важная роль в нагреве микроорганизмов принадлежит УФ-излучению, а вовсе не видимому свету либо ИК-излучению.
Эффект от влияния УФ-излучений на микроорганизмы определяется размером дозы, которая поглощается ими. Например, в небольших дозах может быть стимулирующее воздействие, а при повышенных дозах - возникают мутации, затем – гибель микроорганизмов. Однако устойчивость тех или иных микроорганизмов может быть неоднозначной. Больше всего чувствительность к ультрафиолетовому излучению демонстрируют грамотрицательные бактерии. Слабоустойчивы к УФ-лучам психрофильные бактерии. Самые устойчивые – грамположительные бактерии, в частности - микрококки.
Все изменения, которые протекают под влиянием ультрафиолетовых излучений (УФИ) в бактериях, а также в низших организмах, проходят 3 стадии: усиление или возбуждение движения, начало деструктивных перемен, гибель клетки при фотохимических процессах. Кривая бактерицидной эффективности ультрафиолетового излучения отвечает спектру поглощения нуклеиновых кислот, то есть мишенью УФИ становятся молекулы ДНК [3]. Тем не менее, УФИ одинаковых длин, с одинаковой интенсивностью имеет селективное, бактерицидное действие. Другими словами, доза, которая приводит к гибели одного типа бактерий, может только угнетать действие прочих бактерий. Прежде всего, это объясняется уникальной структурой ДНК того или иного организма. Было доказано, что подверженность микроорганизмов действию УФ излучения – следующая: грамположительные бактерии грамотрицательные бактерии дрожжи бактериальные споры плесени вирусы [26].
Кроме того, есть данные, которые доказывают, что помимо прямого воздействия на ДНК, УФ лучи индуцируют косвенным путем процессы мутации
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. В клетках образуются свободные перекиси и радикалы, имеющие мутагенные качества. Подобные мутагенные вещества появляются под воздействием ультрафиолета в питательных, жидких средах для выращивания бактерий. Данный процесс существенно увеличивает численность мутаций [32].
В целом, инактивация ультрафиолетом происходит посредством деструкций в структуре ДНК микроорганизма, что мешает репликации, а значит скорость размножения бактерий уменьшается. К примеру, ежесуточное облучение воздуха в комнате объемом 65 м3 в течение 9 часов лампами УФЛ мощностью 40 Вт снижает количество микробов на 90%. В помещениях, где осуществляется облучение фруктов, количество микроорганизмов в несколько раз меньше простого. Но важно отметить, что УФЛ для человека опасны, действуя на кожу, на глаза.
Эффективнее всего воздействие ультрафиолетовое излучение на микроорганизмы в диапазоне, который лежит между длинами волн 205 нм и 315 нм – пик длины в 265 нм [26]. Но если максимум эффекта принять за 100%, то активность УФ лучей с длиной волны 290 нм составит 30%, а 300 нм – 6%. Лучи, которые находятся в рамках видимого света, 400 нм составляют 0,01% от максимума.
Те или иные виды микроорганизмов имеют различную устойчивость к влиянию бактерицидного ультрафиолетового излучения. В то же время его влияние может не только сопровождаться смертельными изменениями клеток микробов, но также часть клеток может переводиться в состояние покоя []. Впрочем, исследований в этом вопросе не удалось найти.
Несмотря на то, что пагубное воздействие УФИ на болезнетворные микробы, являющаяся несомненной эффективностью метода доказана достаточно давно, возможность применения УФИ в обработке пищевых продуктов, сред получило распространение только несколько лет назад. Дело в том, что пищевые продукты имеют комплексный состав, много различных параметров, свойств: уровень кислотности, количество растворенных частиц, способность поглощения и так далее [3].
Положительные результаты экспериментов, а также успешная эффективность были достигнуты посредством применения ультрафиолетового излучения в процессе дезинфекции воды. Дело в том, что она имеет высокую степень прозрачности при подавлении бактерий, вирусов, дрожжей, простейших микробов и прочих патогенных организмов для человека [34].
Сегодня обработка с помощью ультрафиолета пищевой, сельскохозяйственной продукции осуществляется в более, чем 60 государствах мира. Данные ФАО ООН свидетельствуют о том, что только в ЕС каждый год на рынок попадает более 200000 тонн продуктов, которые облучены УФ. Были проведены многочисленные испытания таких продуктов, где установлены максимально допустимые дозы облучения. Было создано специальное оборудование для подобных работ [26].
Итак, в процессе ультрафиолетовой обработки происходит только частичное уничтожение микроорганизмов. Например, срок хранения ягод в холодильнике, которые облучены, составляет неделю, а томатов – 2 недели [33]. Эффективной признана обработка ультрафиолетом овощей и плодов для удлинения срока хранения в свежем виде. В то же время могут применяться относительно небольшие дозы облучения, которые убивают поверхностную микрофлору растительных продуктов.
Необходимо также отметить и УФИ области С (УФ-С), где длина волн составляет 200-280 нм. Действие лучей на микроорганизмы в данном случае связано с повреждением коротковолновым ультрафиолетовым светом ДНК структуры. Образуются фотопродукты, которые могут порождать или гниль, или мутации микробов. Все зависит от вида патогенов, а также от эффективной биологической дозы. Небольшие дозы ультрафиолетового излучения могут стимулирующим образом воздействовать на некоторые функции микробов. Высокие, но не приводящие к смерти дозы, могут тормозить многие процессы изменения, размножения микроорганизмов. Но если доза ниже смертельного уровня, то может восстанавливаться нормальная жизнедеятельность патогенных организмов. Наступает гибель микробов при УФ облучении с короткой длиной волны 250-260 нм. Летальный эффект лучей с длиной волны примерно в 260 нм объясняется тем, что в этой области заложен максимум поглощения УФ радиации молекулами РНК и ДНК. Каждый микроорганизм имеет ту или иную чувствительность к облучению. Плесень, дрожжи, споры бактерий устойчивые к воздействию радиации, чего не сказать о вегетационной форме бактерий. Чувствительность микроорганизмов к ультрафиолету велика при делении, а также перед ним. Кривые торможения, бактерицидного эффекта и роста клеток почти совпадают с кривой поглощения в нуклеиновых кислотах. Фотолиз, а также денатурация таких кислот влечет за собой приостановку роста, деления клеток, а в больших дозах – к их уничтожению.
Сегодня особого внимания заслуживают разработки бактерицидных эксиламп нового образца – внезапное вакуумное УФ излучение эксимерных молекул, которые имеют коротковолновый спектр действия по сравнению с ртутными лампами низкого давления. На рисунке 8 показано, что данные лампы имеют более выраженный бактерицидный эффект, чем ртутные лампы низкого давления (РЛНД).
Рисунок 8 - Инактивация Escherichia coli различными дозами УФ-излучения XeBr-эксилампы и РЛНД [26]
Заражение патогенами всех видов поверхностей, воздуха в производственных помещениях протекает не только при производстве продуктов, но и при их хранении, упаковке, при распространении. Бактерицидное ультрафиолетовое облучение считается эффективной защитой от заражения, которую трудно или нельзя достичь прочими методами при небольших затратах, при издержках в эксплуатации.
Овощи и плоды хранятся в камерах, где на выходе воздуха из испарителя эффективно задействуют УФ-излучения в ходе борьбы с летучими спорами. В процессе этого происходит образование озона, который имеет сильное бактерицидное действие в условиях, когда относительная влажность воздуха превышает 60%.
Использование УФ-облучения для стерилизации всех пищевых продуктов ограничено, так как имеется невысокая проникающая способность ультрафиолета, которая дает возможность «очищать» только поверхность продуктов. Использование радиационных технологий при появлении сложных ситуаций эпидемиологического масштаба, что связано с заражением продукции сельского хозяйства, дает возможность понизить риск заболевания у гражданского населения. На это обращают внимание многие эксперты, которые имеют богатый опыт внедрения облучения в практике [7].
Тем не менее, отметим, что на основании выполненного анализа известных технологий по стерилизации продуктов, показано [9, 10], что самый эффективный способ – одновременное применение нескольких воздействий. Создание специальных Центров радиационных технологий в области сельского хозяйства, пищевой промышленности, создание передвижных устройств с применением ультрафиолетовой радиации, в частности СВЧ излучения и ультразвука, даст возможность оперативно реагировать на ситуации с эпидемиями.
1.3 Воздействие волновых методов в ультрафиолетовом диапазоне на показатели качества растительного сырья
Последние десятилетия отмечены активным изучением целесообразности задействования разных видов облучения в ходе хранения пищевой продукции. Ультрафиолетовые (УФ) лучи отличаются достаточно сильным бактерицидным действием, в основе которого лежит механизм поглощения бактериальной клетки со стороны нуклеиновых кислот и белков, что провоцирует в ней возникновение пагубных мутаций.
Первые исследования о влиянии ультрафиолетовой радиации на растительное сырье позволили установить, что коротковолновое излучение с длинами волн 200 - 320 нм обладает как угнетающим, так и стимулирующим эффектом, в то время как длинноволновые ультрафиолетовые лучи (320 - 400 нм), не оказывают существенного влияния на растения [17].
К этому моменту удалось аккумулировать большой массив экспериментального материала, который связан с биологическим действием ультрафиолетовых лучей на флору и культуры сельскохозяйственного назначения. Впрочем, необходимо признать, что на данный момент отсутствуют достоверные методы, связанные со всеохватывающим оцениванием риска и принимающие во внимание не одну лишь экономическую пользу от использования обработки ультрафиолетом, но и комплекс агроэкологических аспектов, а также эффекты, оказывающие влияние на человечество в будущем.
Установлено, что повышенные уровни УФ-В-радиации вызывают различные морфофизиологические изменения у растений
50% дипломной работы недоступно для прочтения
Закажи написание дипломной работы по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее время!
