The radiation decontamination detecting in commercial spices marketed in Russia: interpreting the spectra of electron paramagnetic resonance

• Daria I. Titova
• Ibragim M. Medzhidov
• Vladimir A. Kharlamov

Abstract

To increase shelf life and reduce microbial contamination, spices, widely used for a variety of purposes (coloring and preserving agents, flavor enhancers), are regularly subjected to radiation decontamination before subsequent sale and use by consumers. Although spices are consumed only in small amounts, it’s important to note that they are added to a wide variety of foods, including ready-to-eat ones. Therefore, assessing the spice radiation decontamination fact of spices is relevant.

The aim of the study was to apply electron paramagnetic resonance (EPR) spectra to identify the fact of radiation decontamination of finished foods (spices), to assess the signal intensity varies depending on the absorbed dose and attenuation kinetics of the spectra signal over time.

Material and methods. Samples of dry spices (ginger, ground cinnamon, and turmeric) were irradiated with ⁶⁰Со ɣ-rays at absorbed doses of 1, 3, 5, 7 and 10 kGy. For the irradiated and control samples, spectra were recorded on an electron paramagnetic resonance spectrometer and signals were detected. Spectra were recorded immediately after irradiation and after 7, 14, 28, 90, 180 and 270 days.

Results. The G-factor was 2.0042 for all spice spectra, indicating the carbon-containing radicals’ presence. The EPR signal intensity increased with radiation dose elevation, confirming raise in the level of the presented paramagnetic centers. After 1–10 kGy radiation treatment, the signal intensity increased by 87–527% for ginger, by 110–657% for ground cinnamon and by 252–826% for turmeric. The kinetics of signal attenuation demonstrated a significant decrease in intensity during the first 14 days after irradiation of all the tested spices, with subsequent slower attenuation over the next 9 months. The signal intensity attenuation was maximal in the first 7 days for ginger (37–60%), for ground cinnamon (48–72%), as for turmeric (47–71%).

Conclusion. After the γ-radiation treatment of the spices, oxidative processes occur and free radicals were formed, as indicated by the recorded EPR signals. Irradiated samples were clearly differed from control, allowing for the separation of radiation-treated samples from untreated. Treatments at 1–10 kGy could been differentiated based on the signal’s intensity. EPR spectra assessment can be used to determine the fact of radiation treatment and, therefore, for radiation monitoring on the Russian consumer market for mono-component spices.

Keywords: food; spices; ionizing radiation; irradiation processing; detection; EPR spectrometry

Питание играет ведущую роль в поддержании здоровья, увеличении продолжительности жизни и сохранении работоспособности человека. Ускоренный темп современной жизни сопровождается чрезмерными по интенсивности и длительности воздействиями экзо- и эндогенных факторов риска, в том числе от употребления жирной пищи, алкоголя, никотина на фоне в целом несбалансированного питания и ограничения физической подвижности [1]. Современный образ жизни человека вместе с изменением рациона питания [2] привел к росту таких заболеваний, как ожирение, болезни сердечно-сосудистой системы, онкологические патологии [1]. В условиях урбанизации в рационе питания усилился дисбаланс макро- и микроэлементов [2]. Отмечается значительное возрастание спроса и употребления готовых блюд [3, 4]. С повышением спроса связывают и увеличение объема мирового рынка специй и приправ [4].

Специи и ароматические пряные травы являются универсальными и наиболее широко используемыми ингредиентами в кухнях всего мира, применяются для приготовления разнообразных блюд, при консервировании, поэтому имеют глобальную значимость в кулинарии как домашней, так и профессиональной. Поэтому чем чище специи, ниже их контаминация, тем выше микробиологическая безопасность; срок годности продуктов продлевается. К специям относят сушеные растения или их части: корни, кору, цветки, семена и др., используемые для придания вкуса, цвета и аромата продуктам. В отличие от специй, пряные травы производят из листьев [5]. Специи и травы являются теми товарами, которые наиболее часто фальсифицируются и вовлечены в продовольственное мошенничество [4]. Их импортируют по всему миру, в основном из стран с тропическим либо субтропическим климатом [5]. На 2015 г. на мировом рынке специй и пряных трав лидировала Азия (81%), затем шли Африка (12%), Латинская Америка и страны Карибского бассейна (3,7%), доля стран Европейского союза была менее 2%. Обычно специи и травы реализуют уже в измельченном виде, а цепочка их поставок на рынок довольно длинная и сложная, поэтому в некоторых звеньях этой цепочки возможна фальсификация либо продовольственное мошенничество [4]. Специи и травы, которые были выращены или хранились в ненадлежащих условиях, могут иметь высокий уровень естественной обсемененности патогенными бактериями, грибками, токсигенной плесенью и микотоксинами. Однако даже при соблюдении необходимых мер для выращивания и хранения высока вероятность поражения продукции. Высокая температура, проливные дожди и влажность в регионе производства способствуют росту плесеней и к загрязнению специй и трав микотоксинами. Считается, что распространенность микотоксинов в специях выше по сравнению с пряными травами. В России содержание микотоксинов в специях и пряных травах не регламентируется [5], а наибольшую опасность для здоровья человека представляют присутствующие на российском рынке специи и травы, загрязненные афлатоксинами (преимущественно афлатоксином B1) [5].

Радиационная деконтаминация пищевых продуктов ионизирующим излучением проводится прежде всего для продления сроков годности, повышения безопасности и качества. Диапазон поглощенных доз для эффективной обработки разных видов продукции достаточно хорошо изучен [6]. Радиационная деконтаминация считается быстрым, эффективным и малозатратным методом обработки пищевых продуктов [4, 7] и в настоящее время тестируется на различных пищевых продуктах, включая продукты, предназначенные для людей с ослабленным иммунитетом, для детского питания [3]. Для продуктов с низким содержанием влаги, таких как травы и специи, используется высокодозная радиационная деконтаминация, обычно гамма-излучением ‒ от 10 кГр (в Европейском союзе) до 30 кГр (в США) [4]. Сообщается о безопасности и эффективности применения доз свыше 10 кГр для специй. Примерно 70% пищевой продукции с целью деконтаминации обрабатывают гамма-излучением ⁶⁰Со [3]. Однако широкое применение радиационной деконтаминации ограничено ввиду недостаточно организованного контроля и сертифицирования обработанной продукции [8]. В единичных случаях проводят контрольные лабораторные исследования на соответствие обработанной продукции стандартам качества и безопасности, отсутствие продуктов радиолиза, деструкции тканей и материалов упаковки [8]. Контроль и сертификация обработанной продукции актуальны для специй. Во-первых, специи обрабатываются в расфасованном виде, поэтому возможно образование побочных продуктов от упаковочного материала [4]. Во-вторых, после радиационной деконтаминации необходимо сохранить антиоксидантный потенциал специй [9].

На сегодняшний день радиационная деконтаминация продукции сельского хозяйства плохо принимается потребителями [4], хотя наибольший риск для здоровья представляют продукты, ввозимые или произведенные на территориях, подвергшихся техногенным радиационным авариям [10]. Радиационная деконтаминация часто ассоциируется у потребителей с чем-то вредным для здоровья, что объясняет негативную реакцию на радиационно-обработанную продукцию, представленную на рынке [4]. Поэтому важен контроль процесса радиационной деконтаминации [7], что будет поддерживать должный уровень безопасности продуктов для потребителей [4]. Помимо этого, важна эффективная идентификация, которая позволит выявлять в обороте: 1) продукцию, радиационная деконтаминация которой запрещена; 2) радиационно-обработанную продукцию, не имеющую соответствующей информации об обработке на этикетке либо в наименовании; 3) установление соответствия требованиям для режимов обработки, которые применялись к продукции [6]. Важной задачей является в том числе предотвращение повторной радиационной деконтаминации продуктов, которая запрещена. Этот риск возникает, когда для снижения затрат используют комбинированные методы обработки продукции ‒ радиационно-термическая пастеризация. Продукты сначала проходят термическую обработку, а затем радиационную в дозе, которая вполовину ниже от требуемой стандартами [11]. В многокомпонентных продуктах, например в биологически активных (диетических) добавках к пище, радиационно обрабатывают некоторые компоненты. Как сообщается, компоненты биологически активных добавок к пище обычно поставляются из регионов Азии, где они проходят процедуру радиационной деконтаминации [11], что позволяет привести их в соответствие с санитарно-гигиеническими нормативами.

Важно подчеркнуть, что сам факт радиационной деконтаминации возможно подтвердить. Непрерывно проводится разработка и усовершенствование методов, позволяющих установить факт радиационной деконтаминации продукта, и оценить, в какой дозе она проведена [4]. Существует несколько методов, которые могут быть использованы для подтверждения радиационной деконтаминации продуктов [4]. Одним из распространенных в использовании является метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [12]. Ионизирующее излучение индуцирует появление свободных радикалов, которые стабильны с течением времени, являются парамагнитными центрами и позволяют получить спектры ЭПР [4, 7]. Метод ЭПР помогает одновременно оценить общую антиоксидантную активность [13], что важно для радиационно-обработанного продукта. ЭПР является стандартным методом подтверждения радиационной деконтаминации мясной продукции, содержащей костную ткань [6], так как радиационно-индуцированный ЭПР-сигнал обнаруживается даже после термического воздействия [7], хотя для идентификации обработанного мяса и мясных продуктов перспективно использование также методов липидомики (по глобальному липидному профилю) [14]. Метод ЭПР также является стандартным для продуктов, содержащих кристаллический сахар и целлюлозу [6]. Контрольные исследования специй методом ЭПР после радиационной деконтаминации на промышленных установках начали проводить в 1970-х гг. [7]. В настоящее время специи и сухие приправы [4, 7], а также смеси специй [15], т.е. сочетания перемешанных специй и пряных трав, которые являются дополнением к разным блюдам [5], ‒ это продукты, радиационная деконтаминация которых наиболее популярна и распространена. Однако авторы опубликованных исследований специй и трав после радиационной деконтаминации, проведенных методом ЭПР-спектрометрии, отмечают, что тип ЭПР-сигналов и их стабильность с течением времени сильно зависят от материала пробы, температуры, влажности, присутствия кислорода и других факторов, в связи с чем целесообразны получение и оценка спектров ЭПР для каждого типа продукции [7].

Цель исследования - применение метода ЭПР для идентификации факта радиационной деконтаминации готовой продукции (специй), оценка изменения интенсивности (амплитуды) ЭПР-сигнала в зависимости от поглощенной дозы и затухания сигнала с течением времени.

Материал и методы

В рамках выполнения работы использовали сухие специи: имбирь (Zingiber officinale) (ООО "Продлогистика", РФ, 2024 г. урожая), корица молотая (Cinnamomum verum) (ООО "Специи Сибири", РФ, 2024 г. урожая), куркума (Curcuma longa) (ООО "Специи Сибири", РФ, 2024 г. урожая). В эксперименте использовали специи, поставляемые в герметичной заводской упаковке. Сразу после вскрытия упаковки образцы расфасовали в полипропиленовые пробирки емкостью 1 мл. Исходную массовую долю влаги (%) измеряли методом высушивания в сушильном шкафу до постоянной массы при 102 ºС. Массовая доля влаги образцов имбиря составила 6,4±0,06%; корицы - 6,0±0,13%; куркумы - 6,3±0,06%, что соответствует нормативным показателям для данной продукции (ГОСТ ISO 1003-2016 "Пряности. Имбирь (Zingiber officinale Roscoe). Технические условия", ГОСТ ISO 6539-2016 "Пряности. Корица (Cinnamomum zeylanicum Blume). Технические условия"; ГОСТ ISO 5562-2017 "Пряности. Куркума целая и молотая (порошкообразная). Технические условия").

Радиационную обработку ⁶⁰Со образцов проводили на уникальной научной установке (УНУ ГУР-120 № 2795259). Мощность дозы - 5000 Гр/ч. Поглощенные дозы гамма-излучения составили - 1, 3, 5, 7 и 10 кГр. Диапазон доз был выбран в соответствии с реально использующимися для радиационной деконтаминации специй и с заведомым понижением от максимально применяемых доз. Дозиметрический контроль выполняли в соответствии с ГОСТ 34155-2017 "Руководство по дозиметрии при исследовании влияния радиации на пищевые и сельскохозяйственные продукты" и ГОСТ 8.664-2019 "Государственная система обеспечения единства измерений. Пищевые продукты. Радиационная обработка пищевых продуктов. Требования к дозиметрическому обеспечению". Для оценки затухания ЭПР-сигнала спектрометрию проводили сразу после обработки (0 сут), а затем через 7, 14, 28, 90, 180 и 270 сут, в том числе и контрольных образцов. В качестве контроля использовали образцы (0 кГр) без обработки.

После радиационной обработки образцы помещали в герметично закрытые пластиковой пробкой кварцевые пробирки, поэтому влажность образцов в конце периода хранения не превышала начального показателя. В таком виде на протяжении всего эксперимента образцы хранили в лабораторной комнате в темном шкафу при относительной влажности окружающего воздуха не более 75% и температуре не выше 20 ºС. В соответствии с требованиями ГОСТ 31672-2012 "Продукты пищевые. Метод электронного парамагнитного резонанса для выявления радиационно-обработанных продуктов, содержащих целлюлозу" проведение измерений должно быть при температуре окружающего воздуха 10-35 ºС и влажности 45-80%.

Пробоподготовку для ЭПР-спектрометрии проводили путем измельчения в фарфоровой ступке с пестиком, затем просеивания через сито с размером ячеек 0,5 мм. Затем проводили анализ полученных проб на спектрометре ЭПР ESR70-03 XD/2 (Беларусь) на микроволновой полосе X. Частота сверхвысокочастотного излучения (СВЧ) составляла 9,4 ГГц. Навеску сухого измельченного образца по 20 мг из каждой пробирки помещали в специальные кварцевые пробирки (Ø: 4 мм), предназначенные для проведения спектрометрии. Пробирки с веществом опускали в полость с магнитным полем на уровне резонатора и регистрировали сигнал. На один вариант эксперимента было приготовлено по 3 образца продукта.

Условия получения спектров ЭПР: середина поля 3350 Э, диапазон поля 1000 Э, частота модуляции 100 кГц, модуляция 4 Э. Мощность СВЧ 50 мВт для молотого имбиря и молотой корицы и 10 мВт для куркумы. Коэффициент усиления 50, время снятия спектра 600 с. Построены кривые ЭПР-сигналов - интенсивности сигнала в относительных единицах. Проводили попарные сравнения сигналов опытных и контрольных образцов с использованием критерия Манна-Уитни и уровнем значимости 0,05; сравнения повторных измерений ЭПР-отклика в течение 270 сут с измерениями на 0 сут. Процент изменения интенсивности сигнала рассчитывали по уравнению:

где I₀ - интенсивность ЭПР-сигнала контрольного образца, отн. ед.; I - интенсивность ЭПР-сигнала опытного образца, отн. ед.

Расчет g-фактора. Критический параметр, который используют для определения спина электрона и характера изучаемого парамагнитного центра, в спектрометрии ЭПР - безразмерная величина, называемая g-фактором. Его определяли по формуле:

где h=6,62606896×10^-34 - постоянная Планка, Дж×с; ʋ - СВЧ-частота X-диапазона, Гц; β=9,2740×10^-24 - магнетон Бора, Дж/Тл; B - величина магнитного поля, Тл.

Результаты

На спектрах специй, представленных на рынках России, после обработки ⁶⁰Со фиксировали характерные радиационно-индуцированные ЭПР-сигналы. Спектры демонстрируют статистически значимое увеличение ЭПР-сигнала в прямой зависимости от дозы. В эксперименте фиксировали радиационно-индуцированные сигналы даже в образцах, обработанных в низких дозах - 1 кГр. ЭПР-сигналы опытных образцов были различимы между собой и отличались от контроля (рис. 1А-В). Контрольный образец специй имеет ЭПР-сигнал, но индуцированный естественным путем: под действием солнечной радиации. G-фактор, рассчитанный в точке пересечения контура производной с нулевой линией, был равен 2,0042, что свидетельствует о наличии углеродосодержащих радикалов. Близкое до третьего знака значение g-фактора (2,004) получено ранее [16] при ЭПР-идентификации факта радиационной деконтаминации таких специй, как корица, кардамон, имбирь и розмарин. По мнению ряда авторов, такое значение g-фактора характерно для растительных продуктов, что объясняется наличием углеродосодержащих радикалов, и не зависит от факта радиационной деконтаминации [16, 17].

Результаты ЭПР-спектрометрии молотого имбиря, молотой корицы и куркумы показали, что в контроле ЭПР-сигнал имбиря был значимо выше, чем сигналы молотой корицы и куркумы (см. рис. 1А-В). Снятые спектры сразу после обработки показали, что ЭПР-сигнал молотого имбиря был значимо выше контроля при дозе 1 кГр на 87%, а при дозе 10 кГр - на 527% (см. рис. 1А). ЭПР-сигнал молотой корицы сразу после обработки дозой 1 кГр статистически значимо превышал контроль на 110%, а после обработки 10 кГр - уже на 657% (см. рис. 1Б). ЭПР-сигнал куркумы сразу после обработки статистически значимо возрастал по сравнению с контролем на 252% при 1 кГр и на 826% при 10 кГр (см. рис. 1В). ЭПР-сигнал обработанного дозой 10 кГр образца куркумы был статистически значимо самый интенсивный в эксперименте.

Оценка временной стабильности ЭПР-сигнала, которую осуществляли путем повторных измерений сигнала спустя 7, 14, 28, 90, 180 и 270 сут от момента обработки ⁶⁰Со, показала факт затухания сигнала. Таким образом, за время хранения ЭПР-сигнал как контроля (0 кГр), так и радиационно-обработанных образцов специй статистически значимо уменьшился относительно его значения, измеренного сразу после обработки (0 сут) (рис. 2А-В).

Интересно, что спустя 7 сут после обработки ЭПР-сигнал опытных образцов молотого имбиря оставался значимо выше контроля на 38% в дозе 1 кГр и на 191% в дозе 10 кГр; а спустя 270 сут - соответственно на 14 и 37%. При сравнении со значениями сигнала, измеренными сразу после обработки ⁶⁰Со, за время хранения в течение 7 сут после обработки ЭПР-сигнал статистически значимо снизился на 15% в контроле, а у опытных образцов - на 37, 48, 52, 55 и на 60% для дозы 1, 3, 5, 7 и 10 кГр соответственно. Спустя 14 сут по сравнению с измерением на 7 сут ЭПР-сигнал опытных образцов статистически значимо снизился на 21-22% для дозы 1-10 кГр. ЭПР-сигнал молотого имбиря статистически значимо снижался за время хранения в течение 270 сут на 35% в контроле, на 61, 75, 81, 81, 86% соответственно в дозах 1, 3, 5, 7 и 10 кГр относительно значений, измеренных сразу после радиационной обработки (см. рис. 2А).

Сигнал электронного парамагнитного резонанса опытных образцов молотой корицы оставался значимо выше контроля спустя 7 сут после обработки на 21% в дозе 1 кГр и на 131% в дозе 10 кГр. Спустя же 270 сут сигнал опытных образцов оставался значимо выше в дозе 10 кГр на 27,8% и в дозе 7 кГр на 13,4%, а для дозы 1 кГр сигнал был выше только на 3,2%. Интересно, что затухание ЭПР-сигнала молотой корицы происходило быстрее, чем молотого имбиря. Сравнивая со значениями сигнала сразу после обработки ⁶⁰Со, за время хранения в течение 7 сут ЭПР-сигнал статистически значимо снизился на 9% в контроле, а у опытных образцов на 48, 62, 70, 71 и на 72% для дозы 1, 3, 5, 7 и 10 кГр соответственно. Оценивая равномерность снижения сигнала можно отметить, что спустя 14 сут по сравнению со значениями на 7 сут ЭПР-сигнал опытных образцов значимо снижался на 9-28% для дозы 1-10 кГр. ЭПР-сигнал молотой корицы статистически значимо снизился за время хранения в течение 270 сут на 15% в контроле, на 59, 77, 82, 84, 86% соответственно в дозах 1, 3, 5, 7 и 10 кГр относительно значений, измеренных сразу после обработки ⁶⁰Со (см. рис. 2Б).

Сигнал электронного парамагнитного резонанса радиационно-обработанных образцов куркумы значимо превышал контроль спустя 7 сут хранения на 85% для дозы 1 кГр и на 164% для дозы 10 кГр; а спустя 270 сут - на 25% для дозы 1 кГр и на 31% для дозы 10 кГр. Следует отметить, что спустя первые 7 сут хранения ЭПР-сигнал куркумы резко затухал в сравнении с другими специями. Относительно значений сигнала, измеренного сразу после радиационной обработки (0 сут), за время хранения в течение 7 сут после обработки ЭПР-сигнал статистически значимо снизился только у опытных образцов на 47, 63, 66, 71 и на 71% для дозы 1, 3, 5, 7 и 10 кГр соответственно. Сравнивая измерения сигнала спустя 14 сут хранения и спустя 7 сут хранения, можно отметить значимое снижение ЭПР-сигнала в этот промежуток времени на 11-25% для дозы 1-10 кГр. ЭПР-сигнал куркумы статистически значимо снижался за время хранения в течение 270 сут на 15% в контроле, на 69, 83, 85, 88 и на 88% соответственно в дозах 1, 3, 5, 7 и 10 кГр относительно значений, измеренных сразу после радиационной обработки (см. рис. 2В).

Обсуждение

Спектры ЭПР специй, представленных на рынках России и выбранных для настоящего исследования, хорошо соотносятся с данными литературы и характерны для овощей и специй [7]. Известно о трудности различения обработанных и необработанных образцов из-за того, что наблюдается только одна линия спектра до и после радиационной деконтаминации. Это связано с тем, что ЭПР-сигналы, индуцированные естественным путем и индуцированные ионизирующим излучением в растительных тест-объектах, имеют одинаковый g-фактор в спектрах X- и Q-диапазонов. Это делает их неразличимыми независимо от различий источника индуцирования сигнала [7]. Таким образом, единственным отличием между обработанными и необработанными образцами растительных тест-объектов является значительное увеличение амплитуды естественной синглетной линии, т.е. только увеличение интенсивности ЭПР-сигнала относительно контроля, что может быть использовано как доказательство предшествующей радиационной деконтаминации специй и пряных трав.

Результаты нашего исследования подтверждают данные других авторов [4, 7, 16] и демонстрируют, что после радиационной деконтаминации специй происходит значимое увеличение амплитуды естественного сигнала, которое прямо пропорционально поглощенной дозе. Считается, что свободных радикалов от воздействия радиационной деконтаминации образуется немного, поскольку амплитуда сигналов, индуцированных ионизирующим излучением, медленно снижается со временем, независимо от наличия доступа воздуха, и полностью исчезает после обработки водой [7]. Результаты нашего исследования подтверждают затухание ЭПР-сигналов, индуцированных как ионизирующим излучением, так и действием солнечной радиации со временем.

Поскольку сообщается, что амплитуда сигнала ЭПР может варьировать в зависимости от влажности образца, мы в экспериментах использовали сухие специи. Одной из специй в качестве объекта исследования выбран сухой молотый имбирь (Zingiber officinale), суточное потребление которого согласно расчету [5] составляет 0,324 г на взрослого человека в России. Согласно результатам исследования [16] обработка имбиря дозами 5 и 10 кГр не приводит к изменению амплитуды ЭПР-сигнала, однако обработка дозой 20 кГр вызывает его изменение. Одной из возможных причин расхождения наших результатов с данными, опубликованными авторами, может быть влажность образцов. В обзорной части всех экспериментальных статей, посвященных ЭПР-спектрометрии, подчеркивается, что влажность образца является ключевым фактором, который может существенно снизить интенсивность сигнала. Авторами показано, что контрольные и обработанные при 20 кГр образцы имбиря можно различить по ЭПР-сигналам и при сроке хранения до 3 мес [16]. В нашем исследовании было показано, что затухание сигнала происходит быстро в течение первых 7 сут после обработки ‒ от 37 до 60% в дозах от 1 до 10 кГр соответственно. Далее скорость затухания ЭПР-сигнала снижалась. В более ранней работе [18] показано, что радиационно-обработанные образцы имбиря позволяют получить типичные спектры с g-фактором 2,006, которые значимо отличаются от контроля, что согласуется с результатами нашего исследования: ЭПР-сигналы опытных образцов имбиря, обработанных в дозах 1-10 кГр, значимо отличались от таковых, полученных для контроля.

Другим объектом нашего исследования была выбрана молотая корица (Cinnamomum verum). Эта специя интересна тем, что в ней не обнаруживают вторичные метаболиты аспергилла и пеницилла, что, предположительно, связано с наличием у корицы фунгицидных свойств. Отмечается перспективность использования экстрактов корицы для подавления роста мицелия аспергиллов [5]. В нашем исследовании после обработки дозами 1-10 кГр амплитуда сигнала увеличивалась на 110-657% относительно контроля. Затухание ЭПР-сигнала обработанной молотой корицы было максимальным в первые 7 сут ‒ на 48-72%. Полученные нами данные соответствуют результатам других авторов [16], отмечавших, что даже спустя 10 мес хранения можно было обнаружить сигнал образцов, обработанных дозой 20 кГр, и отличить от контрольного.

Третьей специей для исследования была выбрана куркума (Curcuma longa), поскольку она очень часто подвергается радиационной деконтаминации вследствие высокой эффективности такой обработки. Гамма-излучение позволяет снизить микробиологическую обсемененность куркумы на 5 логарифмов [19]. Результаты эксперимента показали, что затухание ЭПР-сигнала куркумы в течение первых 7 сут хранения от момента обработки тоже было максимальным - на 47-71%. Полученные нами данные в целом соответствуют результатам других авторов [16] для доз до 10 кГр. После 10 мес хранения образцов, обработанных дозой 20 кГр, их сигнал можно было отличить от контрольного [16]. Другие авторы также показали, что количество свободных радикалов увеличивается во всех радиационно-обработанных образцах куркумы сразу после обработки, но со временем уменьшается [19]. ЭПР-сигнал снижался в течение первых 7 сут во всех обработанных образцах и затухал до уровня контроля через 21 сут. После 21 сут хранения количество свободных радикалов во всех контрольных и обработанных образцах куркумы было одинаковым. Авторы считают, что свободные радикалы, индуцированные гамма-излучением, разрушались во время хранения и полностью исчезали через 21 сут [19]. Интересно, что содержание биологически активных соединений - куркуминоидов - в порошке куркумы тоже увеличивалось после обработки в дозах до 10 кГр [19]. Гамма-излучение ⁶⁰Co до 10 кГр может быть использовано для обработки куркумы, поскольку не снижает ее антиоксидантные свойства. Обработка же более высокими дозами снижает антиоксидантные свойства [20], что делает актуальным мониторинг факта радиационной деконтаминации куркумы.

Результаты нашего исследования показывают, что спустя 9 мес с момента радиационной деконтаминации в образцах оставалось достаточное количество радиационно-индуцированных радикалов, и поэтому ЭПР-спектры обработанных в дозах 1-10 кГр специй можно было отличить от контрольных. Это подтверждает возможность установления факта обработки молотой корицы, куркумы и молотого имбиря предельно допустимой дозой в течение разумного срока хранения. Анализируя собственные результаты исследования, стоит отметить, что увеличение сигнала после обработки высокими дозами не столь существенное, что может быть связано с тем, что достигнут предел возможных свободнорадикальных процессов в образце или же, другими словами, наблюдается эффект насыщения образца. Затухание сигнала, вероятно, связано с рекомбинацией радикалов - рациационно-индуцированных парамагнитных центров. Стоит отметить, что чем выше доза гамма-излучения, тем сильнее происходит затухание сигнала, так как образуется больше короткоживущих и неустойчивых радикалов по сравнению с обработкой относительно низкими дозами. Можно сделать вывод, что сухие специи подходят для ЭПР-спектрометрии и анализ ЭПР-сигналов позволяет идентифицировать факт их радиационной деконтаминации.

Отметим отдельно, что влажность образца является в определенном смысле ограничивающим фактором, потому что оказывает влияние на результаты ЭПР-спектрометрии. Повышенное содержание влаги оказывает двойное воздействие на процесс регистрации сигнала. С одной стороны, влага может способствовать частичной рекомбинации радиационно-индуцированных парамагнитных центров и, как следствие, некоторому снижению амплитуды сигнала [16, 21]. С другой стороны, высокая влажность создает техническое ограничение регистрации спектров ЭПР, связанное с поглощением микроволнового СВЧ-поля водой. Вода обладает высокой комплексной диэлектрической проницаемостью и характеризуется значительными потерями, поэтому даже при умеренном содержании влаги происходит деградация добротности резонатора, ослабление СВЧ-магнитного поля внутри образца и ухудшение согласования с волноводом. В результате снижается отношение сигнал/шум, возрастает уровень фона, а спектры становятся искаженными или плохо воспроизводимыми [22]. Таким образом, именно поглощение микроволнового излучения водой, а не химическая утрата парамагнитных центров является основным фактором, ограничивающим чувствительность ЭПР-спектрометрии при высокой влажности.

Следует отметить, что выявленное ограничение носит технический характер и не исключает возможности применения ЭПР-спектрометрии для анализа образцов. При необходимости регистрации спектров у образцов с повышенной влажностью достаточно провести предварительное высушивание до стабильного состояния, не изменяющего структуру и природу радиационно-индуцированных центров. Высушивание в данном случае не является процедурой модификации продукта, а используется исключительно для обеспечения корректной работы измерительной системы и восстановления условий, при которых сигнал может быть зарегистрирован. Такая корректировка влажности соответствует стандартной лабораторной практике и предусмотрена нормативными документами (ГОСТ Р 52529- 2006, ГОСТ 31652-2012, EN 1787:2000, EN 13708:2001 и др.), регламентирующими подготовку образцов для ЭПР-анализа пищевых продуктов.

При приведении влажности образца к нормативным значениям, предусмотренным для конкретного вида продукции, условия регистрации сигнала в резонаторе стабилизируются, что позволяет достоверно регистрировать ЭПР-спектры. Это демонстрирует возможность применения метода к различным видам пищевых продуктов при контролируемых параметрах влажности.

В настоящей работе измерения проводились на образцах с контролируемой массовой долей влаги около 6% без предварительной сушки образцов перед регистрацией, что обеспечивает стабильные условия для ЭПР-спектрометрии и соответствует оптимальному диапазону для воспроизводимых спектров. В этих условиях были получены отчетливые радиационно-индуцированные сигналы, позволяющие уверенно идентифицировать факт обработки.

Таким образом, влияние влажности на результаты ЭПР-анализа проявляется преимущественно через физические ограничения регистрации сигнала, вызванные поглощением микроволнового излучения водой. Для получения достоверных ЭПР-спектров рекомендуется проводить измерения при массовой доле влаги, не превышающей нормативные значения. При превышении этого уровня допускается предварительное подсушивание образца до стабильного состояния, обеспечивающего корректную работу СВЧ-резонатора, без изменения структуры и природы радиационно-индуцированных центров при соблюдении нормативных требований. Это обеспечивает оптимальные условия для надежного детектирования и корректной работы резонатора.

Заключение

Оценка ЭПР-сигналов может быть использована для установления факта радиационной деконтаминации и последующего радиационного мониторинга монокомпонентных специй, реализуемых на потребительском рынке России. Результаты показали, что радиационно-обработанные образцы специй возможно однозначно отличить и, соответственно, отделить от контрольных. Поглощенные дозы, которыми воздействовали на специи, можно было дифференцировать по амплитуде специфичных ЭПР-сигналов. Установлено, что после обработки ⁶⁰Со молотого имбиря, молотой корицы и куркумы, представленных на рынках России, происходят окислительные процессы и образуются свободные радикалы, о чем свидетельствуют зарегистрированные ЭПР-сигналы. С увеличением поглощенной дозы гамма-излучения амплитуда сигнала линейно возрастает, что свидетельствует о росте концентрации парамагнитных центров в специях. G-фактор специй в точке пересечения производной линии с нулевой равен 2,0042, что свидетельствует о наличии углеродосодержащих радикалов. После обработки в дозах от 1 до 10 кГр ЭПР-сигнал статистически значимо дозозависимо возрастал по сравнению с контролем - в опытных образцах молотого имбиря на 87-527%, молотой корицы на 110-657%, куркумы на 252-826%. ЭПР-сигнал специй затухал со временем, при этом затухание сигнала было особо значительным в первые полмесяца хранения у всех исследованных специй, с последующим более медленным затуханием в течение 9 мес. Наблюдались различия в падении ЭПР-сигнала в зависимости от специи: куркума демонстрирует наиболее быстрое снижение по сравнению с молотым имбирем и молотой корицей, а имбирь показал наибольшую устойчивость сигнала за 9 мес хранения. Наибольшее статистически значимое снижение ЭПР-сигнала радиационно-обработанных образцов специй фиксировали после 7 сут хранения: молотого имбиря ‒ на 37-60%, молотой корицы ‒ на 48-72%, куркумы ‒ на 47-71%.

References

1. Kobelev K.V., Sevost’yanova E.M., Kharlamova L.N., Lazareva I.V., Khomich L.M. Determination of carbohydrate content in soft drinks. Methodological aspects and results of research using various methods. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2024; 93 (4): 112–20. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2024-93-4-112-120 (in Russian)

2. Timakova R.T. Evaluation of antioxidant activity of fresh apples different pomological varieties after treatment with ionizing radiation. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2018; 87 (3): 66–71. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2018-10033 (in Russian)

3. Feliciano C.P. High-dose irradiated food: current progress, applications, and prospects. Radiat Phys Chem. 2018; 144: 34–6. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2017.11.010

4. Oliveira M.M., Cruz‐Tirado J.P., Barbin D.F. Nontargeted analytical methods as a powerful tool for the authentication of spices and herbs: a review. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2019; 18 (3): 670–89. DOI: https://doi.org/10.1111/1541-4337.12436

5. Chaly Z.A., Kiseleva M.G., Sedova I.B., Tutel’yan V.A. Mycotoxins in spices consumed in Russia. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2023; 92 (2): 26–34. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2023-92-2-26-34 (in Russian)

6. Kuvykina M., Pryadka A., Tenishev V., Gorskiy A., Aprelev A. Application of the electronic paramagnetic resonance method for detecting radiation-processed food products. J Phys Conf Ser. 2022; 2192: 012023. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2192/1/012023

7. Aleksieva K.I., Yordanov N.D. Various approaches in EPR identification of gamma-irradiated plant foodstuffs: a review. Food Res Int. 2018; 105: 1019–28. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2017.11.072

8. Rusakov V.N., Yesaulova O.V. Current issues of radiation exposure of food products in the Russian Federation. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2023; 92 (S5): 215–6. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2023-92-5s-266 (in Russian)

9. Timakova R.T., Romanova A.S., Kurdyumov A.V., Tararkov A.N. Assessment of radiation safety of food products by paramagnetic resonance method. Agroprodovol’stvennaya politika Rossii [Agro-Food Policy of Russia]. 2016; 9 (60): 83–8. (in Russian)

10. Gorbachev D.O. Assessment of the radiation risk to health caused by the intake of Cs-137 and Sr-90 radionuclides from food in the able-bodied population of the Samara region. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2024; 93 (4): 58–64. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2024-93-4-58-64 (in Russian)

11. Guzik G.P., Michalik J. European inter-comparison studies as a tool for perfecting irradiated food detection methods. Nukleonika. 2021; 66 (3): 91–7. DOI: https://doi.org/10.2478/nuka-2021-0013

12. Medzhidov I.M., Polyakova I.V., Gorbatov S.A., Petrukhina D.I., Shishko V.I., Tkhorik O.V., et al. EPR-study the decay kinetics of free radicals in irradiated sucrose. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta imeni N.E. Baumana. Seriya Estestvennye nauki [Bulletin of the Moscow State Technical University named after N.E. Bauman. Series: Natural Sciences]. 2023; 4 (109): 141–58. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-4-141-158 (in Russian)

13. Frolova Yu.V., Kochetkova A.A. Application of the electron paramagnetic resonance method for assessing the antioxidant activity of plant materials. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2023; 92 (S5): 203–204. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2023-92-5s-250 (in Russian)

14. Rusakov V.N. Using lipidomics methods to identify radiation-exposed meat. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2023; 92 (S5): 215. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2023-92-5s-265 (in Russian)

15. Jeong S.G., Yang J.E., Park J.H., Ko S.H., Choi I.S., Kim H.M., et al. Gamma irradiation improves the microbiological safety and shelf-life of kimchi seasoning mixture. LWT. 2020; 134: 110144. DOI: https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.110144

16. Khan A.A., Shahid M.K. Detection of radiation treatment of spices using Electron Spin Resonance Spectroscopy technique. JOSAC (Journal of Spices and Aromatic Crops). 2021; 30 (1): 107–16. DOI: https://doi.org/10.25081/josac.2021.v30.i1.6855

17. Baek M.E., Ameer K., Jo Y., Chung N., Choi M., Kim J.O., et al. Microbial assessment of medicinal herbs (Cnidii Rhizoma and Alismatis Rhizoma), effects of electron beam irradiation and detection characteristics. Food Sci Biotechnol. 2020; 29: 705–15. DOI: https://doi.org/10.1007/s10068-019-00701-w

18. Choi I.D., Byun M.W., Kwon J.H., Kim D.H. An application of photo-stimulated luminescence (PSL) and electron spin resonance (ESR) analysis for the irradiated spicy vegetables. Food Sci Biotechnol. 2004; 13 (5): 646–50.

19. Aghamohseni Z., Esmaeili S., Ardestani S.B., Akbari M.E., Moslehi A., Khanniri E., et al. Effects of gamma and electron-beam irradiations on the stability of free radicals, bioactive compounds and microbial characteristics of turmeric powder. Radiat Phys Chem. 2025; 227: 112368. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2024.112368

20. Almeida M.C., Sampaio G.R., Bastos D.H.M., Villavicencio A.L.C.H. Effect of gamma radiation processing on turmeric: antioxidant activity and curcumin content. Radiat Phys Chem. 2018; 152: 12–6. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2018.07.008

21. Stachowicz W., Burlinska G., Michalik J. EPR detection of foods preserved with ionizing radiation. Radiat Phys Chem. 1998; 52 (1-6): 157–60. DOI: https://doi.org/10.1016/S0969-806X%2898%2900066-8

22. Nesmelov Y.E., Gopinath A., Thomas D.D. Aqueous sample in an EPR cavity: sensitivity considerations. J Magn Reson. 2004; 167 (1): 138–46. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmr.2003.12.005

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.