ЭПР-спектроскопия пряностей

Основными поставщиками пряностей на отечественный потребительский рынок являются следующие страны: Китай, Индия, Вьетнам, Бангладеш, Турция и Грузия [1]. По данным Федеральной таможенной службы, за январь-июль 2016 года в Россию было ввезено 18,12 тыс т специй общей стоимостью на 51,12 млн долл., что больше, чем за аналогичный период прошлого года на 19% и 28%, соответственно. В январе-июле 2016 года импорт перца составил 8,475 тыс т, что выше аналогичного периода прошлого года на 17%. Количество имбиря, шафрана, куркумы, лаврового листа и других пряностей товарной позиции 0910 ТНВЭД ЕАЭС, ввозимого в нашу страну, в этом году составило 7,677 тыс. т, что на 16,5% больше, чем в прошлом году. Основным поставщиком пряностей является Китай, импортировавший в Россию 6,698 тыс. т пряностей, увеличив поставки на 31,8%. Рост демонстрируют и другие крупнейшие поставщики – Вьетнам (+42,3%), Индия (+52,3%), Грузия (+10,7%). Импорт пряностей из Узбекистана увеличился в четыре раза. По экспертным оценкам доля отечественных производителей на российском рынке пряностей составляет около 20–30%. Вместе с тем российские производители поставляют свою продукцию как на внутренний, так и внешний рынок, но ориентируются в основном на экспорт сырья, а не готовой продукции. По данным Федеральной таможенной службы, экспорт пряностей из России за семь месяцев 2016 года увеличился почти в три раза по стоимостному объему до 24,1 млн долл. и в 7,6 раз по физическому объему до 38,9 тыс. т [2].

Пряности подвержены воздействию микроорганизмов и насекомых, соответствующих их месту произрастания. К наиболее распространенным в пряностях микроорганизмам относятся спорообразующие бактерии (палочки Bacillus Species, Clostridia), вегетативные бактерии (сальмонелла, кишечная палочка Escherichia coli, молочнокислые бактерии) и плесневелые грибы рода Penecillium, Rhizorus и Aspergillis. Пряности, специи, сушеные овощи и травы содержат микроорганизмы, свойственные почве и среде, где эти пряности выращены. Как правило, количество и виды микроорганизмов, зависят от конкретного материала, его географического происхождения, климатических условий, сбора, обработки (например, чистка, сушка), хранения, транспортировки и упаковки [3]. В пряностях могут находиться насекомые: табачный жук (Lasioderma serricorne), хрущак мучной малый (Tribolium confusum), точильщик хлебный (Stegobium paniceum), мучной клещ (Tyrophagus putrescentiae), амбарная моль (Nemapogon granellus), в перце черном и красном – притворяшка-вор (Ptinus fur).

Для увеличения срока годности пряностей и пищевых продуктов ФАО и ВОЗ одобрили применение ионизирующего излучения. Многие пряности проявляют антиоксидантные свойства, поскольку содержат такие вещества, как полифенолы, фенольные кислоты , флавоноиды, кверцетин и фитостиролы, а также токоферолы и каротиноиды [4]. Исследования антиоксидантной активности in vitro пряных трав, лука и сушеных пряностей показали, что данные группы объектов в модельных экспериментах in vitro обладают высокими противорадикальными, противоокислительными и восстанавливающими свойствами [5]. Однако при проведении облучения пряностей необходимо учитывать, что антиоксидантные свойства специй оказывают радиопротекторное действие на микроорганизмы.

В работе [6] отмечено, что существует различие по содержанию свободных радикалов даже для однотипных продуктов. В соответствии с решениями президиума Совета при Президенте России по модернизации экономики и инновационному развитию от 11 декабря 2014 года Россия с 2017 года будет интегрирована в общемировую практику воздействия ионизирующего излучения на пищевые продукты и продовольственное сырье с целью продления их сроков годности. Так, с 2017 года вводится Межгосударственный стандарт ГОСТ 33271– 2015 «Пряности сухие, травы и приправы овощные. Руководство по облучению в целях борьбы с патогенными и другими микроорганизмами», устанавливающий диапазоны минимальных доз для 19 видов пряностей, в частности, для черного перца – от 6 до 12 кГр, паприки – от 3 до 8 кГр, красного перца – от 3 до 8 кГр, куркумы – от 3 до 8 кГр, имбиря – от 4 до 8 кГр, что соответствует рекомендуемым дозам облучения для пряностей по АSТМF1885–04 [7].

Установлено, что бактерии группы кишечной палочки полностью погибают при дозе облучения 4 кГр в перце черном и красном молотом, плесень и дрожжи соответственно на 100 и 96%. В черном перце после облучения дозой 10 кГр сохранялось до 1,1 x 106 КОЕ/г выживших спорообразующих бактерий (эффективность обработки составляет 94%), а при исследовании воздействия ионизирующего излучения на спорообразующие бактерии в красном перце эффективность составила всего 48%, что может быть связано с высокой резистентностью этой группы микроорганизмов [8]. Но вместе с тем производители и поставщики пряностей могут применять более высокие дозы облучения. В связи с этим выявление факта облучения и установление дозы облучения пищевых продуктов и пряностей является важным направлением научных исследований.

Одним из перспективных методов определения факта и дозы облучения пищевых продуктов является высокоточный метод электронного парамагнитного резонанса – метод ЭПР, что подтверждается результатами исследований [9, 10], установивших, что после облучения образцов пряностей разными дозами обнаружены различные спектры ЭПР. Важно осуществление контроля качества на всех уровнях. Обнаружение облученных пищевых продуктов базируется в основном на радиолизе липидов, модификации аминокислот, модификации ДНК, модификации углеводов, образовании свободных радикалов [11].

В связи с этим, целью исследований является выявление на потребительском рынке г. Екатеринбурга облученных пряностей и установление их доз облучения методом ЭПР.

Материалы и методы исследования

Исследования проводили с помощью портативного автоматизированного спектрометра ЭПР серии Labrador Expert X – диапазона (длина волны 3 см) (рисунок 1). Спектрометр разработан на предприятии ООО «Спектр» при содействии Института естественных наук УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина.

Общие технические характеристики спектрометра ЭПР приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Общие технические характеристики спектрометра ЭПР

Table 1.

General technical characteristics of the EPR spectrometer

Технические характеристики | Technical parameters	Показатели | Indicators
Чувствительность, спин/0,1 мТл, не более The sensitivity of spins/0,1 MTL, no more	1⋅1011
Частота сигнального канала СВЧ, ГГц Frequency signal channel of the microwave, GHz	9,2
Максимальная мощность СВЧ, мВт The maximum power of the microwave, mW	50
Индукция постоянного магнитного поля, Тл Induction of a constant magnetic field, TL	0,328 ± 0,03
Частота модуляции магнитного поля, Гц The modulation frequency of the magnetic field, Hz	2–12200
Амплитуда модуляции магнитного поля, мТл The amplitude modulation of the magnetic field, MTL	4,8–0,001
Абсолютная погрешность магнитного поля, мТл, не более The absolute error of the magnetic field, MTL, no more	0,05
Габариты (ДxШxВ), не более, мм Dimensions (LxWxH), mm	330 x 320 x 240

Рисунок 1. Внешний вид спектрометра

Figure 1. The appearance of the spectrometer

Облучение проводили в Центре радиационной стерилизации (ЦРС) Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. Для облучения пряностей использовали линейный ускоритель электронов модели УЭЛР-10–10С2 с энергией до 10 МэВ. Определение поглощенной дозы после облучения проводили путем измерения оптической плотности облученной полимерной пленки на спектрофотометре при длине волны 512 нм относительно опорного образца ГСО.

Исследование образцов до и после радиационной обработки проводилось по амплитуде сигнала ЭПР и полуширине линии (рисунок 2).

Рисунок 2. I (H) – амплитуда сигнала ЭПР, Г – полуширина линии

Figure 2. I (H) is the amplitude of the EPR signal, G is the half – width of the line

Для сравнения сигналов использовали контрольный образец (высокостабильный эталон): мера КПЦ на основе оксида марганца. Исследования проводили десятикратно при частоте СВЧ, приближенной к 9200мГц; в диапазоне магнитного поля от 3000 до 3500Гс (с центром в 3280 Гс); с амплитудой модуляции 10,419 Гс, частотой модуляции 757 Гц, изменяющимися временем преобразования и накоплением. Мощность СВЧ устанавливали в диапазоне 4–15 дБм путем апробации для нормализации показателя – сигнал/шум.

Полученные результаты и их обсуждение

Для эксперимента были отобраны 5 образцов пряностей импортного производства (объекты исследования), находящихся в розничной сети г. Екатеринбурга: перец черный молотый (производитель Вьетнам), перец белый молотый (производитель Швеция), куркума (производитель Индия), чили острый (производитель Таиланд), чили жгучий (производитель Индия), карри (производитель Индия). Эксперимент проводили по следующим направленностям: установка факта облучения / необлучения представленных (исходных) образцов и радиобиологический контроль образцов пряностей до и после проведенного облучения.

При исследовании исходных образцов перца белого молотого, приобретенного в торговой сети г. Екатеринбурга установлено, что он не подвергался ранее воздействию ионизирующего излучения, отсутствует характерный спектр, амплитуда пика равна 9,23 е-05. Соотношение сигнал/ шум – низкое (рисунок 3).

0,E+00

-5,E-05

-1,E-04

-2,E-04

-2,E-04

-3,E-04

3200           3250           3300

магнитное поле, Гс      magnetic field, Gauss

6,E-05

Рисунок 3. Спектр перца белого молотого до облучения

Figure 3. Range of ground white pepper before irradiation

4,E-05

2,E-05

0,E+00

-2,E-05

-4,E-05

-6,E-05

3000      3200      3400

-8,E-05

магнитное поле, Гс     magnetic field,

Рисунок 4. Спектр перца белого молотого после облучения

• Figure 4.    Range of white pepper ground after irradiation

  После облучения дозой 12 кГр образцов перца белого молотого установлен ярко выраженный спектр на спектрометре ЭПР в отличие от необлученных образцов с амплитудой 1,08 е-04 (амплитуда пика увеличилась на 17%) и g-фактором 2,0050. Спектр сигнала узкий (до 12 Гс). Соотношение показателя сигнал/шум-низкое (19,5973 ) (рисунок 4).

2,E-04

1,E-04

0,E+00

-1,E-04

° с4

S ^ 5 43 н Е s я

4 с

-2,E-04

3225 магнитное поле, Гс

*M>*W«*

3275             3325

magnetic field, Gauss

Рисунок 5. Спектр перца черного молотого до облучения

• Figure 5.    Facilities ground black pepper before irradiation

  
  
  

2,E-04

1,E-04

0,E+00

-1,E-04

-2,E-04

3225           3275           3325

магнитное поле, Гс magnetic field,Gauss

Рисунок 6. Спектр перца черного молотого после облучения

• Figure 6.    Range of black pepper ground after irradiation

  В результате исследований образцов перца черного молотого (рисунок 5) установлено, что они были облучены дозой 10–11 кГр. Так, образцы перца черного молотого имели g-фактор 2,0040 и высокий пик 2,49 е-04 при ширине спектра сигнала до 14 Гс, соотношение сигнал/шум на уровне 45,6852 (рисунок 5). После облучения указанных образцов перца дозой 12 кГр амплитуда и ширина пика увеличились на 8% и 14,3% и составили 2,69 е-04 и 16 Гс соответственно. Отмечено изменение показателя сигнал/шум с 45,6852 до 47,9584, установлена тенденция к увеличению g-фактора с 2,0042 до 2,0050 (рисунок 6).

1,E-05

-5,E-06

5,E-06

0,E+00

3265   3285   3305

magnetic field, Gauss

-1,E-05

3225   3245

магнитное поле, Гс

Рисунок 7. Спектр чили жгучего до облучения Figure 7. Range chili burning before irradiation

4,E-05

3    2,E-05

I j   0,E+00 W< I ^N**f

H 1    -2,E-05

s s    -4,E-05

Л            3225      3275      3325      3375

магнитное пол, Гс magnetic field,Gauss

Рисунок 8. Спектр чили жгучего после облучения Figure 8. Range chili burning after irradiation

При исследовании образцов чили жгучего (рисунок 7) установлены при слабом сигнале типичные многокомпонентные спектры ЭПР – мультиплет, которые свидетельствуют о проведенной ранее обработке ионизирующим облучением. На графике видны в диапазоне магнитного поля 3270–3280 Гс один пик с амплитудой 1,03 е-05 с шириной 2 Гс и g-фактором равным 2,0053; появляются еще два сигнала с малой амплитудой: 1,16 е-06 и 8,96 е-06 при g1 = 2,0027 и g2 = 2,0044. Соотношение сигнал/шум очень низкое и находится в диапазоне от 1,2236 до 2,3379.

После облучения указанных образцов чили жгучего дозой 12 кГр наблюдается возрастание ЭПР сигнала в 5,7 раз, при этом амплитуда пика достигает значения 5,86 е-05 и g-фактор становится равным 2,0051, ширина сигнала увеличивается в 10 раз до 20 Гс (рисунок 8). Отмечено незначительное улучшение показателя сигнал/шум до 8,8097.

Рисунок 9. Спектр чили острого до облучения

Figure 9. Range chili sharp before irradiation

0,E+00

-1,E-05

я 4  -2,E-05

° s -3,,E-05

§    -4,E-05

s S -5,,E-05

I I -6,E-05

od          3000       3200       3400       3600

магнитное поле, Гс magnetic field,Gauss

Рисунок 10. Спектр чили острого после облучения

• Figure 10.    Range chili sharp after irradiation

  Из рисунка 9 видно, что образцы чили острого были облучены дозой 4–6 кГр. Так, g-фактор составляет 2,0043, амплитуда пика 3,03 е-05, соотношение показателя сигнал/шум низкое и равно 5,5491.

После облучения дозой 12 кГр амплитуда пика образцов увеличилась на 55,8% и составила 4,72 е-05, g-фактором изменился незначительно и составил 2,0042, ширина диапазона увеличилась на 20% до 10 Гс. соотношение показателя сигнал/шум улучшилось незначительно до 6,5217 (рисунок 10).

2,E-04

1,E-04

° ^ 0,E+00

S 'S -1,E-04

P.H -2,E-04

2 s       3200

3250         3300

magnetic field, Gauss

магнитное поле, Гс

Рисунок 11. Спектр куркумы до облучения

• Figure 11.    Range of turmeric before irradiation

  
  
  

3,E-04

2,E-04

1,E-04

0,E+00

-1,E-04

-2,E-04

-3,E-04

-4,E-04

магнитное поле. Гс     magnetic field,Gauss

Рисунок 12. Спектр куркумы после облучения

• Figure 12.    Range of turmeric after irradiation

  При исследовании исходных образов куркумы (рисунок 11) присутствует слабый сигнал спектра с амплитудой пика 7,64 е-05 и шириной до 10 Гс, g-фактор равен 2,0052, соотношение показателя сигнал/шум составляет 24,5444. Слабый сигнал свидетельствует о том, что куркума не была ранее облучена.

После облучения дозой 12 кГр амплитуда пика образцов (рисунок 12) увеличилась в 7 раз и составила 5,31 е-04, ширина сигнала увеличилась на 12% и составила 12 Гс, g-фактор не изменился. Соотношение показателя сигнал/шум улучшилось в 3,2 раза и составляет 79,3445

Выводы

Экспериментальные результаты о наличии на потребительском рынке г. Екатеринбурга облученных пряностей, в частности, перца черного молотого (доза облучения 10–11 кГр), чили жгучего молотого (доза облучения до 3 кГр) и чили