Ресурсосберегающие экотехнологии переработки зерновых культур

Обеззараживание зерновых культур и сырьевых ингредиентов растительного происхождения с целью сохранения их качества и безопасности является первостепенной задачей пищевой промышленности. В настоящее время в данном направлении в пищевой индустрии существует множество технологий, основанных на использовании химических веществ. Данные технологии инактивации патогенной микрофлоры эффективны, но имеют ряд ограничительных факторов, так как всегда присутствует вероятность их попадания в конечные пищевые продукты. Воздействие высоких температур с целью обеззараживания

влечет за собой снижение пищевой ценности сырья и не применимо для свежих овощей и фруктов. Физические методы обеззараживания, такие как высокое гидростатическое давление, ультрафиолетовое и, ионизирующее излучение и др., обладают высокой эффективностью, но их применение ограничивается определенными видами пищевых продуктов, высоким потребление энергии, использованием дорогостоящего оборудования и временными затратами [1, 2].

В настоящее время рядом исследователей [3, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 15, 21, 22] предлагается использование высокоэффективной ресур-

сосберегающей экотехнологии на основе холодного плазменного излучения. Благодаря низкой температуре свечения плазмы (<50 °C) данный метод воздействия может использоваться для большого диапазона пищевых продуктов.

Холодная плазма представляет собой электропроводящее квазинейтральное «море» электронов, ионов, реактивных и нейтральных молекул [5]. Использование газовых смесей различного состава может позволить сформировать образование определенных химически активных атомов и молекул, таких как активный кислород, УФ-фотоны, молекулы азота и др. [20]. Так, например, присутствие повышенного содержания кислорода в воздухе может привести к образованию атомарного кислорода, супероксида, гидроксильных радикалов, оксида азота, перекиси водорода и других веществ, которые, как доказано, обладают обеззараживающим действием [15].

Химия образования плазмы - это сложный многоаспектный процесс, включающий в себя множество химических реакций. Её взаимодействие с поверхностью пищевых продуктов может быть описано более чем 75 реакциями. Данный метод воздействия эффективен для разрушения большинства органических связей на поверхности продукта, таких как C-H, C-C, C=C, C-O и C-N. При

этом активные формы кислорода (О₂⁺, О₂^-, О з , О, О⁺ и О^-, ионизированный озон и свободные электроны), образующиеся в плазме, имеют второе обеззараживающее действие.

Свободные радикалы приводят к образованию Н2О, СО, СО2 с загрязнениями органической природы, при этом протекают следующие реакции [7]:

О з +НО 2 ^НО 2 +О з ;

НО2^Н+О2 ;

О з +О 2 ^-^О 2 +О з ; О з" +Н⁺^НО³; НО³^О²+ОН.

Холодная плазма инактивирует патогенную микрофлору с поверхности обрабатываемых пищевых продуктов с помощью двух основных факторов воздействия. Во-первых, это химические реакции между радикалами, реактивными или заряженными частицами с клеточными мембранами микроорганизмов. Во-вторых, воздействие УФ-излучения, которое повреждает мембраны и внутренние клеточные элементы, также вызывает разрыв цепей ДНК, что приводит к гибели микроорганизмов. Наиболее эффективным является сочетание нескольких вышеописанных обеззараживающих механизмов [9, 13].

Методы генерации плазмы, наиболее применяемые для обработки пищевых продуктов, подразделяются на диэлектрический барьер-

Холодная плазма

Тип источника: Q ДБР Ц АПС Я КР Я РП В МР

Свободные ионы УФ излучение Свободные радикалы Заряженные частицы

Параметры используемого оборудования

Параметры воздействия

Методы генерации плазмы

Результат обработки пищевых продуктов

• •    Напряжение

• •    Частота

• •    Мощность

• •    Время воздействия

• •    Состав газовой среды

• •    Относительная влажность вождуха

• •    Материал и форма электродов

• •    Растояние между электродами

• •    Способ образования

Обеззараживание

Разрушение микотоксинов Инактивация ферментов Снижение аллергического воздействия

плазмы

Обобщенная схема параметров получения холодного плазменного излучения [4]

Характеристика разработок в области применения холодной плазмы для обеззараживания зерновых культур, плодов и овощей*

Обрабатываемое сырьё	Тип ХП и параметры воздействия	Инактивируемая микрофлора / насекомые	Источник
Зерно пшеницы, нута, фасоли, ячменя, овса, сои, чечевицы, кукурузы, ржи	АПС: 20 кВ, 300 Вт, 1 кГц, 5–20 минут	Aspergillus spp., Penicillin spp.	Selcuk [18]
Мука пшеничная сортовая	ДБР: 50 Гц, 1–2,5 кВ, 1–5 минут	Tribolium castaneum	Mahendran [11]
Мука пшеничная цельносмолотая	ДБР: 60–70 кВ, 5–10 минут	Penicillin spp.	Misra [12]
Рисовый крахмал	РП: 40–60 Вт, 13,56 МГц, 5–10 минут	Penicillin spp.	Thirumdas, 2017 [22]
Коричневый рис	РП: 40–50 Вт, 13,56 МГц, 5–10 минут	Bacillus cereus	Thirumdas, 2016 [21]
	ДБР: 250 Вт, 15 кГц, 5–20 минут	E. coli O157:H7, Bacillus subtilis, Bacillus cereus	Lee [10]
Зерно пшеницы, ячменя, овса	КР: 8–15 кВ, 100 Гц, 10–30 секунд	Aspergillus candidus, Fusarium spp, Penicillium spp.	Потороко [3]
Яблоки	ДБР: 150 Вт, 12,7 кГц, 120 мин	E. coli O157:H7	Ramazzina [17]
	АПС: 15 кВ, 60 Гц, 3 мин	Salmonella Stanley and E. coli O157:H7	Niemira [14]
	РП: 40 Гц, 36 кВ, 5 мин	L. monocytogenes	Ukuku [23]
Манго, дыни	АПС: 12–16 кВ, 30 кГц, 1 мин	Pantoea agglomerans,E. coli, Saccharomyces cerevisiae, Gluconacetobacter liquefaciens	Perni [15]
Арахис	РП: 60 Вт, 13,56 МГц	Aspergillus parasiticus, Aspergillus flavus	Devi [6]
Миндаль	КР: 20 кВ, 15 кГц, 15 мин	Salmonella	Hertwig [8]
Помидоры	ДБР: 15 Гц, 60 кВ, 5–30 мин	E. coli ATCC 25,922	Prasad [16]
Капуста	МР: 400–900 Вт, 667 кПа, 1–10 мин	L. monocytogenes	Lee [10]

*ДБР – диэлектрический барьерный разряд, АПС – атмосферная плазменная струя, КР – коронный разряд, РП – радиочастотная плазма, МР – микроволновый разряд.

ный разряд (ДБР), атмосферную плазменную струю (АПС) [19], коронный разряд (КР) [3], радиочастотную плазму (РП) и микроволновый разряд (МР) (см. рисунок) [4].

Значительное число научных работ (см. таблицу) посвящено исследованиям в данной области, что указывает на его привлекательность для реального сектора производства.

Эффективное обеззараживание зерновых культур и сырьевых ингредиентов на их осно-

ве – достаточно сложно реализуемая задача, обусловленная развитой поверхностью биологических объектов и их малым размером. Необходимо отметить, что рядом исследований, приведенных в таблице, подтверждена инактивация Aspergillus spp., Fusarium spp, Penicillium spp. при использовании АПС, ДБР, РП и КР. Представленные в открытой печати базы данных Scopus и WoS [3, 6, 10, 11, 12, 21, 22], параметры воздействия холодного

плазменного излучения указывают, что длительность эффективного процесса обеззараживания для зерновых культур должна составлять 5–20 минут, тогда как современные российские разработки [3] позволяют сократить данную характеристику до 10–30 секунд, что значительно снижает затраты производителей на проведение данного процесса.

Представленные исследования показывают, что создание эффективных технологий обеззараживания путем воздействия холодного плазменного излучения требует индивидуального подхода для каждого вида продукта, а также должно учитывать присутствие его начальную микрофлоры, влажность и структуру

поверхности. В данной технологии возможен широкий выбор метода генерации плазмы, создания активных молекул и ионов, длительности воздействия и конструкции технологических линий, что дает возможность производителям внедрять в производственный процесс инновационные технологии с учетом финансовых возможностей предприятия.

Таким образом, интерес к разработкам в области внедрения ресурсосберегающих экотехнологий переработки зерновых культур на основе холодного плазменного излучения весьма актуален, так как позволяет создать безопасную пищевую систему и сохранить все полезные свойства биологических объектов.