Как ионизирующее излучение спасает людей от отравления и почему не нужно его бояться
Каждый год 600 миллионов человек заражаются желудочно-кишечными инфекциями, вирусами и паразитами, неудачно что-нибудь съев. Из них 420 тысяч — умирают. Сократить количество инцидентов может обработка продуктов питания потоком ускоренных электронов. Однако компании не хотят терять прибыль: технология, которая давно применяется для стерилизации в медицине, до сих пор нагоняет страх на потребителя. Вместе с холдингом «Росэлектроника» Госкорпорации «Ростех» – производителем ускорителей электронов – рассказываем, как происходит обработка и проверяем, насколько эффективно она продлевает срок годности продуктов.
Пищевая индустрия уже больше века в промышленных масштабах применяет синтетические консерванты и метод пастеризации, увеличивая срок годности продуктов питания. Правда, за возможность дольше хранить еду приходится расплачиваться. В больших дозах консерванты могут быть вредны для здоровья, а различные виды пастеризации — сказываться на вкусовых ощущениях.
Кроме того, чтобы сократить потери продукции в процессе хранения, в индустрии широко применяются химические методы обработки. Пестициды уничтожают насекомых-вредителей, однако ученые считают, что они не безупречны с точки зрения экологии и воздействия на здоровье человека. А покупатели сомневаются в безопасности химически обработанных продуктов, думая, что они теряют свои полезные свойства и приобретают новые. В связи с этим сегодня требуются дополнительные усилия по их удалению из остатков сельскохозяйственной продукции.
В качестве альтернативы производители и предприятия по обработке пищи прибегают к обработке продуктов гамма- и рентгеновскими лучами и ускоренными электронами. Такая обработка убивает насекомых и патогенные бактерии, избавляя производителей от необходимости использовать пестициды. Кроме того, в отличие от тепловой обработки, это позволяет сохранить питательные вещества и органолептические свойства продуктов: вкус, текстуру и цвет.
Технология применяется уже более пятидесяти лет, однако даже спустя столько времени ее распространению в некоторых странах мешает потребительское недоверие. И это несмотря на то, что безопасность продукции, обработанной пучком ускоренных электронов, была неоднократно подтверждена международными комиссиями и комитетами, в том числе Научным комитетом по проблемам продовольствия, Европейским агентством по безопасности продуктов питания, а также Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов США.
Редакторы N + 1 отправились в первый в России Центр нехимической антимикробной обработки продуктов питания Tecleor в Калужской области, чтобы посмотреть, как устроено промышленное обеззараживание продуктов ускоренными электронами. Предприятие работает с 2017 года, а прошлым летом там запустилась вторая установка.
Утром 27 марта мы выехали из Москвы в сторону Обнинска. В городе еще не ввели обязательный режим самоизоляции (это произошло 29 марта) и систему электронных пропусков. На дорогах встречались редкие теперь пробки. С собой у нас был пакет орловских яблок, полкило белорусской клубники, упаковка нарезанного хлеба и две коробки малины. Предприятие вручило нам столько же ежевики и черники. Не то чтобы это был необходимый запас, но раз уж начал ставить эксперимент, сложно остановиться.
В зоне разгрузки товара, где мы оказались, неожиданно приятно пахнет. Перед нами разложены 15,6 тонн какао порошка. Туго набитые бумажные пакеты образуют метровые стопки. Скоро все это отправится на обработку. За несколько часов в центре обеззараживают от пяти до 12 тонн продукции. Второй ускоритель, запущенный летом 2019 года, позволил удвоить производительность. Теперь за сутки удается обработать до 30 тонн.
Подавляющая часть заказов приходится на продукты питания. Антимикробная обработка снижает количество консервантов, уничтожает патогенные микроорганизмы, сокращает риск распространения желудочно-кишечных инфекций, позволяет товару не испортиться по пути в магазин и дольше лежать на прилавке.
«Мы проводим санитарный контроль от жучков и паучков, срок годности за счет снижения уровня микроорганизмов увеличивается в среднем в два-три раза. Занимаемся не стерилизацией, а холодной пастеризацией», — объясняет Роман Чурюкин, кандидат биологических наук и главный технолог предприятия.
Помещение, где мы находимся, разделено на несколько зон. Не прошедшие обработку товары помещаются в так называемой «грязной» зоне и хранятся в этой же части здания — на складе или в холодильных камерах. В противоположном конце строения расположена «чистая» зона. Там находятся продукты, готовые к возвращению заказчику или отправке в магазины. Подобное расположение исключает вероятность пересорта — смешивания обработанной и необработанной продукции.
Сотрудники цепляют поддоны с какао и отвозят к конвейеру, расположенному аккурат между «чистой» и «грязной» зонами. Пакеты с какао уезжают в зону обработки. От нас она отделена бетонной стеной толщиной 1,7 метра.
По всему миру постепенно отказываются от использования гамма-лучей и радионуклидов в пользу бета-излучения — ускоренных электронов. Работать с электронами проще, дешевле и безопаснее.
Для обработки продуктов используются линейные ускорители электронов, разработанные на московском НПП «Торий» (входит в «Росэлектронику»). Они разгоняют электроны до скорости, близкой к скорости света. Их энергия варьируется от пяти до 10 мегаэлектронвольт. По словам Чурюкина, в рабочих помещения и продуктах питания не остается наведенной радиоактивности. Сотрудники не носят средств защиты, но над конвейером — над входом и выходом — а также за бетонной стеной установлены дозиметры.
«Чтобы персонал был в безопасности, мы сделали систему лабиринта: в результате множественных отражений и поглощений отсутствует излучение на выходе, — сообщает Чурюкин. — Во всех подобных центрах в мире применяют такую схему конвейера».
Проникнуть к работающему ускорителю невозможно. Система безопасности не позволит установке запуститься, если неподалеку находится человек.
На определенном участке в идущий по конвейеру товар выстреливает пучок электронов мощностью от одного до 10 киловатт в зависимости от типа продукта. Он проходит его насквозь и инактивирует бактериальные клетки, в процессе задействуя два механизма.
Преимущество электронно-лучевого излучения заключается в том, что оно проникает в продукт не более чем на 40 сантиметров и действует на протяжении всего нескольких секунд. Для сравнения: чтобы повредить микроорганизмы и подавить способность клеток к размножению, гамма излучению может потребоваться несколько часов. Источник гамма-лучей способен выдавать дозу от пяти до 19 килогрей в час, тогда как ускоритель электронов может обеспечить столько же всего за секунду.
Первый механизм — его также называют «прямым» — отвечает, по разным подсчетам, за 60-70 процентов воздействия. Ускоренные электроны врезаются в ДНК бактериальной клетки. Поврежденная клетка перестает делиться, доживает свой цикл и погибает.
Второй механизм — окисление внутри продукта — отвечает за оставшиеся 30-40 процентов работы. Свободные радикалы, активные и чрезвычайно короткоживущие, атакуют и добивают ключевые компоненты клетки. Микроорганизмы погибают как внутри продукта, так и по всей поверхности упаковки.
Главное — не перестараться с дозой излучения.
«Морковь может потерять цвет из-за окисления пигмента каротиноида, может потерять витамины. Красная рыба может утратить красный цвет за счёт окисления пигмента. — перечисляет Чурюкин. — Мясной фарш, его гемоглобин, обеспечивающий красный цвет, окисляется и становится миоглобином и оксимиоглобином».
Кратковременность облучения снижает шанс порчи. А воздействие на продукты, особенно уязвимые к окислению, компенсируется добавлением антиоксидантов. Это позволяет сохранить полезные свойства и установить необходимую мощность пучка электронов.
Обработанные продукты можно опознать по символу «Радура» на упаковке (зеленый цветок в окружности). Иногда дополнительно или вместо этого производитель оставляет альтернативные указания: «обработано внешним излучением» или «обработано ускоренными электронами».
Несмотря на многочисленные исследования, в том числе проведенные под эгидой международных организаций, потребители по всему миру до сих пор относятся к обработанным ускоренными электронами продуктам питания с подозрением и опаской.
Первый патент на антимикробную обработку продуктов с помощью альфа, бета и гамма лучей был выдан в Великобритании в 1905 году. Вскоре после этого аналогичные патенты были зарегистрированы в США (1918 и 1921) и Франции (1930). Но поскольку источники излучения оказались недостаточно мощными, чтобы обрабатывать продукты в промышленных количествах, ни один из них так и не был реализован.
Исследования воздействия ионизирующего излучения на продукты питания начались в середине XX века в США, Великобритании и странах Европы. Ученые подбирали оптимальные условия и дозы облучения, способы упаковки для пастеризации и стерилизации продуктов питания, обработки медицинских товаров других целей. В США исследования поддерживала армия, желая получить замену консервированным и замороженным индвивидуальным рационам.
Коммерческое применение ионизирующего излучения было впервые зафиксировано в 1957 году в ФРГ. Однако к 1968 году только три страны выдали разрешение на применение соответствующих технологий: Канада, США и Советский союз. В 1970 году во Франции 19 стран при поддержке Агентства по ядерной энергии (NEA), входящего в состав Организации экономического сотрудничества и развития (OECD), Международного агентства по ядерной энергии (IAEA) и ООН запустили проект, призванный поддержать изучение облученных пищевых продуктов.
Исследования завершились в 1980 году. Объединенная комиссия объявила, что любой продукт, получивший дозу облучения вплоть до 10 килогрей, не представляет опасности для человека.
Дозой свыше 10 килогрей, означающей полную стерилизацию продукта, облучается исключительно еда для космонавтов, больничная провизия и аварийные пайки.
Научные исследования доказали эффективность технологии и безопасность облученных продуктов питания для человека. Соответствующие заявления опубликовало Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA). Ионизирующее излучение позволяет сохранить вкус и аромат, а также избежать применения химических методов борьбы с патогенами и вредителями. На сегодняшний день облучение продуктов разрешено в более чем 60 странах. По данным Международного агентства по атомной энергии и Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, в 2013 году было обработано всего около 700 тысяч тонн продуктов питания.
В перспективе ионизирующее излучение, получив более широкое распространение, окажет существенную помощь в борьбе с патогенными микроорганизмами и насекомыми, а также сможет сократить число жертв пищевых отравлений.
В Центре антимикробной обработки установлены два универсальных ускорителя электронов УЭЛР-10-15-С, способных обрабатывать пять тонн продукции в час. Оба ускорителя поставлены на предприятие «Росэлектроникой» (холдингом, входящим в состав государственной корпорации «Ростех»), а созданы специалистами НПП «Торий» совместно с Лабораторией электронных ускорителей МГУ. Один из них расположен в подвале, другой — на высоте 12 метров. Мы отправляемся взглянуть на второй и попадаем в комнату управления. Над монитором, куда выведены данные системы радиационного контроля, сидит плюшевый Пикачу. Рядом с ним — пародия на социалистический плакат: «Ничто так не укрепляет веру в клиента, как предоплата!».
Миновав защитную дверь и узкий бетонный коридор, мы наконец видим установку. Рядом немного пахнет озоном. Ускоритель оказывается относительно компактным и, скорее всего, поместится в обыкновенной комнате. «Раньше ускорители были огромными, поскольку электрону, чтобы разогнаться, нужно было пролететь большое расстояние», — рассказывает Сергей Будник, управляющий центра.
Компактный ускоритель работает иначе. Электроны добываются из вольфрамового катода вследствии подачи разности потенциалов. Далее «немного» ускоренные электроны попадают в ускоряющую структуру, где под влиянием мощных электрических полей набирают требуемую энергию. После этого электроны попадают в магнитный формирователь, который обеспечивает равномерность излучения.
Вместе с размерами сокращалось и энергопотребление. Когда-то ускорители могли потреблять 500 киловатт энергии. Такой ускоритель поглощает 92 киловатта, а система целиком, вместе с конвейером и другими составляющими, всего около 150 киловатт.
Предприятие обрабатывает более 200 видов продукции: от пряностей и чая до мяса, полуфабрикатов, рыбы и морепродуктов. Впрочем, не всякий продукт годится для обстрела ускоренными электронами.
«Молочка вся — творог, йогурты, молоко — не подходит. Вместе с плохими бактериями исчезнут и полезные. Ускоренный электрон не разберет, кто друг, а кто враг — уберет всех», — шутит главный технолог Роман Чурюкин.
Обычно молочные действительно нет смысла обрабатывать ионизирующим излучением. Однако известны исключения: пациентам с иммуносупрессией требуются полностью стерилизованные молочные продукты. Исследование группы ученых, опубликованное в Journal of Food Science, показывает, что облучение некоторых молочных продуктов (йогурта и мороженого) дозой вплоть до 40 килогрей и при температуре −78 градусов Цельсия позволяет сохранить натуральный запах и увеличить их срок годности. При этом эффективно стерилизовать сыр моцареллу и чеддер при тех же условиях ученым не удалось.
Каждому продукту соответствует своя доза облучения. Превышение рекомендуемой дозы чревато изменением вкуса и текстуры. Это означает, что мощность пучка подбирается таким образом, чтобы добиться антимикробного эффекта, но сохранить пробиотические свойства и прочие характеристики продукта. Мясу требуется от одного до двух с половиной килогрей, а в случае специй и пряностей доза может подниматься до шести килогрей.
«Вот ягоды сегодня будем обрабатывать, малину, — говорит Чурюкин. — Там всего один килогрей доза».
Мы спускаемся обратно к конвейеру, чтобы обработать привезенные с собой продукты. Все ягоды, яблоки и хлеб делятся на две группы — те, что пройдут через ускоритель, и «контроль». Распределив продукты по пластиковым контейнерам, мы кладем их в коробку и отправляем в зону обработки.
Чтобы посмотреть, как она устроена изнутри, сперва мы прокатили коробку с камерой GoPro под выключенным ускорителем. Это сделано исключительно из соображений экономии: обстрел ускоренными электронами техника не переживет. Когда продукты возвращаются после обработки, мы пробуем ягоды на вкус. Ничего необычного.
«Мы составляем протокол испытаний: насколько серьезно заражен продукт и с чем мы боремся. Если это рыба или икра, могут быть кишечные инфекции. Дальше —пробная обработка. — объясняет процесс Сергей Будник. — Смотрим органолептику, иначе говоря, определяем, когда продукт начинает портиться. В разных режимах пробуем обрабатывать, а когда появляется посторонний запах — это и есть знак, что больше не надо».
Ионизирующее излучение может справиться со всеми вирусами и бактериями, однако нормы пищевой индустрии ограничивают максимальную дозу. Именно поэтому обработка ускоренными электронами уничтожает микроорганизмы, но не уничтожает вирусы. Чурюкин объясняет: «Вирус намного устойчивее в силу своего устройства, и гораздо больше дозы просто-напросто нужны. Раньше испортится продукт, чем вирус погибнет».
Разработкой технических заданий и норм облучения занимается как сам центр антимикробной обработки пищевых продуктов, так и профильные институты. Специалисты ориентируются на жирнокислотный и нутриентный состав продукта, а также уровень влаги. По словам Будника, в некоторых случаях определить подходящую дозу просто, а иногда — например, для какао — режим необходимо подбирать в соответствии с учетом сезонности, места происхождения, наличия примесей и добавок.
Тем не менее, чтобы антимикробная обработка была успешной, недостаточно только выверенной дозировки. Заказчику необходимо соблюдать установленный регламентом уровень микробиологии. Тот же, что и во время испытаний, когда технология сработала как надо.
«Если у полуфабрикатов не больше 103 по фаговому числу, обработка должна происходить не позднее 12-ти часов с момента производства. — рассказывает Сергей Будник. Он отмечает, что отжившую свое продукцию на антимикробную обработку отправлять нет смысла. — Мы из испорченного свежее не сделаем и мертвое не восстановим».
Антимикробной обработке подвергаются не только продукты. В скором времени, обещает Будник, на обработку обещают прислать крупную партию медицинских масок, так как технология позволяет производить в том числе стерилизацию медицинских изделий. По его словам, предприятие способно обработать 60 миллионов масок за месяц.
Возвратившись в Москву, ожидающую введения режима самоизоляции, и простояв в пробках около часа, мы наконец добираемся до съемной квартиры одного из редакторов. Здесь решено оборудовать площадку для эксперимента. Мы оставляем обработанные и необработанные продукты на столе, чтобы посмотреть, где процесс разложения проявит себя быстрее, и включаем запись.
Контейнеры на видео расположены так: слева продукты, прошедшие обработку, а справа — контрольная группа, которая не обрабатывалась ускоренными электронами. Единственное исключение — клубника. Обработанные плоды находятся справа, а нетронутые ионизирующим излучением — слева. Пусть читателя не смущает странный луч, проходящий по столу. Это свет фонаря, светивший в окно редактору N + 1.
Продукты лежали на столе с 20:00 27 марта по 18:00 4 апреля. В общей сложности — 190 часов. Уже через 36 с половиной часов на необработанной клубнике появились отчетливые следы гниения. Спустя 50 с половиной часов (чуть больше двух суток) то же самое произошло с плодами клубники, которые были обработаны электронами. Когда с момента начала эксперимента прошло восемь дней, клубника в обоих контейнерах превратилась в неаппетитную субстанцию. Остальные продукты существенно не изменились.
Зато в однокомнатной квартире, так удачно выбранной для эксперимента, находиться было уже невозможно: всюду пахло тухлыми фруктами. Особенно сильно — рядом с выбранным для эксперимента столом, который находился у единственной кровати. Тогда одинокий обитатель этой квартиры, редактор N + 1 Игнат Шестаков, решил прекратить эксперимент. Сам он признается, что жить так больше не мог и не хотел.
,