Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение Высшего профессионального образования

"Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"

Димитровградский инженерно-технологический институт

Факультет: Физико-технический

Кафедра реакторного материаловедения и радиационной безопасности

Специальность: 140307.65 "Радиационная безопасность человека и окружающей среды”

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Современные аспекты обработки пищевых продуктов с использованием ускорителей

Студент-дипломник

Группы РБ-61 Комаров С.Е.

Научный руководитель

доцент, к. т. н. Прокопенко А.В.

Димитровград, 2014

Задание на дипломную работу

1. Фамилия, имя, отчество дипломанта Комаров С.Е.

2. Тема проекта Современные аспекты обработки продуктов питания с помощью ускорителей электронов

3. Срок сдачи студентом готовой работы

_______________________________

4. Руководитель дипломной работы Прокопенко А.В.

5. Консультант Филлипович В.П.

Дата выдачи задания "18" ноября 2013 г.

Руководитель дипломной работы

_____________________________________

(подпись руководителя)

Задание принял к исполнению

________________________________________

(дата и подпись студента)

1. Исходные данные к работе:

образцы микроорганизмов дрожжей (Saccharomycescerevisiae) и молочнокислых бактерий (Lactobacillusacidophilus а-146) в модельных растворах

2. Содержание работы:

а) теоретическая часть:

расчёт сечения тормозного излучения релятивистских электронов на тонких вольфрамовых мишенях, изменения величины энергии на единицу длины пробега, угла тормозного излучения для электронов с энергией до 10 МэВ, а также расчёт дозовых характеристик воздействия гамма и электронного облучения на пищевые продукты

б) экспериментальная часть:

получение результатов опытов на установке ЭЛЕКТРОНИКА УЛВЭ-10-10-70С по облучению запаянных ампул, содержащих растворы с дрожжевыми спорами и молочно-кислыми бактериями

г) экономико-организационная часть:

отсутствует

д) раздел безопасности жизнедеятельности:

отсутствует

3. Основная литература по теме работы:

обзор работ по радиационной обработке пищевых продуктов, а также материалов по радиационной обработке пищевых продуктов и медицинских изделий, взятых из сети internet

4. Отчетный материал работы:

а) пояснительная записка;

б) графический материал:

презентация на (13) слайдов, раздаточный материал 5 экземпляров

в) другие части

отсутствуют

5. Консультанты по работе, с указанием относящихся к ним разделов проекта:

Раздел	Консультант	Подпись, дата
		Задание выдал	Задание принял
1.1, 1.2, 1.3, 1.4	Филлипович В.П.	18 ноября 2013 г.	декабрь

Реферат

Комаров С.Е. Современные аспекты обработки пищевых продуктов с использованием ускорителей: Дипломный проект / ДИТИ НИЯУ МИФИ, 140307.65-004. - Димитровград, 2014. - страниц 69, рисунков 21, таблиц 14, библ. назв. 19, приложений 2.

Ключевые слова: гамма-излучение, электрон, микроорганизм, ускоритель, стерилизация, радионуклид, энергия излучения, безопасность, срок годности.

В работе приведён анализ современных аспектов радиационной обработки продуктов питания и рассматривалось применение ускорителей электронов для радиационной обработки. Рассмотрены возможность применения радиационной обработки в медицине. Также в работе ставятся задачи на проведение исследований с использованием ускорителей электронов и изучены проблемы создания нормативно-правовой базы по использованию радиационных технологий в пищевой промышленности. Рассмотрены возможные негативные эффекты от использования радиационной обработки пищевых продуктов. Получены результаты экспериментальных исследований тестовых культур дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) и молочнокислых бактерий (Lactobacillus acidophilus а-146) пучками электронов с дозами от 3 до 11 кГр.

Содержание

• Введение
• 1. Использование радиационных технологий в сельском хозяйстве, медицине и пищевой промышленности
• 1.1 Асептическая обработка в медицине, сельском хозяйстве и пищевой промышленности
• 1.2 Технологии использования радиационной стерилизации в медицинской промышленности
• 1.3 Технологии радиационной обработки в сельском хозяйстве и пищевой промышленности
• 1.4 Нормативно-правовая ситуация по радиационной обработке продуктов питания в России
• 1.5 Результаты и достижения в радиационной обработке
• 2. Основные аспекты радиационной обработки продуктов питания
• 2.1 Развитие ускорительных центров по радиационной обработке в России и за рубежом
• 2.2 Ускорительно-радиационный комплекс в ИФХЭ РАН
• 2.3 Методы контроля поглощённой дозы продуктов питания на ускорителеУЭЛВ-10-10-70С
• 2.4 Описания поведения тормозного излучения электронов в среде
• 2.5 О возможности получения негативных эффектов при радиационной обработки пищевых продуктов
• 3. Экспериментальное исследование по облучению пищевых продуктов
• 3.1 Расчёт параметров тормозного излучения электронов на вольфрамовой и алюминиевой мишенях
• 3.2 Результаты облучения пищевых продуктов гамма-источником
• 3.3 Облучение микроорганизмов потоками электронов
• Заключение
• Библиографический список
• Приложения

Введение

В последнее десятилетие в мире отмечается повышение интереса к использованию радиационных технологий в промышленности и сельском хозяйстве. К настоящему времени более чем в 50 странах мира действуют ~ 1500 центров и установок (1100 - на базе ускорителей электронов и ~ 400 на базе изотопных гамма-источников). Радиационной стерилизации с использованием гамма и электронного облучения подвергаются более 1000 наименований медицинских изделий. По сведениям Международной комиссии по радиационной защите, только в Европе ежегодно на рынок поступает более 200 тысяч тонн облученных продуктов [1, 2].

Данная работа посвящена исследованию современного состояния по возможности радиационной обработки продуктов питания с целью увеличения сроков годности и уменьшения концентрации микроорганизмов, прекращения микробиологической порчи продуктов.

Исследование использования радиационной обработки с помощью ускорителей электронов для обработки продуктов питания в настоящее время очень перспективной областью и представляет особую важность.

Целью моей работы является исследование современного состояния дел по радиационной обработке в России и проведение экспериментов на модельных средах микроорганизмов, которые содержатся в пищевых продуктах.

пищевой продукт ускоритель радиационная обработка

1. Использование радиационных технологий в сельском хозяйстве, медицине и пищевой промышленности

1.1 Асептическая обработка в медицине, сельском хозяйстве и пищевой промышленности

Понятие асептики (от греческого а - отрицательная частица и septikos - гнойный, вызывающий нагноение) появилось в конце 19 века в связи с необходимостью обработки хирургических инструментов при проведении операций, так как при операциях человека наблюдалась почти 100 процентная летальность из-за заносимых инфекций. На сегодняшний день понятие асептики понимается более широко и подразделяется на стерилизацию, дезинфекцию, бактерицидную обработку, которые широко используются в медицине, сельском хозяйстве и пищевой промышленности.

На ранних этапах для обработки ран применялись химические методы, когда использовались такие антисептические средства, как нитрат серебра, хлорная известь, сульфат цинка. После того как Луи Пастер открыл способ пастеризации, английский хирург Джозеф Листер стал применять карболовую кислоту для лечения открытых переломов, однако она обладала выраженным токсическим эффектом. В самом конце 19 века появился новый асептический метод, и для лечения гнойных ран и инфекционных процессов стали комбинироваться асептические и антисептические средства, в результате риск инфекционных заболеваний при проведении операций был сведён к минимуму. С появлением диагностической аппаратуры с конца 19 века стало возможно контролировать асептическое воздействие. Появились научно обоснованные методы и описания асептического воздействия на различные вещества.

На сегодняшний день Асептические методы подразделяются на:

· физические;

· механические;

· химические.

Такая классификация основана на способе воздействия на загрязнённую поверхность. В свою очередь каждый из этих методов подразделяется на несколько в зависимости от природы асептического воздействия на загрязнённую поверхность.

Таким образом, физические методы асептики делятся на:

· термическую обработку;

· ультрафиолетовую обработку;

· озонирование;

· микроволновое воздействие;

· инфракрасное воздействие;

· ультразвуковое воздействие;

· радиационную обработку.

Традиционно к термической обработке относятся:

· кипячение;

· воздействие водяного насыщенного пара;

· воздействие сухим горячим воздухом;

· нагревание до высокой температуры;

· ИК нагрев.

К механическим методам асептической обработки относятся:

· мытьё;

· продувка;

· вакуумирование;

· собирание и вытряхивание мусора;

· уборка пылесосом;

Суть химических методов состоят в том, что применяются специальные активные химические вещества, которые уничтожают микроорганизмы вступая в химическую реакцию или подавляют их репродуктивную способность.

На сегодняшний момент в медицинской промышленности, сельском хозяйстве и пищевой промышленности используются следующие широкодоступные химические вещества [3]:

· хлорная известь;

· двутретиосновная соль хлорида кальция (ДТСГК);

· хлорамин (БХБ);

· дезам;

· дихлор-1;

· хлорцин;

· перекись водорода;

· этиловый спирт.

К химическим методам консервирования пищевых продуктов относятся: консервирование спиртами, консервирование кислотами (антисептиками), консервирование антибиотиками, консервирование газами, озонирование.

В качестве консервирующих веществ в пищевой промышленности используются натуральные (мёд, уксус, спирт, воск, пряности, приправы, эфирные масла, поваренная соль) и ненатуральные (E200-E299) консерванты [4]. Наиболее часто применяются следующие ненатуральные консерванты: Е 200, Е 234, Е 211, Е 200-228, Е 250, Е 290, Е 280-283. Консерванты Е 240, Е 239, Е 216, Е 217 запрещены к использованию в пищевой промышленности во многих странах как наиболее опасные.

Использование консервантов способно нанести следующий вред человеческому организму: подавить синтез белка; вызвать аллергии; спровоцировать расстройства кишечника, привести к образованию камней в почках, дестабилизировать нервную систему, вызвать головная боль и тошноту, увеличить кислотность крови, привести к кислородному голоданию, снизить зрение, вызвать заболевания поджелудочной железы, разрушить печень.

Для хранения многих продуктов применяют физический метод, основанный на замораживании, которое приводит к замедлению жизнедеятельности микроорганизмов. Рассмотрим проблему хранения мяса. Недостаток данного метода заключается в том, что невозможно поддерживать нужную температуру до покупки её потребителем, а также при обработке холодом не происходит полной гибели микроорганизмов. На сегодняшний день консервированные продукты питания широко используются в странах, где невозможно круглогодичное сельское хозяйство, при неурожаях, а также для продления сроков годности продукции.

Одним из современных методов обработки в медицине, сельском хозяйстве и пищевой промышленности является радиационный метод. В медицине радиационный метод преимущественно применяется для стерилизации медицинских изделий одноразового применения в промышленных масштабах. Преимущество радиационного метода в медицине проявляется в возможности обработки термолабильных материалов, герметично упакованной продукции, высокой степени инактивации микроорганизмов, возможности стерилизации больших партий материалов. Недостаток радиационного метода при применении в медицине: необходимость защиты персонала, экономическая нецелесообразность облучать малые партии продукции, возможное изменение и разрушение структуры материалов при больших дозах.

В сельском хозяйстве радиационные методы используются в следующих направлениях: ингибирование (торможение или подавление физиологических процессов в сельскохозяйственных продуктах); пастеризация (подавление жизнедеятельности вредных микроорганизмов, загрязняющих продукты); стерилизация (полное уничтожение вредных микроорганизмов); дезинсекция (уничтожение насекомых-вредителей). Как следует из работ [5] преимущество радиационных методов состоит в возможности изменения сроков созревания или полной остановки прорастания продуктов и в повышение всхожести семян. Недостаток метода состоит в возможности появления генетических эффектов, которые приведут к непригодности продукции и изменении физико-химических свойств продукта.

В пищевой промышленности радиационный метод стерилизации используется для увеличения сроков хранения пищевой продукции, асептики упаковки и подавление микроорганизмов, приводящих к порче. Преимуществом радиационного метода является возможность продления сроков хранения без тепловой обработки, возможность транспортировки на большие расстояния без использования замораживающих установок, малый нагрев при обработке. К недостаткам радиационного метода относятся ухудшение вкусовых качеств, потемнение и размягчение продуктов. Всё это проявляется при повышенных дозах радиационной обработки.

Из приведенного анализа существующих асептических методов видно, что радиационный метод заслуживает особого внимания в силу того, что его можно применять для обработки как медицинской, так и пищевой продукции, к которой нецелесообразно применять термическую обработку. Радиационный метод обработки, по сравнению с другими известными способами обладает существенными преимуществами, такими как: возможность обработки без использования вредных химических соединений, уничтожение микроорганизмов происходит как на поверхности, так и внутри объекта, облучённые продукты не радиоактивны и не являются вредными, радиационной обработке можно подвергать все разновидности продуктов. В настоящее время проводятся исследования данного метода обработки, появляются результаты обоснованности его применения, и с каждым годом доля его использования в промышленности возрастает [6]. Одной из областей применения радиационной обработки является стерилизация медицинских продуктов.

1.2 Технологии использования радиационной стерилизации в медицинской промышленности

Стерилизация при помощи гамма излучения и электронного излучения известна уже более 50 лет. Радиационная стерилизация уничтожает все микроорганизмы, включая споры и вирусы.

Существуют следующие технологии обработки радиационной стерилизации:

· гамма-излучением;

· электронами с использованием ускорителей заряженных частиц;

· лазерной обработкой;

· нейтронами;

· протонами;

· УФ излучением.

В медицинской промышленности обычно используется стерилизация гамма-излучением и мощными электронными потоками.

Изначально для обработки многоразовых медицинских инструментов и операционного белья в медицинских учреждениях в основном использовалась термическая, а также химическая стерилизация. Установки для термической стерилизации (автоклавы) были в большинстве учреждений здравоохранения. Необходимость увеличения объёма одноразовой медицинской продукции и уменьшения себестоимости производства, а также невозможность обработки некоторых изделий традиционными методами стерилизации из-за термической деформации или химического изменения состава, переводит процесс радиационной стерилизации медицинских изделий на производство. Постепенно в промышленности традиционные методы заменяет стерилизация с использованием изотопов и ускорителей.

Стерилизация гамма-излучением происходит на основе изотопа кобальта-60, реже на основе изотопа цезия-137, данные представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Характеристика радиоактивных, излучений радионуклидов [7]

Радионуклид	Период полураспада	Энергия излучения, КэВ (гамма квантов)
Кобальт-60	5,272 года	1173; 1332
Церий-144	284,4 сут	40-133
Цезий-137	30,16 года	662
Цезий-134	2,062 года	242-1365

Из таблицы 1.1 видно, что энергия данных изотопов не превышает 10 МэВ.

Изотоп кобальта-60 применяется при создании радиационных комплексов, которые используются для стерилизации с помощью гамма-излучения с энергией около 1,2 МэВ. На этих комплексах происходит радиационная обработка медицинских инструментов и материалов; некоторых лекарственных препаратов; одноразовых изделий из полимерных материалов; шовного и перевязочного материала. Создание и поддержание радиационного комплекса требует значительных экономических затрат и перезарядку, и утилизацию источников каждые пять лет.

В настоящее время радиационная стерилизация используется для следующих медицинских изделий [8]:

· Медицинские изделия однократного применения, контактирующие с кровью и лимфой (инъекционные шприцы однократного применения; инъекционные иглы однократного применения; устройства для забора крови, устройства для переливания крови и растворов; устройства фильтрации крови и ее препаратов; катетеры сосудистые, оклюдеры; контейнеры и емкости для хранения крови, ее компонентов, сухих и жидких кровезаменителей; магистрали для диализаторов, оксигенаторов, гемодиализа, лимфодиализа; гемо- и иммуносорбенты, лимфосорбенты; хирургические инструменты различного назначения.);

· Медицинские изделия, постоянно или длительно контактирующие с внутренней средой организма (изделия для лечебных манипуляций, а именно - имплантируемые катетеры, датчики, стимуляторы внутренних органов; эндопротезы ортопедического назначения; офтальмологические имплантанты; материалы для эмболизации сосудов; датчики и электроды для диагностической и терапевтической аппаратуры;);

· Медицинские изделия, контактирующие с раневой поверхностью (перевязочные, противоожоговые, дренажные, впитывающие материалы; шовный хирургический материал; сорбенты для лечения ран, гидрогели, основы мазей, пленок, растворов, микрокапсулы; перчатки хирургические, инструменты хирургические);

· Изделия, длительно контактирующие со слизистыми оболочками и кожей (гинекологические, урологические, стоматологические инструменты; внутрикишечные инструменты и зонды; перчатки смотровые, диагностические; бельё и одежда хирургические; изделия личной гигиены).

Радиационная стерилизации медицинской продукции также может осуществляться с помощью ускорителей электронов.

Одним из перспективных направлений развития радиационных технологий является создание радиационных комплексов на основе сильноточных импульсных линейных ускорителей электронов. Радиационная промышленная стерилизация с использованием ускорителей на основе электроннолучевая обработки обладает рядом преимуществ: более эффективное использование энергии, относительно низкая стоимость процесса, высокая производительность, быстрая обработка, низкое тепловое и химическое загрязнение окружающей среды, высокое качество продукции, непрерывность технологического процесса, достаточно большой срок службы оборудования.

С развитием технологий установки на основе ускорителей электронов, стали обрабатывать большую часть мирового объёма стерилизации одноразовых медицинских изделий. Электронно-лучевая стерилизация допускает использование в качестве упаковочного материала для одноразового белья и медицинских комплектов любые полимерные плёнки, которые выдерживают облучение стерилизующей дозой. Использование полимерных плёнок в промышленном производстве одноразовой продукции экономичнее, чем употребление газопроницаемых материалов. В настоящее время актуальна задача создания скромных по размерам не очень дорогих высокопроизводительных установок на основе промышленных ускорителей электронов невысокой энергии 1-5 МэВ.

Качество и безопасность медицинских изделий одноразового применения после их стерилизации (состояние, при котором отсутствует недопустимый риск, связанный с причинением вреда жизни и здоровью граждан), могут быть обеспечены наиболее эффективно именно способом радиационной стерилизации, при соблюдении соответствующих правил и норм.

Для применения радиационной стерилизации медицинских изделий разработаны следующие ГОСТы: ГОСТ Р 50325-92 ГОСТ Р ИСО 11137-2000, которые определяют технологию радиационной обработки.

Спрос на услуги по промышленной стерилизации радиационным способом в РФ имеет большой и стабильный объем с тенденцией к устойчивому росту. В радиационно-ускорительных центрах, таких как: "РОНИК - ускорительная техника"; "РОНИК - ядерная и медицинская техника, ЗАО "ИНТЕХ"; Институт ядерной физики им.Г.И. Будкера СО РАН, (г. Новосибирск); ООО "РАД", ФГУП "НИИИП'' (Лыткарино), ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова (СПб) - производится промышленная радиационная обработка медицинской продукции в Российской Федерации.

На данный момент, количество действующих установок для промышленной стерилизации явно недостаточно уже на сегодняшнем этапе развития рынка одноразовых медицинских изделий. Даже в Москве, при наличии 3 крупнейших центров, очередь на стерилизацию доходит до 10-15 дней, установки в Кургане, Казани и Новосибирске загружены полностью и не справляются с сегодняшними запросами потребителей. Строительство новых центров на настоящий момент не ведется. Таким образом, для увеличения объёмов производства, а также для устранения географической привязанности к месту производства необходимо строительство новых и развитие уже действующих центров по промышленной медицинской стерилизации. Кроме стерилизации медицинской продукции радиационная обработка также применяется в сельском хозяйстве пищевой промышленности.

1.3 Технологии радиационной обработки в сельском хозяйстве и пищевой промышленности

Появление метода радиационной обработки продуктов питания связано с необходимостью длительного хранения продуктов питания без нарушения их вкусовых и питательных качеств. Используя этот метод можно избежать ряда сложностей, связанных со значительными затратами энергии на поддержание низкой температуры и высушивание продукта и трудозатратами на проведение этих процессов. Также радиационная стерилизация позволяет избавиться от вредного воздействия химических компонентов (консервантов).

В процессе исследований по облучению пищевых продуктов определились следующие основные цели облучение: для предупреждения прорастания при хранении; для уничтожения насекомых; для уменьшения обсеменённости микроорганизмами и для увеличения сроков хранения. Кроме того, были выявлены негативные факторы воздействия больших доз излучения на пищевые продукты, которые выражались в изменении потребительских свойств продукта (разрушение витаминов и т.д.), внешнего вида и вкусовых качеств продукта.

На сегодняшний день радиационная обработка пищевых продуктов регламентирована МАГАТЭ, которая предложила специальные термины, применимые к радиационной обработке в целях стерилизации [9]:

· радисидация - радиационная обработка с целью избирательного подавления микроорганизмов конкретного типа, осуществляется при дозе 4-6 кГр;

· радуризация - радиационная обработка пищевых продуктов с целью подавления патогенных для человека микроорганизмов, осуществляется при дозе 6-10 кГр;

· радаппертизация - радиационная обработка пищевых продуктов с целью исключения повторного инфицирования микроорганизмами, осуществляется при дозе 10-50 кГр.

В результате многочисленных исследований установлены типичные дозы для облучения сельскохозяйственных и пищевых продуктов. В приложении Б приведены дозы и функций облучения пищи.

Исследования, проведенное в 1997 г., Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), подтвердило, что облучение продуктов питания на кобальтовых источниках с мощностью дозы до 10 кГр не влияет на их безопасность и питательную ценность.

В мировом сообществе созданы международные организации и независимые комиссии по радиационной безопасности:

АЯЭ/ОЭСР - Агентство по ядерной энергии Организации экономического сотрудничества и развития;

ВАО АЭС - Всемирная ассоциация организаций, эксплуатирующих АЭС;

ВОЗ - Всемирная организация здравоохранения;

ИНСАГ - Международная консультативная группа по ядерной безопасности;

МАГАТЭ (IAEA) - Международное Агентство по атомной энергии;

МКРЕ - Международная Комиссия по радиологическим единицам и измерениям;

МКРЗ - Международная Комиссия по радиологической защите;

МАЯРО - Международная ассоциация ядерных регулирующих органов;

МОТ - Международная организация труда;

МУКРБ - Межучрежденческий Комитет по радиационной безопасности;

НКДАР ООН - Научный Комитет Организации Объединенных Наций по действию атомной радиации;

ФАО - Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций.

Таким образом, к 2000 годам сформировалось четкое представление о возможности применения радиационных методов стерилизации в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. По данным МАГАТЭ на 2010 год в 69 странах мира существует более 500 гамма-установок, на которых облучают более 80 видов продуктов питания.

Согласно международным документам радиационная обработке подвергаются продукты питания в следующих странах:

Картофель, лук, чеснок - Аргентине, Бразилии, Великобритании, Индонезии, Индии, Италии, Израиля, Испании, Канады, Китая, Польши, США, Сирии, Венгрии, Франции, Хорватии, Южной Африке, Японии;

Зерновые, бобовые, макаронные изделия - Бразилия, Великобритания, Израиль, Индонезия, Италия, Канада, Китай, Россия, США, Венгрии, Франции, Южной Африки, Хорватии, Японии;

Свежие фрукты и овощи, тропические фрукты и овощи - Аргентине, Бразилии, Бельгии, Италии, Израиля, Китая, Польши, США, Венгрии, Хорватии, Южной Африке, Японии;

Бобы, рис - Бразилия, Великобритания, Италия, Китай, Южная Африка, Япония;

Сухой и обезвоженной травы, специи, чай - Бразилии, Бельгии, Дании, Индонезии, Италии, Израиля, Китая, Индии, Польши, Канады, США, Финляндии, Венгрии, Франции, Хорватии, Южной Африке, Японии;

Сухой и обезвоженной растительные продукты - Бельгия, Великобритания, Израиль, Италия, Канада, Китай, Польша, США, Франция, Хорватия, Южная Африка;

Сушеные продукты животного происхождения (яичный порошок, сухое молоко) - Китай, Франция, Хорватия, Южная Африка;

Сухой и обезвоженной ферментных препаратов и улучшителей - Великобритании, США, Хорватия;

Куриные продукты (свежие, охлажденные и замороженные) - Бразилия, Великобритания, Израиль, Италия, Китай, США, Франции, Южной Африки, Нидерландов, Хорватия;

Рыба и рыбопродукты - Бразилии, Италии, Китая, Хорватии, Южной Африке, Японии;

Свиная колбаса (свежие, сушеные, замороженные) - Италия, Китай, США, Хорватии, Южной Африке, Японии.

Пищевая продукция, для которой разрешена технологическая обработка, дозами радиации свыше 10 кГр приведена в приложении А.

Таким образом, радиационная обработка сельскохозяйственной продукции и продуктов питания широко распространена в мировой практике. Однако, для облучения пищевой продукции в целях безопасности появляется необходимость разработки нормативно-правовой базы.

1.4 Нормативно-правовая ситуация по радиационной обработке продуктов питания в России

В настоящее время Россия, в отличии от Европы и США, находится на начальном этапе формирования рынка продуктов, обработанных с помощью использования радиационных технологий. Одной из существенных проблем в развитии данной отрасли является недостаточно развитая и устаревшая нормативно-правовая база, а также частичное или полное отсутствие необходимых стандартов для облучения определённых продуктов питания.

Потребность в развитии и совершенствовании нормативной базы в сфере радиационных технологий обработки пищевых продуктов обусловлено следующими факторами:

· наличием и ростом объема распространения типовых радиационных технологий на рынке потребления пищевых и сельхозпродуктов;

· необходимостью введения нормирующих требований к продуктам, получаемым с применением радиационных технологий (определяемых общими медицинскими, санитарными, гигиеническими, потребительскими и иными требованиями);

· необходимостью обеспечения воспроизводимых типовых технологий в радиационном процессинге (требования к воспроизводимости дозы, условий облучения, режимов хранения продукции и т.п.)

· необходимостью обеспечения радиационной безопасности облучательных радиационных установок, технологических линий,

· требованиями унификации проектов, дизайна и оснащения радиационных установок, систем мониторинга и контроля облучения.

В настоящее время в России создана схема нормативно-правовой базы промышленных радиационных технологий, представленная на рисунке 1.1.

Основной стандарт в области облучения продуктов питания разрабатываются на основе существующих ранее норм обеспечения радиационной безопасности и стандартов, принятых в Евросоюзе. Стандарты ИСО разрабатываются в рамках разрешительной документации для таможенного союза Россия, Белоруссия и Казахстан.

Жёсткие требования к регулированию процесса вызвали необходимость принятия генерального международного стандарта ИСО 14470 - 2011, аналога стандарта радиационной стерилизации ИСО 11137. Новый стандарт ISO 14470: 2011 обеспечивает соблюдение самых последних требований при облучении пищевых продуктов, которое используется для улучшения качества и безопасности технологий обработки пищевых продуктов.

Жёсткие требования к регулированию процесса вызвали необходимость принятия генерального международного стандарта ИСО 14470 - 2011, аналога стандарта радиационной стерилизации ИСО 11137. Новый стандарт ISO 14470: 2011 обеспечивает соблюдение самых последних требований при облучении пищевых продуктов, которое используется для улучшения качества и безопасности технологий обработки пищевых продуктов.

Данный стандарт предназначен для предприятий-изготовителей, операторов по облучению, регуляторов деятельности, заказчиков, а главное - потребителей. Стандарт ISO14470: 2011 был разработан техническим комитетом сертификат ISO/TC 34 "Продукты питания".

Основными целями сертификата ISO 14470: 2011 являются:

· Обеспечение требований по облучению пищевых продуктов в соответствии с действующими нормами и практикой;

· Обеспечение направлений технического соглашения между клиентом и оператором по облучению;

· Создание системы документации для поддержки управления на процесс облучения продуктов питания.

Таким образом, при эффективном регулировании системы на этих трёх уровнях появляется возможность создания оптимальной нормативно-правовой базы по облучению продуктов питания.

Рисунок 1.1 - Схема нормативно-правовой базы [9]

В таможенном союзе в соответствии с принятыми стандартами облучения разрешена и запрещена обработка некоторых продуктов. Запрет на обработку излучением следующих продуктов:

• Мясо птицы;

• Конина;

• Мясо домашнего кролика;

• Яичный порошок, меланжи и др. сушеные яйцепродукты.

Не запрещена обработка:

• Мяса красного;

• Мяса диких животных;

• Рыбы и рыбного сырья;

• Сухих фруктов, сушеных трав и специй.

В случае, если в единых санитарно-эпидемиологических и гигиенических требованиях (ЕСЭГТ) вообще не отражено положение о возможности обработки излучением определённого вида продукта, то его можно облучать. Для идентификации облучения пищевых продуктов используются следующие европейские стандарты (EN):

EN 1784 - Идентификация облученных продуктов, содержащих жир. - газохроматографический анализ углеводородов;

EN 1785 - Идентификация облученных продуктов, содержащих жир. - масс-спектрометрический анализ 2-алкилциклобутанона;

EN 1786 - Определение облученных продуктов, содержащих кости - метод ЭПР-спектроскопии - ГОСТ Р 52529-2006 (в России - ГОСТ Р 52529-2006);

EN 1787 - Определение облученных продуктов, содержащих целлюлозу - метод ЭПР-спектроскопии - ГОСТ Р 53186-2008 (в России - ГОСТ Р 53186-2008);

EN 1788 - Термолюминесцентный метод определения облученных продуктов из которых выделены алюмосиликаты;

EN 13708 - Определение облученных продуктов, содержащих кристаллический сахар, методом ЭПР-спектроскопии - ГОСТ Р 52829-2007 (в России - ГОСТ Р 52829-2007);

EN 13751 - Определение облученных продуктов, с использованием фотостимулированной люминесценции;

EN 13783 - Определение облученных продуктов с использованием техники прямого эпифлуоресцентного фильтра/аэробного планшета;

EN 13784 - Применение идентификации следов ДНК для обнаружения облученного продовольствия.

В России стандартизация для анализа облучения стандартизирован только единственный метод идентификации с помощью ЭПР-спектроскопии. К сожалению, стандартизация остальных методов находится только в стадии разработке. Для контроля дозы, поглощённой продуктами питания используются следующие международные стандарты (ISO):

ISO/ASTM 51204 Руководство по дозиметрии на гамма-установках для облучения пищевых продуктов;

ISO/ASTM 51261 Руководство по выбору и калибровке дозиметрических систем для радиационных технологий;

ISO/ASTM 51431 Руководство по дозиметрии на установках с укоренными электронами и тормозным рентгеновским излучением для облучения пищевых продуктов;

ISO/ASTM 51539 Руководство по применению радиационно-чувствительных индикаторов.

К сожалению, дозиметрия в России для облучения продуктов питания в настоящий момент находится только в стадии разработки и стандартизации.

Таким образом, международная нормативная база в области промышленных радиационных технологий охватывает основные процессы обработки излучением и, а также способствует надлежащей практике облучения, дозиметрическому контролю и обеспечению радиационной безопасности процессов облучения продуктов питания. Создание межгосударственной нормативной базы РТ в практике промышленных радиационных технологий обработки пищи требует актуализации и адаптации положений международных стандартов на национальном и межгосударственном уровне, и их привязки к существующими и создаваемыми нормативными положениями в этой сфере.

Несмотря на несовершенство нормативно-правовой базы в области радиационной обработки продуктов питания достигнуты значительные результаты.

1.5 Результаты и достижения в радиационной обработке

В последние годы возобновился интерес к электронно-лучевой технологии стерилизации. В отличие от методов стерилизации гамма-излучением, электронное излучение не использует радиоактивные изотопы. Сильноточные ускорители электронов появились ещё в 50-х годах прошлого века, но их использование в то время было экономически не оправданным. Со временем и углубленным развитием технологий ускоренных частиц появилась возможность наращивания энергии, интенсивности (силы тока) и длительности импульса ускоренного пучка, стоимость электронно-лучевой стерилизации понизилась до вполне приемлемого уровня, что вызвало интерес со стороны пищевой промышленности. Облучение происходит при энергии электронов, находящихся в диапазоне от 3 до 10 МэВ. При таких энергиях глубина проникновения электронов оказывается достаточной для их проникновения в продукт, упакованный в готовую к отгрузке тару.

Обработка с помощью электронов имеет некоторые отличия от обработки с помощью гамма излучения:

При обработке электронно-лучевым излучением не происходит глубинного проникновения в продукт, в отличии от гамма облучения. Высокая энергетичность электронного облучения позволяет воздействовать им в течении нескольких секунд, в отличие от многочасового воздействия на продукт гамма-излучением. Кратковременность воздействия ускоренных электронов снижает возможные эффекты окисления продукта, сводя к минимуму нарушения в структуре как продукта, так и упаковочного материала.

На ускорителях есть возможность варьировать энергию электронов и гамма квантов. Снижение энергии приводит к минимизации повреждения продуктов при радиационной обработке. Кроме того, стоимость эксплуатации ускорителя и капитальные затраты на создание радиационно-ускорительного центра гораздо меньше.

В области продовольствия и сельского хозяйства применение ядерных технологий может принести существенную пользу. Более ста стран мира ведут сотрудничество с совместным отделом ФАО/МАГАТЭ, которое направлено на увеличение урожайности, борьбу с вредителями, болезнями растений и животных, на охрану земельных, водных ресурсов и окружающей среды, от состояния которых зависит сельское хозяйство и производство продовольствия.

Использование ядерных методов позволило достичь следующих результатов [10]:

· C помощью метода генной модификации удалось вырастить сельскохозяйственные культуры в тех местах, где раньше это было невозможно или неэффективно. Например, появилась возможность выращивать рис в засоленных почвах и ячмень на высоте 5000 метров.

· С помощью использования технологии стерилизации насекомых (ТСН) удалось избавиться от появления плодовой мушки, или снизить этот показатель до минимума. В Латвии с помощью метода ТСН удалось уничтожить мясную муху, а в Занзибе муху цеце.

· Более чем в 50 странах использование лучевой обработки продуктов питания позволило заменить химическую обработку, тем самым повысив безопасность продукции.

Помимо положительных эффектов от использования ядерных технологий существуют также и отрицательные стороны. Не до конца изучены вопросы безопасности облученных продуктов для населения. Энергия гамма-квантов велика, что может приводить к появлению нежелательных реакций связанных с образованием свободных радикалов.

В Соединенных Штатах Америки создано агентство по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарственных препаратов (FDA), которое отвечает за здоровье населения путем регулирования и надзора в области безопасности пищевых продуктов, табачных изделий, пищевых добавок, лекарств (как рецептурных, так и безрецептурных), вакцин, медицинских устройств и ветеринарных препаратов. В задачи агентства входит контроль за соблюдением законодательных норм в области поддержания качества продуктов питания, лекарственных препаратов и косметических средств.

В процессе научных исследований продуктов подвергшихся радиационной обработки выявились сопутствующие отрицательные эффекты: образование радиолитических продуктов, ботулизм, увеличение афлатоксинов, потеря питательных веществ, образование химических побочных продуктов.

Для начала рассмотрим такой негативный эффект как образование радиолитических продуктов.

Радиолитические продукты образуются, когда высокоинтенсивное излучение разрывает химические связи внутри молекул для создания свободных ионов и свободных радикалов. Свободные радикалы могут или формировать стабильные соединения, или инициировать цепную реакцию, взаимодействуя со стабильной молекулой для образования другого свободного радикала, и так далее до тех пор, пока цепочка не завершится реакцией из двух свободных радикалов, в результате которой образуется стабильное соединение. Под воздействием высокорадиоактивной энергии, которой обладает излучение и которая необходима для уничтожения опасных патогенных организмов, образуется большое количество потенциальных трансформаций и радиолитических продуктов в химически сложной среде, такой, как птичьи мышцы, кожа и жир. Вещества, которые могут образоваться, включают перекись водорода, бензол, формальдегид и другие известные канцерогенные, мутагенные и цитотоксические соединения. Есть вероятность, что мутагенные свойства некоторых радиолитических соединений вызывают нарушения в хромосомах. В различных исследованиях отмечались такие явления как: явно выраженное нарушение процесса мейоза, рост опухолей и развитие метастазов, снижение коэффициента выживаемости. Однако FDA поясняет, что радиолитические продукты образуются в процессе приготовления пищи, и их концентрация при обработке радиацией мала.

Кроме образования радиолитических продуктов при радиационной обработке возникает проблема сохранения спор ботулизма.

Ботулизм - (от лат. Botulus - колбаса) - тяжёлое токсикоинфекционное заболевание, характеризующееся поражением нервной системы. Споры ботулизма, содержащиеся в продуктах питания, обладают высокой резистивной природой, и при воздействии облучения могут сохраняться в объектах. Таким образом, часть бактерий, которые вызывают запах гниения уничтожаются, а споры ботулизма остаются и есть вероятность, что потребитель не сможет выявить в облучённых продуктах наличие опасных токсинов ботулизма. Однако FDA поясняет, что споры ботулизма обычно образуются при несоблюдении температур хранения, а при порче мяса наблюдаются неприятный запах и нарушения в текстуре продукта, изменение цвета. Таким образом, покупатель может идентифицировать испорченный продукт и отказаться от его употребления.

Кроме содержания спор ботулизма в облучённых продуктах существует опасность содержания афлатоксинов.

Афлатоксины - смертельно опасные микотоксины (низкомолекулярные вторичные метаболиты, продуцируемые микроскопическими плесневыми грибами), относящиеся к классу поликетидов. Из всех биологически производимых ядов афлатоксины являются самыми сильными гепатоканцерогенами из обнаруженных на сегодняшний день. При попадании в организм высокой дозы яда смерть наступает в течение нескольких суток из-за необратимых поражений печени. Существует гипотеза, что в облучённых зёрнах и овощах наблюдается увеличение канцерогенных афлатоксинов. FDA отклонило эту гипотезу из-за отсутствия сведений о процессе обработки пищи.

При радиационной обработке также наблюдается потеря витаминов. Из данных эксперимента была произведена следующая классификация по уровню чувствительности витаминов к облучению: тиамин (витамин B1) и витамин Е оказались самыми чувствительными; витамины А, K, D, рибофлавин (B2) и B6 обладали средней чувствительностью; витамин B12, Ниацин (B3), биотин (витамин B), пантотеническая кислота (B5) и фолат были наименее чувствительными. Облучённая пища имеет низкую концентрацию бактерий и может быть полезна категориям людей с ослабленной иммунной системой. При воздействии облучения не происходит значительной потери питательных веществ, и риск для большинства населения в результате этих потерь незначителен.

При использовании метода облучения линейными ускорителями или радиоактивными изотопами в капсулах облучении продуктов питания способны образовываться следующие опасные вещества: высоко реакционноспособные свободные радикалы и пероксиды из ненасыщенных жиров, ПХБ (полихлобифенилы) и другие. Такие вещества, как афлотоксины и циклобутаны могут вызвать рак. Министерство здравоохранения Канады, считает, что химические соединения, образуемые в ходе облучения, обнаружены в чрезвычайно небольших количествах (ppb - частей на миллиард), и поэтому эти новые соединения не представляют риска для здоровья человека.

Однако необходимо продолжение дальнейших исследований образующихся при облучении соединений, так как не имеется достаточно данных о влиянии на здоровье даже чрезвычайно небольших количеств образующихся соединений.

Увеличение масштабов лучевой обработки продуктов питания способствовало росту интереса к разработке международных стандартов, обеспечивающих безопасность этой технологии. В России на сегодняшний день отсутствует разрешительная документация на обработку пищевых продуктов. ООО "Центр "Атоммед" по заказу Госкорпорации Росатом подготовил следующие проекты стандартов по облучению продуктов питания:

1. ПРОЕКТ Маркировка предварительно упакованной и облученной пищи.

2. ПРОЕКТ Мясо красное и мясо птицы свежее и мороженое. Руководство по облучению для уничтожения патогенных и иных микроорганизмов.

3. ПРОЕКТ Облучение пищевых продуктов требования к разработке, валидации и текущему контролю процесса ионизирующего облучения, используемого для обработки пищевых продуктов.

4. ПРОЕКТ Пищевые продукты, обработанные ионизирующим излучением. Общие положения.

5. ПРОЕКТ Пищевые продукты. Облучение. Основные технические требования.

6. ПРОЕКТ Плавниковые рыбы и беспозвоночные морепродукты. Руководство по облучению для уничтожения патогенных и гнилостных микроорганизмов. Общие положения.

7. ПРОЕКТ Предварительно упакованные полуфабрикаты мяса красного и мяса птицы. Руководство по облучению для уничтожения патогенных и иных микроорганизмов.

8. ПРОЕКТ Руководство по использованию облучения в качестве фитосанитарной меры.

9. ПРОЕКТ Свежие овощи и фрукты. Руководство по фитосанитарной обработке облучением.

10. ПРОЕКТ Сушеные специи, травы и сезонная зелень. Руководство по облучению для уничтожения патогенных и иных микроорганизмов.

В России не ведётся промышленная обработка, а разрабатываются только стандарты, которые ещё в настоящее время не приняты. Принятие соответствующих стандартов осложняется возможными негативными эффектами от использования радиационных технологий, а также недостаточным количеством радиационных центров по обработке пищевой продукции. В связи с созданием таможенного союза Россия-Казахстан-Белоруссия предполагается создать совместно правовую и разрешительную документацию. В ближайшем будущем будет утверждён перечень продуктов, рекомендованных к обработки радиационным методом, а также разработаны соответствующие стандарты и нормы облучения.

Задачами настоящей работы является:

· изучение современных основ использования ускорителей для радиационной обработки в России и за рубежом;

· определение характеристик радиационного (электронного) воздействия на различные материалы;

· разработка модели для исследования радиационного воздействия с использованием ускорителей заряженных частиц;

· проведение экспериментальных исследований по облучению микроорганизмов ускоренными электронами и сравнение полученных результатов с ранее имеющимися результатами, полученными на гамма-источнике.

2. Основные аспекты радиационной обработки продуктов питания

2.1 Развитие ускорительных центров по радиационной обработке в России и за рубежом

В России с 1980 года разработаны и созданы для осуществления промышленных радиационно-технологических процессов более 200 ускорителей (без учета ускорителей для медицины, дефектоскопии и томографии). На сегодняшний момент в эксплуатации находятся более 60 линейных электронных ускорителей.

Линейные электронные ускорители для радиационно-технологических установок (РТУ) разработаны на следующих российских предприятиях:

· Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск;

· Институт электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург;

· Институт ядерной физики им.Г.И. Будкера СО РАН г. Новосибирск;

· НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, г. Москва;

· НИЯУ "МИФИ", г. Москва;

· ОАО "МРТИ РАН", г. Москва;

· ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова", г. Санкт-Петербург;

· ФГУП "НПП "Торий", г. Москва;

· ФГУП "РФЯЦ "ВНИИТФ им.Е.И. Забабахина", г. Снежинск;

· ФГУП "РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики", г. Саров;

· ФГУП "Исследовательский центр им. М.В. Келдыша", г. Москва.

К преимуществам линейных ускорителей электронов относятся:

1. Возможность управления параметрами установки;

2. Направленность передачи энергии;

3. Срок службы более 20 лет без капитального ремонта;

4. Снижение требований к разрешительной документации и охране;

5. Решается проблема "распространения";

6. Стоимость процесса облучения на ускорите ниже, чем при использовании гамма-установки;

7. Отсутствие необходимости утилизации отработанных элементов.

Таблица 2.1 - Типичные параметры линейных ускорителей электронов [6]

№	Модель	Диапазон энергий пучка, МэВ	Мощность пучка, кВт	Место расположения, разработчик	Назначение
1	Синус-200	0,15-0,3	2	Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск (ИСЭ)	Стерилизация
2	УРТ-0,5	0,5	1	ЗАО "НИИХИТ-2", г. Саратов (ИЭФ)	Модификация тонких органических пленок для аккумуляторов
3	ИЛУ-6	1,7ч2,5	20	ОАО "Пластполимер", г. Санкт-Петербург (ИЯФ)	Радиационная обработка кристаллизующихся полимеров
4	ИЛУ-8	0,75ч1,0	25	ОАО "Завод "Чувашкабель", ЧР, г. Чебоксары (ИЯФ)	Модифицирование изоляции кабелей
5	ЭЛВ-0,5	0,4ч0,7	25	ФГУП "НИИ графит", г. Москва (ИЯФ)	Радиационная переработка материалов
6	ЭЛВ-2	0,8ч1,5	20	ФГУП "ИвНИИПИК", г. Иваново (ИЯФ)	Модифицирование полимерных изделий (искусственные кожи)
7	ЭЛВ-3	0,5ч0,8	50	ОАО "КЗСК", РТ, г. Казань (ИЯФ)	Радиационная обработка материалов и изделий (вулканизация резин)
8	ЭЛВ-6	0,8ч1,2	100	ОАО "УЗЭМИК", РБ, г. Уфа (ИЯФ)	Радиационная обработка материалов (термоусаживаемая пленка для кровли)
9	ЭЛВ-8	1,0ч2,5	100	ОАО "РОССКАТ", Самарская область, г. Нефтегорск (ИЯФ)	Модифицирование изоляции кабелей
10	РЭЛУС-5	3,0ч5,0	1	ФГУ РНЦ "Курчатовский институт", г. Москва	Процессы взаимодействия излучения с веществом

В таблице 2.1 отражены назначение и основные параметры действующих ускорителей, энергия которых не превышает 10 МэВ, таким образом они рекомендованы к облучению продуктов питания.

Основные направления использования электронных ускорителей это радиационно-биологическое, радиационно-химическое и радиационно-физическое.

Радиационно-биологические: стерилизация изделий медицинского назначения; радиационная обработка лекарственного сырья; радисидация, радуризация, радаппертизация пищевых, сельскохозяйственных продуктов, биологически активных добавок к пище; предпосевное облучение и радиационная селекция семян; радиационная "сшивка" биологически активного вещества с полимерным носителем для производства лекарств; электронно-лучевая технология производства гелей для использования в медицине и биотехнологии.

Радиационно-химические: радиационное модифицирование полимеров, труб, изоляции проводов и кабелей; вулканизация резино-технических изделий, производство искусственных кож и стеклопластиков; отвердение лакокрасочных покрытий; производство радиационно-модифицированных волокнистых плит и древесно-стружечных изделий; радиационно-термический высокотемпературный газофазный синтез сверхчистых реакционных продуктов; радиационное отверждение бетонополимерных материалов.

Радиационно-физические: радиационная модификация полупроводниковых приборов, модификация физико-химических свойств кристаллов, драгоценных камней, нанопорошков, поверхностное упрочнение, полировка, легирование металлов, сплавов, керамики; повышение износостойкости, коррозионной стойкости, динамической прочности при электронно-лучевой обработке изделий.

Российский опыт внедрения электронно-лучевых технологий показал перспективность и значимость полученных результатов, их важность и финансовую окупаемость. Имеются все предпосылки для дальнейшего продвижения в России инновационных электронно-лучевых технологий для производства продуктов с исключительной потребительской ценностью и сверхвысокими показателями, не достижимыми для других технологий.