Закономерности процесса электроантисептирования

Метод электроантисептирования не нашел пока широкого применения в дезинфекционной практике. Объясняется это, в первую очередь, отсутствием единого мнения по вопросу о бактерицидном действии его компонентов и достаточно надежных рекомендаций по режимам обработки.

Исследования в данной области развиваются по трем основным направлениям: воздействие потоком аэроионов в электрическом поле газового разряда, обработка озонированным воздухом, антисептирование при совместном действии электрического поля, аэроионов и озона.

Первые в нашей стране исследования по изучению влияния аэроионов на жизнедеятельность микроорганизмов проведены А. Л. Чижевским. Отмечена более высокая подвижность отрицательных ионов, меньшие энергетические затраты, необходимые для возбуждения их ударной ионизации, что предопределяет технические преимущества их использования. Другим важным фактором является статический заряд объекта. В случае заземления объект приобретает отрицательный потенциал земли, что ставит его в совершенно определенные условия по отношению к положительным ионам. Изолированный же объект под действием отдаваемого ему заряда ионов постепенно приобретает определенный статический заряд. Обработка культуры стафилококка в поле коронного разряда показала, что в случае изолированной тест-культуры влияние аэроионов обнаруживалось слабо, при заземлении тест-культур: аэроионы отрицательной полярности при концентрациях до 5·10⁹ м^-3 и времени воздействия до 5 мин не влияют на рост колоний, при средних (5·10¹⁰ м^-3) и больших концентрациях (5·19¹² м^-3) они явно тормозят их рост (до 50%); аэроионы положительной полярности при концентрациях свыше 10¹² м^-3 резко угнетают рост колоний (до 50%), а при малых концентрациях почти не оказывают влияния на их рост. Автор отмечает, что ионизированный кислород воздуха увеличивает свою биологическую активность существенно выше любого другого атмосферного газа и играет основную роль во всех эффектах, полученных в работах по изучению действия отрицательных ионов.

Воздействие аэроионов на выживаемость культуры стафилококка (Staphilococcus aureus) изучалось также в работах, получены противоречивые данные. Так, утверждается, что колонии стафилококка не погибают под действием ионов, также показано, что действие легких отрицательных ионов при концентрации 5·10¹¹ м^-3 угнетает рост микрофлоры или даже приводит к ее гибели. Аналогичный эффект при действии отрицательной ионизации на жизнедеятельность золотистого стафилококка получен в работе. Отмечаются фазный рост выживаемости, а также стимуляция роста тест-культуры в течение первого часа, затем до четырехчасовой обработки — явно выраженный бактерицидный эффект и, наконец, при длительной обработке от 4 до 11ч — стимулирующее действие.

Для очистки воздуха в поле коронного разряда (при относительной влажности воздуха 80% и температуре 283—285 К) от плесеней родов Mucor, Penicillium u Aspergillius лучшие результаты получены при отрицательной полярности аэроионов. Та же степень эффективности при положительной ионизации достигается при больших напряжениях питания. В процессе исследований вели непрерывную обработку тест-культур при варьировании напряжения в диапазоне 3—17 кВ. Установлено, что электрическое поле не оказывает влияния на жизнедеятельность микроорганизмов, при применении ионизации воздуха заметный бактерицидный эффект возможен с концентрацией ионов не ниже 2·10¹⁰ м^-3. В экспериментах на всех режимах проводился контроль содержания озона, образующегося при коронном разряде. Максимальная концентрация озона не превышала 0,12 мг/м³, т. е. практически равна предельно допустимой концентрации по санитарным нормам.

Более высокая эффективность бактерицидной обработки при отрицательной ионизации отмечена и в работе. Однако экспериментальные данные свидетельствуют, что при повышении концентрации ионов свыше 5·10¹¹ м^-3 не наблюдается существенной разницы в получаемом эффекте. Напротив, в работе указывается, что при обработке в поле коронного разряда фитопатогенных грибов и бактерий, являющихся специфическими возбудителями заболеваний сельскохозяйственных продуктов (Bacillus subtilis, Pectobacterium phytophthorum, Pec. carotovorum, Candida utilis, Fusarium sambucinum, Botrytis cinerea, Alternaria brassicae), бактерицидное действие положительных аэроионов выше, чем отрицательных. К аналогичному выводу приходят и авторы работ, изучавшие влияние аэроионов при концентрации 10¹³ м^-3 на жизнедеятельность микроорганизмов — специфических возбудителей микробиальной порчи сельскохозяйственных продуктов.

Изменение жизнеспособности характерного возбудителя порчи пищевых продуктов — бактерий Bacillus mesentericus (односуточная культура) под действием аэроионных потоков обеих полярностей. Практически полное подавление тест-культуры наблюдается при концентрации ионов 10¹³ м^-3 и экспозиции более 60 мин. Опытные данные свидетельствуют, что обработка аэроионами снижает жизнедеятельность этих культур, зависящую от начальной концентрации микробных клеток, времени воздействия и полярности ионного потока.

С приведенными данными не согласуются результаты других исследований, свидетельствующих, что очистке от микроорганизмов воздуха закрытых помещений способствует ионизация его в поле коронного разряда при концентрации аэроионов, не превышающей 10¹² м^-3. В отмечается, что обработка поверхности потоком ионов при их концентрации порядка 10¹² м^-3 снижает микробиальную обсемененность. Эффект стерилизации усиливается при добавлении озона. Дезинфекция воздуха холодильных камер аэроионами отрицательной полярности при обработке один раз в неделю, экспозиции не более 60 мин и концентрации ионов не выше 10¹² м^-3 подавляет развитие гриба Botrytis cinerea — возбудителя серой гнили моркови.

В ряде исследований установлено, что высокая степень ионизации с преобладанием в воздухе отрицательных ионов (9·10⁸ анионов и 10⁸ катионов в 1 м³) ингибирует развитие плесневых грибов. В результате же опытов, проведенных позднее в идентичной установке, авторы работы приходят к выводу, что обработка аэроионами отрицательной полярности при концентрации не более 1,5·10⁹ м^-3 и экспозиции, не превышающей 45 мин, не влияет на фитопатогенную микрофлору.

В то же время имеются данные о стимулирующем действии аэроионных потоков на жизнедеятельность микроорганизмов. Так, при концентрации аэроионов 5·10¹² м^-3 и экспозиции 15 с наблюдалась активация дрожжевых грибов. По данным, при обработке аэроионами с концентрацией 10¹²—10¹⁵ м^-3 маточных хлебопекарных дрожжей наибольший эффект активации можно получить при 30-секундной экспозиции. Установлено благотворное действие ионизированного воздуха на развитие гриба Aspergillus niger. Оптимальная концентрация ионов при дискретном режиме обработки составляет 3·10¹¹ м^-3 первые 24 ч и 9·10⁸ м^-3 — в последующие 13 ч. В течение первых 37 ч общий цикл ионизации составлял 8 ч при режиме: 20 мин — ионизация, 60 мин — без ионизации.

Авторы исследовали влияние электронно-ионной обработки дрожжей в поле коронного разряда. При этом воздействовали на дрожжи по отдельности неоднородным электрическим полем коронного разряда, ионами отрицательной полярности и газами, образующимися при разряде, только электростатическим полем и только газами.

Полученные данные свидетельствуют, что угнетающий эффект физиологически вредных газов, образующихся в малых концентрациях, незначителен, электростатическое поле также не оказывает заметного действия, а основным фактором, влияющим на жизнедеятельность дрожжей, являются отрицательные ионы, повышающие скорость их роста.

Нет единого мнения и по вопросу о механизме биологического действия ионизированного воздуха. Полагают, что эффект при обработке отрицательным ионным потоком обусловлен отрицательно заряженными ионами кислорода, а при положительной полярности ионов — положительно ионизированной двуокисью углерода. Напротив, в работе утверждается, что в результате соприкосновения аэроионов с микробной клеткой происходит передача последней электрических зарядов и оседание их на поверхности. Под воздействием этих зарядов изменяется ряд биофизических (проницаемость клеточных мембран, изоэлектрическая точка и др.) и биохимических (ферментативная активность и т. п.) свойств в соответствующих биообъектах.

Существенные противоречия имеют место и по вопросу о воздействии на микробные клетки только электрическим полем. Некоторые авторы приводят данные об отсутствии влияния на рост микроорганизмов электрического поля напряженностью 10⁵ В/м. В других работах, напротив, сообщается об ингибирующем воздействии электрического поля на культуры микроорганизмов при экспозиции от 2 до 60 мин, однако значение напряженности поля не приводится. Работа также свидетельствует о бактерицидном действии электрического поля, причем высказывается мнение о возможной генерации при обеззараживании в поле положительных или отрицательных ионов и даже озона. Авторами предложен способ обеззараживания производственных емкостей путем создания у внутренней поверхности тлеющего разряда и ее бомбардировки ионами и электронами при напряженности электрического поля 2·10⁴ В/м.

С приведенными данными не согласуются результаты опытов по изучению жизнедеятельности культуры дрожжей Candida tropicalis в электрическом поле напряженностью от 10⁵ до 7·10⁵ В/м, когда при экспозиции 3 с поле оказывает угнетающий эффект, а увеличение времени обработки до 10 с приводит к стимулирующему действию при всех напряженностях, кроме 6·10⁵ В/м. Наибольший стимулирующий эффект отмечен при продолжительности обработки 20 мин.

Таким образом, отсутствует единое мнение о бактерицидном действии электрического поля и ионов воздуха, их полярности и дозах обработки. В рассмотренных работах практически не затронут вопрос о влиянии на эффективность обеззараживания заземления поверхности, инфицированной микроорганизмами. В результате электрохимических реакций в зоне высоковольтного газового разряда наряду с аэроионами происходит образование озона, действием которого, в частности, может быть объяснен бактерицидный эффект. Однако в большинстве работ этот факт не нашел отражения. Так, в отмечено бактерицидное действие отрицательных аэроионов на фитопатогенную микрофлору. В то же время из схематического описания оборудования следует, что для ионизации воздуха использован тлеющий разряд без какого-либо принудительного воздушного потока между электродами. Следовательно, ионы могли покинуть межэлектродный промежуток только вследствие диффузии, и их концентрация вне этого пространства могла быть максимально в 2 раза больше, чем обычно в атмосфере, т. е. 2·10⁸—5·10⁸ м^-3. Авторами не принято во внимание подвижное распределение ионов, а это вынуждает полагать, что в данном случае роль аэроионизации преувеличена. При использовании тлеющего газового разряда озон генерируется еще более интенсивно, чем при короне, однако сведения об измерении концентрации озона в ионизированном воздухе отсутствуют. Аналогичным образом бактерицидный эффект способа может быть объяснен генерацией озона в зоне тлеющего разряда. В остальных случаях концентрацию озона определяли объемно-аналитическим методом йодометрии периодически отбираемых проб, который из-за быстрой диссоциации озона и ряда специфических требований к самому методу озонометрии может некорректно отражать действительную концентрацию анализируемого газа в рабочем объеме.

Озон как средство для обеззараживания от патогенной микрофлоры был предложен А. П. Доброславиным в 1874 г.

Сейчас озон широко применяется для дезинфекции питьевой воды. В рассматриваемом в настоящей работе прикладном аспекте интерес представляет бактерицидная обработка поверхностной микрофлоры и бактериальных аэрозолей.

По мнению исследователей, озон обладает сугубо поверхностным действием и может быть использован для Уничтожения инфицирующих их микроорганизмов. Установлено, что при температуре 288—293 К и относительной влажности воздуха 80—95% концентрация озона менее 1 мг/м³ не влияет на патогенную микрофлору. При концентрации более 1 мг/м³ рост плесени на поверхности ингибируется.

Общеизвестно использование озона для очистки воздуха сооружений большого объема и удаления запахов и вредных испарений. В воздухе озон уничтожает бактерии, вызывающие гниение продуктов, препятствует образованию плесени и слизистых отложений. Для уничтожения гнилостных бактерий и спор при 277 К и относительной влажности воздуха 60—90% достаточно озона концентрацией 0,08—0,2 мг/м³. Эта же концентрация озона при 273 К ингибирует развитие плесневых грибков на упаковке для хранения фруктов.

Результаты показали, что концентрация озона 12—15 мг/м³ при температуре 291 К оказывает угнетающее воздействие на рост гриба Fusarium solani. Озонирование в течение 3 ч уменьшает интенсивность роста гриба в 2 раза по сравнению с контролем, а при 24-часовой выдержке — в 5 раз. Увеличение продолжительности до 48 ч и концентрации до 30 мг/м³ не оказывает существенного влияния на замедление их роста. Озонирование в течение 3 ч при концентрации 12—15 мг/м³ уменьшает скорость роста гриба в 1,1 раза, а в течение 48 ч — в 4,4 раза.

Автором сделан вывод, что воздействие озоном на культуру грибов Fusarium solani при изученных режимах не приводит к гибели, а оказывает бактериостатическое действие на их рост, лаг-фаза увеличивается в 1,5—3 раза. Обработка озонированным воздухом (С=12—15 мг/м³) в течение 24 ч уменьшает скорость роста гриба в 7 раз, лаг-фаза увеличивается в 4,5 раза. Установлено также, что рост гриба Phytophthora infectans подавляется полностью при озонировании в течение 6—10 ч и концентрации озона 15—18 мг/м³. Озонирование всех вышеперечисленных грибов в течение 20 мин оказывает на их рост стимулирующее действие.

По данным, концентрация озона 4—22 мг/м³ обеспечивает уничтожение поверхностной микрофлоры. Для подавления фитопатогенных микроорганизмов концентрация озона составляет 30—40 мг/м³, продолжительность обработки 2—9 ч. В то же время установлено, что плесневые грибы наиболее чувствительны к озону в период лаг-фазы (концентрация озона 10—20 мг/м³).

Бактерицидный эффект при воздействии озоном на фнтопатогенную микрофлору подтвержден исследованиями, хотя рекомендуемые режимы озонирования существенно различаются. Озонирование успешно используется для подавления патогенной микрофлоры в холодильных камерах, режимы обработки и в этом случае сильно различаются.

Исследования показали, что озонирование холодильных камер при концентрации озона 12—14 мг/м³ и продолжительности обработки 10 ч обеспечивает 93%-й микоцидный эффект по отношению к плесневым грибам родов Penicillium, Aspergillus, Cladosporium и Mucor. Из зависимости микоцидного эффекта озонирования воздуха камер от времени при максимальной концентрации озона 14 мг/м³ следует, что при продолжительности озонирования 10 ч количество погибших микробных клеток N_n при температуре в камере 273,8 К (7) и 268 К (2) составляет соответственно 92,8 и 94,5%. Дальнейшее увеличение продолжительности обработки не приводит к значительному повышению микоцидного эффекта, его максимальное значение 96% достигается при экспозиции 16 ч. Показана зависимость отмирания микроорганизмов от концентрации озона при времени воздействия 8 и 16 ч. При повышении концентрации более 10 мг/м³ микоцидный эффект увеличивается незначительно и остается постоянным при значениях более 12 мг/м³. Постоянный уровень микоцидного эффекта при увеличении времени действия и концентрации озона выше указанных значений объясняется устойчивостью остаточной микрофлоры.

При обработке озоном психрофильных бактерий рода Pseudomonas и различном исходном содержании микроорганизмов на 1 см² поверхности (10²—10⁵) может быть достигнут бактериостатический эффект.

Авторы отмечают, что на холодильниках Росмясомолторга более 50% холодильных емкостей, свободных от грузов, обрабатываются методом озонирования. Для надежной дезинфекции и дезодорации холодильных камер предусмотрена концентрация озона 40 мг/м³ в течение 16—24 ч. В то же время утверждается, что для подавления микроорганизмов, вызывающих порчу мяса, необходимы значительно более высокие концентрации озона С=3,88 г/м³. В этом случае с помощью 20-минутной экспозиции при скорости потока озоновоздушной среды 3,42 Х 10^-5 м³/с и температуре 310, 293 и 280 К уменьшается микробиальная обсемененность соответственно на 90,5, 90,5 и 86,0%.

За рубежом озон широко используется для стерилизации бутылок и других емкостей перед их наполнением. Для стерилизации стеклянных бутылей рекомендуют обработку сжатым воздухом при концентрации озона около 30 г/м³ в течение 15—20 с. Причем по сравнению с методом дезинфекции с помощью сернистого ангидрида, используемого в классическом процессе, дозировка озона составляет лишь одну сотую от дозировки сернистого ангидрида.

Авторы работы рекомендуют при стерилизации бутылок в виноделии использовать озон в виде водного раствора в модифицированных погружных стерилизаторах. При исходной обсемененности 2 млн микробных клеток остаточная микрофлора при обработке озоном в концентрации 2,2 и 1,35 г/м³ составляет соответственно 0,00075 и 0,01%.

В то же время обнаружено, что действие озона носит биофазный характер: кратковременная обработка озоном приводит к увеличению числа проросших спор, а более длительная — ингибирует их прорастание. В частности, 5-минутная обработка озоном в концентрации 250 мг/м³ приводит к гибели 50% микробных клеток и замедляет процессы перехода бактерий в логарифмическую фазу роста. Снижение концентрации озона до 50 мг/м³ и экспозиции до 5 с вызывает стимуляцию роста бактерий. Как уже отмечалось, 20-минутная экспозиция озона при его концентрации 12—15 мг/м³ оказывает стимулирующее действие на культуры фитопатогенных грибов.

Что касается механизма действия озона на микробную клетку, то единого мнения по этому вопросу до сих пор не выработано.

Природу действия озона на микробную клетку объясняют изменением под влиянием озона проницаемости мембраны клеток или даже полным ее разрывом. Высказывается также мнение, что действующим началом озонирования является атомарный кислород, образующийся при распаде озона.

Ряд авторов указывает на быструю диссоциацию озона в закрытом объеме с высокой влажностью воздуха, в связи с чем для поддержания заданного уровня озона необходимо часто определять его концентрацию. В то же время использованный большинством исследователей йодометрический метод измерения концентрации озона не может обеспечить экспресс-анализа озона в воздухе, что, по-видимому, является одной из основных причин имеющихся противоречий в рекомендуемых различными авторами режимах озонирования. Таким образом, для выработки однозначных рекомендаций по дезинфекции озоном в различных отраслях пищевой промышленности и воспроизводимости рекомендуемых режимов бактерицидной обработки насущной является разработка обоснованных в специфических условиях пищевых производств методов и средств экспресс-контроля озоновоздушной среды.

Во многих публикациях отмечается, что в области электрической обработки биологических объектов наибольший практический интерес представляет сочетание действия электрического поля, ионизированного воздуха и озона. Однако данные измерений содержания озона и (или) концентрации ионов в воздухе в указанных работах не представлены.

Исследованиями установлено, что 20-, 40- и 60-минутная обработка ионизированным воздухом с концентрацией ионов 10¹² м^_3 при периодичности 1 раз в неделю и озонирование через каждые три дня по 6 ч при концентрации озона 5—6 мг/м³ приводят к инактивации фитопатогенных грибов Botrytis cinerea, Fusarium oxysporum, Rhizopus nigricans, Mucor mucedo и грибов рода Penicillium.

Положительное влияние совместного применения компонентов электронно-ионной обработки при подавлении вредной поверхностной микрофлоры томатов отмечено в работе. Полученные данные свидетельствуют об инактивирующем действии электронно-ионной обработки на микрофлору при всех режимах. Наилучшие результаты получены при 7-часовом режиме электроантисептирования.

Положительные результаты получены по бактерицидной обработке озоноионной воздушной средой поверхностной микрофлоры апельсинов.

Общие характеристики методов бактерицидной обработки при совместном использовании аэроионов и озона представлены также в работах, однако отсутствуют данные о дозах озонирования и аэроионизации, что свидетельствует об отсутствии обоснованных методов и средств контроля воздействующих факторов процесса электроантисептирования.

Таким образом, на основе проведенного анализа не представляется возможным дать окончательный ответ об эффективных режимах электроантисептирования в пищевой промышленности. Для этого необходимы дальнейшие исследования, направленные, в первую очередь, на выяснение бактерицидного действия каждого из компонентов рассматриваемой технологии. С целью методически правильного решения поставленной задачи представляется целесообразным прежде всего рассмотреть теоретические основы электроантисептирования.