Влияние обработки ускоренными электронами на изменение текстуры свежих шампиньонов в процессе холодильного хранения

Снижение потерь от порчи и повышение микробиологической безопасности растительного сырья является серьезной проблемой для увеличения хранимоспособности продовольствия. Одним из способов решения данной проблемы является оптимизация технологий обработки растительного сырья физическими методами, а именно обработка ионизирующими излучениями: γ-излучение (Fernandes et al., 2017; Reyes-Campos et al., 2013; Лой и др., 2017), ускоренные электроны (^eal et al., 2010; ^am et al., 2019; Joshi et al., 2018), рентгеновское излучение (Alonso et al., 2007; Berger et al., 1962), ультразвук (Dellarosa et al., 2017; Lagnika et al., 2014), УФ-излучение (Aiamla-or et al., 2009; Cia et al., 2007) и др.

Обработку указанными физическими методами применяют в качестве фактора, оказывающего воздействие на:

• –    частичное или полное подавление жизнедеятельности микроорганизмов (^am et al., 2019; Шишкина и др., 2018; 2019; Madureira et al., 2019; Чиж и др., 2011);

• –    задержку процессов созревания, старения растительного сырья (Шишкина и др., 2018; 2019);

• –    стабилизацию устойчивости (Шишкина и др., 2018; Ковальская и др., 1970; ^ambeesan et al., 2018);

• –    сохранение физико-химических и органолептических свойств (Fernandes et al., 2017; ^eal et al., 2010; ^am et al., 2019; Шишкина и др., 2018; Jiang et al., 2010; Lei et al., 2018);

• –    пролонгацию сроков послеуборочного хранения (Лой и др., 2017; ^eal et al., 2010; Lagnika et al., 2014);

• –    интенсификацию технологического процесса переработки (увеличение выхода сока, замораживание, сушка и др.) (Радиационные…, 2015; Алексахин и др., 2014).

Наиболее эффективной технологией обработки растительной продукции с применением ионизирующего излучения является технология, предусматривающая воздействие на продукцию электронным излучением с энергией квантов не выше 10 МэВ. Такая обработка приводит к уменьшению поверхностной обсемененности фруктов, овощей, грибов и других продуктов, сохраняя при этом исходный вкус, аромат, текстуру, энергетическую и биологическую ценность (Reyes-Campos et al., 2013; ^am et al., 2019; Joshi et al., 2018; Alonso et al., 2007; Madureira et al., 2019; ^ambeesan et al., 2018; Jiang et al., 2010; Jiang, 2013; Akram et al., 2010; Use…, 2006).

В природе существует множество видов съедобных грибов, часть из них имеет высокое коммерческое значение и промышленно культивируется (Tarlak et al., 2020). Около 45 % грибов потребляется в свежем виде, остальные подвергаются дальнейшей промышленной переработке вследствие короткого срока годности (Diamantopoulou et al., 2015; ^asiri et al., 2017; Royse, 2014; Fernandes et al., 2012; Singh et al., 2010).

Среди культивируемых шампиньонов вид Agaricus bisporus является наиболее распространенным (Doymaz, 2014; Moradian et al., 2018). Плодовые тела грибов данного вида отличаются приятным вкусом и широким возможностям использования при приготовлении пищи, являются источником полезных веществ, витаминов, микро- и макроэлементов, белка растительного происхождения (^asiri et al., 2017; Royse, 2014; Fernandes et al., 2012).

После сбора урожая грибам свойственна потеря качества, которая обусловлена потемнением, раскрытием шляпки, удлинением ножки, потерей веса и изменением текстуры с повышением интенсивности дыхания (Jiang, 2013; Diamantopoulou et al., 2015; Xu et al., 2016; Zhang et al., 2018). Размягчение шампиньонов происходит в результате деградации белков и полисахаридов, потери тургора клетки, синтеза хитина в клеточных стенках и др. (Doymaz, 2014; Gormley, 2007; Zivanovic et al., 2003; Salamat et al., 2020; Palacios et al., 2011; Parentelli et al., 2007). Одной из ключевых характеристик состояния плодовых тел грибов и его изменения в процессе хранения является органолептическая оценка по показателям: цвет, текстура, внешний вид, аромат и т. д. ¹ Текстура является качественным показателем хранимоспособности шампиньонов и определяется инструментальным методом (Jiang et al., 2010; Дятлов и др., 2011).

В соответствии с этим цель исследований – подтверждение потенциальной эффективности влияния обработки ускоренными электронами на изменение текстуры свежих шампиньонов в процессе холодильного хранения.

Материалы и методы

Для получения экспериментальных данных объектами исследования служили свежие культивируемые грибы шампиньоны (Agaricus bisporus), выращенные в Крестьянском фермерском хозяйстве "Дон Шампиньон" (Рязанская область).

Полученные грибы были отсортированы, разложены в полипропиленовые лотки и упакованы в пакеты из ВОРР (биаксиально-ориентированный полипропилен) пленки толщиной 40 мкм с следующими параметрами: кислородопроницаемость 1325 см ³ /м ² ⋅ 24 ч ⋅ бар (23 °С), паропроницаемость 3,3 г/м ² /24 ч ⋅ бар (38 °С, отн. вл. 90 %).

Образцы обрабатывали на ускорителе УЭЛР-10-15-С-60-1 (ООО "Теклеор", Калужская область) ускоренными электронами с регулируемой энергией электронов от 1 до 10 МэВ, средней мощностью пучка до 15 кВт и генератором энергии КИУ-147A (рис. 1, 2) (Радиационные…, 2019).

Рис. 1. Линейный ускоритель электронов, с использованием которого проводились исследования Fig. 1. Linear electron accelerator used for the research

Рис. 2. Первый в России центр обработки продуктов растительного и животного происхождения потоком ускоренных электронов "Теклеор", на базе которого проводились исследования

Fig. 2. The first center in Russia for processing products of plant and animal origin by a stream of accelerated electrons "Tekleor" where the research was carried out

На основании анализа литературных данных были выбраны следующие значения параметров обработки ускоренными электронами:

• –    дозы облучения 0,8; 1,2; 1,6;2,0; 2,4; 2,8 и 3,2 кГр;

• –    энергия пучка 5 МэВ.

Далее образцы хранили в холодильной камере при температуре +4…5 °С и относительной влажности воздуха 85–90 %.

Хранимоспособность по показателю текстуры контролировали по истечении 1, 3, 8, 13, 16, 21, 24 и 29 суток.

Контроль данного показателя определяли с помощью цифрового плодового пенетрометра в кг/см ² . Пенетрация в центр шляпки плодовых тел грибов осуществлялась цилиндрическим зондом длиной 1 см и диаметром 2 мм.

Каждую выемку осуществляли в трехкратной повторности и отсеивали статистически недостоверные данные для уменьшения статистической погрешности измерений.

Математическую обработку полученных данных проводили с использованием программного обеспечения TableCurve 2D v.5.01 (SYSTAT Software Inc.), предназначенного для определения параметров множества различных функций, и программы для работы с электронными таблицами Microsoft Excel 2010 (Microsoft Corporation).

Массив данных, полученный в результате эксперимента, был статистически обработан на наличие грубых погрешностей, которые отсеивались по методу квартильной оценки и в соответствии с критерием Стьюдента при α ≤ 0,05.

По числовым данным для каждой экспериментальной точки устанавливали средние значения по медиане и их доверительные интервалы. Затем результаты аппроксимировали и определяли динамики текстуры, которые выражаются подобранными математическими описаниями с коэффициентами для каждой дозы облучения, а также коэффициенты детерминации, коэффициенты по критерию Фишера при α ≤ 0,05 с целью графического представления полученных данных (табл.).

Критерии выбора наиболее адекватной функции отклика при аппроксимировании данных были следующими:

• –    функция отклика должна адекватно отображать поведение моделируемой системы;

• –    квадрат коэффициента корреляции не должен быть менее 0,95;

• –    подобранная функция должна быть адекватна по критерию Фишера при достоверности результатов α ≤ 0,05.

Результаты и обсуждение

При аппроксимировании массива экспериментальных данных были получены динамики текстуры в процессе хранения грибов, обработанных ускоренными электронами (табл.).

Таблица. Математические описания и значения коэффициентов, полученных в результате аппроксимации массива экспериментальных данных для каждой дозы облучения Table. Mathematical descriptions and values of the coefficients obtained as a result of approximating an array of experimental data for each radiation dose

о О В Ч g о	Математическое описание*	я я я . я ^ я m Я ° S « I н tv tt	а> а я е о	Коэффициенты
				a	b	c	d	e	f
0	1 D =---;------7— а + b - т + с - т 2 + d - т 3	0,8961	0,0550	0,0328	0,0015	–0,0001	2,5 ‧ 10 –6	–	–
0,8	D = ^ а+Ь - т+с - T 2 +d - т 3	0,9238	0,1121	3,4196	–0,0340	0,0027	–7,0 ‧ 10 –5	–	–
1,2	п             1	0,8864	0,1655	0,0327	0,0011	–8,4 ‧ 10 –5	1,7 ‧ 10 –6	–	–
1,6		0,7193	0,2300	0,0334	0,0012	–9,6 ‧ 10 –5	2,2 ‧ 10 –6	–	–
2,0	а + b - т + с - т 2 + d - т3	0,9277	0,1065	0,0332	0,0016	–0,0001	2,5 ‧ 10 –6	–	–
2,4		0,7203	0,1322	0,0342	0,0015	–0,0001	2,9 ‧ 10 –6	–	–
2,8	а + с - т + е - т 2 1 + b - т + d - т 2 + / - т 3	0,9076	0,2153	3,3849	–0,0131	–0,0852	0,0019	0,0101	3,3 ‧ 10 –5
3,2	1 D =—,--:--- а + b - т + с - т 2 + d - т 3	0,8073	0,0649	0,0345	0,0008	–8,7 ‧ 10 –5	3,1 ‧ 10 –6	–	–

Примечание. * τ – продолжительность хранения.

Из таблицы следует, что при изменении дозы облучения динамики текстур описываются различными уравнениями.

В ходе определения максимально приемлемой продолжительности хранения сравнивали отклик динамики текстуры обработанных ускоренными электронами шампиньонов. Количественное значение требуемого показателя определяли по функции для контрольного варианта на момент истечения нормативного срока годности (16 суток) с условием, что дальнейшее хранение приведет к изменению значения искомого показателя в худшую сторону относительно аналогичной динамики для контроля.

Расчетные значения отклика текстуры шампиньонов аппроксимированы подгоночными функциями для каждой дозы облучения. Функция обобщенного предела хранимоспособности обработанных ускоренными электронами шампиньонов в зависимости от дозы облучения имеет вид:

T(d) = f_D

где T(d) - предельное значение хранимоспособности при данных значениях d, сут; f _D . ( d ) - функция предельной хранимоспособности по показателю текстуры.

Результаты первичной обработки экспериментальных данных по отклику текстуры при хранении шампиньонов, обработанных ускоренными электронами различными дозами, отображены на рис. 3.

Рис. 3. Динамики текстуры в процессе холодильного хранения шампиньонов, обработанных различными дозами ускоренных электронов

Fig. 3. Texture dynamics during the refrigerated storage of mushrooms treated with various doses of accelerated electrons

Для каждой дозы облучения определено предельное значение продолжительности хранения в соответствии с предельным значением текстуры (25,79 кг/см ² ) на момент окончания нормативного срока годности для контрольных грибов (16 суток). В результате аппроксимации полученного массива данных было разработано в зависимости от дозы облучения математическое описание хранимоспособности грибов по показателю текстуры, представленное уравнением

Т =

а+b - х+с • % ² +d • % ^{3 ,}

где T – текстура тканей плодового тела, кг/см ² ; a , b , c и d – коэффициенты; х – доза облучения, Дж/м ² .

Предположительно, в результате физического воздействия (облучения ускоренными электронами) в растительном объекте происходит защитная реакция (активация обменных процессов, потеря влаги за счет увеличения интенсивности дыхания), что отображается на первоначальном времени уменьшения текстуры грибной ткани, затем происходит стабилизация активности обменных процессов и дыхания, поэтому размягчение останавливается. Далее за счет естественной убыли массы текстура некоторое время увеличивается, затем начинают преобладать процессы мацерации (размягчения), вследствие чего текстура на данном этапе уменьшается уже окончательно. Поэтому анализ достижения критического значения текстуры при той или иной дозе по сравнению с контролем определяли именно на этапе окончательного снижения текстуры. Исключение составляла точка А , но связано это с тем, что по ее достижению в соответствующей динамике затем отсутствовала зона нарастания текстуры, и после некоторой зоны плато текстура продолжала ухудшаться.

Полученная в ходе экстраполяции экспериментальных данных модель зависимости режимов обработки ускоренными электронами шампиньонов с дополнением доз облучения от 3,2 до 5 кГр, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Модель предельной хранимоспособности шампиньонов по показателю текстуры в зависимости от дозы облучения ускоренными электронами

Fig. 4. Model of ultimate storage capacity in terms of champignon texture depending on the dose of radiation by accelerated electrons

На графике динамики хранимоспособности грибов (рис. 4) в зависимости от дозы облучения показаны критические точки А, B, C, D, E. В соответствии с представленной моделью облучение ускоренными электронами до дозы 2 кГр приводит к увеличению хранимоспособности, причем в зоне II (на участке ВС) данное явление происходит наиболее эффективно (более 30 %) при обработке дозами от 0,9 кГр и достигает своего экстремума в точке С (до 65 %), что происходит на 26-е сутки хранения. При дальнейшем увеличении дозы облучения наблюдается снижение хранимоспособности в зоне III (до 30 %) при обработке дозами до 2,9 кГр с последующим достижением значения, которое соответствует контролю при обработке дозой порядка 3,4 кГр.

Следовательно, обработка дозами более 2 кГр не приводит к увеличению хранимоспособности, т. е. является нерациональной. Поэтому следует рассматривать область доз, при которых происходит увеличение хранимоспособности более чем на 30 %, а именно от 0,9до 2 кГр.

Заключение

В результате проведенных исследований и обработки результатов были сформулированы следующие выводы:

• –    разработана модель динамики текстуры тканей плодовых тел шампиньонов, обработанных ускоренными электронами в процессе холодильного хранения;

• –    определены оптимальные режимы обработки ускоренными электронами шампиньонов с энергией квантов 5 МэВ дозами от 0,9 до 3,4 кГр, позволяющие увеличить хранимоспособность по показателю текстуры более чем на 30 %, причем максимальное увеличение хранимоспособности отмечено при обработке дозой 2,0 кГр.

Полученные результаты дают импульс для проведения дальнейших комплексных исследований с использованием других показателей качества для увеличения хранимоспособности шампиньонов после обработки ускоренными электронами.