Лекція №9
Тема: Радіаційне забруднення та радіаційна обробка продуктів харчування
Радіоактивність – це довільне перетворення нестійких атомних ядер в ядра інших елементів, яке супроводжується α-випромінюванням, β-випромінюванням, випромінюванням протонів (протонна радіоактивність), а також поділом ядер.
Ізотопи – атоми того самого хімічного елемента, які мають однакову кількість протонів, але різне число нейтронів і різні атомні маси. Ізотопи можуть бути стабільними і нестабільними. Це залежить від співвідношення протонів і нейтронів. Якщо нейтрони переважають, то α-, β-частинки і γ-кванти довільно виділяються. Хімічні елементи, які виділяють ці частинки (уран, радій, полоній, плутоній та інші) називаються радіоактивними.
α-випромінювання – це потік позитивно заряджених частинок ядра. Такий розпад характерний для важких хімічних елементів – плутонію, полонію, урану, торію. α-частинки мають дуже велику іонізуючу і малу проникну властивість.
β-випромінювання – це потік негативно заряджених частинок (електронів). Мають меншу іонізуючу і більшу проникну властивість.
γ- випромінювання – електромагнітне випромінювання високої енергії, яке поширюється зі швидкістю світла, іонізуюча здатність його значно менша, ніж α- і β-частинок, а проникна властивість більша.
Організм людини, тварин і рослин постійно зазнають дії іонізуючого випромінювання, яке складається з природної і штучної радіоактивності.
Під поняттям „природній радіаційний фон” розуміють дозу іонізуючого випромінювання, що складається з космічного випромінювання, випромінювання природних радіонуклідів, які знаходяться у верхніх шарах Землі, приземній атмосфері, продуктах харчування, воді та організмі людини.
ДІЯ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ОРГАНІЗМ ЛЮДИНИ
При вивченні дії випромінювання на організм людини було встановлено такі особливості:
навіть незначна кількість поглиненої енергії випромінювання спричиняє глибокі біологічні зміни в організмі;
наявність інкубаційного періоду дії випромінювання;
випромінювання впливає на генотип;
органи і тканини живого організму мають різну чутливість до випромінювання;
окремі організми неоднаково реагують на опромінення;
опромінення залежить від частоти. Одноразове опромінення у великій дозі спричиняє більш глибокі зміни.
Радіоактивні речовини потрапляють в організм людини при вдиханні зараженого повітря, з їжею чи водою, крізь шкіру, відкриті рани, хоча основним джерелом ізотопів вважається їжа.
Ступінь небезпеки забруднення ізотопами залежить від частоти вживання забрудненими радіоактивними речовинами продуктів, а також від швидкості виведення їх з організму.
Якщо радіонукліди, що потрапляють в організм, однотипні з елементами, які споживає людина з їжею (Na, K, Cl, Ca, Fe, Mn, I), то вони швидко виводяться з організму разом з ними.
Окремі радіоактивні речовини концентруються в різних внутрішніх органах. Елементи, які акумулюються в м’яких тканинах, легко виводяться.
Джерела α-випромінювання (радій, уран, плутоній), β-випромінювання (стронцій, іпітрій) і γ- випромінювання (цирконій) відкладаються в кістках у вигляді хімічно зв’язаних сполук з кістковою тканиною і тому важко виводяться з організму.
Деякі речовини харчових продуктів (пектини, барвники) утворюють нерозчинні сполуки зі стронцієм, кобальтом, свинцем, кальцієм та іншими важкими металами, які не перетравлюються і виводяться з організму. Таким чином вони виконують радіозахисну (радіопротекторну) дію. Тому пектиновмісні продукти (чорна смородина, аґрус, полуниці) використовують в спеціальному харчуванні для виведення радіоактивних елементів.
Розрізняють пряму і непряму дію іонізуючого випромінювання. В першому випадку первинним процесом діє радіоактивних речовин в організмі людини є іонізація. В разі дії на прості речовини (гази, метали) будь-які зміни фізико-хімічної природи їх не спостерігається. При дії на складні речовини спостерігається їх дисоціація (розпад). Під непрямою дією треба розуміти радіаційно-хімічні зміни у певній розчинній речовині, зумовлені продуктами радіолізу (розпаду) Н2О.
В результаті іонізації молекули води під впливом радіоактивних речовин утворюються вільні радикали гідроперекису (НО2) і перекису (Н2О2) водню, які є сильними окиснювачами і мають високу хімічну активність. Вони вступають у реакції з білками, ферментами, біомембранами, що призводить до зміни біологічних процесів в організмі. В результаті порушується життєдіяльність окремих систем та організму в цілому.
Патологічні процеси в організмі, в тому числі загибель клітин, ріст пухлин пов’язують з хромосомними мутаціями соматичних клітин.
На теперішній час на основі численних радіобіологічних експериментів прийнято концепцію безпорогової залежності „доза – біологічний ефект”. Згідно з нею навіть поодинокий слід, який залишає заряджена частинка речовини, створює уражувальний ефект, який здатний викликати порушення в спадковому апараті клітини. Тези про відсутність порогу ушкоджувальної дії радіації і повністю безпечних доз викладені в рішеннях Міжнародної комісії з радіоактивного захисту (МКРЗ), Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ) і Наукового комітету з дії атомної радіації при ООН (НКДАР). Таким чином, опромінення будь-якою завгодно малою дозою пов’язане з ризиком канцерогенезу, порушенням обміну речовин, пригніченням імунної системи, скороченням життя.
КОНТРОЛЬ ЗА ВМІСТОМ РАДІОНУКЛІДІВ У ПРОДУКТАХ ХАРЧУВАННЯ І ПРОДОВОЛЬЧІЙ СИРОВИНІ
Питому активність радіонуклідів у харчових продуктах в їх сумарній кількості можна виражати в одиницях кюрі (Кі). 1 Кі – це одиниця активності радіоактивних речовин, що означає активність препарату певного ізотопу, в якому за 1 сек. утворюється 3,7 · 1010 актів розпаду. Похідними одиницями є мілі-, мікро-, кіло -, мегакюрі.
За Міжнародною системою одиниць (СІ) радіоактивність визначають у бекерелях (Бк). 1 Бк – це активність такої кількості радіоактивних речовин, в якій за 1 сек. утворюється 1 ядерний розпад, або 0,027 нКі.
Добовий рівень активності радіоактивних речовин у воді та харчових продуктах для дорослих і дітей становить 2,5 – 3,5 · 107 Кі або річна доза – 5 бер. 1 бер – енергія будь-якого виду випромінювання, увібрана 1 г тканини, при якій спостерігається той самий біологічний ефект, що і при поглинанні дози в 1 рад фотонного випромінювання. 1 рад дорівнює 0,01 Дж/кг.
В СІ використовують зіверт (Зв). 1 Зв дорівнює 100 бер.
Вміст радіонуклідів в продуктах харчування регламентується державними гігієнічними нормами (ДР-97) „Допустимі рівні вмісту радіонуклідів 137Cs та 90Sr у продуктах харчування та питній воді”, затвердженими Головним державним санітарним лікарем України 25 червня 1997 р. Згідно ДР-97 вміст цих речовин має забезпечити не перевищення границі річної ефективної дози внутрішнього опромінення 1 мзіверт. При цьому опромінення за рахунок надходження інших техногенних та природних радіонуклідів не враховується.
Продукт (крім спеціальних продуктів дитячого харчування) вважається придатним до реалізації і споживання, якщо виконується співвідношення:
CCs CSr
------ + -------- ≤ 1, де
DPCs DPSr
CCs i CSr - результат вимірів питомої активності радіонуклідів 137Cs і 90Sr в даному харчовому продукті;
DPCs і DPSr - нормативи вмісту 137Cs та 90Sr для даного харчового продукту, Бк/кг, Бк/л.
Допустимі рівні вмісту радіонуклідів у воді, молоці визначають у Бк на 1 л, в інших продуктах – у Бк на 1кг
Таблиця 1
Допустимі рівні вмісту радіонуклідів
Назва продукту
137Cs
90Sr
Хліб і хлібопродукти
20
5
Картопля
60
20
Овочі (листові, коренеплоди, столова зелень)
40
20
Фрукти
70
10
М’ясо і м’ясні продукти
200
20
Риба і рибні продукти
150
35
Молоко і молочні продукти
100
20
Яйця, шт..
6
2
Вода
2
2*
Молоко згущене і консервоване
300
60
Молоко сухе
500
100
Свіжі дикоростучі ягоди і гриби
500
50
Сушені дикоростучі ягоди і гриби
2500
250
Лікарські рослини
600
200
Інші продукти
600
200
Спеціальні продукти дитячого харчування
40
5
* Примітка: 4 Бк/л до 01.01.1999 р.
У випадку, якщо
CCs CSr
------ + -------- > 1 реалізація продукту заборонена.
DPCs DPSr
Спеціальні продукти дитячого харчування придатні до реалізації і споживання, якщо питомі активності радіонуклідів окремо 137Cs та 90Sr в даному продукті не перевищує нормативів, зазначених вище.
Контроль вмісту 137Cs та 90Sr у харчових продуктах та питній воді проводиться на основі діючих стандартів, методичних вказівок, узгоджених Головним державним санітарним лікарем України.
Радіологічний контроль сільськогосподарської сировини та продовольчих товарів здійснюється органами і установами санітарно-епідеміологічної служби Міністерства охорони здоров’я України, ветеринарною і агрохімічною службою.
Продукти, які містять радіонукліди в межах встановлених норм можна реалізувати споживачам. У разі завищення норм питання про використання кожної партії товару вирішують після погодження з Міністерством охорони здоров’я України.
МОЖЛИВОСТІ ЗНИЖЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ РАДІОНУКЛІДІВ У ПРОДУКТАХ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО РЕЖИМУ ХАРЧУВАННЯ ЛЮДЕЙ
При правильному режимі харчування людей, які проживають в умовах радіоактивного забруднення території, надходження в організм радіонуклідів можна зменшити. При цьому важливо зберегти повноцінність харчування, щоб усі необхідні організму елементи – білки, жири, вуглеводи, органічні кислоти, вітаміни, мінеральні речовини і харчові волокна були в раціоні в достатній кількості.
Молоко, вершки, кисломолочні продукти здатні акумулювати радіонукліди. Основна частина їх з’єднується з білками і міститься в білково-ліпідних оболонках. Тому вміст радіоактивного стронцію-90, цезію-137 більш низький у молочних продуктах з високим вмістом жирів і меншим білків, і навпаки. При виробництві з молока кисломолочних продуктів утворюються маслянка та сироватка, в яких залишається основна частина радіонуклідів, що містяться у молоці. Тому перед вживанням їх слід спеціально обробляти осаджувачами радіоактивних речовин. Так можна вилучити до 90% стронцію-90.
При виробництві вершків багато радіоактивних речовин (стронцій, цезій) переходять у маслянку. Промивання вершків водою, а потім знежиреним молоком, яке не містить радіонуклідів, можна майже в 10 разів зменшити в них вміст радіоактивних речовин.
При виробництві топленого вершкового масла вдається майже всі білково-лецитинні оболонки вилучити, а з ними і радіоактивні речовини.
Сири із нежирного і знежиреного молока мають високий вміст білків, які концентрують радіонукліди, особливо міцний комплекс з білками утворює стронцій – 90. Сири, вироблені найбільш поширеним сичужно-кислотним способом, містять більше радіонуклідів, ніж виготовлені кислотним способом. При останньому способі виробництва сирів з молока вилучають більш як 90% початкового вмісту цезію-137.
М’ясо здатне фіксувати радіоактивний стронцій. При цьому в кістах його концентрація може бути в 1000 разів вищою, ніж у м’язовій тканині.
Досліди показали, що при варінні м’яса в бульйон переходить близько 80% цезію-137, а стронцію-90 – соті частки відсотку. Тому до використання бульйонів з м’яса, забрудненого різними радіонуклідами, слід підходити диференційовано. Особливо це важливо у зв’язку з тим, що для приготування перших страв використовують до 30% добового споживання м’яса.
Концентрація цезію-137 в жировій тканині в 4-10 разів менша, ніж у м’язовій. У перетопленому салі його в 20 разів менше, ніж у сирому, тому топлені жири можуть містити мало радіонуклідів при високому вмісті їх у м’ясі.
М’ясо, вміст радіонуклідів у якого перевищує допустимі рівні, забороняється направляти в торгівлю і вживати в їжу. Таке м’ясо використовують при виробництві ковбас, стежачи за тим, щоб готові продукти мали допустимі рівні радіонуклідів, або виготовляють з нього м’ясо-кісткове борошно.
Молоко із завищеним вмістом радіонуклідів використовують для виробництва масла, сирів сичужних і сухого згущеного молока за умови подальшого довгострокового зберігання.
Яйця найбільше радіонуклідів накопичують у шкарлупі, з якої при варінні вони можуть переходити в їстівну частину, що обов’язково слід враховувати при вживанні їх у їжу.
Картоплю використовують після ретельного промивання водою з подальшим очищенням від лушпайок.
Зелені овочі – салат, шпинат і ранню капусту в разі встановлення завищених рівнів радіонуклідів у продаж не допускаються, їх утилізують на місці.
Огірки і томати із незначним ступенем забруднення радіонуклідами можна використовувати тільки після відокремлення верхніх прошарків плодів разом із шкірочкою.
Ягоди (чорна смородина, порічки, аґрус, чорниця), які ростуть у зонах радіонуклідного забруднення, дуже поглинають радіонукліди і тому використовувати їх у їжу не можна. Переробляти на компоти, варення, джеми їх також не слід, оскільки радіонукліди в цих продуктах переробки не змінюються.
Вміст радіонуклідів в харчових продуктах значно зменшується під час відповідної технологічної і кулінарної обробки. В домашніх умовах необхідно знімати з овочів верхнє листя, добре мити овочі, фрукти, ягоди у проточній воді і очищувати; гриби, лісові ягоди вимочувати в холодній воді 2-3 год., а в умовах підвищеного забруднення радіонуклідами варити, оскільки частина радіонуклідів, а також нітратів і важких металів переходить у відвар.
Попереднє замочування сприяє зниженню активності радіонуклідів , наприклад, у моркві – на 30,9%, толових буряках – на 29,2, яблуках – на 39,8, кабачках – на 17,8, гарбузах – на 20,9%.
Видалення покривних тканин овочів сприяє зменшенню вмісту радіонуклідів.
Бажано уникати споживання нестандартної овочевої продукції – дуже великої або дуже дрібної.
Необхідно стежити, щоб у раціоні харчування були всі необхідні людини поживні речовини. Наприклад, виключення із раціону молока супроводиться зменшенням надходження в організм людини кальцію, що небажано, оскільки при його дефіциті особливо інтенсивно у кістки проникає стронцій-90.
Зменшення тваринних білків у раціоні можна компенсувати збільшенням білків рослинного походження – квасолі, бобів та ін.
Зменшуючи вживання таких продуктів харчування, як плоди і овочі, слід дбати про те, щоб запобігти гіповітамінозу: використовувати препарати вітамінів та споживати овочі та фрукти з районів, не забруднених радіонуклідами.
Раціон слід змінити таким чином, щоб він сприяв виведенню з організму стронцію і цезію. Оскільки стронцій виводиться багатьма органічними кислотами, пектиновими речовинами, треба пити більше соків, вживати екологічно чисті і свіжі овочі та продукти їх переробки. Пектинові речовини містяться у багатьох свіжих плодах і продуктах їх переробки – мармеладі, желе, варенні та сухофруктах.
Цезій виводиться з організму під впливом свого хімічного аналога – калію. Тому необхідно стежити за тим, щоб у раціоні була достатня кількість цього елемента у біологічно корисному вигляді. Багато калію міститься у таких продуктах, як петрушка, селера, шпинат, щавель, хрін, картопля, ізюм, кисле молоко, молочні суміші, кишмиш, урюк, курага, смородина чорна, шовковиця тощо.
Дуже важливо підтримувати в раціоні на достатньому рівні вміст каротину, який є в багатьох плодах і овочах – абрикосах, хурмі, обліписі, горобин чорноплідній, моркві, шпинаті, цибулі зеленій, томатах, перці солодкому, гарбузах.
Нестачу вершкового масла, сметани компенсують збільшенням вживання олії.
Особливої актуальності набуває збільшення обсягів виробництва профілактичних продуктів, які містять антирадіанти і всі необхідні біологічно активні речовини. Підприємства харчової промисловості випускають спеціальні продукти радіозахисної дії, збагачені пектином, альгінатом натрію (продукт, що міститься в морських водоростях ламінарії), рутином, вітаміном С, β-каротином, цикорієм, харчовими волокнами (целюлоза, геміцелюлоза, лігнін).
В харчові продукти радіозахисної дії додаються в основному природні і нешкідливі для організму добавки. Розробки здійснюються у всіх основних групах радіопротекторних речовин: сорбентах, антиоксидантах, імуномодуляторах.
Дотримання правильних режимів харчування дасть змогу в 5-10 разів зменшити відкладення радіонуклідів у тканинах організму людини.
РАДІАЦІЙНА ОБРОБКА ПРОДУКТІВ ХАРЧУВАННЯ
Досліди зі стерилізації харчових продуктів опроміненням з використанням радіоізотопів Со-60 та Cs-137 було розпочато ще в 1943 р. в Массачусетському технологічному інституті. У 1988 р. опромінення продуктів з використанням радіоізотопів було дозволено у 33 країнах для 40 видів продукції. Дослідницька робота та наукова інформація щодо радіаційної обробки продуктів харчування координується МАГАТЕ.
У 1983 р. на засіданні Комісії кодексу харчування ФАО/ВООЗ було прийнято Загальний стандарт кодексу для опромінювання продуктів та запропоновано міжнародні положення про експлуатацію устаткування для опромінення продуктів харчування.
Положення зазначеного стандарту стосуються тільки обробки харчових продуктів іонізуючим опромінюванням і дійсні для всіх продуктів харчування, оброблених загальною дозою не більше, як 10кГр (поглинену дозу випромінювання визначають у греях – Гр. 1 Гр = 1 Дж/кг). Ці продукти не шкідливі для людини. Опромінювання має здійснюватись з використанням устаткування, на яке видано ліцензії і яке зареєстроване і контролюється відповідними органами.
Поглинену дозу не можна перевірити на продукті, який відправляють у продаж. Тому контроль за опромінюванням може здійснюватись тільки з використанням устаткування в момент опромінення.
Згідно із стандартом опромінення харчових продуктів має бути технологічно необхідним і не може заміняти звичайну технологію їх приготування. Ці продукти слід перевозити у спеціальних контейнерах, в документах їх позначають як опромінені. Фасовані продукти мають відповідне маркування.
Опромінені продукти можна переробляти. Так, з картоплі виготовляють чіпси, сухі порошки, пластівці, з цибулі – сухий порошок, з м’яса – супи, консерви та ін. Якщо продукти підлягають подальшій переробці, у документах вказують специфічні показники обробки (відсутність сальмонел, застосування методів стримування проростання картоплі, цибулі).
Міжнародна конференція ФАО (МАГАТЕ) ВООЗ, яка відбулася у грудні 1988 р. і була присвячена питанням виробництва, контролю опромінених харчових продуктів та торгівлі ними, зробила такі висновки:
Опромінювання харчових продуктів має потенційні можливості для скорочення поширення харчових отруєнь бактеріальної етіології внаслідок зниження забруднення твердих харчових продуктів мікроорганізмами.
Опромінювання сприяє зниженню втрат плодів та овочів після збирання врожаю і забезпечення споживачів широким асортиментом продуктів. Воно може стати ефективним засобом карантинної обробки деяких видів харчових продуктів і тим самим сприяти розширенню міжнародної торгівлі.
Законодавче регулювання компетентними органами є необхідною передумовою втілення цього способу обробки продуктів згідно з принципами Загального стандарту кодексу та Зведення положень з експлуатації устаткування для опромінювання харчових продуктів.
Визнання споживачами радіаційної обробки харчових продуктів є вирішальним фактором успішного втілення цього процесу.
У процесі обробки продуктів харчування іонізуючою радіацією іони швидко реагують з іншими іонами протилежного заряду. Ці реакції впливають на хімічні зміни в харчових продуктах у процесі опромінювання і після нього, але вони значно менші, ніж при термічній обробці продуктів. Так, енергія, яка виділяється при опромінюванні харчових продуктів дозволеною дозою 10 кГр, еквівалентна нагріванню продукту всього на 2,4 0С, тоді як при пастеризації продукт нагрівають до 50-900С, а при стерилізації – до 1200С і більше. Є погляд, що опромінювання харчових продуктів може зробити їх радіоактивними. Проте багаторічні дослідження показали, що радіоактивність харчових продуктів внаслідок опромінювання їх невеликими енергіями (менш як 5 МеВ для рентгенівського та γ-випромінювання і близько 10 МеВ для прискорених електронів) настільки мала, що практичного значення не має.
При опромінюванні харчових продуктів можуть утворюватись хімічні сполуки, які називаються радіолітичними. Такі самі сполуки виявлено в необроблених і термічно оброблених (варіння, смаження) продуктах і немає доказів, що вони токсикологічно небезпечні для здоров’я людини. Вчені США, досліджуючи протягом 35 років токсикологічну небезпечність опромінених продуктів на людях, собаках, щурах і мишах, не виявили токсичних речовин у цих живих істотах. Не встановлено також мутагенного і тератогенного ефекту опромінених продуктів, при цьому харчові речовини зберігаються навіть краще, ніж у продуктах термічно-консервованих. Опромінювання практично не впливає на засвоєння білків та вуглеводів. Жири після опромінювання окиснюються більше, ніж необроблені, проте цей ефект можна контролювати опромінюванням при більш низьких температурах і без кисню. Не змінюються при опромінюванні і мінеральні речовини.
Основною перевагою застосування радіаційної обробки харчових продуктів є вплив випромінювання на мікроорганізми. При обробці продуктів харчування дозами до 10 кГр більшість з них гине, у тому числі і патогенні, але деякі мікроорганізми (Clostridium botulinum) такі дози опромінювання витримують.
Дослідами встановлено оптимальні дози опромінювання. Наприклад, для затримання проростання картоплі і цибулі – близько 0,1 кГр, контролю дозрівання плодів – 0,3, для дезинфекції – 0,6, знищення комах-паразитів – 0,3-6, продовження строків зберігання харчових продуктів - 0,5-5 кГр.
Опромінювання рекомендується застосовувати в комбінації з іншими видами обробки, наприклад, для інактивації ферментів – з нагріванням, щоб поліпшити смак і аромат м’яса. Якщо ж м’ясо призначене для смаження біфштексів, то його можна опромінювати після вакуумного пакування або після пакування в атмосфері азоту.
Радіаційна обробка картоплі дозами 0,05-0,07 кГр у жовтні - листопаді затримує стадію проростання її. При цьому в червні бульби необроблені проростають на 100%, а оброблені – тільки на 3-8%.
При обробці зерна з метою його радіаційної дезинфекції повністю вдається стерилізувати таких шкідників, як довгоносик, малий мучний хрущак (0,11 кГр), зерновий точильник (0,14 кГр), біловусий малий хрущак і суринамський мукоїди (0,18 кГр). Опромінювання зерна дозами до 0,5 кГр не впливає на біохімічні та хлібопекарські властивості зерна.
Для обробки свіжої риби цезієм – 137 дозою 2-3 кГр на суднах використовується γ-устаткування „Ставрида”. Це дає змогу продовжити строки зберігання риби до 30-60 діб при температурі 50С і 20С відповідно.
М’ясні напівфабрикати, упаковані в полімерні плівки під вакуумом і опромінені дозою 6 кГр, можна зберігати до 10 діб без змін якості (при нерегульованій температурі). Розроблено технологію теплової обробки і опромінювання м’ясних кулінарних виробів, яка дає змогу зберігати ці продукти протягом 6 міс. в умовах нерегульованої температури. Напівфабрикати опромінюють дозами до 10 кГр.
Складено технологічну інструкцію з опромінювання свіжих плодів і овочів дозами 1-3 кГр з метою продовження строків зберігання їх і збільшення соковиділення при виробництві консервів. Строки зберігання плодів та ягід при цьому можуть бути збільшені в 3-5 разів. Опромінювання плодоовочевої сировини дозами до 3 кГр дає змогу збільшити вихід соку з моркви на 10%, томатів – на 9, сливи – до 28%, а також зменшує втрати від мікробіологічного псування.
Незважаючи на успіхи та досягнення вчених у теоретичних розробках радіаційної обробки харчових продуктів, вони не знайшли широкого практичного застосування в жодній з галузей харчової промисловості.