ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі експериментально досліджено закономірності та розроблена фізико-математична модель спільної дії високого тиску і температури на мікроорганізми і вітамін С у різних середовищах, вивчено мікроскопічний механізм впливу тиску на біосистеми. Отримані результати можуть бути використані для подальшого розвитку баробіології та нової технології стерилізації харчових продуктів високим тиском.
Основні результати сформульовано наступним чином.
1. Показано, що основні закономірності спільної дії факторів високого тиску, температури й часу витримки на мікроорганізми й вітамін С відтворюються в рамках лінійної кінетики. При виборі параметрів обробки (тиску, температури і тривалості їхньої дії), а також при виробленні нових стандартів доцільно використовувати усереднені термодинамічні характеристики мікрофлори – передекспоненційний множник A, величину активаційного бар’єру реакції U та зміну об’єму ΔV.
2. Встановлено, що тиск порядку 500МПа є граничним для інактивації виявлених мікроорганізмів, у той час як вміст вітаміну С при цьому змінюється незначно – від 10% при T=25°C й t=10хв до 50% при T=45°C й t=20хв, що є значно меншим, ніж втрати вітаміну С у результаті теплової стерилізації, які становлять 80% при T=100°C і тривалості обробки 10 хвилин.
3. Показано, що відхилення кінетики інактивації мікроорганізмів від залежності, що є характерною для хімічної реакції першого порядку, пояснюється нерівномірністю остигання зразка, який нагрівається внаслідок стискання. Ці відхилення зростають з ростом величини тиску і швидкості його нагнітання. Залежність часу остигання від геометрії камери стиску пояснює розкид даних з різних лабораторій.
4. Зменшення граничного тиску для інактивації МАФАМ на 150МПа в яблучному пюре з pН=5.4 у порівнянні з вишневим соком з pН=6.1 пов’язано з впливом кислотності середовища на ступінь інактивації під тиском. Зростання кислотності середовища, що відбувається внаслідок підвищення тиску, прискорює інактивацію. Однакові для багатьох мікроорганізмів значення тиску ~500МПа (при 25°C) або температури ~60°C (при нульовому тиску), що є критичними для стерилізації, викликають однакове зниження pН і відповідають виходу біосистеми за межі кислотного оптимуму.
5. Збіг винайдених значень активаційного бар'єру U для всіх досліджених мікроорганізмів доводить, що інактивація визначається процесом, який не є пов'язаним з їхнім розміром, масою або формою. Близькість значень зміни питомого об'єму ΔV до характерних значень ΔV для білків підтверджує обумовленість інактивації мікроорганізмів деградацією білків.
6. Механізм впливу тиску на мікроорганізми визначається конкуренцією внесків у вільну енергію денатурації від розгортання полярних і неполярних груп внутрішньої частини білкової глобули. Утворення активованого стану пов'язане з відкриттям доступу води у внутрішні порожнини білка.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Шаталов В.М., Нога И.В., Сукманов В.А., Петрова Ю.Н., Соколов С.А., Жданов И.В., Волкова А.В. Оптимизация параметров обработки продуктов питания сверхвысоким давлением // Проблемы экологии и охраны природы техногенного региона: Межведомственный сборник научных работ. – Донецк, 2003. – N.3. – C.238-247.
2. Нога И.В., Шаталов В.М., Сукманов В.А. Кинетика деградации биомолекул под действием высокого давления и температуры // Физика и техника высоких давлений. – 2004. – T.14, N.2. – C.74-85.
3. Борисенко И.Н., Ветрова Е.В., Нога И.В., Панфилова Е.Г., Шаталов В.М. Инактивация микроорганизмов в яблочном пюре под действием высокого давления // Вісник Донецького університету, сер. А: Природничі науки. – 2006. – N 2. – С.375-377.
4. Нога И.В. Термодинамика воздействия высокого давления и температуры на микроорганизмы и витамины // Физика и техника высоких давлений. –2006. – T.16, N.3. – C.126-136.
5. Нога И.В., Шаталов В.М. Причины нелинейности в кинетике инактивации микроорганизмов под давлением // Біофізичний вістнік. – 2007. – Вип. 18 (1). – С. 90-95.
6. Нога И.В., Шаталов В.М. Рост кислотности среды под давлением как фактор инактивации микроорганизмов // Физика и техника высоких давлений. –2007. – T.17, N.2. – C.131-137.
7. Нога И.В., Шаталов В.М. Моделирование кинетики инактивации спор Bacillussubtilis и Bacillusstearothermophilus // Біофізичний вістнік. – 2007.– Вип. 19 (2). – С. 116-121.
8. Нога И.В., Шаталов В.М., Сукманов В.А. Моделирование воздействия давления и температуры в процессах стерилизации продуктов питания сверхвысоким давлением // Прoблеми бiологiчної і медичної фізики: І Українська наукова конференція з міжнародним представництвом. Xapків, 20-23 верес. 2004 р. – Xapків, 2004. –C.197-197.
9. Шаталов В.М., Нога И.В., Волкова А.В., Сукманов В.А. Сохранение витамина С в процессах пастеризации продуктов питания сверхвысоким давлением // Харчові добавки. Харчування здорової людини: І міжгалуз. Міжнар. Конф. Донецьк, 8-9 квіт. 2005р. – Донецьк, 2005. – С.249-251.
10. Волкова А.В., Нога И.В. Сохранение витамина С в процессах пастеризации продуктов питания сверхвысоким давлением // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: Міжнар. наук. конф. асп. та студ.Донецьк, 12-14 квіт. 2005 р. – Донецьк, 2005. – Т.2. – С.174-175.
11. Нога И.В., Шаталов В.М. Стерилизация сверхвысоким давлением // Достижения, проблемы и перспективы культивирования грибов. Современные технологии: Междунар. науч.-практ. конф. Донецк 29 сент.-2 окт. 2005г. – Донецк, 2005. – C.55-58.
12. Беспалова С.В., Нога И.В., Сукманов В.А., Шаталов В.М. Изучение действия высокого давления и температуры на некоторые микроорганизмы и витамины // Матеріали IV з’їзду українського біофізичного товариства Донецьк, 19 - 21 грудня 2006 р. – Донецьк, 2006. – С.331-332.
13. Нога И.В., Шаталов В.М. Термодинамический анализ деградации биосистем под действием высокого давления и температуры // Высокие давления – 2006: 9-я междунар. конф. Судак, 17-22 сент. 2006 г. – Донецк, 2006. – С.152.
14. Нога И.В., Шаталов В.М. Изменение pH под давлением как фактор инактивации микроорганизмов // Матеріали IV з’їзду українського біофізичного товариства Донецьк, 19-21 грудня 2006 р. – Донецьк, 2006. – С.354-355.
15. Нога И.В., Шаталов В.М. Изучение механизма действия высокого давления и температуры на некоторые микроорганизмы и витамины //Актуальные вопросы теоретической и прикладной физики и биофизики. «Физика. Биофизика – 2007»: ІІІ Всеукраин. науч.-техн. конф. г. Севастополь, 23-28 апр. 2007 г. – Севастополь, 2007. – С.135-137.
16. Борисенко И.Н., Нога И.В., Панфилова Е.Г. Действие высокого давления на микроорганизмы в яблочном пюре // Охорона навколишнього середовища та рацiональне використання природних ресурсов:VI Міжнар. наук. конф. асп. та студ. Донецьк, 17-19 квiт. 2007р. – Донецьк, 2007. – С.160-161.
АНОТАЦІЯ
Нога І.В. Механізм дії високого тиску і температури на деякі мікроорганізми та вітаміни. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 – біофізика. – Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2008.
Робота присвячена науковому обґрунтуванню створення фундаментальних основ нової технології стерилізації продуктів харчування високим тиском. Із цією метою досліджені механізми інактивації мікроорганізмів і деградації вітамінів під дією тиску (до 600МПа) і температури (до 60°С). Методи– експериментальне дослідження та фізико-математичне моделювання кінетики деградації вітамінів і інактивації мікроорганізмів під дією тиску, температури й інших факторів. Показано, що тиск ~500МПа є граничним для інактивації більшості мікроорганізмів, у той час як зміст вітаміну С змінюється незначно. Кінетика інактивації мікроорганізмів і деградації біомолекул цілком задовільно відтворюється в рамках хімічної реакції першого порядку. Високий тиск та підвищена температура збільшують кислотність середовища. Зрушення кислотності обумовлює денатурацію білків, що, в остаточному підсумку, приводить до інактивації мікроорганізмів. Мікроскопічний механізм впливу тиску на мікроорганізми визначається відкриттям доступу води у внутрішні порожнини білків. Результати роботи можуть бути використані при виборі оптимальних параметрів обробки продуктів високим тиском для забезпечення стерильності продукту й збереження його харчосмакових якостей з мінімальними витратами енергії й часу, а також для розробки відсутніх на даний момент стандартів у технології обробки продуктів харчування надвисоким тиском.
Ключові слова: високий тиск, кінетика, інактивація, мікроорганізми, денатурація, білки.
SUMMARY
Noga I.V. Mechanism of the high pressure and temperature impact on some microorganisms and vitamins. – Manuscript.
Thesis for a candidate degree of physical and mathematical sciences by specialty 03.00.02 – biophysics. – Kharkiv National University, Kharkiv, 2008.
The work is devoted to creation of a fundamental base of technology of sterilization of food by the high-pressure treatment. With this purpose microorganism inactivation mechanisms and degradation of vitamins under action of pressure (up to 600МПа) and temperatures (up to 60°С) are researched. Methods of research – experimental supervision and mathematical modeling of degradations of vitamins and microorganism inactivation kinetics under action of pressure, temperatures and other factors. It is shown, that pressure ~500MPa is boundary for inactivation of the majority of microorganisms while the content of vitamin C thus varies slightly. Microorganism inactivation kinetics and degradation of biomolecules it is quite well described within the first order chemical reaction. The high pressure and temperature increase the acidity. The shift of acidity causes protein denaturation that, finally, leads to inactivation of microorganisms. The microscopic mechanism of influence of pressure upon microorganisms is determined by opening of access of water in internal cavities of proteins. Results of work can be used to optimize the set of parameters of the high pressure processing of products which give maintenance of sterility of a product and preserve its flavor qualities with the minimal expenses of energy and time, and also for development of the high pressure processing technology standards which are absent at the present time.
Keywords: high pressure, inactivation, kinetics, microorganisms, unfolding, protein.
АННОТАЦИЯ
Нога И.В. Механизм действия высокого давления и температуры на некоторые микроорганизмы и витамины. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.00.02 – биофизика. – Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, 2008.