Влияние радиационной обработки тормозным излучением на снижение нитритов и нитратов в корнеплодах и клубневой сельскохозяйственной продукции

МРНТИ 68.35.47                                 

Овощи и фрукты полезны и совершенно необходимы. В них содержится множество полезных и незаменимых нутриентов: витамины, растительная клетчатка, кислоты, ценные минералы и пр. Кроме полезных веществ в овощах и фруктах могут содержаться и вредные для организма нутриенты, такие как нитраты, пестициды, тяжелые металлы. Предельно допустимый уровень нитратов в продуктах растениеводства установлен Техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС 021/2011 «О безопасности пищевой продукции» из фруктов и овощей. Свекла может накапливать до 1400 мг/кг нитратов (это предельно допустимая концентрация), ПДК нитратов у большинства овощей и фруктов значительно меньше (мг/кг): картофель - до 250, ранняя морковь - до 400, поздняя -до 250. Поскольку нитраты, как отмечалось выше, являются нормальным продуктом обмена азота в растениях, то они максимально накапливаются в период наибольшей активности их созревания. Чаще всего она проявляется перед началом уборки урожая. В результате быстрого роста населения мира и ограниченности сельскохозяйственных площадей, достаточное снабжение корнеплодов и клубневой сельскохозяйственной продукции для продовольствия становится все более сложной задачей. Были проведены обширные исследования, включающие физические обработки для улучшения сохранности корнеплодов и клубневой сельскохозяйственной продукции, что привело к повышению безопасности и устойчивости пищевых продуктов. Обработки, обсуждаемые в этой статье, были оценены на предмет их способности снижать нитриты без ущерба для улучшения безопасности и качества корнеплодов и клубневой сельскохозяйственной продукции.

Кроме того, такие технологии обладают преимуществами в аспекте экологичности и потребительской приемлемости [1]. Вместе с тем, как уже отмечалось ранее, радиационная обработка рассматривается как более эффективный и перспективный подход к обеспечению сохранности пищевых продуктов.

К распрастраненным пищевым загрязнителям корнеплодов и клубневой сельскохозяйственной продукции относятся нитриты, нитраты и пестициды.

Чрезмерное поступление нитритов и нитратов с пищевыми продуктами может оказывать негативное влияние на здоровье человека. В частности, нитриты способны окислять гемоглобин, превращая его в метгемоглобин, что снижает способность крови переносить кислород. Кроме того, данные соединения уменьшают пищевую ценность продуктов за счёт снижения биодоступности витамина A, витаминов группы B, йода и белков. Дополнительно следует отметить, что нитриты участвуют в образовании канцерогенных

N-нитрозосоединений. Основным источником нитратов (до 87%) и нитритов (до 43%) в рационе человека являются овощи [2]. В исследовании авторов [3] представлены данные о содержании нитратов в четырёх популярных видах свежих овощей (луке, картофеле, моркови и томатах), проанализировано влияние способов термической обработки (традиционная варка, варка в микроволновой печи и жарка) на уровень нитратного азота, при этом наименьшее снижение нитратов наблюдалось при варке в микроволновой печи, а также проведено сравнение полученных результатов с данными по содержанию нитратов в овощах из других стран.

Радиолитическое разложение загрязняющих веществ в последние годы применяется для очистки природных вод и отходов различного происхождения, а также для очистки питьевой воды [4,5]. Более того, гамма-облучение становится важной технологией в пищевой промышленности, включая проблемы безопасности пищевых продуктов, такие как сохранение фруктов и овощей для снижения количества патогенных микробов [ 6]. С другой стороны, хотя облучение пищевых продуктов изучалось многими учеными, ограниченное ч исло исследований было сосредоточено на эффекте гамма-излучения для удаления остатков пестицидов [7, 8. 9] .

Ионизирующее излучение может вызывать химические изменения в пищевых продуктах, включая окислительно-восстановительные реакции, которые могут изменить содержание нитратов и нитритов. Нитриты (NO₂⁻) могут образовываться в результате восстановления нитратов (NO₃⁻), естественным образом присутствующих в продуктах. В работе [10] отмечено изменение концентрации нитритов в мясных продуктах, подвергнутых облучением. Данный факт объясняется присутсвием высокой концентрации аминогрупп (-NH>), пептидных связей, аммиака и других соединений, способствующих окислению азота, при этом происходит и обратный процесс распада нитрита. При этом, скорость и направление протекания процесса зависит от параметров и режимов ионизирующей обработки. В растительной же матрице меньше свободных аминогрупп, пептидные и белковые структуры представлены значительно слабее, чем в мясе, а основным источником нитритов являются нитраты, накопленные растением в процессе роста.

В работах [11, 12, 13] установлено, что продолжительность хранения картофеля зависит от условий хранения и от дозы излучения. Среди изученного диапазона доз, облучение картофеля гамма-излучением в дозе 100 Гр способствует наилучшему его сохранению. Облучение приводило к снижению содержания аскорбиновой кислоты в первые месяцы после облучения, в дальнейшем ее количество увеличивалось, и данная зависимость сохранялась в течение всего периода хранения. Динамика изменения содержания крахмала, сухого вещества и нитратов имела слабо выраженный вариабельный характер, не отличаясь от таковой в необлученном контроле.

В работе [14] рассматривается воздействие рентгеновского излучения на прорастание клубней картофеля, установлено, что ингибирование прорастания произошло при дозах свыше 15-21 Гр для различных сортов картофеля, при этом, при дозах облучения до 20 Гр концентрация восстанавливающих сахаров не менялась, при больших дозах их концентрация увеличивалась на 50-70 %.

В работе [15] исследовалось влияние гамма-излучения от источника Co-60 на сохранность клубней картофеля. Установлено, что облучение в дозах свыше 120 Гр снижает потери веса и сухого вещества клубней вследствие процессов дыхания и транспирации в процессе хранении в 1,5-2,0 раза по сравнению с необлученным картофелем.

Кодекс надлежащей практики по облучению в целях ингибирования прорастания луковичных и клубнеплодных культур [16] приводит рекомендации по облучению луковичных (лука и чеснока), корнеплодов и клубнеплодов (картофеля и ямса), закладываемых на хранение и теряющих свои товарные качества в процессе хранения. Облучение проводится в целях ингибирования процесса прорастания вышеуказанных культур, но в данном случае не несет в себе цели снижения патогенной микрофлоры, которая может присутствовать в облучаемом материале.

В работе [17] сообщается, что диапазон доз от 0,07 до 0,15 кГр достаточен для подавления прорастания независимо от сорта, времени облучения и температуры хранения после облучения. Уже имеющиеся ростки увядают во время хранения, и развитие новых ростков предотвращается. Дозы, превышающие 0,15–0,20 кГр, могут привести к усилению потемнения или побурения, снижению способности к заживлению ран, усилению гниения при хранении, порче, подслащиванию, снижению содержания витаминов и изменению химического состава, которые не исчезают при последующем хранении.

Работа [18] показывает, что что гамма-облучение 60 Co в дозе 1000 Гр значительно продлило срок хранения картофеля до 180 дней по сравнению с контрольной группой необлученного картофеля, при этом, продолжительность хранения и обработка радиацией повлияли на кислотность картофеля (pH).

Материалы и методы исследований

Наличие нитратов в образцах определяли потенциометрическим методом по ГОСТ 345702019. Методика основывается на экстракции нитратов из исследуемой пробы с использованием раствора алюмокалиевых квасцов в качестве экстрагента. Определение концентрации нитрат-ионов в экстракте осуществляется с применением анализатора Экотест -2000 с ионоселективным электродом (ООО «Эконикс», РФ). Пробу массой 10 г точно взвешивают, помещали в стакан на 100 мл, добавляли 50 мл экстрагирующего раствора (алюмокалиевый квасцы AIK(S04)2) и гомогенизировали 1–2 минуты. Полученную смесь используют для измерений. Перед измерениями электроды промывают водой, вытирают салфеткой и помещают в раствор пробы. Включают мешалку и фиксируют значение ЭДС. Количественное содержание нитратов в образце вычисляется методом экстраполяции по градуировочной кривой, соответствующей потенциалу исходного раствора, с использованием метода двойных добавок или метода Грана. Исследование на содержание нитратов проводилось на второй день после облучения.

Результаты и их обсуждение

Образцы корнеплодов и клубневой сельскохозяйственной продукции облучались тормозным излучением (Bremsstrahlung/ X-Ray) на промышленном ускорителее электронов ИЛУ-10 [19] на базе Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения «Институт ядерной физики» Министерства энергетики Республики Казахстан, расположенного в городе Алматы.

Образцы корнеплодов и клубневой сельскохозяйственной продукции, упакованные в герметичные полиэтиленовые пакеты, укладывались на специализированные подъемные столы ножничного типа, расположенные на роликовом конвейере, которые с установленной скоростью движения проходили под танталовым конвертером через зону облучения. В ходе эксперимента использовался танталовый конвертер с алюминиевой плитой в качестве основания преобразователя и фильтра низкоэнергетической части спектра тормозного излучения [20]. Облучение проводилось в горизонтальном расположении образцов с двух сторон. Фото фасовки и укладки образцов для облучения на ускорителе ИЛУ-10 представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Фото фасовки и укладки образцов для облучения на ускорителе ИЛУ-10

Поглощенная доза регулировалась путем изменения скорости движения образцов в зоне облучения. Основные параметры технологического процесса при облучении образцов корнеплодов и клубневой сельскохозяйственной продукции представлены в таблице 1.

Для расчета режимов облучения использовалась калибровочная кривая, полученная методом ЭПР-дозиметрии [21], описывающая зависимость дозы облучения от среднего тока пучка ускоренных электронов I ср при облучении на ускорителе электронов ИЛУ-10 с конвертором.

Таблица 1. Режимы облучения модельных сред

№ режима	Е, МэВ	I имп , мА	f, Гц	I cp , мА	Скорость конвейера, см/сек	Облучение	D расч , кГр
0	0	0	0	0	0	(без облучения)	0
1	5	350	14	3,1	5	2 круга (с переворотом)	0,1
2	5	350	14	3,1	4	2 круга (с переворотом)	0,2
3	5	350	14	3,1	3	2 круга (с переворотом)	0,3
4	5	350	14	3,1	2	2 круга (с переворотом)	0,4
5	5	350	14	3,1	1	2 круга (с переворотом)	0,5

Контроль условий окружающей среды

Контроль температуры и влажности окружающей среды в зоне облучения контролировался с использованием поверенных гигрометров психометрических ВИТ-2. Облучение и хранение образцов до облучения проводилось при температуре +21 oC и относительной влажности

55%. Контрольные образцы транспор-тировались и хранились в одинаковых условиях с облученными.

Эксперименты по облучению корнеплодов осуществлялись с целью выявления влияния доз облучения (0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 кГр) на показатели их качества и безопасности. Были предоставлены для исследования следующие образцы (табл. 2).

Таблица 2. Образцы корнеплодов для облучения

№	Обозначение экспериментальной группы	Наименование образцов	Количество, уп	Примечание
1	Исследуемая группа №1	Клубни картофеля, сорт №1	6 (1 контроль + 5 режимов обработки) (Каждая группа содержит по 3 образца)	Сарыагаш
2	Исследуемая группа №2	Клубни картофеля, сорт №2	6 (1 контроль + 5 режимов обработки) (Каждая группа содержит по 3 образца)	Кордай
3	Исследуемая группа №3	Клубни картофеля, сорт №3	6 (1 контроль + 5 режимов обработки) (Каждая группа содержит по 3 образца)	Кыргызстан
4	Исследуемая группа №4	Клубни картофеля, сорт №4	6 (1 контроль + 5 режимов обработки) (Каждая группа содержит по 3 образца)	Павлодар
5	Исследуемая группа №5	Клубни картофеля, сорт №5	6 (1 контроль + 5 режимов обработки) (Каждая группа содержит по 3 образца)	Китай
6	Исследуемая группа №6	Корнеплоды свёклы столовой, сорт №1	6 (1 контроль + 5 режимов обработки) (Каждая группа содержит по 3 образца)	Сарыагаш
7	Исследуемая группа №7	Корнеплоды свёклы столовой, сорт №2	6 (1 контроль + 5 режимов обработки) (Каждая группа содержит по 3 образца)	Кордай
8	Исследуемая группа №8	Корнеплоды моркови, сорт №1	6 (1 контроль + 5 режимов обработки) (Каждая группа содержит по 3 образца)	Сарыагаш
9	Исследуемая группа №9	Корнеплоды моркови, сорт №2	6 (1 контроль + 5 режимов обработки) (Каждая группа содержит по 3 образца)	Кордай

Далее былo определено влияние тормозного излучения на показатели пищевой безопасности – нитраты и пестициды.

Таблица 3. Результаты исследования концентрации нитратов в образцах корнеплодов и клубневой сельскохозяйственной продукции

Режим обработки	Содержание нитратов в образцах по группам, мг/кг
	№1	№2	№3	№4	№5	№6	№7	№8	№9
0 кГр (контроль)	19,09	22,39	15,91	29,37	31,15	172,32	126,66	5,67	15,97
	19,08	22,38	15,92	29,35	31,18	172,24	126,63	5,68	15,98
	19,09	22,4	15,9	29,39	31,12	172,28	126,69	5,66	15,96
0,1 кГр	26,34	29,63	23,14	36,63	38,39	75,26	56,8	21,09	59,4
	26,33	29,62	23,16	36,59	38,38	75,24	57	21,1	59,39
	26,35	29,64	23,15	36,61	38,37	75,28	57,2	21,07	59,41
0,2 кГр	33,57	36,88	30,38	43,85	45,63	97,02	69,66	21,11	59,43
	33,56	36,87	30,4	43,88	45,62	97,01	69,65	21,12	59,4
	33,58	36,86	30,39	43,82	45,64	97,03	69,67	21,1	59,42
0,3 кГр	14,48	16,5	17,48	18,48	19,48	97,26	77	21,21	59,52
	14,47	16,46	17,47	18,47	19,49	97,25	77,2	21,22	59,53
	14,49	16,48	17,49	18,49	19,47	97,24	78,8	21,2	59,51
0,4 кГр	11,85	13,15	8,67	16,13	16,91	98,02	74,66	21,25	59,57
	11,84	13,16	8,68	16,12	16,92	98,01	74,68	21,26	59,58
	11,86	13,17	8,66	16,14	16,9	98,03	74,64	21,27	59,56
0,5 кГр	6,09	7,37	2,91	10,37	11,15	102,2	79,7	21,29	59,6
	6,08	7,41	2,93	10,38	11,15	102,3	80,3	21,28	59,61
	6,07	7,39	2,89	10,36	11,15	102,1	80	21,3	59,59

В результате проведённого анализа образцов корнеплодов и клубневой сельскохозяйственной продукции видно снижение нитратов. Это свидетельствует об их соответствии требованиям по безопасности пищевой продукции и отсутствии остаточных количеств контролируемых агрохимикатов в исследованных пробах. Полученные данные указывают на надлежащее соблюдение агротехнических регламентов при выращивании данной продукции.

Также данные по нитратам не превышали нормы приведенные в ТР ТС 021. Однако было важно исследование влияния радиационной обработки тормозным излучением на содержание нитратов в облучаемых культурах.

Содержание нитратов, мг/кг в клубнях картофеля до и после облучения

Сорт №1      Сорт №2      Сорт №3      Сорт №4      Сорт №5

Рисунок 2. Динамика изменения содержания нитратов в клубнях картофеля под действием тормозного излучения

На рисунке 2 представлена динамика изменения содержания нитратов в клубнях картофеля под действием тормозного излучения. Начальный уровень содержания нитратов варьируется в зависимости от сорта: наименьшее содержание наблюдается у сорта №5 (~22 мг/кг), наибольшее — у сорта №1 (~35 мг/кг). При дозах облучения до 0,2 кГр наблюдается увеличение содержания нитратов во всех сортах, достигающее пика примерно на уровне 0,2 кГр. Это может быть связано с активацией метаболических процессов [22] под действием малых доз радиации и с радиационно-химическими реакциями, протекающими при облучении [10].

После превышения дозы облучения 0,2 кГр содержание нитратов резко снижается во всех сортах. При дозах 0,3–0,5 кГр наблюдается стабильно низкий уровень нитратов — около 10–15 мг/кг. Наиболее выраженное снижение нитратов после облучения наблюдается у сорта №1 и сорта №5. У этих сортов содержание нитратов на дозе 0,5 кГр составляет менее 10 мг/кг, что в 3–4 раза ниже начального уровня. Таким образом, радиационная обработка картофеля в дозах свыше 0,2 кГр способствует значительному снижению содержания нитратов, что может быть использовано как метод снижения потенциальной токсичности продукции.

Содержание нитратов, мг/кг в корнеплодах свеклы до и после облучения

Сорт №1 Сорт №2

Рисунок 3. Динамика изменения содержания нитратов в корнеплодах свеклы под действием тормозного излучения

На рисунке 3 представлена динамика изменения содержания нитратов в корнеплодах свеклы под действием тормозного излучения. Исходное содержание нитратов в корнеплодах до облучения существенно отличается между сортами: у сорта №1 оно составляет около 180 мг/кг, а у сорта №2 — около 140 мг/кг. При низких дозах облучения (0,1–0,2 кГр) наблюдается резкое снижение содержания нитратов у обоих сортов. Минимальные значения достигаются при дозе 0,1 кГр: около 90 мг/кг у сорта №1 и около 70 мг/кг у сорта №2. Дальнейшее увеличение дозы (от 0,2 до

0,5 кГр) приводит к незначительным колебаниям уровня нитратов, но в целом концентрация остается стабильно ниже исходного уровня. Это может указывать на устойчивое снижение нитратов после первичной радиационной обработки. Наименьшее содержание нитратов достигается при дозе 0,1 кГр, что делает эту дозу потенциально оптимальной для снижения нитратов в свекле без значительного изменения других свойств продукта. Сорт №2 более чувствителен к воздействию облучения, поскольку снижение нитратов у него более выражено по сравнению с сортом №1.

Содержание нитратов, мг/кг в корнеплодах моркови до и после облучения

Рисунок 4. Динамика изменения содержания нитратов в моркови от дозы ионизирующего излучения

На рисунке 4 представлена динамика изменения содержания нитратов в моркови от дозы ионизирующего излучения. Исходное содержание нитратов у сорта №1 составляет около 10 мг/кг, а у сорта №2 — около 20 мг/кг. При увеличении дозы облучения до 0,1 кГр происходит резкое повышение содержания нитратов, особенно у сорта №2 — до максимального значения около 65 мг/кг. У сорта №1 также наблюдается рост, но более умеренный — до 22 мг/кг. Рост количества нитратов можно объяснить радиационно-химическими реакциями, протекающими при ионизации.

Начиная с дозы 0,2 кГр и до 0,5 кГр, содержание нитратов остается стабильным, без дальнейшего увеличения или снижения. Это говорит о достижении плато в реакции корнеплодов на радиационное воздействие. В отличие от картофеля и свеклы, у моркови не наблюдается снижения содержания нитратов после облучения. Напротив, эффект выражается в их повышении, особенно при низких дозах. Сорт №2 более чувствителен к облучению: прирост содержания нитратов у него в 3 раза выше, чем у сорта №1. Это указывает на сортовую специфику реакции моркови на радиационное воздействие.

Заключение, выводы:

В результате исследований выявлено, что динамика изменения содержания нитратов для образцов корнеплодов и клубневой сельскохозяйственной продукции была различной. Возможно. могут быть следующие причины:

• 1.    Различия в активности ферментов, отвечающих за метаболизм нитратов. В растениях нитраты восстанавливаются до аммония при участии фермента нитратредуктазы. У моркови, вероятно, после облучения происходит снижение активности нитратредуктазы, что приводит к накоплению нитратов, а не их переработке. У картофеля и свеклы облучение, наоборот, может стимулировать активность ферментов, ускоряя расщепление нитратов.

• 2.    Нарушение нитратного обмена под действием радиации. Морковь более чувствительна к стрессу, ионизирующее излучение вызывает нарушение клеточного метаболизма, в том числе — снижение потребления нитратов на синтез белков. В результате нитраты накапливаются в тканях вместо включения в азотный обмен.

• 3.    Различия в структуре тканей и водном обмене. Морковь обладает высоким содержанием сахаров и

• специфической тканевой структурой. Облучение может вызывать локальное повреждение тканей, ухудшение транспорта и переработки нитратов, особенно в зоне корнеплода.

• 4.    Генетические особенности и сортовая чувствительность. Как видно из графика, сорт №2 моркови дал особенно высокий прирост нитратов. Это указывает на высокую сортовую чувствительность. Возможно, в этом сорте генетически слабее регулируется механизм адаптации к радиационному стрессу.

Увеличение нитратов в моркови после облучения объясняется совокупностью факторов: подавлением ферментативной активности нитратредуктазы, которая является ключевым ферментом в усвоении азота и катализирует процесс восстановления нитрата до нитрита, нарушением метаболизма под стрессом, особенностями физиологии культуры и сорта. Это ещё раз подтверждает, что эффективность радиационной обработки как метода снижения нитратов зависит от культуры и дозировки, и не может быть универсальной для всех овощей.

При дальнейшем проведении исследований необходимо исследование влияния следующих факторов на процесс радиационной обработки пищевых продуктов: срок после уборки урожая, типы продукта, мощность и тип излучения, температуру продукта, срок хранения продукта после облучения.

Представленные исследования профинансированы Министерством науки и высшего образования Республики Казахстан в рамках грантового финансирования по научным и (или) научнотехническим проектам на 2024-2026 годы AP23490268 «Разработка и экспериментальная апробация радиационной обработки для обеспечения сохраняемости сельскохозяйственной и пищевой продукции».