Содержание
Аннотаци
Annotation
Введение
1 Микроволновая обработка
при инактивации микрофлоры
1.1 Задачи инактивации биологических объектов
1.2 Режимы микроволновой обработки
для инактивации микроорганизмов и микрофлоры
2 Режимы инактивации для обработки бактерий
и дрожжей в КВЧ-поле
3 Выбор режимов при микроволновой обработке суши
3.1 Режимы СВЧ- и КВЧ-диапазонов
3.2 Выводы по разделу
4 Моделирование установки для воздействия
микроволновых полей на суши и роллы
4.1 Воздействие микроволнового излучения
4.2 Структурные схемы одноволновых установок
(предпродажная подготовка)
4.3 Структурная схема двухволновой установки
(предпроизводственная подготовка)
5 Расчет модулей и узлов двухволновой установки
5.1 Расчет рабочей камеры
5.2 Расчет волноводов и их возбуждение
5.4 Расчет СВЧ-генератора
5.5 Выбор генератора КВЧ
6 Разработка внешнего вида установки
7 Методика обработки и анализа качества суши
7.1 Материалы и методы
7.2 Определение сроков годности суши и роллов
7.3 Выводы по разделу
Заключение
Conclusio
Список использованных источников и литературы
Аннотация
Известны случаи массовых отравлений, связанных с употреблением суши и роллов, при этом география их постоянно расширяется. Вместе с тем в Российской Федерации нет стандартных методик микробиологической оценки качества суши и определения их максимального срока годности. Тем более нет методик для инактивации микроорганизмов попавших в суши.
Цель исследования: разработка методики комплексного микробиологического исследования суши на основании различных методических рекомендаций по исследованию пищевых продуктов при их инактивации низкоинтенсивным воздействием энергии электромагнитных полей СВЧ- и КВЧ-диапазонов.
Задачи:
- Определить принципы инактивации микроорганизмов низкоинтенсивной энергией ЭМП СВЧ- и КВЧ-диапазонов.
- Составить структурную схему и разработать установку комплексной инактивации микроорганизмов в суши и роллах.
- Составить схему комплексного микробиологического исследования суши и роллов.
- На основании разработанных алгоритмов исследовать образцы суши и роллов, полученных из различных торговых точек до и после воздействия энергии ЭМП СВЧ- и КВЧ-диапазонов.
Исходные данные для проектирования: диэлектрические характеристики продуктов, входящих в состав суши, технологии СВЧ-генераторов на частоте 2450 ГГц; технологии КВЧ-генераторов на частоте 30-60 ГГц; микроволновые технологии инактивации микроорганизмов и микрофлоры.
Annotation
There are known cases of mass poisoning associated with the consumption of sushi and rolls, while their geography is constantly expanding. At the same time, in the Russian Federation there are no standard methods for microbiological assessment of the quality of land and determination of their maximum shelf life. Moreover, there are no methods for the inactivation of microorganisms that have entered the land.
Purpose of the study: development of a methodology for a comprehensive microbiological study of sushi based on various guidelines for the study of food products during their inactivation by low-intensity exposure to the energy of electromagnetic fields of the microwave and EHF ranges.
Tasks:
- Determine the principles of inactivation of microorganisms by low-intensity energy of EMF of the microwave and EHF ranges.
- Draw up a block diagram and develop an installation for the complex inactivation of microorganisms in sushi and rolls.
- Draw up a scheme for a comprehensive microbiological study of sushi and rolls.
- On the basis of the developed algorithms, examine samples of sushi and rolls obtained from various outlets before and after exposure to the energy of EMF of the microwave and EHF ranges.
Initial data for design: dielectric characteristics of products that make up land, technology of microwave generators at a frequency of 2450 GHz; technologies of EHF generators at a frequency of 30-60 GHz; microwave technologies for inactivation of microorganisms and microflora.
Введение
С развитием науки и техники значительно увеличилось разнообразие пищевых продуктов, включённых в рацион человека, появилось множество вариантов «быстрых» перекусов, одним из которых являются суши.
Суши — многокомпонентный пищевой продукт, и его невозможно полностью освободить от присутствия микроорганизмов без риска изменения вкусовых качеств. Сырое мясо, рыбы, которое используется в приготовлении суши, содержит много белков, жира и воды, имеет более рыхлую консистенцию, чем мясо млекопитающих, что способствует быстрому распространению и размножению в нём микроорганизмов. В норме мышечная ткань рыб не содержит микроорганизмов, однако на поверхности чешуи и в жабрах свежевыловленной рыбы часто обнаруживаются представители родов Pseudomonas, Achromobacter, Vibrio (V. parahaemolyticus, V. аlginolyticus) и другие микроорганизмы.
Овощи и нори также являются неотъемлемыми ингредиентами суши и могут быть изначально контаминированы различными возбудителями пищевых инфекций: Yersinia enterocolitica, Campilobacter spp., Staphylococcus spp. и др.
Особенность суши и роллов в том, что они не подлежат термической обработке и в процессе приготовления могут быть контаминированы микроорганизмами с рук повара и объектов внешней среды. Через суши могут передаваться возбудители брюшного тифа, паратифов, сальмонеллёзов, дизентерии, эшерихиозов, ботулизма, холеры, бруцеллёза, туберкулёза, сибирской язвы, Ку-лихорадки и различных вирусных инфекций. Кроме того, при употреблении в пищу заражённых суши и роллов могут возникать пищевые токсикоинфекции, вызываемые Staphylococcus aureus и многочисленными условно-патогенными микроорганизмами. Причём обсеменение указанных продуктов микроорганизмами может происходить на всех этапах заготовки, хранения и приготовления.
Известны случаи массовых отравлений, связанных с употреблением суши и роллов, при этом география их постоянно расширяется. Вместе с тем в Российской Федерации нет стандартных методик микробиологической оценки качества суши и определения их максимального срока годности. Тем более нет методик для инактивации микроорганизмов попавших в суши.
Цель исследования: разработка методики комплексного микробиологического исследования суши на основании различных методических рекомендаций по исследованию пищевых продуктов при их инактивации низкоинтенсивным воздействием энергии электромагнитных полей СВЧ- и КВЧ-диапазонов.
Задачи:
- 1. Определить принципы инактивации микроорганизмов низкоинтенсивной энергией ЭМП СВЧ- и КВЧ-диапазонов.
- Составить структурную схему и разработать установку комплекснойинактивации микроорганизмов в суши и роллах.
- Составить схему комплексного микробиологического исследования суши и роллов.
- На основании разработанных алгоритмов исследовать образцы суши и роллов, полученных из различных торговых точек до и после воздействия энергии ЭМП СВЧ- и КВЧ-диапазонов.
1 Микроволновая обработка при инактивации микрофлоры
1.1 Задачи инактивации биологических объектов
Исторически, использование электромагнитной энергии для целей уничтожения микрофлоры, было одним из первых направлений развития микроволновых технологий (МВТ). Позднее было выполнено значительное число исследований, приведших к разработке методов (а в ряде случаев и аппаратуры) для пастеризации пищевых продуктов, стерилизации инструментов и материалов, обеззараживания тепличных грунтов, уничтожения семян и проростков сорной растительности и ряда других. Решению указанных задач посвящена обширная литература, изложение которой далеко выходит за рамки данного раздела. Цели и задачи в данном случае состоит в том, чтобы показать наличие значительных резервов МВТ в ряде задач инактивации микроорганизмов, дезинсекции и т.д.
На первый взгляд механизм осуществления инактивации представляется достаточно ясным: под действием ЭМП происходит нагрев продукта. Находящиеся в нем микроорганизмы и их споры, насекомые и их яйца, семена и т.д. погибают при достаточно высокой температуре окружающей среды и продолжительности нагрева. Типовые значения указанных температур находятся в пределах 80-120 °С, длительность нагрева, в зависимости от конкретного вида объектов, может составлять от нескольких секунд до нескольких десятков минут.
Возможности снижения затрат электромагнитной энергии в задачах инактивации определяются рядом обстоятельств. Часть из них выглядит достаточно ясной, по крайней мере, с принципиальной точки зрения, другая требует тщательного изучения, причем основным инструментом для нее пока может быть только эксперимент. Так, согласно концепции заданного нагрева, при известных диапазонах значений электрофизических параметров материала, требуемой температуре и продолжительности прогрева при этой температуре, может ставиться задача оптимального выбора диапазона частот, интенсивности ЭМП и продолжительности воздействия, обеспечивающих минимум затрат энергии. Этот путь, в принципе, не отличается от используемого в других задачах нагрева ЭМП СВЧ.
Однако нагрева суши и роллов допускать нельзя.
Существует также ряд менее изученных возможностей, основанных на более тонких эффектах физического и биологического характера. Отметим наиболее интересные из них:
- факт избирательного нагрева. Биологические объекты и продукты, в котором они находятся, имеют различные электрофизические параметры, причем во многих случаях биологические объекты обладают свойством большего удельного поглощения. В результате, при воздействии ЭМП они нагреваются быстрее, чем окружающий их продукт, и инактивация происходит при меньшем нагреве собственного продукта;
- не очевиден вопрос об оптимальном соотношении между температурой нагрева и длительностью воздействия. Последнее становится особенно важным, так как на нарушение жизненных функций достаточно широкого круга биологических объектов влияет скорость изменения температуры окружающей их среды;
- известно, что в ряде случаев инактивация микроорганизмов происходит более эффективно (и что немаловажно, при меньшем нагреве собственно продукта) при использовании импульсных ЭМП;
Перечисленные обстоятельства дают основания рассчитывать на возможность МВТ в задачах инактивации биологических объектов различной природы. В последующих разделах некоторые из этих возможностей рассматриваются применительно к ряду конкретных задач инактивации микрофлоры в суши и роллах.
1.2 Режимы микроволновой обработки для инактивации микроорганизмов и микрофлоры
Одним из гигиенических факторов, определяющих пригодность продуктов питания, является их безопасность в эпидемическом отношении, которая оценивается такими показателями, как: количество, жизнестойкость, способность к дальнейшему развитию и размножению микрофлоры и микроорганизмов, вызывающих болезни. Для опытов были выбраны кишечные палочки и сапрофитные организмы культуры Salmonella.
Задачи уничтожения вредной микрофлоры имеют немаловажное значение также для сельского хозяйства. В частности, серьезную проблему представляет обеззараживание тепличных грунтов, где выращиваются некоторые компоненты роллов. Обычной практикой является термическая обработка естественных грунтов перед посевом (перегретым паром, в течение нескольких часов). Получающие распространение искусственные грунты практически не поддаются обеззараживанию и подлежат полной замене по истечению определенного срока службы. Наконец, серьезную проблему для рыбоводства, птицеводства и животноводства представляют гельминтозы, вызывающие серьезные потери стада, а также заметно снижающие качество используемой рыбы или других ингредиентов.
Наконец, существует еще одна область хозяйствования, где инактивции микрофлоры имеют первостепенное значение – задачи обеззараживания питьевой воды, оборудования и фильтров систем снабжения питьевой водой. В частности, при использовании фильтров для очистки воды возникает ее застаивание и обсеменение организмами.
Традиционные методы воздействия на указанные биологические объекты энергоемки и не всегда эффективны. В растениеводстве агрохимические приемы с использованием химических средств приводят к обеднению грунтов и снижению эффективности их использования, в том числе из-за утраты экологической чистоты продукции. Термический нагрев с целью инактивации микроорганизмов и микрофлоры либо энергетически затратен (вода, пресервирование птице- и мясопродуктов), либо весьма затруднен ввиду низкой влажности и теплопроводности обрабатываемых сред. Поэтому разработка высокоэффективных СВЧ-методов инактивации микрофлоры и микроорганизмов, обеззараживания воды и грунтов является весьма актуальной. Ниже описаны подходы к выбору эффективных режимов микроволновой обработки в указанных целях.
Микроволновая обработка культур Salmonella.
Для исследования режимов отобраны пробы двух культур: Salmonella gallinarium (SG), Salmonella cholerae suis (SCS). Выбор их обусловлен хорошей устойчивостью к жизни во внешней среде, способностью длительно сохраняться в почве, фекалиях, воде и пищевых продуктах. Считается, что кипячение убивает Salmonella мгновенно, при температуре 80 °С они сохраняются до 15 минут. Образцы, помещенные в пробирки или чашки Петри, подвергались воздействию ЭМП при различных значениях средней излучаемой мощности (режимы непрерывной и прерывистой генерации, частота — 2450 МГц, максимальная). Хорошо видно, что при плотности потока мощности П0 ~ 0,5 Вт/см2 существует минимальное время обработки, при котором происходит 100% подавления микрофлоры с нагревом в 1-3 градуса. Типичные результаты приведены на рис. 1.1-1.2.
Сопоставление указанных данных для различных значений интенсивности ЭМП позволяет выбрать такой вариант, которому соответствуют как полная инактивация, так и минимальный уровень энергозатрат.
Результаты обработки культур Salmonella в эпидемическом отношении оценивалась в процентах подавленных проб к обработанным в зависимости от длительности обработки.
Исследование режимов обработки питьевой воды.
Для исследования режимов микроволновой обработки питьевой воды отобраны пробы собственно воды (№1-5) и твердых частиц ее осадков (№1-6). Образцы (№1-4) обеих выборок проб были подвергнуты воздействию СВЧ-диапазона при различных режимах обработки (частота 2450 МГц), образцы №5 воды и №5-6 твердых частиц — контроль без облучения. Безопасность в эпидемическом отношении оценивалась в посевах бактерий группы лактозно-положительных кишечных палочек и общим числом сапрофитных микроорганизмов. Результаты бактериологического и микологического обследования приведены на рис. 1.3-1.4. Оценка роста палочек и грибковой микрофлоры произведена в баллах по их количеству в миллилитре среды. Для обработки воды продолжительность обработки ЭМП варьировалась в пределах 1-5 минут (группы № 1-4 соответственно). Для обработки твердых осадков — в пределах 1-2,5 минут (группы № 1-4). Контрольная группа №5 представляла собой твердые осадки, контрольная группа № 6 — ил из очистных фильтровальных отстойников воды.
Результаты микробиологического обследования образцов воды и твердых частиц до облучения и после обнаружили выраженный бактерицидный эффект СВЧ-излучения на бактериальную и грибковую микрофлору. Минимально достаточной следует считать обработку воды и ее осадков ЭМП СВЧ-диапазона продолжительностью 2-2,5 минуты при плотности потока мощности излучения 5 Вт/см2.
Приведенные данные, во-первых, показывают возможность осуществления эффективного подавления микрофлоры и других вредных организмов, в том числе в нетрадиционных для МВТ областях. Во-вторых, из них следует возможность осознанного выбора экономичных режимов обработки, включая пути определения режима обработки. Возможности снижения приведенных энергозатрат, при этом, нельзя считать исчерпанными. Несомненно, перспективными в этих задачах являются уже упоминавшиеся способы — использование импульсных ЭМП при оптимальном выборе средней плотности потока мощности и скважности, а также, возможно, специфических эффектов воздействия низкоинтенсивных ЭМП КВЧ-диапазона определенных частот.
Микроволновая инактивация гельминтов кур и свиней.
Для определения режимов обработки гельминтов кур и свиней отобраны пробы их аскарид (семейство крупных паразитических круглых червей). Образцы были повергнуты воздействию ЭМП СВЧ-диапазона при различной мощности и длительности обработки. Безопасность гельминтов в эпидемическом отношении оценивалась их жизнеспособностью после помещения в термостат при температуре 37,8 °С. Оценивалось наличие движения аскарид, состояние их кутикул и нематод, наличие в растворе элементов их разложения. Типичные результаты обработки (f = 2450 МГц, П0 ~ 1Вт/см2) показаны на рис. 1.5-1.6.
Дальнейшие исследования проведены для гельминтов в сточных водах. Были взяты фекалии от свиней, спонтанно инвазированных аскаридозом и другими кишечными нематодами. Были проведены серии опытов для естественных, полусухих и жидких фекалий, для которых подготовлены пробы по методике, используемой ранее. Определялась жизнеспособность личинок аскарид свиней после обработки ЭМП СВЧ-диапазона при различной экспозиции и плотности потока мощности. Типичные результаты экспериментов представлены на рис. 1.7. Как и в случае инактивации Salmonella, из приведенных данных, например, рис. 1.1-1.2, хорошо просматривается возможность выбора режима обработки с минимальными энергозатратами.
Микроволновая обработка вторичных грунтов.
Для исследований режимов обработки вторичных грунтов были отобраны торфо-перегнойная смесь, цеолитный грунт и минеральная вата как наиболее широко применяемые в тепличных хозяйствах. Образцы были подвергнуты воздействию ЭМП СВЧ-диапазона при различных плотности потока мощности и длительности обработки. Инактивация микрофлоры оценивалась ее жизнеспособностью, определяемой по стандартным методикам. Результаты микробиологического исследования образцов грунтов до микроволновой обработки и после нее показывают выраженный эффект СВЧ-излучения на бактериальную и грибковую микрофлору. Из экспериментальных данных следует, что при облучении ЭМП частотой 2450 МГц минимально достаточной следует считать обработку грунтов продолжительностью 2-2,5 минуты при П0 ~ 1 Вт/см2. Заметим, что данная частота облучения определяется из условия залегания микрофлоры и микроорганизмов на глубине до 5-10 см от поверхности.
Таким образом все виды обработки СВЧ-полями занимают 1-3 минуты и не приводят к сильному нагреву продуктов или их полуфабрикатов.
Однако необходимо все-таки применять низкоинтенсивное КВЧ-поле
2 Режимы инактивации для обработки бактерий и дрожжей в КВЧ-поле
В 70-х годах стали появляться работы по исследованиям специфического воздействия низкоинтенсивных ЭМП КВЧ-диапазона на живые организмы. Существуют резонансные частоты, на которых живые организмы
взаимодействуют с низкоинтенсивными ЭМП КВЧ-диапазона, причем, это взаимодействие наиболее эффективно при очень низких уровнях мощности (порядка 10 мкВт/см и менее). Низкоинтенсивные ЭМП КВЧ-диапазона воздействуют на проницаемость мембран клеток, ускоряя метаболизм. Изменением мощности и временем воздействия ЭМП на биологические объекты, появилась возможность управления их жизнедеятельностью на клеточном уровне. Поскольку подобные уровни мощности не оказывают теплового воздействия на биологические системы , то и механизм биологической активности будет не энергетическим, а информационным. В этом случае говорят об управляющем или информационном воздействии ЭМП. Формирование отклика по некоторому биологическому параметру происходит, начиная от некоторого порогового значения плотности потока мощности. На определенных частотах воздействие низкоинтенсивного ЭМП носит специфический «лечебный» характер.
Биологические системы могут иметь поляризационные колебания в диапазоне частот 100–1000 ГГц. Различные процессы жизнедеятельности в биологических клетках передают энергию локально возбужденным дипольным колебаниям (биологическая накачка). За счет нелинейных эффектов взаимодействия дипольных колебаний и нелинейной связи этих колебаний с упругими колебаниями может произойти переход системы в метастабильное состояние, в котором энергия трансформируется в энергию одного вида колебаний. Под действием излучения метастабильное состояние может переходить в основное – возникает «диполь», который является частным случаем когерентного состояния системы. Эффекты влияния электромагнитного излучения на вращение молекул описываются микротепловой гипотезой действия излучения на биологические системы. Под действием на некоторые структуры ЭМП с интенсивностью порядка 10 мкВт/см могут возникать значительные локальные градиенты температуры. В этих случаях низкоинтенсивные ЭМП КВЧ-диапазона оказывают на биологическую систему такое же действие, как и общий нагрев. Соответствующий температурный эквивалент их действия может составить 5–7 С, что объясняется увеличением числа молекул, участвующих в химических реакциях.
В настоящее время возможности использования низкоинтенсивных ЭМП КВЧ-диапазона привлекают все большее внимание. Интенсивно ведутся работы по развитию методов микроволновой терапии. К числу несомненных достижений в этом направлении следует отнести хотя бы то, что в настоящее время в медицинской практике достаточно широко используются аппараты терапии ЭМП КВЧ-диапазона «Явь».
Как перспективная в медицине рассматривается резонансная радиоспектроскопия в КВЧ- и СВЧ-диапазонах, позволяющая изучать влияние лекарственных препаратов на организм человека.
Известен ряд работ, в которых показана целесообразность использования низкоинтенсивных ЭМП КВЧ-диапазона в ветеринарии.
Одним из перспективных областей приложения методов микроволновой обработки является стимуляция различных микроорганизмов. Возможность осуществления таких процессов впервые описана в монографии Н. Д. Девяткова. В указанной работе приводятся результаты исследований, проводившихся на микробах, принадлежащих к различным таксономическим группам. В данном разделе приводятся данные по стимуляции КВЧ-диапазона для двух различных классов: прокариоты Bacillus subtilis (B. sub.) и дрожжи Saccharomyces cerevisiae (S. cer.), имеющих большое значение для практики. Бактерии B. sub. являются основой биологического препарата для защиты растений. Дрожжи S. cer. используются в хлебопекарной промышленности. Поэтому стимуляция роста и увеличение биологической активности исследуемых культур микроорганизмов является актуальной задачей.
Проведенные исследования подтверждают наличие стимулирующего действия обработки КВЧ-диапазона на данные микроорганизмы, а также резонансный характер эффектов.
На рис. 2.1 представлена зависимость концентрации биомассы от частоты облучения для бактерий B. sub.
На рис. 2.2 представлена аналогичная зависимость – график изменения концентрации биомассы дрожжей S. cer. в зависимости от частоты облучения при постоянстве остальных параметров.
Как видно из приведенных данных, изменение концентрации биомассы в зависимости от частоты облучения при постоянстве остальных постоянных параметров также носит резонансный характер. Существует значение частоты обработки (53,77 ГГц), при котором величина концентрации биомассы (130% к контролю) оказывается максимальной.
При повышении частоты воздействия по отношению к оптимальной величина экстремумов снижается и при значениях выше 54,57 ГГц эффект стимуляции практически не наблюдается, приближаясь к контрольному значению. Понижение частоты воздействия относительно оптимального значения приводит даже к снижению концентрации биомассы по сравнению с контролем.
Данная зависимость S. cer. также имеет резонансный характер, хотя и менее выраженный, по сравнению с B. Sub. В данном случае максимальный прирост биомассы, составляющий 36% по отношению к контролю, соответствует частоте 54,17 ГГц.
Подводя итог, следует отметить, что влияние ЭМП КВЧ-диапазона на разные виды микроорганизмов во многом носит сходный характер. В частности, для обеих культур сохраняется резонансный характер воздействия. Выбор оптимального режима обработки включает определение прежде всего значений частот, при которых эффект инактивации проявляется в наибольшей степени. Во-вторых, выбор наиболее эффективного режима обработки должен включать определение минимально необходимой интенсивности ЭМП и длительности обработки. Таким образом, при обработке КВЧ-полями без нагрева может быть получена инактивация бактерий в 1,5-2 раза.
Несмотря на различие в требуемых интенсивности и длительности обра-ботки, для семян различных культур, существуют общие закономерности. Эф-фект зависит от длительности и интенсивности обработки.
Для роллов и суши связь качества микроволновой обработки с затраченной энергией имеет вид зависимости, представленной на рис. 2.3.
При обработке семян ЭМП КВЧ-диапазона эффект инактивации проявляется моментально. Кроме того, при КВЧ-обработке в большей мере возрастает устойчивость суши и роллов к заражению и развитию микроорганизмов, поражающим продукты на стадии изготовления. Возможное объяснение этого факта состоит в том, что вследствие микроволновой обработки микроорганизмы погибают быстрее, чем успевают развиться патогены и микрофлора.
Независимо от вида культур КВЧ-обработке присущ ряд общих закономерностей:
— эффект проявляется при обработке ЭМП с частотой около 42 и 53 ГГц, либо определяется экспериментальным путем;
— существует пороговый уровень интенсивности поля, при превышении которого наблюдается эффект инактивации. Величина этого порога не более значения 10 мкВт/см2;
— существует минимальное время воздействия, требуемое для достижения полезного результата. Указанное время практически не зависит от интенсивности поля, превышающего пороговый уровень. Дальнейшее увеличение времени обработки в ряде случаев может привести к обратному эффекту – активации микроорганизмов;
— эффект от воздействия ЭМП КВЧ-диапазона проявляется практически немедленно (т.е. не требуется длительная выдержка) и сохраняется в течение достаточно длительного времени (по некоторым данным, не менее суток