ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭМП НЧ В ЭКСТРАКЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Поиск ресурсосберегающих технологий является одной из актуальных задач стоящих перед современной перерабатывающей промышленностью. Внедрение в производство достижений современной физики, химии, радиоэлектроники и биологии позволяет существенно снизить энергетические затраты и соответственно уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.
Биологические системы, как растительного, так и животного происхождения постоянно находятся под воздействием естественных и искусственных источников электромагнитного поля и в ходе эволюции у них выработались механизмы восприятия информации о состоянии окружающей среды посредством взаимодействия с электромагнитным полем.
К естественным источникам излучения относятся Солнце, планеты Солнечной системы, другие космические объекты. Излучение невозмущенного Солнца на частотах 100300 ГГц у поверхности Земли равно 2∙10-6 Вт/м2 и может, изменятся в пределах ±30 % [1].
Мощность искусственных источников электромагнитного поля (ЭМП) может значительно превышать фоновую создаваемую естественными источниками.
Действие электромагнитного поля (ЭМП) на биосистемы исследуется практически с момента появления первых генераторов ЭМП. Воздействие ЭМП на биологические системы значительной напряженности (приводящие к тепловым эффектам в биосистемах) исследованы в настоящий момент достаточно полно, слабые воздействия низко интенсивных полей (нетеплового характера) пока изучены недостаточно.
В исследовании слабых воздействий традиционный подход, связанный с описанием количественных характеристик объектов наталкивается на принципиальные и непреодолимые трудности. В этой области существенную роль играют количественные характеристики воздействия (например, когерентность или какая либо упорядоченность) [2].
Кроме того, при воздействия первого типа у биологических объектов включаются, как правило, защитные механизмы, которые способствуют компенсации этого воздействия, в случае же слабых воздействий этого, как правило, не наблюдается.
В связи с тем, что диапазон неионизирующих электромагнитных излучений достаточно широк 10‑4 до 1015 Гц действие отдельных участков спектра ЭМП остается мало исследованным [3].
Так действию ЭМП крайне низкочастотного диапазона (КНЧ) (3–30 Гц) и сверхнизкочастотного диапазонов посвящено огромное число работ, особенно возросшее за последние 10 лет, но первичный механизм этого действия до сегодняшнего дня остается до конца неясным [4].
Также значительный интерес для пищевой промышленности представляют фундаментальные работы, выполненные под руководством академика Девяткова Н.Д. по влиянию низко интенсивного сверхвысокочастотного и крайне высокочастотного излучения на биологические системы [5].
На основе известных результатов в области фундаментальных биофизических исследований становится возможной разработка новых мало-энергоемких способов обработки сельскохозяйственных объектов с целью увеличения урожайности, технологий хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СЫРЬЕ РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Шкала электромагнитных волн. Элементы теории поля
Спектр электромагнитных волн, которое способно генерировать человечество с помощью разнообразных технических устройств достаточно широк. В биофизике приняты следующие названия диапазонов электромагнитных волн [6], которые приведены в таблице 1.
Степень практического освоения различных диапазонов волн в различных областях радиотехники неодинакова. Длинные, средние, короткие волны, ультракороткие дециметровые достаточно хорошо освоены, то есть легко генерируются и широко используются, то сантиметровые и миллиметровые волны в основном освоены техникой радиолокации, техникой радиорелейной связи и дальней связи по волноводам. Согласно регламенту радиосвязи электромагнитные волны нижняя граница которых составляет 30 Гц и верхняя 3∙1012 относятся к радиодиапазону, то есть служат для передачи и приема информации [7]. Последнее время в связи с успехами в создании лазерной техники идет широкое освоение субмиллиметровых, инфракрасных и световых волн для передачи и приема информации и других нужд народного хозяйства.
В биофизике электромагнитные волны спектр, которых простирается от крайне низкочастотных до ультравысокочастотных принято называть электромагнитным полем, а волны спектр которых находится выше указанной верхней границы электромагнитными излучениями. Это связано с тем, что электромагнитные волны частоты которых лежат выше 300 МГц, могут привести ионизационным эффектам в биосистемах.
Таблица 1 – Шкала электромагнитных волн
Название диапазона | Диапазон волн, м | Полоса частот, Гц | Энергия кванта, Эв |
Электромагнитное поле | |||
Крайне низкочастотное | 108–107 | 3–30 | 1,24∙10-14–1,24∙10-13 |
Сверхнизкочастотное | 107–106 | 30–3 102 | 1,24∙10-13–1,24∙10-12 |
Инфранизкочастотное | 106–105 | 3∙104–3∙105 | 1,24∙10-12–1,24∙10-11 |
Очень низкочастотное | 105–104 | 3∙103–3∙104 | 1,24∙10-11–1,24∙10-10 |
Низкочастотное | 104–103 | 3∙104–3∙105 | 1,24∙10-10–1,24∙10-9 |
Среднечастотное | 103–102 | 3∙105–3∙106 | 1,24∙10-9–1,24∙10-8 |
Продолжение таблицы 1 | |||||
Высокочастотное | 102–10 | 3∙106–3∙107 | 1,24∙10-8–1,24∙10-7 | ||
Очень высокочастотное | 10–1 | 3∙107–3∙108 | 1,24∙10-7–1,24∙10-6 | ||
Излучения | |||||
Ультравысокочастот-ное (дециметровое) | 1–10-1 | 3∙108–3∙109 | 1,24∙10-6–1,24∙10-5 | ||
Сверхвысокочастот-ное (сантиметровое) | 10-1–10-2 | 3 109–3∙1010 | 1,24∙10-5–1,24∙10-4 | ||
Крайне высокочастотное (миллиметровое) | 10-2–10-3 | 3∙1010–3∙1011 | 1,24∙10-4–1,24∙10-3 | ||
Децимиллиметровое | 10-3–10-4 | 3∙1011–3∙1012 | 1,24∙10-3–1,24∙10-2 | ||
Инфракрасное излучение | |||||
Далекое | 10-4–5∙10-5 | 3∙1011–3∙1012 | 1,24∙10-2–2,18∙10-2 | ||
Средние | 5∙10-5–2,5∙10-6 | 6∙1012–1,2∙1014 | 2,48∙10-2–4,96∙10-4 | ||
Ближние | 2,5∙10-6–7,6∙10-7 | 1,2∙1014–3,95∙1014 | 4,96∙10-1–1,63 | ||
Видимое | 7,6∙10-7–4∙10-7 | 3,95∙1014–7,5∙1014 | 1,63–3,10 | ||
Ультрафиолетовое излучение | |||||
Ближние | 4∙10-7–2∙10-7 | 7,6∙1014–1,5∙1015 | 3,10–6,20 | ||
Далекое | 2∙10-7–10-8 | 4,5∙1015–3∙1016 | 6,20–1,24∙102 | ||
Рентгеновское излучение | |||||
Низкоинтенсивное | 10-7–2∙10-10 | 3∙1015–1,5∙1018 | 12,40–6,20∙103 | ||
Высокоинтенсивное | 2∙10-10 –10-11 | 1,5∙1018–3∙1019 | 6,20∙103–1,24∙105 | ||
Гамма-излучение | |||||
Гамма-излучение | 10-10–10-13
и менее |
3∙1018–3∙1021
и более |
1,24∙104–1,24∙107
и более |
||
Электромагнитные волны различных диапазонов распространяются в пространстве неодинаково. Различие условий распространения электромагнитных волн обусловлено прежде всего тем, что на разных частотах меняется соотношение между током смещения и током проводимости среды.
Строгое описание физических явлений и структуры электромагнитных волн в различных устройствах генерирующих эти волны (в том числе используемых для обработки сырья растительного и животного происхождения) сводится к уравнениям Максвелла или следующими из них волновым уравнениям при заданных координатах, параметрах границ рассматриваемой области и параметрах среды заполняющих область.
Максвелл сформулировал два основных уравнения электродинамики путем обобщения экспериментальных законов полного тока и индукции [8]. Он предположил, что изменяющееся во времени электрическое поле Е, например поле между обкладками конденсатора, способно, подобно току проводимости, создавать магнитное поле Н. Для качественной оценки этого эффекта Максвеллом введено понятие тока смещения Iсм и установленно, что плотность тока смещения Iсм определяется из следующего уравнения:
Iсм = ¶D/¶t = e0¶E/¶t + ¶P/¶t = ea¶E/¶t, (1)
где D – индукция электрического поля; Р – поляризуемость среды.
Из первого уравнения Максвелла видно, что: если в некоторой точке пространства существует переменное электрическое поле, создающее токи проводимости и смещения, то в окрестности этой точки возникает переменное вихревое магнитное поле, создаваемое этими токами. Электрическое и создаваемое им магнитное поля образуют правовинтовую систему.
Обобщая закон индукции, Максвелл предположил, что всякое изменение магнитного поля во времени вызывает (независимо от параметров среды) появление электрического поля, и сформулировал второе уравнение, которое утверждает: если в некоторой точке пространства существует переменное магнитное поле, то в окрестности этой точки возникает переменное вихревое электрическое поле.
Гармоническое электрическое поле может быть вихревым и потенциальным или представлять собой суперпозицию потенциального и вихревого полей, в то время как магнитное поле может быть только вихревым.
Уравнения Максвелла позволяют сделать вывод о тесной связи электрической и магнитной составляющих в переменном электромагнитном поле. Эта взаимосвязь выражается в том, что созданное сторонними источниками меняющееся во времени электромагнитное поле может существовать вне этого источника за счет собственной энергии путем преобразования энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно.
Условия распространения электромагнитных волн и защиты окружающей среды от электромагнитных полей
На наш взгляд, весьма важно рассмотреть вопросы распространения электромагнитных волн радиочастотного диапазона в пространстве.
Свободное пространство можно рассматривать как однородную не поглощающую среду с e = 1. В действительности таких сред не существует, однако выражения, описывающие условия распространения радиоволн в этом простейшем случае, являются фундаментальными. Распространение радиоволн в более сложных случаях характеризуется теми же выражениями с внесением в них множителей, учитывающих влияние конкретных условий распространения.
Любую биологическую систему в целом можно эквивалентно представить как приемник электромагнитных волн, а отдельные ее участки можно (в отдельных случаях и всю систему в целом) рассматривать, как антенны поглощающие энергию электромагнитных волн.
Для проектирования различных систем необходимо определить напряженность электрического поля волны в определенной точке.
Для свободного пространства плотность энергии S (Вт/м2) на расстоянии r (м) от точечного источника, излучающего радиоволны равномерно во всех направлениях, связана с мощностью, излучаемой этим источником Ризл (Вт) следующей зависимостью:
S = Ризл/4pr2. (2)
На практике антенна излучает энергию по разным направлениям неравномерно. Для учета степени неравномерности излучения вводят коэффициент направленного действия антенны, который показывает во сколько раз изменяется плотность мощности на данном расстоянии от излучателя при направленном излучателе по сравнению с ненаправленным (изотропным) излучателем.
При использовании направленного излучателя происходит пространственное перераспределение мощности, в результате чего в некоторых направлениях плотность мощности повышается, а в других снижается по сравнению со случаем использования изотропного излучателя. Применение направленных антенн позволяет получить в G раз большую плотность мощности в точке приема или в G раз снизить мощность передатчика.
Величина G является функцией углов наблюдения: в горизонтальной плоскости x и в вертикальной q. Обычно антенна создает максимальное излучение лишь в некотором направлении (x0q0), для которого G приобретает максимальное значение Gмакс = G(x0q0). Зависимость величин G от углов x и q называют диаграммой направленности антенны по мощности, а отношение F2 (x,q) = G(xq) / Gмакс – нормированной диаграммой направленности антенны по мощности.
Плотность мощности на расстоянии r от направленной излучающей антенны:
S = РизлGмаксF2(x,q)/4pr2 (3)
Амплитуда напряженности электрического поля радиоволны в свободном пространстве связана с плотностью энергии этой волны
Е2 = 240 pS, (4)
откуда определяется амплитудное значение напряженности электрического поля в свободном пространстве Е (В/м) на заданном расстоянии r от излучателя:
E = (60Ризл Gмакс)1/2 F(x,q)/r (5)
Мгновенное значение напряженности поля волны е (В/м) на расстоянии r (м) от излучателя записывается в форме:
e = ((60Ризл Gмакс)1/2 F(x,q) cos (wt – wr/c))/r, (6)
где аргумент (wt – wr/c) – фаза бегущей волны, являющейся функцией времени t и расстояния r.
Мощность, определяемую на расстоянии r от излучателя, можно вычислить согласно выражению:
Рпр = SАэфф = АэффЕ2/240p, (7)
где Аэфф = Gпр l2 /4p – эффективная площадь приемной антенны, которая характеризует площадь приемной антенны, то есть площадь фронта волны, из которой антенна извлекает радиочастотную энергию.
Мощность Рпр удобно определять непосредственно через мощность Ризл и величину излучающей антенны:
Рпр = Ризл Gизл Gпрl2 /(4pr)2 (8)
Ослабление радиоволн в свободном пространстве определяется как отношение Р/Ризл, и называется потерями передачи в свободном пространстве.
Действие сверхвысокочастотного и крайне высокочастотного излучения на различные биосистемы
Исследования по воздействию сверхвысокочастотного излучения (СВЧ) на биологические объекты началось практически одновременно с освоением диапазона СВЧ.
В настоящее время имеется ряд сообщений о влиянии СВЧ ЭМП на активный и пассивный транспорт ионов (К+, Na+, Rb+) через мембраны эритроцитов, не сводящимся к эффектам интегрального нагрева облучаемого препарата [9].
В работе [10] сообщается об обнаружении изменения скорости транспорта ионов под воздействием СВЧ ЭМП лишь в определенных интервалах температур, соответствующих изломам температурной зависимости транспорта ионов.
Эффекты, связанные с изменением параметров биосистем объясняли тепловым нагревом определенных участков обрабатываемых объектов. Так стерилизующее действие СВЧ излучения промышленной частоты (2375 МГц) в непрерывных и импульсных режимах генерации на вегетативные формы кишечной палочки и стафилококка при температуре (25–42)°С установили в работе [11].
При этом бактерицидный эффект наиболее выражен в импульсном режиме воздействия ЭМП.
Однако, известны и другие механизмы действия ЭМП на биосистемы. Приведение в механическую резонансную пульсацию основано на физическом эффекте, открытым Антоновым Е.В., с соавторами [51]. Первоначально запатентованные на базе этого эффекта способы были предложены для обнаружения диэлектрических частиц (пузырьков газа, капелек жидкости) в исследуемых объектах.
Поскольку клетка микроорганизма представляет собой диэлектрическую частицу, оболочка которой (стенки клетки) менее пластична, чем внутренность клетки – цитоплазма, являющаяся жидкостью близкой по своим электрическим свойствам к воде, то изменение параметров воздействующего сигнала приводит к изменению стягивающих сил в капле и к изменению её деформации. Подбором параметров облучающего электрического сигнала можно добиться того, что деформация капли во времени осуществляется с её собственной резонансной частотой, при этом амплитуда периодической деформации капли будет максимальной и сила деформации может разрушить оболочку клетки или надорвать её. Так как размеры и форма клеток отличаются друг от друга, то приходится использовать модулированные сигналы. По мнению авторов, диапазон несущих частот сигнала может лежать в очень широких пределах. От несущей частоты зависит лишь глубина проникновения электромагнитной волны в биологический объект, а эффективность воздействия ЭМП зависит от формы сигнала, то есть его непосредственной модуляции [10].
В ряде работ, посвященных действию ЭМП на микроорганизмы, отмечается стимулирующее действие СВЧ излучения.
Идея о возможности специфического воздействия электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн (ММ) на биологические объекты, структуры и организмы впервые была высказана Н.Д. Девятковым и М.Г. Голантом в 1964 г [12]. В рамки привычных представлений не укладывалась возможность не вызывающих заметного нагрева тканей и сред влияния электромагнитного излучения на жизнедеятельность организмов.
Английским физиком Г. Фрелихом одним из первых был предложен механизм генерации колебаний живыми организмами [13].
Суть гипотезы состояла в следующем: как известно, биологические системы могут иметь поляризационные дипольные колебания в диапазоне частот от 100 до 1000 ГГц или с длиной волны от 0,3 до 3 мм. В результате процессов жизнедеятельности в биологических клетках происходит сообщение энергии дипольным колебаниям. С помощью нелинейных эффектов взаимодействия дипольных колебаний и нелинейной связи этих колебаний с упругими колебаниями может произойти переход системы в метастабильное состояние, в котором энергия внешнего источника трансформируется в энергию одного вида колебаний.
Высказывалась и другая гипотеза под названием “белок-машина”, которая принадлежит российским физикам Д.С. Черковскому, Ю.И. Хургину и С.Э. Шнолю. Согласно этой гипотезе возможен запас электромагнитной энергии в форме напряженного состояния биомакромолекулы. Это состояние является частным случаем когерентного состояния молекулы.
Выше описанные концепции объединяет предположение о существовании в биологических структурах выделенной степени свободы.
Ряд эффектов обусловлен большим избирательным поглощением миллиметрового излучения (ММ) молекулами воды, приводящим к конвекции жидкости в облучаемом образце. С конвекцией связывают изменение транспорта заряженных частиц и различных веществ через мембраны, имеющие большое биологическое значение [14].
В работе [15] приводятся данные исследований возможного характера частотной зависимости удельной поглощаемой энергии в препаратах, помещенных в диэлектрическую кювету, которые показывают, что интерференция ЭМП обуславливает периодическую зависимость удельной поглощаемой энергии от частоты облучения. Слой диэлектрика на поверхности облучаемого препарата может играть роль трансформатора импульсов между воздухом и поглощающей средой, частично или полностью компенсирующего отражение энергии от поглощающего слоя [16].
Т.Б. Ченской и И.Ю. Петровым в инфракрасном (колебательном) спектре фиксировалось изменение химического равновесия системы C5H5N + HOH « C5H5N … HOH. Объектом воздействия служил неполярный растворитель (четыреххлористый углерод, CCl4), содержащий полярную систему вода – пиридин с водородной связью. Как уже упоминалось, растворитель CCl4 разрушает водородные связи, поэтому раствор воды в CCl4 дает в ИК-спектре лишь полосы вблизи частот 3600 и 3680 см-1, отражающие колебания ОН группы молекулами H2O. При добавлении пиридина C5H5N появляется новая широкая полоса, имеющая пониженную частоту (3400 см-1), она свидетельствует об образовании комплекса C5H5N … НОН. При облучении раствора (l = 8,6 мм; I » 12,5 мВт/см2) изменялась интенсивность лишь последнего спектра, т. е. КВЧ-излучение препятствует образованию водородной связи между молекулами воды и пиридина. При этом тепловой эквивалент DT составил примерно 5°С, хотя термопарные изменения (с точностью не ниже 0,3°С) показали, что облучение не изменяет температуры раствора [17].
Эти факты не противоречат предположению о том, что облучение вызывает раскачку группы ОН, благодаря чему в указанной реакции химическое равновесие смещается влево, (то есть увеличивается концентрация молекул НОН, не имеющих водородной связи).
Возможно, что облучение уменьшает вероятность образования водородной связи “вода–белок”. Предполагается, что этот эффект приводит к непосредственному действию КВЧ-излучения на конформацию белковой части АТФ-фазного комплекса.
Основной общий вывод автора работы заключается в том, что КВЧ-облучение клетки приводит АТФ-фазный комплекс в состояние повышенной ферментативной активности (можно отметить, что в этом плане различие растительных и животных клеток несущественно). Продуктом синтеза является универсальная “валюта” клетки – АТФ, увеличение количества которой может повлиять уже на многие процессы жизнедеятельности. Однако синтез АТФ продолжается лишь до тех пор, пока не будут использованы все необходимые для реакции химические компоненты (субстраты), например АДФ. Этим обстоятельством, вероятно, ограничивается оптимальное время воздействия (оно близко к 30 мин).
Таким образом, просматриваются дне стадии воздействия: собственно физическая и биохимическая. Первая стадия, которую, если угодно, можно назвать первичным механизмом воздействия, практически без инерционна, она сводится к изменению подвижности и конформации белка-фермента через раскачку водородной связи, что вызывает увеличение скорости ферментативных реакций. Вторая стадия связана с накоплением продуктов реакции, в данном случае – АТФ. Длительность этой стадии ограничивается количеством запасенного клеткой субстрата. Первая стадия по многим признакам специфична, не сводится к нагреву. Вторая стадия, в ее нормальной фазе, естественна для организма. Эти обстоятельства существенны при выработке гигиенических нормативов и методик КВЧ-терапии.
Нерезонансные эффекты, как правило, имеют место, когда в облучаемой среде присутствуют молекулы воды, которые наиболее сильно поглощают ММ излучение.
Резонансные явления возникают в сложных организованных объектах, то есть когда имеются различные системы обратной связи и каналы передачи информации внутри биосистемы.
Было установлено, что реакцию организмов на воздействие ЭМИ, определяемую по некоторому биологическому параметру, не влияет изменение в широких пределах плотности потока мощности (начиная от некоторого наименьшего (порогового) значения плотности потока мощности и до её значений, уже вызывающих заметный (превышающий 0,1 °С) нагрев тканей) биологический эффект действия ЭМИ сохраняется практически неизменным [5].
Изменение определенного биологического параметра после воздействия на организм ЭМИ проявляется лишь в узких пределах воздействующих на него частот [12].
Характер острорезонансного биологического действия ЭМИ зависит от частоты колебаний: одни резонансные частоты влияют в большей степени на одни стороны биологической активности, другие на другие. Эффект облучения зависит от исходного состояния облучаемых организмов.
Результаты воздействия ЭМИ могут запоминаться организмами на длительное время, но для этого необходимо и достаточно длительное (не менее получаса), нередко многократное воздействие ЭМИ [5].
Расстояние от места на которое падает излучение, до соответствующих органов или систем может превышать в сотни и тысячи раз расстояние, на котором плотность потока мощности из-за потерь в тканях снижается на порядок. В то же время действенность облучения ЭМИ разных участков поверхности тела оказывается неодинаковой [18].
Очень малая энергия, необходимая для оказания существенного влияния ЭМИ на функционирование организмов, специфика влияния наталкивало исследователей на гипотезу, что ЭМИ не случайный для живых организмов фактор, что подобные сигналы вырабатываются и используются в определенных целях самим организмом, а внешнее облучение лишь иммитирует вырабатываемые самим организмом сигналы.
Наблюдаемые закономерности действия на живые организмы монохроматических электромагнитных излучений миллиметрового диапазона волн нетепловой интенсивности объясняются тем, что проникая в организм, эти излучения на определенных (резонансных) частотах трансформируются в информационные сигналы, осуществляющие управление и регулирование восстановительными или приспособительными процессами в организме.
Кроме выше перечисленных положений эта гипотеза находит подтверждение в следующих фактах:
- Живые организмы в естественных условиях не подвергаются действию монохроматических электромагнитных излучений миллиметрового диапазона волн, поскольку в окружающей среде они отсутствуют. Наличие же излучений данного диапазона в окружающей среде нарушало бы работу информационной системы организма, внося помехи.
- Немаловажно то, что информированность и информационная ценность энергии (отношение количества обрабатываемой информации к энергетическим затратам на её обработку) для миллиметрового диапазона высоки и превышают у живых организмов значения указанных параметров для оптического или СВЧ диапазонов.
- Строение различных живых организмов, начиная от бактерий и кончая человеком, на функционирование которых ЭМИ могут оказать воздействие, совершенно различно.
Вместе с тем очевидно, что механизм реализации многообразия изменений вызываемых ЭМИ не может быть общим.
В рамках же “информационной гипотезы” поставленный вопрос объясняется совершенно естественно: общие закономерности работы информационных систем должны выполняться, какие бы механизмы не приводили в действие сигналы управления.
Итак, биологические системы как растительного, так и животного происхождения являются чрезвычайно чувствительными к воздействию МП. В настоящее время существует значительное количество гипотез объясняющих взаимодействие МП с биологическими системами. Наиболее адекватно наблюдаемые магнитобиологические эффекты в растительных биосистемах объясняются с помощью следующих гипотез: перераспределения температурных колебаний в макромолекулах, параметрического резонанса, ионного циклотронного резонанса и диссипативнго резонанса.
Использование электромагнитного поля в пищевой промышленности для обработки сырья растительного и животного происхождения
В настоящее время энергия ЭМП для обработки сырья растительного и животного происхождения используется во многих отраслях пищевой промышленности. Так, например, использование МП для обработки пива положительно влияет на его физико-химические свойства. В Одесском технологическом институте пищевой промышленности имени М.В. Ломоносова в конце 80-х годов был спроектирован и изготовлен электромагнитный аппарат производительностью 750 дал/ч и напряженностью магнитного поля 235 кА/м [19]. Результаты промышленных испытаний установки показали, что количество микроорганизмов в пиве снижается, благодаря этому повышается его биологическая стойкость на 4–6 суток и коллоидная стойкость на 8–10 суток. Так как МП способствует нарушению равновесия коллоидов при взаимном объединении частиц лиофильных коллоидов с разными зарядами, то улучшается качество фильтрации пива.
Отмечено также положительное действие обработки МП на пенистые свойства пива. На второй день после отбора проб омагниченного пива напряженностью 165–180 кА/м высота пены была больше на 30–80 % по сравнению с неомагниченным, а при напряженности 125 кА/м – меньше на 5,5 %. При напряженности магнитного поля 165–225 кА/м пеностойкость повышалась на 6,2 %, а при напряженности 235 кА/м – на 75 % [19].
Использование электрообработки диффузионных растворов различных сельскохозяйственных культур в настоящее время используется достаточно широко в пищевой промышленности.
Так в конце 70-х годов XX века Купчиком М.П., Бажалом И.Г., Гулым И.С. было установлено, что электрическое поле ускоряет процесс переноса сахарозы из объема капиллярно-пористого тела к поверхности раздела фаз и массообменные процессы на границе раздела капиллярно-пористое тело–жидкость [20].
Этот процесс используется для предварительной обработки сокостружечной смеси электрическим полем перед основным противоточным процессом экстрагирования, так как обеспечивает необратимую электрокоагуляцию веществ коллоидной дисперсности и высокомолекулярных соединений в свекловичном соке и тканях свеклы, что позволяет затем вести дальнейшую диффузию без наложения электрического поля. Энергетические затраты на реализацию способа компенсируются снижением расхода электроэнергии на получение извести и сатурационного газа.
Важными техническими параметрами влияющими на процесс электрофильтрования является концентрация сахарозы и температура. С изменением этих параметров в первую очередь изменяется вязкость растворов. С увеличением вязкости, вследствии уменьшения подвижности ионов, электролитов, уменьшается электропроводимость растворов. Создаются предпосылки для увеличения напряженности электрического поля и уменьшается опасность разогрева очищаемой дисперсии и уменьшения эффекта электрофильтрования [21].
Проведенные электронно-микроскопические исследования ультраструктуры тонопласта и других клеточных мембран после воздействия на них тепловой обработки и электрического поля показали, что при экстрагировании сахарозы из ткани корнеплода водой при температуре 25 °С повреждаются все клеточные вакуоли и образования гомогенного клеточного матрикса. В некоторых случаях этот матрикс может концентрироваться в отдельных участках клетки. С увеличением температуры до 75 °С разрушаются структуры клетки, образуются отдельные мелкие структуры неправильной формы, а также осмиофильные конгломераты.
При действии тепловой обработки и электрического поля, вызывающих повреждение клетки, в первую очередь подвергается деструкции плазмалемма, поскольку она является той частью клетки, которая воспринимает любые внешние воздействия. Деструкция же плазмалеммы резко изменяет давление в клетке, в результате чего происходит распад её содержимого [22].
Усиление агрегации внутриклеточного содержимого клетки сахарной свеклы при воздействии электрического поля, авторы связывают с тем, что происходит поляризация обладающих электрическим зарядом компонентов мембран.
Образование крупных конгломератов способствует тому, что, обладая меньшей подвижностью, они удерживаются в клетке, не препятствуя выходу из неё сахарозы. Эти выводы подтверждаются исследованиями обессахаренной свекловичной стружки. Количество сухих веществ увеличивается с повышением напряженности поля в основном за счет не сахаров белково-пектинового комплекса, веществ коллоидной дисперсности и связанной с ними золы свекловичного сока, которые подвергаются электрокоагуляции и электроудерживанию в клетке растительной ткани.
Содержание сахара в жоме при воздействии электрического фактора уменьшается, что вызвано повышением скорости массопереноса в капиллярно-пористой среде за счет электроосмотических явлений.
Таким образом, в процессе экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки в электрическом поле, существенно изменяющем ультраструктуру растительной клетки, возникает ряд структурно-функциональных процессов, приводящих к увеличению количества остаточных не сахаров в свекловичном жоме, что обеспечивает повышение качества диффузионного сока и уменьшения потерь сахара в жоме.
Электрохимический способ диффузии дает возможность получать диффузионный сок, чистота которого выше на 3–6 %, эффект очистки составляет 40–60 %, цветность ниже на 50–60 % по сравнению с традиционным способом. Также микробиологическими исследованиями установлено обеззараживающее действие электрического поля на диффузионный сок. Так при напряженности электрического поля 7,5–10 В/см термофильные и мезофильные микроорганизмы угнетаются до 90 %, слизеобразующие мезофилы до 80%. Ощутимого влияния на плесневые грибы не установлено [23].
Таким образом интенсификация диффузионных процессов с помощью электрообработки открывает новые перспективы для пищевой промышленности.
Также перспективным направлением пищевой промышленности является обработка сырья растительного и животного происхождения электроактивированной водой.
Использование бактерицидных свойств электрообработанной воды для мойки плодоовощного сырья (свежие томаты, морковь, баклажаны и огурцы) показало, что данный метод позволяет значительно снизить уровень микробной контаминации на поверхности этого сырья (на 3–4 порядка) по сравнению с предельно допустимой численностью, добиться полного уничтожения дрожжей и плесеней, а в некоторых случаях (морковь и огурцы) добиться полного бактерицидного эффекта.
Использование электрообработанной воды в процессе переработки рыбы позволяет добиться снижения микробиологической загрязнености по сравнению с обычной технологией мойки (водопроводной водой) [24].
Обработка зерен зеленого горошка электроактивированной водой способствует полному уничтожению дрожжей и плесеней и снижению содержания микроорганизмов в первые 24 часа хранения до 21–24 клеток. После 48 часов хранения образцы зёрен зеленого горошка практически стерильны, что позволяет продлить сроки хранения до 96 часов. Таким образом, с помощью обработки растительного сырья электроактивированной водой возможно удлинение сроков их хранения и значительное улучшение микробиологических показателей продуктов животного происхождения [25, 26].
Наиболее широко в пищевой промышленности используются технологии, связанные с тепловым нагревом сырья растительного и животного происхождения с помощью энергии сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного поля.
СВЧ-нагрев пищевых продуктов – достаточно сложная техническая задача не только с точки зрения техники генерирования СВЧ, но и со стороны особенностей строения и свойств продуктов, т. е. в процессе тепловой обработки пищевые продукты подвергаются глубоким изменениям, в том числе и их диэлектрические свойства, что и ведет к нагреву обрабатываемого продукта.
Обработка целых яблок СВЧ ЭМП с частотой 2400 МГц в течение 3 минут приводит к увеличению выхода сока на 10–15 %. При аналогичной обработке СВЧ-полем в течение 25–60 секунд плодов абрикосов, слив и алычи выход сока составляет соответственно: 60–64 %, 63–67 %, 63–71 % [27].
Известно множество запатентованных способов и установок для сушки пищевых продуктов с помощью энергии СВЧ поля.
Так, например, известен способ сушки продуктов в сверхвысокочастотном поле (СВЧ) с последующим центрифугированием путем изменения давления, при этом воздух, используемый для охлаждения магнетрона и источника питания, используют для нагрева герметичной камеры, а полученный пар конденсируют и в дальнейшем используют [28].
Существует способ сушки продуктов растительного и животного происхождения, предусматривающий их нагрев и перемешивание в герметичной вакуумной камере с последующим отделением паров воды и откачиваемых газов, при этом в камере создают остаточное давление 3–5 Па, испарение воды ведут при нагреве СВЧ-энергией продукта до 70–90 °С, а сушку ведут до достижения продуктом влажности 9–13 %, при этом конденсацию воды осуществляют системой водяного охлаждения [29].
Также известна установка позволяющая высушивать резанные овощи, фрукты, отжатый жом, размораживать продукты. Она содержит рабочую камеру, загрузочное и разгрузочное устройства, излучатель СВЧ-энергии и устройства ввода агента сушки. Подвод агента сушки в нижней части рабочей камеры касательно к боковым стенкам, совместно с подводимой сверху энергией, обеспечивают сепарацию вращающимся в виде смерча потока высушенного продукта и его удаление через отверстия в верхней части камеры. Универсальность камеры обеспечивается за счет загрузочного столика, который установлен на оси загрузочного шнекового механизма, расположенного в дне камеры [30].
Воздействие на семена сои сорта “Быстрица-2” СВЧ-полем с частотой 2450 МГц в печи фирмы SHARP мощностью 850 Вт в течение 80 секунд ускоряло процесс дозревания семян на 17–19 суток. При завершении ускоренного дозревания содержание олеиновой кислоты превосходило на 2,1 % ее содержания в семенах естественного дозревания [31].
СВЧ-поле способно повлиять на содержание и качество масла в свежеубранных семенах подсолнечника. Так обработка семян сорта “Родник” СВЧ-полем в течение 60–510 секунд, приводящая к увеличению температуры семян до 80 °С, позволяла увеличить масличность на 1,1–1,4 %. Изучение группового состава липидов показало, что в опытных семенах снизилось на 0,34 % связанных липидов по сравнению с контрольными образцами [31].
Использование энергии СВЧ в табачной промышленности позволяет интенсифицировать производство и снизить материальные затраты. Так известна технология, согласно которой рекомендуется при переработке табачного сырья с влажностью порядка 19–20 % табачную кипу помещать в мешок из полимерной пленки, осуществлять герметизацию путем многократного заворачивания открытой части и разогревать кипу в СВЧ-поле до 70 °С. После этого мешок разгерметизируют и выдерживают кипу на складе до влажности 16–18 %. Затем кипу вновь герметизируют и выдерживают на складе не менее одного месяца. После такой обработки табачное сырье приобретает свойства сферментированного материала и может быть использовано для изготовления курительных изделий. По сравнению с контролем (аэробная заводская ферментация сырья при “сухом режиме”), такая технология обладает существенными технико-экономическими преимуществами в части экономии энергоресурсов, снижения потерь сухого вещества и ускорения процесса ферментации [32].
Исследования проведенные Гневушевым В.Н. показывают, что быстрый и равномерный нагрев табачной кипы с помощью СВЧ-поля позволяет существенно снизить образование пыли и фарматуры при расщипке табака с влажностью 15 % и менее [33]. Степень расщипки (количество листьев в пучке) закономерно улучшается по мере увеличения температуры до 60 °С. Дальнейшее повышение температуры существенного влияния на разделение листьев не оказывает [33].
Возможно воздействие на сырье растительного и животного происхождения электромагнитного излучения инфракрасного (ИК) диапазона.
Так, в частности, согласно исследованиям Мельникова П.И. ИК- облучение солода в процессе получения пивного сусла позволяет увеличить содержание в нем редуцирующих сахаров на 4,8–20,2 %, a-аминного азота на 0,36–7,2 % и массовую долю сухих веществ на 5,8–12,2 %, ускорить процесс получения пива за счет сокращения процесса сбраживания, обеспечиваемого увеличением a-аминного азота и редуцирующих сахаров, а также позволяет снизить расход сырья – солода за счет увеличения массовой доли сухих веществ в сусле и замены части солода с 15 % до 40 % на более дешевое несоложенное сырьё [34].
Наблюдаемые явления можно объяснить тем, что в результате кратковременного импульса инфракрасного (ИК) облучения в области спектра 0,6–1,5 мкм вследствие поглощения энергии проникающего излучения происходят локальные микроразрушения цитоплазменных оболочек растительных клеток зерновых продуктов, являющихся основным препятствием в диффузионно-осмотических процессах. Вследствие этого увеличивается содержание в сусле a-аминного азота, редуцирующих сахаров и массовой доли сухих веществ.
При ИК-облучении происходит интенсификация процессов тепло- и массопереноса вследствие поглощения молекулами воды и вещества фотонов проникающего излучения. Вследствие такой обработки повышается на порядок проницаемость мембран клеток растительного сырья.
Как и в случае СВЧ-излучения возможна сушка сырья растительного и животного происхождения ИК-излучением.
Так, например, известен способ сушки пищевых продуктов инфракрасным излучением при пониженном давлении и температуре, который включает в себя две стадии: удаление воздуха вакуумным насосом до давления 74,7–21,3 кПа в течение 1–10 мин, подачу в сушильный агрегат азота, содержащего этанол и повышение давления до 98,1–186,3 кПа в течение 1–10 мин [35].
Исследования влияния электромагнитного поля на сельскохозяйственные культуры и его использование для увеличения эффективности сельскохозяйственного производства
Исследования влияния электромагнитных полей на биологические процессы, протекающие в семенах и растениях после обработки, ведутся в настоящее время во многих странах. Как уже указывалось выше, предлагается целый ряд гипотез для объяснения механизма действия электромагнитного поля на физико-химические и биологические системы, но ни одна из них не описывает полностью всех явлений взаимодействия биологических систем с электромагнитным полем. В то же время способы воздействия ЭМП на растения и семена сельскохозяйственных культур для увеличения их урожайности продолжают развиваться.
В основе существующих методов обработки, использующих энергию электромагнитного поля, лежат магнитная или электрическая составляющие последнего, а также комплексные способы воздействия электромагнитного поля в сочетании с термическим нагревом, изменением давления и т.д. Возможность повышения всхожести и продуктивности семян сахарной свеклы путем обработки их в магнитном поле установлена О.Г. Сарбеем. Его исследованиями доказано отсутствие влияния постоянного магнитного поля напряженностью до 3200 Э при экспозиции от 0,5 до 550 ч на сухие и замоченные семена сахарной свеклы. В случае сочетания воздействий магнитного поля и таких стимуляторов, как нитрат кальция и перманганат калия, выявлена тенденция к повышению всхожести [36].
Исследования воздействия магнитного поля на семена и урожай ячменя, пшеницы и овса, проведенные на юге провинции Альберта (Канада), показали, что оно не влияло на урожаи овса, но увеличивало урожаи ячменя в 13 опытах из 19, озимой и яровой пшеницы – в 14 опытах из 23. Время обработки семян, сила магнитного поля и тип оборудования для обработки не оказывали существенного влияния на рост растений и урожаи зерна изучаемых культур [37].
Установлено также положительное воздействие на процесс роста растений магнитного поля по напряженности сопоставимого с магнитным полем Земли. Так, известен способ обработки растений, согласно которому их высаживают в комья земли и помещают в резервуар. Способ отличается воссозданием эффекта магнитного поля Земли с образованием поля вокруг всего кома земли, исключая верхнюю часть. Магнитное поле получают с помощью магнита, уложенного на дно горшка [38].
Согласно исследованиям, проведенным в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (Россия), биологические эффекты действия магнитного поля обусловливаются не абсолютной величиной его напряженности, а изменением последней в пространстве и времени [38].
Исследования воздействия на семена пшеницы сорта Заря переменного магнитного поля частотой 30–33 Гц, напряженностью 30 мТл и формы близкой к синусоидальной показали, что кратковременная обработка семян пшеницы в первые часы набухания мало влияет на скорость гидролиза и флуоресценцию. Но затем, в семенах с высокой всхожестью происходит резкое увеличение эффектов поля до двух и более раз в отдельных опытах. При этом в интервале от 6 до 11 ч выделяются две группы опытов с сильной и слабой реакцией на магнитное поле. После 11 ч сильные эффекты отмечены во всех опытах, а начиная с 17–18 ч магнитное поле слабо влияет на скорость гидролиза. В старых семенах воздействие магнитного поля либо не меняло, либо уменьшало выход в среду продуктов гидролиза и интенсивность флуоресценции. Измерения рН вблизи поверхности зародыша показали, что в необработанных семенах наблюдаются значительные изменения рН примерно через сутки после набухания, связанные с откачкой протонов из среды для закисления клеток. В семенах, подвергшихся обработке, уровень рН изменялся скачком на единицу через 5–6 часов после обработки [39].
Результаты исследований, выполнявшихся в течение двух лет свидетельствуют, что обработка низкочастотным магнитным полем приводит к повышению всхожести и скорости прорастания семян, также отмечается отсутствие на обработанных семенах плесени, которая, как правило, развивается на продуктах утечки из старых семян после нескольких суток набухания [39].
Высокая чувствительность семян пшеницы к низкочастотному магнитному полю связана с изменением рН и высвобождением белков, которые ускоряют выход семян из состояния покоя и стимулируют развитие в них восстановительных процессов, определяемых восстановлением барьерной функции мембран, что в свою очередь обусловливает повышение всхожести старых семян и отсутствие на них микрофлоры.
Проведенные исследования свидетельствуют об активизации метаболизма при воздействии низкочастотным магнитным полем на ряде этапов набухания семян пшеницы. Величина эффекта зависит от выбранного времени набухания, она наиболее значительна в интервале между 12 и 22 ч после начала обработки [39].
Известно, что обработка черенков перед посадкой путем их введения в находящийся под действием переменного магнитного поля субстрат в виде размешенных в емкости из немагнитного материала гранул из ферромагнитного материала и раствора питательных веществ приводила к улучшению укоренения черенков по сравнению с контролем [40].
Изменение общего электромагнитного фона также существенным образом сказывается на растениях. В настоящее время достоверно установлено, что экранирование растений от геомагнитного поля существенно изменяет ряд физиологических и биохимических показателей. Так, при ослаблении геомагнитного поля в 100 раз происходит торможение роста проростков семян гороха, чечевицы и льна. Установлено также, что при неспокойной магнитной обстановке в первые сутки после замачивания семян льна имеет место более быстрый их «старт» в обычных условиях, чем при экранировании геомагнитного поля [41].
Изменение динамики синтеза РНК и белков в клетках корней гороха, чечевицы и льна в условиях экранирования геомагнитного поля зарегистрировано в работе [42]. Проведенные ее авторами цитохимические исследования выявили определенную закономерность в реакции меристематических клеток различных видов растений на экранирование от геомагнитного поля, связанную с появлением свободного и слабосвязанного кальция в гиалоплазме клеток.
На растительные объекты оказывает влияние также электрическая компонента электромагнитного поля. Так, в опытах с тепличными растениями установлено положительное влияние электрических полей, создаваемых электродами, на рост, урожайность и сроки их созревания.
Исследования прорастания и развития сахарной свеклы, проведенные с использованием переменных и постоянных электрических и магнитных полей, показали, что влияние первого способствовало увеличению энергии прорастания семян и длины сеянцев после 4 дней. Однако после 14 дней различий в способности прорастания не наблюдалось. Влияние магнитного поля было незначительным [43].
В сельскохозяйственном производстве известно множество различных способов и устройств, применяемых для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур.
Существует экологически чистый способ обеззараживания посевных семян с помощью импульсного тока высокого напряжения без применения ядохимикатов. Электро-обеззараживание и увлажнение посевных семян осуществляется за один прием в разработанных электро-технологических устройствах стационарного и мобильного типов. Увлажнение семян в отличие от традиционного способа производится электро-активированной водой [44].
Воздействие электрического тока (2, 4 и 7 мкА) на зародыш эмбриогенной кукурузы в течение 1 мес. оказывало существенное влияние на рост и формирование побегов корней. Ток 2 мкА стимулировал все процессы, особенно стеблевой морфогенез: число почек возрастало после обработки в 19 раз, значительно увеличивалось число почек, развившихся в побеги, митотическая активность клеток возрастала в 4 раза. Ток 4 мкА оказывал слабое стимулирующее действие, а ток 7 мкА ингибировал рост зародыша и морфогенез [45].
Комбинированная предпосевная обработка семян с помощью электрического поля и озоно-воздушной смеси, лазерного излучения и т.д. оказывает положительное влияние на семена сельскохозяйственных культур и растения [46].
Согласно исследования [47] наиболее эффективная предпосевная обработка семян тепловым и магнитным полями осуществляется в полости, образованной двумя коаксиально расположенными трубами из электропроводящего материала, одни концы которых электрически соединены, а другие подключены к источнику тока.
Высокую эффективность комбинированной обработки семян сельскохозяйственных культур магнитным полем и инфракрасным излучением лазера показало устройство, представленное в работе [48]. Оно включает в себя камеру обработки семян, охваченную электромагнитом камеру сбора обработанных семян и инфракрасный излучатель. Устройство отличается тем, что с целью повышения качества обработки мелкозернистых семян и уменьшения габаритов установки камера выполнена в виде самовакуумирующейся вихревой трубы, имеющей в нижней части сопловой ввод и диафрагму с центральным отверстием, а верхней частью сообщенной с щелевым диффузором, при этом излучатель выполнен в виде оптического квантового генератора, выходной патрубок которого сообщен с камерой через ее сопловой ввод и отверстие в диафрагме.
Известно, что комбинированная обработка семян сельскохозяйственных культур, находящихся в растворе микроэлементов, ультразвуковым полем в течение 40 секунд с последующим воздействием электромагнитного излучения ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов благоприятно сказывается на увеличении урожайности [49].
С этой же целью используется сочетание обработки семян раствором микроэлементов и электромагнитным полем напряженностью 1×106–1,5×108 А/м, которое накладывают импульсами с одновременным воздействием гидравлического удара энергией 1,5–2,5 кДж при частоте следования импульсов 5–6 импульсов в минуту [50].
Таким образом, высокая чувствительность семян сельскохозяйственных культур и растений к изменению геомагнитного поля и воздействию на них искусственными ЭМП является несомненной, так как подтверждается многими исследованиями [51–53].
Несмотря на то, что механизмы воздействия электромагнитного поля на семена сельскохозяйственных культур и растения до конца остаются не выясненными, в настоящее время существует большое количество разнообразных способов его применения с целью увеличения урожайности и повышения эффективности сельскохозяйственного производства.
Действие электромагнитных полей на сахарную свеклу и её диффузионный и клеточный сок
Исследования по экстрагированию сахарозы из свекловичной стружки в электрическом поле начали проводить еще в начале 80-х годов [54–59].
Использование гранулированных материалов позволяет улучшить характеристики диффузионного сока, так как гранулированные материалы в электрическом поле способны удерживать из растворов коллоидно-дисперсные частицы, высокомолекулярные и цветные вещества. Суть процесса электрофильтрования заключается в том, что при пропускании сахарного раствора через слой гранулированной загрузки (силикагель, обожженная глина, керамзит и т.п.) в постоянном электрическом поле происходит коагуляция и удерживание дисперсной фазы на поверхности гранул, что обусловлено возникновением сил поляризационного взаимодействия между самими частицами и поверхностью гранул фильтрующего слоя [60].
М.П. Купчиком, А.Б. Матвиенко, В.В. Манком установлена принципиальная возможность получения диффузионного сока высокой доброкачественности, пригодного для выработки стандартного сахара-песка при незначительном расходе вспомогательных материалов [61].
Выяснено также, что электрическое поле ускоряет процесс переноса сахарозы из объема капиллярно-пористого тела к поверхности раздела фаз и массообменные процессы на границе раздела капиллярно-пористое тело–жидкость [62].
Этот процесс используется для предварительной обработки сокостружечной смеси электрическим полем перед основным противоточным процессом экстрагирования, так как обеспечивает необратимую электрокоагуляцию веществ коллоидной дисперсности и высокомолекулярных соединений в свекловичном соке и тканях свеклы, что позволяет затем вести дальнейшую диффузию без наложения электрического поля. Энергетические затраты на реализацию способа компенсируются снижением расхода электроэнергии на получение извести и сатурационного газа.
Важными техническими параметрами влияющими на процесс электрофильтрования является концентрация сахарозы и температура. С изменением этих параметров в первую очередь изменяется вязкость растворов. С увеличением вязкости, вследствие уменьшения подвижности ионов, электролитов, уменьшается электропроводимость растворов. Создаются предпосылки для увеличения напряженности электрического поля и уменьшается опасность разогрева очищаемой дисперсии и уменьшения эффекта электрофильтрования [63].
Проведенные электронно-микроскопические исследования ультраструктуры тонопласта и других клеточных мембран после воздействия на них тепловой обработки и электрического поля показали, что при экстрагировании сахарозы из ткани корнеплода водой при температуре 25 °С повреждаются все клеточные вакуоли и образуется гомогенный клеточный матрикс. В некоторых случаях этот матрикс может концентрироваться в отдельных участках клетки. С увеличением температуры до 75 °С разрушаются структуры клетки, образуются отдельные мелкие структуры неправильной формы, а также осмиофильные конгломераты.
При действии тепловой обработки и электрического поля, вызывающих повреждение клетки, в первую очередь подвергается деструкции плазмалемма, поскольку она является той частью клетки, которая воспринимает любые внешние воздействия. Деструкция же плазмалеммы резко изменяет давление в клетке, в результате чего происходит распад её содержимого [64].
Усиление агрегации внутриклеточного содержимого клетки сахарной свеклы при воздействии электрического поля, авторы связывают с тем, что происходит поляризация обладающих электрическим зарядом компонентов мембран.
Образование крупных конгломератов способствует тому, что, обладая меньшей подвижностью, они удерживаются в клетке, не препятствуя выходу из неё сахарозы. Эти выводы подтверждаются исследованиями обессахаренной свекловичной стружки. Количество сухих веществ увеличивается с повышением напряженности поля в основном за счет несахаров белково-пектинового комплекса, веществ коллоидной дисперсности и связанной с ними золы свекловичного сока, которые подвергаются электрокоагуляции и электроудерживанию в клетке растительной ткани.
Содержание сахара в жоме при воздействии электрического фактора уменьшается, что вызвано ростом массопереноса в капиллярно-пористой среде за счет электроосмотических явлений [65].
Таким образом, в процессе экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки в электрическом поле, существенно изменяющем ультраструктуру растительной клетки, возникает ряд структурно-функциональных процессов, приводящих к увеличению количества остаточных несахаров в свекловичном жоме, что обеспечивает повышение качества диффузионного сока и уменьшение потерь сахара в жоме.
Исследования, проведенные авторами на модельных системах растительной клетки, показали, что удерживание на поверхности растительной клетки скоагулировавшихся частиц из диффузионного сока является следствием элекростатического осаждения золей. Скоагулировавшиеся частицы диффузионного сока белкового характера, поляризуясь в электростатическом поле, несут в основном отрицательный заряд. Экспозиция диффузионного сока в электростатическом поле, после которой происходит процесс электроудерживания молекул высокомолекулярных соединений диффузионного сока на поверхности свекловичной стружки зависит от напряженности поля, температуры, рН среды. При напряженности 30–40 В/см, температуре среды 50–60 °С и pH от 6,5 до 3,5 экспозиция составляет 35–40 мин [66].
Согласно данным, приведенным Бажалом И.Г. с соавторами [67], электрохимический способ диффузии дает возможность получать диффузионный сок, чистота которого выше на 3–6 %, эффект очистки составляет 40–60%, цветность ниже на 50–60% по сравнению с традиционным способом. Также микробиологическими исследованиями установлено обеззараживающее действие электрического поля на диффузионный сок. Так при напряженности электрического поля 7,5–10 В/см термофильные и мезофильные микроорганизмы угнетаются до 90%, слизеобразующие мезофилы до 80%. Ощутимого влияния на плесневые грибы не установлено. Авторами делается вывод, что на качественные показатели диффузионного сока больше влияет напряженность электрического поля и меньше температура. Наиболее целесообразно, по их мнению, проводить электродиффузию при температурах 50–60 °С и напряженности поля 7,5–10 В/см.
Экологическая значимость полученных результатов исследования влияния амплитудно- и частотно-модулированного магнитного поля на биосистемы растительного происхождения
В результате проведенного обзора литературы показано, что биосистемы как растительного, так и животного происхождения чрезвычайно чувствительны к воздействиям, оказываемым на них ЭМП генерируемыми различными искусственными источниками ЭМП, такими как провода осветительной сети, линии электропередачи и т. д. Так же, согласно литературным данным, экранирование биосистем растительного происхождения от естественного геомагнитного фона отрицательно сказывается на физиологических процессах, протекающие в биосистемах. М.Г. Барышевым на примере семян подсолнечника и корнеплодов сахарной свеклы, установлено, что помещение этих биосистем в экранированные камеры приводит к ингибированию физиологических процессов, протекающих в этих биосистемах /18/. Так же, в результате многочисленных опытов установлено, что в МП диапазонов КНЧ и СНЧ с индукцией, лежащей в диапазоне 2–20 мТл способно оказывать существенное влияние на биосистемы, приводя к ускорению или замедлению процессов роста семян и другим эффектам. Первичным фактором, от которого зависит результат воздействия, является частота МП или модулирующая частота АМ и ЧМ ЭМП.
Обзор литературных данных позволяет придти к выводу, что основные закономерности магнитобиологических эффектов, наблюдаемых нами в широкой гамме растительных биосистем, будут наблюдаться и у биосистем животного происхождения, в том числе и у человека, поэтому возникает необходимость пересмотра некоторых созданных ранее подходов к разработке экологических нормативных актов регулирующих электромагнитную совместимость приборов и оборудования, а также распространение и генерирование ЭМП и их воздействие на человека и окружающую среду [68–77].
В настоящее время имеется огромное количество различных радиопередающих устройств, которые являются генераторами ЭМП в очень широком частотном диапазоне. Ранее в основном для передачи информации использовали АМ сигналы, в настоящее же время все чаще применяется ЧМ и ФМ сигналы для передачи информации, так же широко распространена импульсная модуляция. Мощность стационарных радиопередатчиков в отдельных случаях достигает 100 кВт.
Существующие нормативно-правовые акты, регулирующие воздействие ЭМП на людей и окружающую среду рассматривают такие параметры и категории, как возраст подвергающихся воздействию ЭМП, мощность передатчика, диапазон частот несущей и время воздействия, однако не рассматривают, ни вид модуляции, ни то, каким образом промодулирован излучаемый передатчиком сигнал [78].
Поскольку, нами было установлено, что частота несущей АМ и ЧМ сигнала в случае, когда она не выше 109 Гц и отсутствуют “размерные эффекты” является второстепенным фактором в результате воздействия поля на биосистему, а первичным фактором, отражающимся на результате воздействия является модулирующая частота, то возникает необходимость учета наличия в спектре модулирующего сигнала частот лежащих в диапазоне КНЧ и СНЧ. В настоящее время частоты, лежащие в диапазоне КНЧ (3–30) Гц передаются, как правило, только при качественной радиопередаче в диапазоне ультракоротких волн, то на первый взгляд можно сделать вывод, что это существенно упрощает проблему. Однако поскольку известно, что для качественного воспроизведения низкочастотных составляющих звука высококачественной радиоаппаратурой необходимо обеспечивать более широкую полосу воспроизведения, чем порог восприятия низкочастотных составляющих звука большинства людей, ограниченный 20 Гц. То есть самое простое решение возникшей проблемы связанное с обрезанием частот ниже 30 Гц неизбежно отразится на качестве воспроизведения радиоаппаратуры.
Более сложная ситуация складывается с диапазоном СНЧ. Согласно литературным данных и проведенным нами исследованиям, большинство магнитобиологических резонансов наблюдается до частоты 100 Гц, но ряд эффектов наблюдается и на более высоких частотах вплоть до верхней границы диапазона СНЧ 300 Гц. Ограничение нижней границы модулирующей частоты при радиопередаче в районе 100 Гц приведет к существенному падению качества радиопередач в диапазоне УКВ, кроме того, создаст существенные трудности для разработки новых стандартов высококачественного телевидения.
В случае передачи только речевой информации путем радиосвязи существенных проблем не возникает, так как ограничение нижней частоты сигнала на уровне 300 Гц не отразится существенно на распознавании информации, поскольку в обычной телефонной связи полоса пропускания лежит в переделах от 400 Гц до 4000 Гц. По этому имеется возможность внести дополнения в стандарт (гигиенический норматив), регулирующий вопросы работы сотовых телефонов [79]. Необходимо ввести ограничение низкочастотной составляющей модулирующего сигнала поступающего на модулятор сотового телефона, за счет этого в спектре выходного сигнала поступающего на антенну телефона будут отсутствовать составляющие с сигнала промодулированные частотами ниже 300 Гц.
Таким образом, необходимо отметить, что в настоящее время согласно существующим ГОСТам оценивается мощность передатчика, диапазон генерируемых несущих частот и время нахождения людей в зоне с определенной напряженностью поля, но не учитывается каким образом промодулирован сигнал, то есть каков вид модуляции (АМ, ЧМ, ФМ и т.д.), её параметры (глубина модуляции, девиация частоты, девиация фазы и т.д.) и, самое главное, диапазон изменения модулирующей частоты (нижняя граница). Очевидно, что эта ситуация должна быть исправлена в самые короткие сроки. Но для решения этой проблемы требуются проведение обширных исследований на животных и человеке.
Вторым важным аспектом, возникающим в результате анализа наших экспериментальных фактов является то, что при оценке действия ЭМП на биосистему необходимо не только знать амплитуду отдельных составляющих и ширину спектра воздействующего на биосистему, но и то, каким образом промодулирована каждая составляющая спектра, то есть каков вид её модуляции (АМ, ЧМ и т. д.) и каковы параметры модуляции, в том числе и какова частота модулирующего сигнала. Ранее исследователи руководствовались только энергетическими представлениями о влиянии поля того или иного спектра на биосистему. С учетом же вышесказанного возникает необходимость в пересмотре существующих положений.
Кроме радиопередающих устройств в настоящее время имеется огромное число различных электротехнических систем, способных генерировать ЭМП диапазонов КНЧ и СНЧ. Большинство из них являются устройствами, содержащими электродвигатели и тиристорные регуляторы напряжения. Эти электротехнические устройства являются необходимыми узлами различных приборов, аппаратов и машин, которые используются человеком, как в хозяйственной деятельности, так и в быту. Как правило, амплитуда высокочастотных составляющих в спектре ЭМП генерируемых этими приборами убывает с ростом частоты, в целом же спектр ЭМП непостоянен.
Влияние ЭМП на различные биосистемы с частотой 50 Гц лежащей в диапазоне СНЧ достаточно хорошо изучено и не вызывает сомнения. В соответствии с нашими исследованиями максимальный ответ изучаемых нами биосистем на оказанное воздействие МП обнаруживается в диапазоне изменения магнитной индукции создаваемой излучателем от 2 до 21 мТл. Такие достаточно высокие значения магнитной индукции МП с частотами, лежащими в диапазоне КНЧ, могут быть созданы только вблизи мощных электродвигателей. Поэтому мало вероятно, что подобного рода явления будут, является определяющими в большинстве случаев использования людьми электротехнического оборудования, но согласно нашим данных при значениях магнитной индукции от 0,5 до 2 мТл наблюдается незначительное негативное воздействие МП на биосистемы. Поля же со значениями в десятые доли миллитесла вполне могут возникать вблизи значительного количества электротехнических приборов, поэтому использование этого оборудования может повлиять на использующих их людей, но воздействие это будет крайне трудно уловить, поскольку даже у более простых биосистем (использованных нами) это является весьма сложной задачей.
Однако, поскольку известно, что порог максимальной чувствительности для биологических систем соответствует 10 нТл, то исследования по влиянию ЭМП на биосистемы с частотами, лежащими в диапазоне КНЧ и СНЧ (исключая 50 Гц), генерируемых различными электротехническими устройствами, являются крайне актуальными в настоящее время, поскольку кроме установленного нами магнитобиологического эффекта изменения растворимости белков и аминокислот под действием МП, АМ и ЧМ МП, известны гипотезы циклотронного резонанса, спинового запрета и многие другие, которые способны объяснить влияние на биосистемы ЭМП более малых напряженностей, чем были использованы нами.
Таким образом, основываясь на литературных данных и полученных нами экспериментальных результатах, можно предположить, что если амплитуда спектральных составляющих лежащих в диапазоне КНЧ и СНЧ генерируемых помех электротехническим устройством будет соответствовать установленному нами, то биосистемы должны реагировать на оказанное воздействие.
Еще одним важным следствием из обобщения полученных в результате исследования экспериментальных данных является возможность создания технологии по воздействию на биосистемы не МП, а АМ и ЧМ МП. Как уже подчеркивалось ранее, МП диапазонов КНЧ и СНЧ обладают высокой проникающей способностью – преградой для них является только замкнутые экраны, выполненные из магнитных материалов. Поэтому сложность создания таких экранов не позволяет использовать технологии на основе воздействия МП диапазонов КНЧ и СНЧ в народном хозяйстве из-за возможных отрицательных последствий влияния указанных полей на человека. Практически одинаковая с МП результативность воздействие АМ и ЧМ МП на биосистемы растительного происхождения позволяет существенно упростить и удешевить конструкции экранов или даже в отдельных случаях полностью от них отказаться. Это возможно благодаря тому, что характер распространения АМ и ЧМ ЭМП определяется не модулирующей частотой, лежащей в диапазоне КНЧ или СНЧ, а частотой несущей, выбор которой (согласно нашим исследованиям) не ограничивается вплоть до частот 109 Гц. При выборе несущей частоты в десятки мегагерц возможно использование узконаправленных антенн, тогда электромагнитные волны будут распространяться достаточно узким лучом и возможна обработка строго определенного участка поля, при которой не будут затронуты соседние поля и участки. Экранирование же АМ и ЧМ ЭМП, у которых частоты несущих превышают десятки килогерц, можно осуществить с помощью простых электрических экранов, которые могут быть сделаны из алюминия, жести, фольги, сетки и, в отличие от замкнутых экранов МП, иметь незначительные отверстия в своей поверхности.
Таким образом, на основе описанных закономерностей воздействия на семена сахарной свеклы, корнеплоды сахарной свеклы и полупродукты свеклосахарного производства АМ и ЧМ МП возможно создание технологий, которые позволят получить существенную экономию минеральных удобрений, которые необходимо было бы затратить в случае использования обычных технологий выращивания подсолнечника, сахарной свеклы и её переработки или уменьшить количество необходимых под засев этих культур площадей, что может существенным образом улучшить экологическую ситуацию в регионах РФ. Кроме того, на основе результатов опубликованных исследований, показана возможность эффективной обработки других биосистем растительного происхождения, а так же микроорганизмов. То есть имеется потенциальная возможность и насущная экономическая и экологическая необходимость широкого использования АМ и ЧМ ЭМП в сельском хозяйстве и пищевой промышленности.
Однако, в связи с имеющейся возможностью влияния МП крайне низких частот на ДНК, необходимо ограничить применение АМ и ЧМ МП, у которых в качестве модулирующих частот имеются частоты КНЧ и СНЧ диапазона, только техническими культурами, поскольку получаемые из них масло, сахар и т.д. не будут нести в себе каких-то особенных свойств, отличающих их от аналогичных продуктов, полученных из необработанных полем семян или корнеплодов. Генетически же измененные корнеплоды сахарной свеклы могут быть опасны для скота, который их обычно потребляет. По этому обработку АМ и ЧМ МП, у которых в качестве модулирующих частот используются частоты, лежащие в диапазоне КНЧ и СНЧ, можно рекомендовать только в целевых направлениях, когда точно известно, что полученный урожай пойдет на выработку масла в случае подсолнечника или получение сахара в случае корнеплодов сахарной свеклы.
На основе проведенного обзора литературы и полученных нами экспериментальных результатов МП можно считать экологическим фактором, поскольку биосистемы как растительного, так и животного происхождения подвержены его влиянию.
Как известно, по времени возникновения экологические факторы подразделяются на три группы: эволюционные, исторические и действующие. Поскольку магнитное поле Земли существует в течение периода не меньшего, чем существует сама жизнь на Земле, то чувствительность биосистем к изменению МП является эволюционным фактором, порожденным самой эволюцией жизни [80]. С другой стороны историческое развитие человеческой цивилизации привело к массовому созданию и использованию средств связи, работающих в самых различных участках спектра электромагнитных волн. В связи с этим влияние на биосистемы искусственно созданных человечеством ЭМП является историческим экологическим фактором.
По своему характеру экологические факторы подразделяют на информационные, вещественно-энергетические, физические, химические и комплексные [81]. Безусловно, что воздействие на биосистемы МП необходимо отнести к физическим факторам. Однако, поскольку энергия квантов используемого нами диапазона КНЧ намного меньше энергии теплового движения атомов и молекул и много меньше энергии даже слабых водородных связей, составляющей 10-13 эрг, влияние на биосистемы подобных МП, использованных нами в экспериментах, можно отнести к информационным экологическим факторам. Кроме того, в пользу этого вывода свидетельствует ярко выраженная зависимость проявления эффекта от частоты, от порогового характера изменения величины магнитной индукции, а так же независимость от величины магнитной индукции (в широкой области её изменения).
По степени воздействия (из экстремальных, беспокоящих, мутагенных, тератогенных, летальных и лимитирующих факторов), наиболее вероятно, что воздействие МП крайне низких частот на исследуемые биосистемы можно отнести к категории беспокоящих факторов, как и воздействие шума. Однако, как свидетельствуют экспериментальные результаты, наличие в спектре определенных частот может приводить как к существенному увеличению урожайности сельскохозяйственных культур, так и к его уменьшению, поэтому воздействие МП можно причислить к лимитирующим факторам, наряду с макро- и микроэлементами.
Ввиду возможного влияния используемых МП крайне низких частот на ДНК, такого рода воздействие можно причислить к мутагенным факторам, однако этот вопрос требует отдельного исследования.
Итак, установлено, что семена сахарной свеклы, семена кукурузы и виноградный сок чувствительны к воздействию МП крайне низких частот и АМ и ЧМ МП, у которых в качестве модулирующих частот используются частоты КНЧ диапазона. Обоснована возможность создания технологии обработки, как растительного биообъекта, так и отдельных видов микроорганизмов, находящихся на его поверхности, за счет воздействия на биосистемы АМ или ЧМ МП, дополнительно амплитудно-манипулированных прямоугольными импульсами, в паузах между которыми подается АМ и ЧМ сигнал, модулирующая частота которого соответствует ингибированию или стимулированию определенных микроорганизмов. Из результатов исследования влияния МП на культуру Е.соli следует, что также как и при воздействии на семена подсолнечника и корнеплоды сахарной свеклы наблюдаются резонансные зависимости изменения числа колоний от изменения частоты МП. Из результатов исследований, проведенных в полевых условиях, влияния МП, АМ и ЧМ МП на длительность хранения корнеплодов сахарной свеклы установлено, что возможно продление сроков хранения корнеплодов за счет воздействия на микрофлору, находящуюся на поверхности сахарной свеклы, и улучшение характеристик диффузионного сока, получаемого из сахарной свеклы, за счет резонансного воздействия на саму сахарную свеклу МП, АМ и ЧМ МП. Из результатов исследований, проведенных в заводских условиях, влияния МП, АМ и ЧМ МП на сахаристость сахарной свеклы установлена возможность изменения содержания сахара в свекле регистрируемого в согласии с общеизвестной методикой определения дигестии. В соответствии с результатами заводских испытаний показана возможность уменьшения потерь сахара в мелассе в среднем на 1 %, увеличение выхода сахара при переработке сахарной свеклы. Предложен новый подход к разработке будущих нормативно-правовых актов (ГОСТов), регулирующих воздействие ЭМП на биологические системы.