Радиобиология с основами радиоэкологии

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 471

16.2.5. Продление сроков хранения продукции овощеводства, плодоводства и животноводства,

облученных ионизирующей радиацией

Очень большое количество продукции растениеводства, и в особенности сочной продукции овощеводства и плодоводства, гибнет после сбора урожая из-за процессов гниения, индуцируемых различными микроорганизмами. Традиционные способы продления сроков ее хранения связаны со всевозможными обработками, в основе которых лежат либо процессы нагревания и охлаждения, либо химические воздействия. Все они приводят к изменению свойств продукции и, как правило, ухудшают ее качество. Воздействие ионизирующей радиацией в дозах, ингибирующих развитие микрофлоры или полностью подавляющих ее активность, по существу является процессом холодной пастеризации, при котором в продуктах уничтожаются почти все микроорганизмы, что позволяет длительное время хранить их при температуре окружающей среды.

Особого внимания заслуживает проблема увеличения сроков хранения сочной скоропортящейся продукции растениеводства – плодов томатов, косточковых плодовых культур, ягод. Радиационная обработка данных видов продукции в дозах, подавляющих деятельность микрофлоры, позволяет в несколько раз увеличить этот срок. Так, γ-облучение томатов в дозах 2–3 кГр – полулетальных для большинства видов микроорганизмов увеличивает срок их хранения при температуре 10 °С в 2–4 раза. Плоды земляники, облученные в этих же дозах, сохраняются при температуре 4–5 °С в 2.5–3.0 раза, а при 15– 18 °С – в два раза дольше. Значительный практический интерес представляет использование радиационной обработки для увеличения сроков хранения ягод смородины, малины, плодов абрикосов, вишни, черешни, персиков, сливы, груши. Оптимальной дозой для облучения большинства ягод и фруктов являются те же 2–3 кГр. В Нидерландах – ведущей стране в области использования ионизирующих излучений для обработки продуктов питания – кроме перечисленных продуктов облучают грибы, в Южной Африке – плоды манго и папайи. Этот прием, получивший название радулизации, существенно увеличивая сроки хранения свежей продукции, позволяет транспортировать ее на большие расстояния.

При облучении овощей и фруктов было обнаружено интереснейшее явление – торможение процессов созревания незрелых плодов под влиянием ионизирующей радиации. Так, γ-облучение плодов груши, лимонов, томатов в дозе 3 кГр замедляет их созревание на 10–15 суток, плодов бананов в дозах 0.25–0.5 кГр – на 8–28 суток, апельсинов в дозах 0.14– 2.8 кГр – на 10–25 суток. Причиной этого является ингибирование ионизирующей радиацией образования фитогормона эти-

лена, индуцирующего процесс созревания плодов. Такой прием также позволяет существенно продлевать сроки хранения этих видов продукции, что особенно важно при ее транспортировке на значительные расстояния, например, из Африки в Россию.

Ионизирующие излучения применяются и для продления сроков хранения продукции животноводства, в первую очередь, мяса и мясных продуктов, особенно опять же при длительных транспортировках. Достаточно убедительный многолетний опыт многих стран свидетельствует о том, что обработка свежего мяса γ- или электронным излучением в дозах 1–5 кГр позволяет существенно продлить срок его хранения. Этот прием получил название радуризации.

Так, в Австралии и Новой Зеландии, где приходится перевозить на большие расстояния баранину и говядину, облучение мяса в дозе 4 кГр дает возможность заменить его транспортировку в замороженном виде или в контейнерах с инертным газом. Работами английских исследователей доказано, что облучение свежей говядины в дозах 1–5 кГр увеличивает срок ее хранения при 2–3 °С в 2–3 раза. Доза 5 кГр увеличивает сохранность свежих тушек цыплят при 4 °С с 6 до 16 суток, а при 0 °С – до трех месяцев.

16.2.6.Радиационные способы борьбы

снасекомыми – вредителями растений

иразносчиками инфекционных заболеваний

Вглаве 10 были приведены сведения о радиочувствительности различных организмов, в том числе и насекомых, не только для академического интереса и сравнения с радиочувствительностью растений и животных. Совершенствуя методы борьбы

снасекомыми-вредителями растений и насекомыми-разносчи- ками инфекционных заболеваний животных и человека, были разработаны способы применения для таких целей ионизирующей радиации. При этом, безусловно, необходимо знание точных значений радиочувствительности не только различных видов насекомых, но и отдельных стадий их развития.

Радиационная дезинсекция. Насекомые-вредители сельскохозяйственных растений наносят огромный ущерб уже собранному урожаю, уничтожая около 15% (по массе) мировых запасов зерна при его хранении. Качественные потери составляют еще большую величину, так как насекомые выедают главным образом внутреннюю, наиболее питательную часть зерна с высоким содержанием белка.

Самыми распространенными среди насекомых-вредителей зерна и семян зернобобовых видов считаются амбарный долгоносик, кукурузный долгоносик, рисовый долгоносик, суринамский мукоед, зерновой точильщик, мучной жучек и некоторые другие. Для борьбы с ними обычно используются химические

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 473

методы, основанные на применении сильнодействующих ядов – инсектицидов. Они довольно эффективны, но имеют, как и все инсектициды, существенный недостаток – подавляющее их большинство токсичны и для человека. В последние десятилетия все большее распространение в разных странах приобретает прием радиационной дезинсекции зерна – его обработка перед загрузкой на хранение γ- или электронным излучением.

Исходной точкой для оценки величин доз, необходимых для дезинсекции, являются летальные дозы для отдельных видов насекомых. Для большинства видов они составляют величины порядка 100–500 Гр, но при проведении дезинсекции отдельных партий следует учитывать специфику его поражения, т.е. индивидуальную радиочувствительность вида, а возможно, и стадию развития насекомых в период проведения радиационной обработки. Так, яйца и личинки амбарного долгоносика погибают при дозе 55 Гр, кукурузного – при 40. Для стадии куколки и имаго этих видов летальная доза составляет 200 Гр. Для гибели яиц, личинок, ранних и поздних стадий куколки и имаго суринамского мукоеда требуются дозы соответственно 96, 86, 144, 308 и 206 Гр. При облучении больших партий зерна учет стадии развития насекомого может обусловливать значительную экономию времени и энергетических затрат.

Облучение ионизирующей радиацией успешно применяется для дезинсекции и других продуктов и продукции – муки, круп, сушеных фруктов, шерсти, меха.

Радиационная половая стерилизация насекомых. В ее основе лежит различие в радиочувствительности соматических и половых клеток любого организма. Путем экспериментальных исследований для любого вида насекомого можно подобрать такую дозу облучения, которая не влияет на нормальное выполнение большинства физиологических функций, в том числе и на способность к спариванию, но вызывает в половых клетках необратимые изменения, исключающие возможность полноценного оплодотворения. У облученных самцов, например, сперма может сохранять способность к оплодотворению яиц, но вследствие приобретенной стерильности развитие зиготы не происходит либо прекращается на начальных фазах.

Жизнеспособность насекомых как отдельного класса животных определяется их исключительно высокой плодовитостью. Известны виды, способные к отложению в течение жизни, измеряемой несколькими месяцами, десятков тысяч яиц. Именно за счет этого выпуск в популяцию стерильных самцов способен резко снизить темпы ее роста и численность. При неоднократном повторении приема в течение нескольких лет удается полностью уничтожить вид в определенном, иногда очень большом регионе.

По сравнению с другими способами и, в частности, с наиболее широко используемым для борьбы с насекомыми химическим, данный прием имеет преимущества. Главное из них состоит в том, что он направлен строго против одного конкретного вида насекомых, в то время как химические вещества действуют и против других, в том числе и полезных, например, пчел, муравьев. По этим же причинам он безвреден для животных и человека.

Биотехнология данного приема состоит из трех этапов. Первый из них – разведение насекомых определенного вида на специальных биофабриках или питомниках-инкубаторах. Второй – облучение насекомых в специальных контейнерах, которому предшествует тщательная исследовательская работа по оценке радиочувствительности функции оплодотворения. Нередко облучение проводят на естественной неподвижной стадии развития насекомого, чаще всего куколки, либо их искусственно обездвиживают путем снижения в помещении температуры. Третий этап – выпуск облученных насекомых в необходимом месте. Наиболее эффективным является рассеивание с вертолетов и самолетов.

К настоящему времени в различных странах мира в основном под эгидой МАГАТЭ выполнено более 40 программ по применению биотехнологии радиационной стерилизации насекомых для борьбы с различными видами насекомых – вредителей сельскохозяйственных и лесных древесных растений, а также насекомых – переносчиков инфекционных заболеваний животных и человека. Особенно результативной она оказывается в условиях островных и других изолированных регионов, затрудняющих пополнение местных популяций насекомых за счет мигрантов.

Так, на острове Рота, находящемся в южной части Тихого океана, в результате 35 еженедельных выпусков 257 млн. облученных насекомых была полностью уничтожена дынная муха – вредитель растения, представляющего основной объект производства и вывоза. Известны примеры успешного применения биотехнологии и в условиях континента. В США, в Калифорнии, с ее помощью была значительно снижена численность популяции средиземной плодовой мухи, в Канаде, в Британской Колумбии, – яблонной плодожорки. Для защиты от мигрирующих популяций этих видов насекомых поддерживаются специальные карантинные барьеры, состоящие в систематическом выпуске (раз в две-три недели) небольших количеств стерильных насекомых. Во всех случаях использование приема оказывается экономически в несколько раз более выгодным, чем применение инсектицидов.

В течение последних лет в некоторых государствах Африки развернута и реализуется программа по крупномасштабно-

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 475

му применению биотехнологии для борьбы с мухой цеце – переносчиком возбудителей болезней животных и возбудителя сонной болезни человека, от которой на африканском континенте ежегодно погибают тысячи человек.

16.2.7.Радиационное консервирование кормов

иулучшение качества

Известно большое количество технологических приемов, позволяющих с помощью ионизирующей радиации увеличивать сроки хранения кормов, улучшать их качество, повышать питательную ценность. Так, облучение зеленой массы растений γ-радиацией в дозах 10–40 кГр может заменить силосование, позволяя ей дольше сохраняться в течение зимнего периода. Облучение фуражного картофеля в дозах, на порядок превышающих рекомендуемые для подавления его прорастания, т.е. 5–15 кГр, предотвращает гниение клубней. С целью увеличения сроков хранения за счет подавления развития плесени и снижения бактериальной обсемененности проводят облучение в дозах 1–3 кГр фуражного зерна (овса, ячменя, кукурузы) с повышенной влажностью.

Весьма оригинальной и эффективной является радиационная обработка грубых целлюлозосодержащих кормов – соломы злаковых культур, кукурузных початков, хвои. Дело в том, что крупная молекула полисахарида целлюлозы плохо усваивается даже организмом жвачных животных. Для повышения питательной ценности эти виды кормов обычно подвергают тепловой обработке горячим паром, кипятком, варке, в процессе которой целлюлоза деполимеризуется. Этот прием не очень технологичен, требует высоких энергетических затрат, а главное, при таких обработках разрушаются многие биологически активные вещества кормов. Облучение этих видов кормов в очень высоких по сравнению с другими технологиями дозах (до 1–10 МГр), приводя к радиационно-химической деполимеризации целлюлозы и пектина, в несколько раз повышает их усвоение. Кроме того, при облучении происходят разрушение и экстракция лигнина — обязательного спутника целлюлозы в клеточных стенках растений, что повышает способность кормов к ферментации. При радиационной обработке даже такие материалы, как ветки древесных растений, древесная мука приобретают питательную ценность.

16.2.8. Радиационное обеззараживание кормов, продукции и отходов животноводства

Известно, что большую опасность для человека и животных представляет сальмонеллез – острое инфекционное кишечное заболевание, вызываемое бактериями рода сальмонелла, попадающими в организм животных вместе с зараженным кормом,

азатем через мясо, молоко, яйца и другие продукты – в организм человека. Обычные способы борьбы с сальмонеллой либо малоэффективны, либо экономически невыгодны. Сильные химические препараты опасны для здоровья, тепловая обработка приводит к высоким потерям питательных веществ и витаминов. В этом смысле радиационный способ борьбы с бактериями оказался очень результативным, в связи с чем возникла специальная радиационная технология обеззараживания кормов от сальмонеллы.

Дозы, используемые для борьбы с сальмонеллой, т.е. летальные для всех ее штаммов, составляют величины порядка 4–5 кГр. Облучение в этих дозах полностью обеззараживает мучные корма и комбикорма, предназначенные для скармливания свиньям, птице и другим животным. С этой же целью облучают мясокостную и рыбную муку.

Большой ущерб животноводству наносят такие инфекционные болезни животных, как чума плотоядных, стригущий лишай, сибирская язва, листериоз и др. Нередко переносчиком заразного начала и заражения здоровых животных, а также человека общими для животных и людей болезнями является полученная от больных животных продукция – шерсть, мех, шкуры, кожевенное сырье, щетина. Существующие химические способы дезинфекции такого сырья весьма трудоемки,

анекоторые из них, связанные с использованием влажных обработок, нередко приводят к снижению качества продукции. Применение ионизирующей радиации для обеззараживания этой и другой продукции животноводства (пух, перо) оказывается весьма эффективным.

ВАвстралии уже несколько десятилетий действует промышленная гамма-установка для обеззараживания овечьих шкур и шерсти – одного из главных объектов сельского хозяйства и предмета экспорта этой страны. Сырье облучается в тюках объемом около 1 м3 в дозе 20 кГр, индуцирующей гибель микроорганизмов – переносчиков перечисленных болезней. Такая радиационная стерилизация оказывается гораздо эффективнее и дешевле химической.

Исследованиями российских радиобиологов и технологов показана высокая эффективность радиационного обеззаражи-

вания меха норки, песца, лисицы, белки, кролика. Дозы порядка 20–24 кГр γ-радиации полностью дезинфицируют продукцию. При этом ее физико-химические свойства и товарные качества не изменяются, что нередко происходит при дезинфекции – сложной влажной химической обработке.

Радиационная технология обеззараживания продукции животноводства по сравнению с химической не только эффективней, но и экономически выгодней. За счет быстроты обработки, отсутствия необходимости сушить продезинфицирован-

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 477

ные материалы, возможности облучения продукции в уже упакованном виде она в десятки раз повышает производительность труда.

Источником распространения инфекционных заболеваний могут явиться навозные стоки животноводческих комплексов и ферм, в особенности при их использовании в качестве удобрений в растениеводстве, что также предопределяет необходимость их обеззараживания. В большинстве случаев это осуществляется с помощью различных химических, термических, пароструйных методов, что весьма дорого. Обычно применяются способы биологического самоочищения, термофильного анаэробного сбраживания в специально отведенных местах, что является очень долговременным процессом. Среди всех методов высокой технологичностью и экологической чистотой выделяется радиационный способ. Для стерилизации в данном случае требуются такие же дозы, что и для других объектов – порядка 20–30 кГр. Несмотря на огромные масштабы проведения таких работ в сочетании с другими приемами, в том числе биологическими, способ оказывается и экономически, и экологически намного состоятельнее всех существующих способов.

16.3.Использование ионизирующих излучений

впищевой промышленности

Можно выделить два основных направления использования ионизирующих излучений в пищевой промышленности – облучение продуктов питания с целью увеличения сроков их хранения и облучение продуктового сырья, готовых продуктов, отдельных их компонентов для сокращения продолжительности технологических процессов их приготовления. Во многом эти РБТ имеют общие подходы с некоторыми, рассмотренными в предыдущих разделах. Но в связи с определенной спецификой облучаемых объектов и получаемых продуктов заслуживают самостоятельного рассмотрения.

16.3.1. Увеличение сроков хранения пищевых продуктов

Дозы выше 10 кГр γ- или электронного облучения приводят к гибели подавляющего большинства видов микроорганизмов

имогут быть рекомендованы для радиационной пастеризации

иконсервирования различных продуктов питания. Это направление является основным в использовании ионизирующих излучений в пищевой промышленности. Облучению подвергаются подлежащая длительному хранению продукция овощеводства, плодоводства, животноводства, различные полуфабрикаты и готовые продукты на их основе, рыбные изделия и др.

Для облучения свежих овощей и фруктов, а также продуктов их переработки – пюре, овощных и фруктовых соков – в за-

висимости от гарантированных сроков хранения и некоторых других условий используются дозы порядка 10–25 кГр.

Разработано множество различных технологий радиационного консервирования мяса, молока, мясных и молочных продуктов. В соответствии с ними продукция, подлежащая консервированию, герметично упаковывается в жестяную или стек­ лянную тару или просто запаивается в полиэтиленовые пакеты, а затем облучается в дозах до 50 кГр.

Важнейшим и совершенно уникальным свойством ионизирующей радиации является то, что при ее применении в качестве консервирующего средства не требуется строгих мер по соблюдению стерильности, потому что облучение позволяет осуществить процесс стерилизации непосредственно уже в упакованном виде. Экономический эффект этого важнейшего элемента технологии огромен.

Кроме того, в отличие от термической обработки, используемой при традиционном консервировании, при радиационной не происходит снижения в продуктах содержания витаминов и других биологически активных веществ. В особенности это относится к овощной и плодовой продукции.

16.3.2. Ускорение технологических процессов при облучении

С целью придания продукту высокого качества некоторые пищевые технологии требуют значительного времени, измеряемого месяцами и даже годами. Это длящиеся месяцами процессы ферментации листьев чая, выдержки свиных окороков при изготовлении ветчины, твердых сыров высокого качества, наконец, трех-пятилетние и более выдержки коньячного­ спирта при изготовлении коньяков. Как правило, большие продолжительности технологических процессов обусловлены низкими активностями ферментов, сопровождающих те или иные реакции, небольшими скоростями реакций между отдельными компонентами, слабой экстракцией различных веществ, участвующих в том или ином процессе, и многими другими причинами.

Облучение ионизирующей радиацией сырья, из которого изготовляется продукт, полуфабрикатов, некоторых вспомогательных компонентов и других объектов, приводя к увеличению проницаемости биологических мембран и деполимеризации высокополимерных соединений, может значительно ускорять процессы экстракции. Образование при облучении свободных радикалов убыстряет процессы окисления, что может сопровождаться повышением активности определенных ферментов и соответственно ускорением реакций с их участием. Облучение может и непосредственно влиять на протекание различных реакций, выступая в роли катализатора в некоторых из них, разрывая одни межмолекулярные связи и индуцируя

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 479

возникновение межмолекулярных сшивок. Разумеется, во всех этих случаях речь идет об очень высоких дозах, нередко запредельных для радиобиологии и относящихся к сфере радиационной химии.

Так, хорошо известна технология ускорения созревания коньяка при настаивании спирта на дубовых стружках, облученных γ-радиацией в дозе 200 кГр, вместо выдерживания в дубовых бочках. Показано, что уже через 20 сут. получается напиток, по отдельным показателям занимающий промежуточное место между коньяками трех- и пятилетней выдержки. Такое необычайное ускорение технологии обусловлено радиолизом высокополимерных веществ дубовой древесины и усилением их экстрагируемости, радиационным окислением отдельных продуктов, стимулирующих медленно идущие в обычных условиях реакции образования специфических альдегидов, ацеталей, эфиров, органических кислот, придающих напитку характерные свойства.

Облучение в дозах порядка 50 кГр растительного сырья за счет радиационно-химической активации пероксидаз и полифенолоксидаз ускоряет долго идущие процессы ферментации в листьях чая, табака, сокращая период их технологической готовности.

Однако применяются с целью ускорения некоторых технологических процессов и относительно низкие, биологически эффективные дозы. Облучение в стимулирующих дозах культур микроорганизмов (дрожжей, плесневых и других грибов, молочнокислых бактерий), участвующих либо используемых в различных технологиях, может значительно их ускорять. Так, облучение сыров либо культур микромицетов в дозах порядка нескольких десятков грей в 1.5–2.0 раза ускоряет созревание твердых сыров.

16.4. Использование ионизирующих излучений в рыбообрабатывающей промышленности

Рыбное хозяйство и рыбообрабатывающая промышленность непосредственно связаны с пищевой промышленностью и по­ этому выделение данного раздела можно счесть несколько искусственным. Тем более что уже упоминались приемы использования ионизирующих излучений в стимулирующих дозах для улучшения оплодотворяемости и выживаемости эмбрионов рыб и увеличения выхода мальков при облучении спермы и икры, облучения мальков для ускорения их роста и развития.

Однако рыба и морепродукты – специфическая скоропортящаяся продукция, районы потребления которой в большинстве случаев находятся вдали от мест ее добычи. И с давних времен для увеличения сроков хранения этой продукции приме-

няются различные технологии: соление, сушка, вяление, копчение, наконец, консервирование и замораживание. Использование для таких целей ионизирующих излучений открывает новые возможности сохранения рыбы и морепродуктов. В некоторых странах уже давно созданы и успешно используются специальные судовые установки для радиационной обработки свежей продукции непосредственно в условиях морского промысла, береговые установки на рыбообрабатывающих и рыбоконсервных предприятиях. Одной из них является созданная в России еще в 1980-е гг. экспериментальная судовая гамма-уста- новка «Ставрида».

Облучению подвергают как свежую рыбу, так и предварительно приготовленную или обработанную согласно требуемым технологиям. При радиационном консервировании свежей рыбы ее разделывают, укладывают в герметическую упаковку и облучают, как и мясомолочную продукцию, обычно в дозах 40– 50 кГр. Совершенно аналогичным путем консервируют рыбу горячего копчения, жареную в различных маринадах и соусах, используя при этом в два раза меньшие дозы облучения. Радуризация и свежей рыбы, и рыбы горячего копчения в дозе 2 кГр увеличивает срок ее хранения при температуре 2–5 °С в три-четыре раза.

Известно большое количество различных вариантов комбинированного использования ионизирующих излучений и других видов технологий хранения рыбопродуктов – предварительного или последующего замораживания, обработки 10%- ным раствором хлорида либо триполифосфата натрия, упаковки в полиэтиленовые пакеты на воздухе, в среде гелия, вакууме, морской воде, позволяющих во много раз увеличивать сроки их годности при сохранении высоких вкусовых качеств и естественных питательных свойств. Так, в Австралии с 1979 г. в промышленных масштабах производят облучение в дозах 6–8 кГр замороженных креветок – необычайно скоропортящегося продукта. Облучение, продлевая в несколько раз сроки его хранения, совершенно не влияет на вкус и внешний вид.

С целью радиационной дезинсекции и стерилизации облучают также сухую вяленую рыбу, кормовую рыбную муку. Во всех случаях использование радиационной обработки рыбы и других рыбо- и морепродуктов позволяет достичь высокой экономической эффективности при хорошем качестве пищевой продукции.

Следует отметить, что и учеными, и общественностью неоднократно ставился вопрос о возможной токсичности облученных ионизирующей радиацией продуктов питания и влиянии облучения на их пищевые качества. До настоящего времени не получены достаточно убедительные данные о возникновении в облученных продуктах токсических веществ – так называемых