Работа посвящена научному обоснованию создания фундаментальных основ технологии стерилизации продуктов питания высоким давлением. С этой целью исследуются механизмы инактивации микроорганизмов и деградации витаминов под действием давления и температуры.
Цель работы – экспериментально выявить основные закономерности и разработать физико-математические модели совместного действии на биосистемы факторов высокого давления, температуры и времени выдержки. Методы исследования – экспериментальное исследование и физико-математическое моделирование кинетики деградации витаминов и инактивации микроорганизмов под действием давления и температуры.
В работе предполагается, что при высоких давлениях и температурах возникают некоторые первичные нарушения на молекулярном и межмолекулярном уровнях, которые индуцируют последующие изменения и регулируются общими термодинамическими соотношениями. Кинетика этих процессов описывается феноменологически с учетом таких термодинамических параметров, как активационный барьер реакций, изменение молярного объема и т.п. Процессы, приводящие к первичным нарушениям, подчиняются общим термодинамическим законам, поскольку охватывают огромное число межмолекулярных столкновений. Такое рассмотрение проблемы обработки пищевых продуктов сверхвысокими давлениями на основе биофизических подходов является новым.
В процессе решения задачи поиска общих характеристик, описывающих воздействие давления, температуры и времени обработки на различные составные части пищевых продуктов – витамины, микроорганизмы и пр., впервые проведено комплексное экспериментальное исследование. Для отделения неучтенных эффектов среды впервые была предложена и реализована концепция модельных экспериментов, в которых пищевая среда имитируется буферным раствором с заданным рН. Впервые действие давления, температуры и времени выдержки на обрабатываемые продукты объединены в рамках одной модели. Разработана методика определения параметров этой модели. В рамках той же модели получено описание кинетики деградации витамина С. Впервые предлагается микроскопический механизм воздействия давления на микроорганизмы, основанный на сравнении барьеров инактивации и изменений молярного объема для различных микроорганизмов. На основе полученных результатов в работе разработан новый физически обоснованный подход к стандартизации процесса обработки продуктов высоким давлением, а также способ оптимизации параметров обработки. Созданы научные предпосылки для разработки приоритетного направления «Производство экологически чистых продуктов и технологии их хранения».
Выводы. Давление ~500 МПа является граничным для инактивации большинства микроорганизмов, в то время как содержание витамина С при этом меняется незначительно. Кинетика инактивации микроорганизмов и деградации биомолекул вполне удовлетворительно воспроизводится в рамках химической реакции первого порядка. Высокое давление и повышенная температура увеличивают кислотность среды. Сдвиг кислотности обуславливает денатурацию белков, что, в конечном итоге, приводит к инактивации микроорганизмов. Микроскопический механизм воздействия давления на микроорганизмы определяется открытием доступа воды во внутренние полости белков.
Результаты работы могут быть использованы при выборе оптимальных параметров обработки продуктов высоким давлением для обеспечения стерильности продукта и сохранения его пищевкусовых качеств с минимальными затратами энергии и времени, а также для разработки отсутствующих на данный момент стандартов в технологии обработки продуктов питания сверхвысоким давлением.
Ключевые слова: высокое давление, инактивация, кинетика, микроорганизмы, денатурация, белки.