Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 4, стр. 501-507

Материалы и методы

В качестве объекта исследования использовали форель радужную охлажденную. Для оценки органолептических свойств мяса рыбы были подготовлены куски массой 30 ± 3 г, толщиной 6–8 мм, линейными размерами 2.8 ± 0.2 см × 10.0 ± 0.5 см, помещенные в герметичную полипропиленовую упаковку. Для анализа микробиологических показателей к измельченному мясу форели (ρ_форель = = (0.920 ± 0.04) г ∙ см^–3) добавляли физиологический раствор (ρ_{ф. р-ра} = 1.0043 г ∙ см^–3) в соотношении 1 : 3 и гомогенизировали в стеклянном гомогенизаторе до получения однородной суспензии. 0.5 мл гомогената вносили в стерильные пластиковые пробирки типа Эппендорф объемом 2 мл. Итоговая плотность гомогената составляла ρ = 0.994 ± 0.040 г ∙ см^–3.

Облучение всех исследуемых образцов проводили на ускорителе электронов непрерывного действия УЭЛР-1-25-Т-001 с энергией 1 МэВ и средней мощностью пучка 25 кВт [11]. Облучение образцов проводили по схеме, представленной на рис. 1, при температуре 18°С. Образцы выкладывались на дюралюминиевую пластину площадью 192 см² на расстоянии 12 см от выхода пучка, их облучали в пяти различных дозах, пятикратно для каждой дозы облучения (рис. 1). Поскольку пробег электронов с энергией 1 МэВ в рыбе составляет не более 4 мм, для достижения равномерности облучения куски рыбы половину времени для каждой дозы облучали с одной стороны, затем переворачивали и облучали с противоположной стороны (рис. 1а). Толщина слоя гомогентата в пробирках составляла 2 ± 1 мм, электроны полностью поглощались во всем его объеме (рис. 1б). В ходе эксперимента ток пучка электронов не менялся. Контрольные образцы находились в тех же условиях, что и образцы, подвергавшиеся воздействию электронов.

Мощность дозы, поглощаемая опытными образцами с гомогенатом рыбного фарша, определяли, используя ферросульфатный метод дозиметрии. Дозиметрический раствор объемом 0.5 мл облучали в пробирках типа Эппендорф объемом 2 мл, схема облучения соответствовала облучению образцов с гомогенатом, время облучения варьировали от 5 до 20 с. Дозы, поглощенные дозиметрическим раствором, оценивали по изменению его оптической плотности с помощью спектрофотометра UV-3600 с рабочей длиной волны λ = 304 нм. Поглощенную дозу $D_{{{\text{фрикке}}}}^{{{\text{изм}}}}$ рассчитывали по формуле:

где k = 9.65 ‧ 10⁶, ΔS – изменение оптической плотности облученного раствора по отношению к контрольному, для электронов с энергией 1 МэВ G(Fe³⁺) = 15.6 ион/100 эВ, для рентгеновского излучения G(Fe³⁺) = 14.4 ион/100 эВ – радиационно-химический выход, ɛ = 2160 л ∙ моль^–1 ∙ c – коэффициент экстинкции ионов Fe³⁺, ρ = 1.024 г ∙ см^–3 – плотность дозиметрического раствора, l = 1 см – длина оптического пути [12].

Мощность дозы излучения, полученного от ускорителя, составила 25 ± 2 Гр ∙ с^–1. Поскольку плотности гомогената фарша и дозиметрического раствора Фрикке (ρ_фрикке = 1.024 г ∙ см^–3) были близки, мощность дозы, измеренная с помощью дозиметрического раствора, совпадает с мощностью дозы, поглощенной гомогенатом. При прямых дозиметрических измерениях были получены дозы, поглощенные опытными образцами с гомогенатом рыбного фарша. В каждом сеансе облучения измеряли заряд на дюралюминиевой пластине после облучения и время облучения. Мощность облучения во всех экспериментах оставалась постоянной.

В табл. 1 приведены средние величины заряда, поглощенного пластиной, а также соответствующие ему времена облучения образцов и величины измеренных доз, поглощенных образцами. Погрешность в определении заряда составляла не более 3%.

Дозы, поглощенные опытными образцами кусков форели, определяли путем моделирования с использованием программного кода GEANT4, основанного на методе Монте-Карло, с учетом экспериментально измеренного заряда на пластине при облучении в различных дозах. Моделирование строилось с учетом спектра электронов, полученных от ускорителя УЭЛР-1-25-Т-001, а также геометрии пластины и образцов, помещенных на нее. Моделировали дюралюминиевую пластину в форме параллелепипеда длиной 35 см, шириной 3 см и толщиной 0.8 см. Модель цельного куска рыбы представляла собой водный фантом в форме параллелепипеда длиной 10 см, шириной 3 см и высотой 0.8 мм, окруженного полиэтиленовой оболочкой толщиной 0.1 мм. Для достижения применимости статистической погрешности в определении дозы, поглощенной образцами, в ходе модельных расчетов рассматривалось 10⁸ электронов. В использованной программе учитывали все возможные процессы взаимодействия электронов с веществом. Погрешность в определении их сечения взаимодействия не превышала 2%.

Доза, поглощенная водными фантомами, определялась по следующей формуле:

где ∆E_model – энергия, поглощенная водным фантомом, М_model – масса фантома. Поскольку доза, поглощенная опытными образцами при облучении, пропорциональна заряду Q_exp на дюралюминиевой пластине, то, используя величину поглощенной дозы в водном фантоме D_model, полученную путем моделирования с учетом заряда Q_model, поглощенного дюралюминиевой пластиной, и экспериментально измеренного заряда Q_exp, рассчитывалось величина поглощенной дозы в исследуемом образце D_phantom по формуле:

В табл. 2 указаны средние величины заряда на пластине при облучении кусков рыбы с двух сторон, а также соответствующие времена облучения образцов и величины рассчитанных доз, поглощенных образцами.

В ходе эксперимента каждые три дня в течение 15 сут после проведения обработки осуществляли мониторинг общей обсемененности гомогената фарша форели, хранящегося при температуре (2‒4)°С. Куски форели в ходе данного исследования подверглись также органолептическому исследованию: оценивали их внешний вид, запах и вкус.

Результаты и выводы

На момент начала исследования количество жизнеспособных клеток в охлажденной форели составляло N₀ = (6.6 ± 1.8) ‧ 10³ КОЕ ∙ г^–1, что ниже предельно допустимого уровня обсемененности охлажденной рыбной продукции (10⁵ КОЕ ∙ г^–1). На рис. 2 представлено количество жизнеспособных клеток в образцах с гомогенатом, облученным в пяти различных дозах, и в контрольных необлученных образцах в зависимости от времени после обработки.

Видно, что на 11-е сутки количество жизнеспособных клеток контрольных образцов превысило предельно допустимый уровень обсемененности рыбной продукции, с 11 по 15 сут он возрос до 2 ∙ 10⁸ КОЕ ∙ г^–1 Количество жизнеспособных бактерий в образцах, облученных в дозе 0.24 кГр, в первые четверо суток соответствовало контрольным показателям. За все время наблюдения их количество не превысило 10⁶ КОЕ ∙ г^–1. Похожая тенденция наблюдалась в образцах, подвергшихся облучению в дозах 0.48 и 0.96 кГр. С 8 по 11 сут наблюдения количество микроорганизмов в них увеличилось в 1000 раз по сравнению с начальным уровнем, затем на 15 сут эти показатели уменьшились до 10⁵ КОЕ ∙ г^–1, что соответствует предельно допустимому уровню обсемененности рыбной продукции. Количество живых микроорганизмов в образцах, облученных в дозах 2.8 и 5.6 кГр, за все время наблюдения не превысило 10⁶ КОЕ ∙ г^–1. На 15 сут исследования бактерии в гомогенате, облученном в дозе 2.8 кГр, практически отсутствовали. В образцах, подвергшихся обработке в дозе 5.6 кГр, их количество составляло порядка 10⁶ КОЕ ∙ г^–1, что ниже контрольного уровня на момент проведения мониторинга более чем в 100 раз.

По результатам органолептической экспертизы было установлено следующее. Дозы до 1 кГр не оказали видимого влияния на внешний вид образцов, а дозы 3 и 6 кГр изменили цвет форели изначально ярко-красный на светло-розовый с заметной желтизной, не соответствующий качественной продукции, причем это изменение становилось более выраженным с увеличением дозы облучения. На запах сырой рыбы так или иначе оказали влияние все дозы облучения. Для доз 0.25 и 0.5 кГр этот показатель изменился незначительно, и спустя час после проведения облучения образцы перестали различаться по запаху от контрольных. В случае 1 кГр запах был чуть более заметным и устойчивым, а образцы, облученные в дозах 3 и 6 кГр, имели стойкий, полностью отличный от контрольного, запах. Было установлено, что те же выводы можно сделать и о внешнем виде и запахе облученных, а затем термически обработанных образцов. По вкусовым свойствам образцы после термической обработки, облученные в дозах 0.25 и 0.5 кГр, оказались неотличимы от контрольного. Вкусовые качества образца, облученного в дозе 0.96 кГр, изменились незначительно. Образцы, облученные в дозе 3 кГр, показали значительные изменения во вкусе, а в дозе 6 кГр были полностью отличны по вкусу от контрольных необлученных образцов.

Таким образом, можно заключить, что облучение охлажденной форели пучком ускоренных электронов с энергией 1 МэВ в дозах от 0.5 до 6 кГр приводит к уменьшению количества жизнеспособных микроорганизмов в ней в течение 15 сут хранения при температуре (2–4)°С. Экспериментальное исследование изменения органолептических свойств форели показало, что при поглощенных дозах свыше 1 кГр происходят изменения в структуре волокон, цвете и запахе рыбы, что говорит о нарушении физико-химического состава вещества. Обработка ускоренными электронами в дозе 0.5 кГр по достижении 15 сут хранения снизила общее количество жизнеспособных клеток в рыбе, не вызывая изменений ее органолептических свойств.

Материалы и методы

Для оценки микробиологических и органолептических показателей были приготовлены образцы с гомогенатом фарша форели массой 0.5 ± ± 0.05 мл, которые помещали в пробирки типа Эппендорф объемом 2 мл. Образцы облучали рентгеновским излучением, источником которого являлся рентгеновский аппарат ДРОН УМ-2 со стандартной рентгеновской трубкой типа БСВ-23. Материал анода – медь, ток трубки – 26 мА и напряжение – 30 кВ не менялись в ходе экспериментального исследования [13]. Все эксперименты проводились при температуре 20°С. Образцы облучались в пяти различных дозах, пятикратно для каждой дозы облучения. Контрольные образцы находились в тех же условиях, что и образцы, подвергавшиеся обработке. На рис. 3 представлена схема проведения обработки фарша форели.

Для определения мощности дозы, поглощаемой опытными образцами рыбного фарша, использовался ферросульфатный метод дозиметрии. Схема облучения дозиметрического раствора полностью повторяла схему облучения гомогената фарша форели рентгеновским излучением. В табл. 3 указаны средние времена облучения образцов и значения доз, поглощенных образцами. Мощность дозы рентгеновского излучения, полученного от рентгеновской трубки, составила 1.10 ± 0.04 Гр ∙ с^–1.

Результаты и выводы

Исследование микробиологических показателей фарша форели проводилось по той же методике, что и при обработке ускоренными электронами. Было установлено, что с увеличением дозы облучения количество микроорганизмов в гомогенате уменьшалось. На момент начала обработки общее количество жизнеспособных клеток составляло N₀ = 1.3 ‧ 10⁴ КОЕ ∙ г^–1, что ниже предельно допустимого уровня обсемененности охлажденной рыбной продукции. После обработки количество микроорганизмов в образцах, обработанных в дозах от 0.18 до 0.92 кГр, уменьшалось с увеличением дозы облучения, причем при обработке в дозах от 1.8 до 5.5 кГр количество микроорганизмов уменьшилось более чем в 10 раз по сравнению с контрольным образцами, а при дозе 11 кГр после облучения жизнеспособные клетки в рыбе практически отсутствовали.

По результатам органолептической эксперитизы было установлено, что закономерности изменений внешнего вида рыбы, ее консистенции, цвета, запаха похожи при обработке как рентгеновским, так и электронным излучениями. Однако незначительные изменения цвета рыбы и ее запаха начали проявляться у образцов, обработанных рентгеновским излучением в дозе 0.46 кГр. Так, при обработке в дозе 0.92 кГр цвет фарша стал розовым (контрольные образцы имели ярко-красный цвет), запах значительно отличался от запаха необработанного фарша. Образец, обработанный в дозе 0.92 кГр, имел ярко выраженный горьковатый запах и бледно-розовый цвет. Фарш форели, обработанный в дозах 1.8–11 кГр, приобрел значительные изменения текстуры, цвета и запаха рыбы, причем с увеличением дозы эти изменения носили более выраженный характер.

Для оценки эффективности воздействия ускоренных электронов и рентгеновского излучения были построены зависимости относительного количества жизнеспособных клеток микроорганизмов N/N₀ от дозы облучения электронным и рентгеновским излучениями спустя сутки после обработки (рис. 4). Экспериментальные зависимости количества клеток от дозы облучения можно описать функцией вида f(D) = ${{e}^{{a + bD + c{{D}^{2}} + d{{D}^{3}} + o({{D}^{3}})}}},$ где D – поглощенная доза излучения, a – параметр, определяющий положение кривой убыли микроорганизмов относительно осей координат, b, c и d – параметры, отражающие скорость убывания количества жизнеспособных клеток в гомогенате с увеличением дозы облучения. Значения параметров функции f(D), рассчитанные методом наименьших квадратов, составили: a_эл = 0.17244 ± ± 0.045188 (отн. ед.), b_эл = –0.00321 ± 0.000252 (Гр^–1), c_эл = (1.28 ± 0.13) ‧ 10^–6 Гр^–2, d_эл = (–1.58 ± 0.16) ‧ ‧ 10^–10 Гр^–3 для электронного излучения, и a_рент = = –0.02714 ± 0.003903 (отн. ед.), b_рент = –0.00175 ± ± 0.00002 Гр^–1, c_рент = (5.89 ± 0.86) ‧ 10^–7 Гр^–2, d_рент = (–607 ± 012) ‧ 10^–10 Гр^–3 для рентгеновского излучения. Коэффициенты корреляции составили R_эл= 0.97 и R_рент = 0.99 соответственно, что говорит об адекватности предложенной аппроксимации.

На рис. 4 видно, что в диапазоне доз от 0.2 до 6 кГр воздействие ускоренными электронами с мощностью дозы 25 ± 2 Гр ∙ с^–1 приводит к большему снижению относительного количества жизнеспособных клеток в гомогенате форели по сравнению с воздействием рентгеновским излучением с мощностью дозы 1.1 ± 0.04 Гр ∙ с^–1. Данный результат согласуется с исследованиями влияния мощности дозы на радиобиологический эффект воздействия ионизирующего излучения, проводимыми другими авторами [14–16]. В обоих случаях, начиная с 0.2 кГр, по мере возрастания дозы облучения микробиологические показатели гомогената уменьшаются, затем в диапазоне 3–5 кГр наблюдается относительное увеличение количества жизнеспособных клеток с увеличением дозы облучения, затем зависимости монотонно убывают. Немонотонный характер кривой убыли микроорганизмов в гомогенате может быть связан с видовым разнообразием бактерий и микроорганизмов, обладающих различной устойчивостью к воздействию ионизирующего излучения в условиях ограниченного ресурса питательной среды.