Радиационная деконтаминация плодов укропа пахучего (Anethi graveolentis fructus)

Обеспечение необходимого уровня качества и безопасности сырья растительного происхождения является одной из ключевых задач для производителей продуктов питания и фармацевтических препаратов [1, 2]. Растения служат естественной средой обитания для многих микроорганизмов, в том числе для токсигенных грибов, вырабатывающих микотоксины [3]. Микотоксины – это токсичные вторичные метаболиты, продуцируемые плесневыми грибами родов Aspergillus, PeniciIlium, Fusarium, Alternaria spp. и др. [4]. Наиболее распространены микотоксины в регионах с тропическим и субтропическим климатом.

В растительное сырьё могут дополнительно попадать микроорганизмы в ходе технологических процессов: сбора, сушки, измельчения, переработки, упаковки, транспортировки, хранения.

Вследствие употребления продуктов, которые были заражены бактериями или грибами, у людей могут развиться пищевые заболевания (кишечные инфекции, токсикоинфекции) различной степени тяжести. Особенно уязвимыми перед ними являются младенцы, беременные женщины, пожилые люди и пациенты с ослабленным иммунитетом [5, 6].

Харламов В.А.* – ст. науч. сотр., к.б.н.; Фролова Н.А. – науч. сотр., к.б.н.; Васильева Н.А. – науч. сотр., к.б.н.; Губина О.А. – науч. сотр.; Крыленкин Д.В. – науч. сотр.; Дикарев А.В. – науч. сотр., к.б.н.; Чиж Т.В. – мл. науч. сотр., к.б.н.; Снегирев А.С. – мл. науч. сотр., к.б.н. НИЦ «Курчатовский институт» – ВНИИРАЭ.

Один из способов гарантировать микробиологическую безопасность – это обработка продукции с помощью ионизирующего излучения [7]. Этот метод позволяет уничтожить патогенные микроорганизмы. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Продовольственная и сельскохозяйственная организация (ФАО) и Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) разрешают без дополнительных проверок на безопасность использовать облучение в дозе до 10 кГр (кДж/кг) для обработки пищевых продуктов [8]. Для большинства продуктов бывает достаточно использовать значительно меньшую дозу. Согласно рекомендациям МАГАТЭ, для радиационной обработки продуктов питания безопасно использовать: гамма-установки с радионуклидами 60Со или 137Сs; электронное излучение с энергией не более 10 МэВ; тормозное излучение с энергией не более 5 МэВ.

В настоящее время существует обширная международная нормативная база, регулирующая облучение продуктов питания, утверждены международные стандарты. Базовым регламентирующим документом является «Общий стандарт на пищевые продукты, обработанные проникающим излучением» [9].

В фармацевтической отрасли в соответствии с ОФС «Стерилизация» Государственной фармакопеи Российской Федерации XV (ГФ РФ XV) допустимо применять радиационную обработку с использованием гамма-излучения и электронного излучения. Этот способ даёт возможность реализовать разнообразные задачи, в том числе снижение микробной нагрузки (или стерилизация) исходного сырья, упаковочных материалов, готовой продукции. Данный метод применим для стерилизации лекарственного растительного сырья, а также готовых лекарств на растительной основе.

Обработка ионизирующим излучением помогает значительно снизить содержание микотоксинов за счёт деконтаминации токсигенных грибов, а также в результате непосредственного их разрушения [10].

Радиационная обработка растительного сырья является актуальной, поскольку обеспечивает микробиологическую безопасность, увеличение срока хранения, сохранение качества продуктов, а также экономически эффективна и безопасна для потребителей. Ионизирующее излучение позволяет обрабатывать термочувствительные материалы, минимально влияет на вкус, текстуру, питательные свойства, биологически активные вещества продуктов, при условии использования правильно подобранных параметров обработки. Следовательно, отпадает потребность применения химических консервантов, что благоприятно сказывается на здоровье человека.

Ионизирующее излучение характеризуется высокой проникающей способностью. Дозиметрия ионизирующего излучения достаточно подробно разработана. Это единственный вид стерилизации, позволяющий проводить обработку продукции, упакованной в любую тару, что исключает повторную микробную контаминацию.

Однако у радиационных технологий есть и ограничения: для каждого продукта подбирается свой режим обработки, который учитывает его химический состав, необходимость заморозки, модифицированную газовую среду. Поэтому требуется продолжить изучение воздействия радиационной обработки на микробиологическую контаминацию и основные показатели качества растительного сырья. В настоящее время для некоторых лекарственных растений радиационная обработка успешно применяется на практике [11, 12].

В качестве объектов исследования были выбраны плоды (семена) Anethi graveolentis fructus, также называемого укропом пахучим (огородным) Anethum graveolens L. Плоды этого растения применяются как пищевое и лекарственное сырьё. Укроп широко используется в разных странах в качестве приправы для придания аромата различным блюдам, таким как рис, соусы, салаты, гарниры и супы [13]. В парфюмерии используют эфирное масло как ароматизатор моющих средств и мыла. Основными странами-производителями укропа являются Индия, Пакистан, США, Мексика, Германия и Нидерланды [14].

В настоящее время среди разнообразных методов химического анализа, в том числе растительного сырья, всё большую популярность набирает спектроскопия. Спектральные методы исследования основываются на использовании процессов поглощения или испускания электромагнитного излучения атомами или молекулами вещества. К таким методам относится, например, метод инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье [15]. Инфракрасная спектроскопия – это основной способ изучения структуры химических веществ. Инфракрасные спектры (колебательные спектры или ИК-спектры) содержат детальные сведения о составе и свойствах исследуемого образца. Существуют базы данных ИК-спектров для лекарственных препаратов, токсикантов, полимеров и других соединений с простым составом, однако для пищевых продуктов и лекарственного растительного сырья, обладающих сложным составом, данных недостаточно. ИК-спектры используют для идентификации и контроля качества лекарственных средств и субстанций (ОФС «Спектрометрия в инфракрасной области» ГФ РФ XV).

Цель работы – изучить влияние ионизирующего излучения на микробную контаминацию и химический состав (определяемый на основании инфракрасных спектров) плодов укропа пахучего.

Материалы и методы

Объект исследования – сушёные плоды укропа пахучего ( Anethi graveolentis fructus ). Для исследования влияния облучения на уровень микробной контаминации были приготовлены образцы плодов укропа массой 10 г, расфасованные в полипропиленовые стерильные пробирки с завинчивающейся крышкой.

Контроль процесса радиационной обработки проведён по ГОСТ 8.664-2019 «Радиационная обработка пищевых продуктов. Требования к дозиметрическому обеспечению».

Гамма-облучение образцов проводили на уникальной научной установке ГУР-120 (УНУ ГУР-120 (№ 2795259)), НИЦ «Курчатовский институт» – ВНИИРАЭ. Мощность дозы при облучении – 280 Гр/ч. Поглощённые дозы гамма-излучения составили: 0,50±0,08; 1,00±0,15; 1,50±0,23; 3,00±0,45; 5,00±0,75; 6,00±0,90; 7,00±1,05; 9,00±1,35; 10,00±1,50 кГр. Дозиметрию осуществляли при помощи радиохромных плёнок СО ПД(Э)-1/10 (стандартный образец поглощённой дозы фотонного и электронного излучений) (ФГУП «ВНИИФТРИ», Россия).

Обработку образцов ускоренными электронами проводили на радиационно-технологической установке УЭЛР-10-15-С-1, расположенной в ООО «Калужское научно-техническое предприятие «Корад». Поглощённые дозы составили: 0,9; 1; 2; 3; 5; 7; 9 кГр (по результатам дозиметрического контроля: 0,92±0,15; 1,01±0,17; 2,05±0,33; 3,17±0,54; 5,25±0,78; 7,4±1,1; 9,1±1,28 кГр).

Определение микробиологической чистоты плодов укропа пахучего проводили в соответствии с ОФС «Микробиологическая чистота» ГФ РФ XV. Определяли показатели, предусмотренные для лекарственного растительного сырья: общее число аэробных микроорганизмов в 1 г; общее число дрожжевых и плесневых грибов в 1 г; содержание энтеробактерий, устойчивых к желчи, в 1 г; содержание Escherichia coli в 1 г, содержание бактерий рода Salmonella в 25 г. Все опыты проводили в трёх повторностях. В опытном и контрольном образцах проводили определение числа бактерий и грибов до и после облучения.

Образцы плодов укропа растирали до состояния мелкого порошка, смешивали с предварительно прокалённым в течение двух дней KBr для ИК-спектроскопии и снова растирали до полного перемешивания (3 мг образца и 270 мг KBr), после чего полученную смесь прессовали в 1 мм таблетки диаметром 13 мм под вакуумом и нагрузкой в 8 т. Анализ проводили на ИК-Фурье спектрометре ФСМ-2202 фирмы Инфраспек. Измерения проводили в области волновых чисел от 400 до 7000 см-1, но значимая часть спектра лежала в области до 4000 см-1.

Обработку экспериментальных данных проводили с использованием программы Microsoft Office Excel. Результаты представлены в виде среднего значения и стандартной ошибки.

Результаты и обсуждение

Для оценки влияния ионизирующего излучения на микробиологические показатели плодов укропа смывы с образцов высевали на различные среды. В исследуемых образцах энтеробактерии, устойчивые к желчи, Е. coli , бактерии рода Salmonella не обнаружены.

В пробах плодов укропа на 5 сут наблюдения был обнаружен рост колоний микроорганизмов, а также дрожжевых и плесневых грибов. В зависимости от дозы облучения отмечали снижение количества колоний микроорганизмов вплоть до неопределяемого уровня в радиационно обработанных образцах. Действие гамма- и электронного излучений отличалось. Так, в гамма-облучённых образцах семян укропа общее количество микроорганизмов снижалось до неопределяемого уровня при 9 кГр, а общее число дрожжевых и плесневых грибов – при 0,5 кГр (рис. 1).

Рис. 1. Численность микроорганизмов при гамма-облучении плодов укропа.

Обработка ускоренными электронами в дозе 5 кГр полностью подавляла количество как микроорганизмов, так и грибов (рис. 2).

Отметим, что количество микроорганизмов, в том числе дрожжей и плесеней в контрольных образцах плодов укропа на 5 сут исследования было на порядок ниже допустимого уровня в соответствии с ОФС «Микробиологическая чистота» ГФ РФ XV для лекарственного растительного сырья.

Возможными процессами, изменяющими структуру органических компонентов плодов укропа, могут быть расщепление гликозидных связей в углеводах [16], окисление двойных связей свободными радикалами с образованием кетонов и альдегидов [17]. Для сравнения структурных отличий органических компонентов облучённого и необлучённого плодов укропа проводился анализ соответствующих ИК-спектров пропускания полученных методом ИК-спектрометрии с преобразованием Фурье в области от 400 до 4000 см-1 (рис. 3 и 4).

—•—Общее число микроорганизмов —■ «Общее число дрожжевых и плесневых грибов

Рис. 2. Численность микроорганизмов при облучении электронами плодов укропа.

Рис. 3. ИК-спектры плодов укропа после воздействия гамма-излучения.

Рис. 4. ИК-спектры плодов укропа после воздействия электронного излучения.

На ИК-спектрах мы можем увидеть широкую интенсивную полосу поглощения -OH, расположенную в области от 3200 до 3600 см^-1, характерную для карбоновых кислот, что подтверждается полосой поглощения карбонильной группы в области 1735 см^-1. Также поглощение в области 1735 см^-1 может указывать на наличие кетонов и отсутствие сопряжения с двойной связью или ароматическим кольцом, в то время как наличие альдегидов менее вероятно, т.к. присутствует лишь один из пиков в области 2850 см^-1 и отсутствует пик в области 2720 см^-1, и сам пик карбонильной группы лежит в более дальней области. Отсутствует характерная полоса поглощения для сопряжённых с ароматическим кольцом карбонильной группы в области 1961 см^-1. Не удалось обнаружить валентные колебания первичных или вторичных аминов, а соответственно и амидов в этой области. Отсутствие заметных полос поглощения в области 2150 и 3300 см^-1 свидетельствует о том, что нет групп C=C и C=N. Пик в области 1625 см^-1 относится к алкенной связи, либо в ароматическом кольце, либо в алифатической цепи. Значительное количество перекрывающихся полос поглощения в области отпечатков пальцев не позволяет произвести однозначную оценку. Также явно видны сильные валентные колебания в области 2920 и 2830 см^-1, относящиеся к валентным колебаниям sp3-гибридизированного C-H и полосу деформационных колебаний -CH 2 - алифатической цепи в области 1425 см^-1. Полосы поглощения в области 1100-1300 см^-1 характерны для простых и сложных эфиров, хотя их расположение не позволяет однозначно идентифицировать их структуру. Полученные показания спектра можно отнести к значительному содержанию в образце целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и жирных масел.

Доступные в литературе данные ограничиваются исследованием методом ИК-спектроско-пии экстрактов листьев и цветков укропа пахучего [18, 19]. Полученные в этой работе ИК-спектры дополняют и углубляют сведения о действии ионизирующего излучения на растительное сырьё.

Таким образом, анализ ИК-спектра не показал значительных изменений в функциональных группах и структуре плодов укропа после воздействия облучения. Вид ионизирующего излучения (гамма- и электроны), а также доза в диапазоне от 1 до 10 кГр не повлияли на характер ИК-спектров.

Заключение

Радиационная обработка гамма-излучением в дозе 9 кГр плодов укропа пахучего ( Anethi graveolentis fructus ) обеспечивает микробиологическую чистоту (полностью уничтожает микроорганизмы). При обработке ускоренными электронами тот же эффект достигается при дозе 5 кГр.

Методом Фурье ИК-спектроскопии в средней области проведён качественный анализ изменений в спектрах плодов укропа при воздействии на них различных доз ионизирующего излучения. Показано, что обработка образцов гамма- и электронным излучениями в дозе до 10 кГр не приводит к заметному изменению ИК-спектра.

Подводя итог данному исследованию, следует констатировать, что обработка плодов укропа пахучего с использованием гамма- и электронного излучений в дозе до 10 кГр позволяет исключить риск микробиологического загрязнения и накопления микотоксинов в процессе хранения. Радиационная обработка продукции существенно увеличивает срок годности, обусловленный микробиологической порчей. При этом химический состав плодов укропа остаётся неизменным. Кроме того, если проводится обработка уже упакованной продукции, риск повторного загрязнения сводится к нулю. Практическая значимость работы заключается в том, что описанные параметры радиационной обработки лекарственного растительного сырья и готовых препаратов способствуют улучшению качества и биобезопасности данной продукции. Это особенно важно для пациентов с ослабленным иммунитетом.