ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені В.Н. КАРАЗІНА
НОГА Інна Володимирівна
УДК 577.3
МЕХАНІЗМ ДІЇ ВИСОКОГО ТИСКУ і ТЕМПЕРАТУРИ НА ДЕЯКІ МІКРООРГАНІЗМИ та ВІТАМІНИ
03.00.02 - біофізика
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук
Харків - 2011
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Донецькому національному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор Беспалова Світлана Володимирівна, Донецький національний університет, декан біологічного факультету, завідувач кафедри біофізики.
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Прилуцький Юрій Іванович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри фізики функціональних матеріалів,
доктор біологічних наук, професор Гордієнко Євген Олександрович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, професор кафедри біологічної і медичної фізики.
Захист відбудеться “_11”__червня__2008 року о _15___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.13 у Харківському національному університеті імені В.Н. Каразіна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 7-4.
З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.
Автореферат розіслано “_6__”__травня_____2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
С.В. Гаташ
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В останні роки дедалі більшу актуальність набуває проблема стерилізації продуктів харчування надвисоким тиском (100-800МПа), що обумовлено екологічною чистотою та малою енергоємністю даного методу. Перспективність цього способу обробки обумовлена тим, що при підвищенні тиску досягається асептичний ефект, а також у значній мірі прискорюються процеси, що ведуть до утворення якісно нових продуктів зі збереженням всіх живильних властивостей. Ця новітня технологія активно упроваджується в виробництво в ряді високорозвинених країн (Японія, Франція, Іспанія, США). З іншого боку, останнім часом високий тиск використовується для вивчення денатурації й ренатурації білків, що відкриває нові перспективи в дослідженні процесів метаболізму в живих організмах. На жаль, в Україні подібні дослідження та ця новітня технологія майже відсутні. Окремі епізодичні дослідження впливу надвисокого тиску на біосистеми проводилися в Донецькому фізико-технічному інституті НАН України (ДонФТІ) та в Донецькому державному університеті економіки та торгівлі ім. М. Туган-Барановського (ДонДУЕТ), де створена перша в Україні експериментальна установка для вивчення дії надвисокого тиску на продукти харчування з метою впровадження цієї технології у виробництво. Дані розробки стимулювали дослідження впливу високих тисків на біосистеми на кафедрі біофізики Донецького національного університету (ДонНУ), в межах НДР якої була виконана ця дисертація.
Біофізика процесів, що приводять до інактивації мікроорганізмів і зміни властивостей продуктів під високим тиском, залишається неясною. Оптимальні параметри тиску, температури та терміну обробки доводиться підбирати емпірично, що вимагає великих витрат ресурсів і часу. При цьому основною задачею є забезпечення стерильності обробленого продукту за умови збереження його харчосмакових якостей. Чимале значення має також економічна сторона процесу – витрати енергії й часу на обробку. Окрім того існує ще цілий ряд невирішених суто наукових питань, до яких належать з’ясування мікроскопічних механізмів дії тиску на різноманітні біооб'єкти, причини розходження в стійкості до тиску різних штамів одного виду бактерій, зміна структури оброблених тиском клітин та їхньої здатності до відновлення, а також дія тиску на внутрішньоклітинне рН.
Таким чином, актуальність теми дисертації зумовлена необхідністю наукового обґрунтування ефективних підходів в галузі створення фундаментальних основ нових технологій стерилізації високим тиском.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана за пріоритетним напрямом «Виробництво екологічно чистих продуктів та технології їх збереження», який рекомендовано в листі Міністерства освіти й науки України № 15/20-571 від 18.04.06 «Щодо пріоритетних напрямів для комплексних проектів». Робота виконана у рамках науково-дослідних держбюджетних тем кафедри біофізики ДонНУ «Вивчення механізму дії високого тиску й температури на деякі мікроорганізми й вітаміни» за договором про науково-технічне співробітництво між ДонНУ і ДонДУЕТ, № 44/25-75/03 від 15.12.2003 р. та ДонДУЕТ «Застосування енергетичних полів для розроблення нових і вдосконалення існуючих продуктів», № Держ. реєстрації 0103U001183, 2005 р.
Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є експериментальне виявлення основних закономірностей та розробка фізико-математичних моделей спільної дії на біосистеми величини високого тиску і тривалості його дії, а також температури.
Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:
– експериментальне дослідження реакції мікроорганізмів і вітаміну С у різних середовищах на сполучену дію тиску і температури в залежності від тривалості дії цих факторів;
– фізико-математичне моделювання кінетики інактивації мікроорганізмів і процесу деградації вітаміну С;
– з’ясування фізичного механізму впливу тиску на функціональну збереженість біосистем;
– розробка рекомендацій з оптимізації і стандартизації алгоритму обробки харчових продуктів високим тиском.
Об'єкт дослідження – фізичні явища і процеси, що зумовлюють деградацію вітамінів й інактивацію мікроорганізмів у харчових продуктах і модельних біосистемах під дією тиску й температури.
Предмет дослідження – реакція біосистем на спільну дію тиску і температури в залежності від тривалості впливу цих факторів.
Методи дослідження – обробка біооб’єктів високим тиском при різних температурах і термінах витримки на експериментальних установках високого тиску, мікробіологічний аналіз, вимірювання кількості вітаміну С методом фотоелектроколориметрії, фізико-математичне моделювання кінетики деградації вітамінів та інактивації мікроорганізмів, чисельне моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів. У роботі вперше проведено комплексне експериментальне дослідження спільної дії тиску і температури на вітаміни та мікроорганізми.
Для оцінки сили впливу неврахованих факторів середовища вперше запропоновані й реалізовані експериментальні моделі, в яких харчове середовище імітується буферним розчином із заданим рН.
Розроблено оригінальну методику визначення оптимальних значень параметрів обробки досліджених груп мезофільних аеробних і факультативно-анаеробних мікроорганізмів (МАФАМ), цвілі, вітаміну С та спор Bacillus subtilis й Bacillus stearothermophilus спільною дією підвищеного тиску і температури при різних термінах їхньої дії. У рамках цієї ж моделі описана кінетика температурної деградації вітаміну С, а також досліджено вплив нерівномірного остигання об'єкту дослідження. Спираючись на порівняння бар'єрів інактивації та дані щодо зміни об'єму різних мікроорганізмів, визначено фізичну причину впливу тиску на біосистеми.
На основі отриманих результатів у роботі розроблено новий фізично обґрунтований підхід до стандартизації процесу обробки харчових продуктів високим тиском, а також спосіб оптимізації параметрів обробки.
Практичне значення одержаних результатів. Результати виконаного дослідження можуть бути використані:
– у наукових дослідженнях у галузі баробіології для планування експериментів й оцінки термодинамічних параметрів, що описують зміни, які відбуваються в системі;
– у лабораторіях харчової промисловості для інтерполяції та інтерпретації розрізнених табличних даних по впливу тиску на окремі мікроорганізми, вітаміни й ферменти;
– у технології стерилізації продуктів харчування надвисокими тисками для оптимізації параметрів обробки з метою досягнення повної стерилізації при максимальному збереженні харчосмакових якостей продуктів та мінімальних витратах енергії й часу;
– для обгрунтування стандартів і норм стерилізації продуктів харчування надвисокими тисками.
Рекомендації і висновки дисертації можуть бути використані при розробці технологій обробки продуктів харчування високим тиском, а також у навчальному процесі на кафедрі біофізики ДонНУ.
Особистий внесок здобувача. У роботах [1, 3, 6, 9, 10, 12-16] – участь у плануванні, підготовці й проведенні експериментів, статистична обробка експериментальних даних, розрахунок параметрів кінетичної моделі; у [2, 8, 11-13] – опис кінетики інактивації мікроорганізмів; у [5, 15] – пояснення відхилення від лінійності нерівномірним остиганням зразка, оцінка величини ефекту, розрахунок виправлень до кривих залежності ступеня виживаності від тиску; у [6] – співставлення зростання кислотності харчових продуктів та дисоціації води під дією тиску та температури; у [7] – застосування кінетичної моделі для опису даних з інактивації спор, порівняння параметрів інактивації різних вегетативних форм мікроорганізмів та аналіз мікроскопічного механізму дії тиску. У всіх роботах – аналіз та інтерпретація результатів, підбір літератури.
Апробація результатів дисертації. Основні матеріали за темою дисертації повідомлені та обговорені на республіканських і міжнародних конференціях:
- І Українська наукова конференція «Проблеми біологічної й медичної фізики» (Харків, 2004),
- Міжнар. наук.-практична конф. «Грибівництво» (Донецьк, 2005),
- І міжгалуз. Міжнар. Конф. «Харчові добавки. Харчування здорової людини» (Донецьк, 2005),