Сравнение эффективности нетермических методов обеспечения микробиологической безопасности пищевых отходов

N.E. Vorotyntsev1, , A.L. Kuznetsov2, , E.A. Bazankova1, , O.A. Suvorov1, , 1 Russian Biotechnological University, Moscow, Russia

Cохранение показателей качества в пределах допустимых значений способствует снижению заболеваемости пищевыми инфекциями и обеспечивает безопасность продукции. Обеспечение микробиологической безопасности и продление сроков годности являются важнейшими задачи продовольственного обеспечения [1].

Важное место в категории высокого и значительного риска причинения вреда потребителю в результате недостаточных мер по обеспечению микробиологической безопасности занимают рыба и морепродукты, молочная продукция, кондитерские изделия, овощи, бахчевые культуры, безалкогольные напитки [2]. В то же время именно эти категории пищевых продуктов имеют большой потенциал переработки как промышленной, так и локальной, с извлечением ценных веществ и получением новых продуктов с добавленной стоимостью.

Предприятия пищевой промышленности используют в основном термическую обработку продуктов, пастеризацию, стерилизацию, которая, к сожалению, разрушительно действует на термолабильные вещества, содержащиеся в продуктах питания, такие как пигменты, антиоксиданты, витамины, биоло- гически активные вещества, и не подходит ко всем видам продуктов [3].

Эффективность некоторых методов нетермического воздействия на пищевые продукты как способа продления срока годности и обеспечения микробиологической безопасности молока, обсемененного дрожжевыми грибами Saccharomyces Cerevisiae, была экспериментально доказана [4]. Однако, учитывая противоречивый опыт многих исследователей нетермических методов обработки пищевых продуктов [5–7], было принято решение продолжить работу по исследованию методов нетермического воздействия на молоко применительно к другим штаммам микроорганизмов.

Целью данного исследования является сравнение эффективности различных методов нетермического воздействия на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, как способа обеспечения микробиологической безопасности.

Научная новизна работы заключается в количественном сравнении и обосновании продолжительности различных видов и комбинаций методов нетермического воздействия на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17.

Объекты и методы исследования

Данное исследование представляет собой развитие идей и результатов, опубликованных в работе авторов «Сравнение эффективности нетермических методов обработки для предотвращения образования отходов» [4].

Продолжая изучение нетермических методов обработки молока для достижения микробиологической безопасности, в данном исследовании для имитации заражения вместо дрожжевых грибов Saccharomyces Cerevisiae был использован сухой лиофилизат живых бактерий кишечной палочки штамма E. Coli M-17 концентрацией не менее 10x109 КОЕ марки «Колибактерин» производства компании «Микроген». Кишечная палочка (Escherichia coli) – условно-патогенный микроорганизм, некоторые токсины которого способны вызывать пищевые отравления и провоцировать почечную недостаточность.

Объекты исследования, описание методов и методик исследования, а также внешний вид лабораторных стендов и их подробное описание представлены в работе авторов «Сравнение эффективности нетермических методов обработки для предотвращения образования отходов» в разделе «Материалы, методы и объекты исследования» [4].

Результаты и их обсуждение

Воздействие озона производительностью 400 мг/ч

Несмотря на сильные окислительные свойства, вступая в реакцию с органическими соединениями, озон не образует опасных побочных продуктов, что обуславливает его популярность как метода дезинфекции и продления сроков годности пищевых продуктов [8–11].

Согласно рис. 1 воздействие газообразного озона на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, в течение 60 минут позволило подавить развитие 97 % колоний исследуемого образца. Воздействие меньшей продолжительностью неэффективно, напротив, демонстрировало эффект ингибирования роста.

Воздействие ультразвуковых волн частотой 1,7 МГц

Эффективность ультразвуковой обработки пищевых продуктов обусловлена акустической кавитацией и химическими реакциями, повреждающими клеточную структуру микро-

(А)                           (Б)                           (В)                         (Г)

Рис. 1. Результаты воздействия газообразного озона на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, в течение: (А) контрольный образец без воздействия; (Б) 15 мин; (В) 30 мин; (Г) 60 мин

организмов [12]. Согласно рис. 2 воздействие ультразвуковых волн частотой 1,7 МГц на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, в течение 60 минут характеризовалось эффектом ингибирования роста микроорганизмов на 157 % в сравнении с контрольным образцом.

Воздействие ультрафиолетовых волн длиной волны 260 нм

Установлено, что антибактериальный эффект при обработке пищевых продуктов достигается обработкой длиной волны от 200 до 280 нм [13, 14]. Согласно рис. 3 воздействие ультрафиолетовых волн длиной волны 260 нм на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, в течение 60 минут позволило подавить развитие 98 % колоний исследуемого образца в сравнении с контрольным образцом. Воздействие меньшей продолжительностью неэффективно.

Воздействие электромагнитного поля с индукцией магнитного поля 2,33 мкТл

Воздействию электростатических и электромагнитных полей на пищевые продукты также уделялось значительное внимание. Однако эффективность метода в вопросе дости-

(А)

(Б)

(В)

(Г)

Рис. 2. Результаты воздействия ультразвуковых волн на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, в течение: (А) контрольный образец без воздействия; (Б) 15 мин; (В) 30 мин; (Г) 60 мин

(А)

(Б)

(В)

(Г)

Рис. 3. Результаты воздействия ультрафиолетовых волн на молоко, содержащее кишечную па лочку E. Coli М-17, в течение: (А) контрольный образец без воздействия; (Б) 15 мин; (В) 30 мин;

(Г) 60 мин

(А)                          (Б)                         (В)                           (Г)

Рис. 4. Результаты воздействия электромагнитного поля на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli М-17, в течение: (А) контрольный образец без воздействия; (Б) 15 мин; (В) 30 мин; (Г) 60 мин

жения микробиологической безопасности сильно зависит от параметров обработки, среды, в которой выполнялась обработка и от конкретного штамма микроорганизма [15]. Согласно рис. 4 воздействие электромагнитного поля с индукцией магнитного поля 2,33 мкТл на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, в течение 60 минут позволило подавить развитие не более 60 % колоний в сравнении с контрольным образцом.

Воздействие электростатического поля напряжением 14,4 кВ

Согласно рис. 5 воздействие электростатического поля напряжением 14,4 кВ на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, в течение 60 минут позволило подавить развитие не более 22 % колоний в сравнении с контрольным образцом.

Методы воздействия, показавшие наилучшие результаты в подавлении роста колоний исследуемых образцов, были совмещены в рамках исследования для оценки их синергической эффективности.

Комбинированное воздействие озона производительностью 400 мг/ч и ультразвуковых волн частотой 1,7 МГц

Согласно рис. 6 комбинированное воздействие озона производительностью 400 мг/ч и ультразвуковых волн частотой 1,7 МГц на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, в течение 15 минут продемонстрировало синергический эффект и привело к подавлению развития 99 % колоний в сравнении с контрольным образцом. Дальнейшее увеличение длительности воздействия характеризовалось тотальным подавлением развития микроорганизмов.

Комбинированное воздействие озона производительностью 400 мг/ч и ультрафиолетовых волн длиной волны 260 нм

Согласно рис. 7 комбинированное воздействие озона производительностью 400 мг/ч и ультрафиолетовых волн длиной волны 260 нм на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, течение 15 минут продемонстрировало синергический эффект и характери-

(А)                          (Б)                         (В)                           (Г)

Рис. 5. Результаты воздействия электростатического поля на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli М-17, в течение: (А) контрольный образец без воздействия; (Б) 15 мин; (В) 30 мин; (Г) 60 мин

(А)

(Б)

(В)

(Г)

Рис. 6. Результаты совместного воздействия озона и ультразвуковых волн на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli М-17, в течение: (А) контрольный образец без воздействия; (Б) 15 мин;

(В) 30 мин; (Г) 60 мин зовалось тотальным подавлением развития колоний в сравнении с контрольным образцом.

Методы воздействия, показавшие худшие результаты в подавлении роста колоний исследуемых образцов, были также совмещены в рамках исследования для оценки возможного синергического эффекта их использования.

Комбинированное воздействие электромагнитного поля с индукцией магнитного поля 2,33 мкТл и электростатического поля напряжением 14,4 кВ

Согласно рис. 8 комбинированное воздействие электромагнитного поля с индукцией магнитного поля 2,33 мкТл и электростатического поля напряжением 14,4 кВ на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, в течение 60 минут позволило подавить развитие не более 33 % колоний в сравнении с контрольным образцом. Таким образом, потенциальный синергический эффект совмещения двух методов воздействия, показавших худшие результаты в подавлении роста колоний исследуемых образцов, не подтвердился.

Обобщая результаты, представленные в таблице, наибольшую эффективность показала комбинация озона производительностью 400 мг/ч и ультрафиолетовых волн длиной волны 260 нм, позволяющая добиться тотального подавления развития колоний кишечной палочки E. Coli M-17 при длительности воздействия на протяжении всего 15 минут. Сравнивая эффективность данных методов воздействия отдельно друг от друга, была также отмечена их высокая эффективность, однако для подавления развития более 98 % колоний E. Coli M-17 требовалось воздействие на исследуемый образец на протяжении не менее 60 минут.

Высокой эффективностью также характеризовалась комбинация озона производительностью 400 мг/ч и ультразвуковых волн частотой 1,7 МГц. Для тотального подавления роста колоний кишечной палочки E. Coli M-17 потребовалось воздействие на протяжении 30 минут.

Использование электромагнитных и электростатических полей в качестве метода обра-

(А)

(Б)

(В)

(Г)

Рис. 7. Результаты совместного воздействия озона и ультрафиолетовых волн на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli М-17, в течение: (А) контрольный образец без воздействия; (Б) 15 мин; (В) 30 мин; (Г) 60 мин

(А)

(Б)

(В)

Рис. 8. Результаты совместного воздействия электромагнитного и электростатического полей на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli М-17, в течение: (А) контрольный образец без воздействия; (Б) 15 мин; (В) 30 мин; (Г) 60 мин

(Г)

Сравнение эффективности методов нетермического воздействия на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17

Метод нетермического воздействия Колонии E. Coli M-17, при различной длительности нетермического воздействия, КОЕ Количество выживших колоний E. Coli M-17 после нетермического воздействия в сравнении с контрольным образцом, % Контрольный образец без воздействия Воздействие в течение 15 минут Воздействие в течение 30 минут Воздействие в течение 60 минут Воздействие в течение 15 минут Воздействие в течение 30 минут Воздействие в течение 60 минут Озонирование 18 717 12 299 80 21 66 < 1 < 1 Ультразвуковая обработка 18 717 28 857 31 569 29 415 154 169 157 Ультрафиолетовая обработка 18 717 15 274 3 906 273 82 21 2 Электромагнитная обработка 18 717 16 333 15 996 7 378 87 85 39 Электростатическая обработка 18 717 12 287 14 899 14 598 66 80 78 Совмещение озонирования и ультразвуковой обработки 10 663 20 0 0 < 1 0 0 Совмещение озонирования и ультрафиолетовой обработки 10 663 0 3 0 0 0 0 Совмещение электромагнитной и электростатической обработки 10 663 9 863 8 998 7 185 92 84 67 ботки пищевых продуктов для обработки молока, содержащего E. Coli M-17, неэффективно.

Выводы

Сравнение эффективности методов нетермического воздействия на молоко, содержащее кишечную палочку E. Coli M-17, позволило сделать следующие выводы:

– Наибольшей эффективностью характеризуется комбинированная обработка озоном производительностью 400 мг/ч и ультрафиолетовыми волнами длиной волны 260 нм. Данная комбинация позволяет добиться тотального подавления развития колоний ки- шечной палочки E. Coli M-17 при длительности воздействия на протяжении всего 15 минут. Сравнивая эффективность данных методов воздействия отдельно друг от друга, была также отмечена их высокая эффективность, однако для подавления развития более 98 % колоний E. Coli M-17 потребовалось воздействие на исследуемый образец на протяжении не менее 60 минут.

– Аналогичные результаты были получены при совмещенной обработке озоном производительностью 400 мг/ч и ультразвуковыми волнами частотой 1,7 МГц. Полностью подавить рост колоний кишечной палочки E. Coli M-17 удалось при воздействии на исследуемый образец на протяжении 30 минут.

– Отсутствием эффективности в подавлении развития колоний E. Coli M-17 в молоке характеризуется воздействие обработкой электромагнитным и электростатическим полями и их комбинацией.

Результаты исследования показали актуальность дальнейшей работы по изучению эффективности методов нетермического воздействия обработки пищевых продуктов и пищевых отходов и их комбинаций как способа и продления сроков годности и обеспечения микробиологической безопасности.