Pobierz cały tekst (PDF 234 kB)
Transkrypt
Pobierz cały tekst (PDF 234 kB)
Cukier z buraków jest od dawna pozyskiwany na drodze dyfuzji. Jako materiał zapasowy rośliny dwuletniej znajduje się w tkance korzenia (rys.1). Budowa tkanki korzeni buraków cukrowych W korzeniu wyróżnia się perynchymę, która gromadzi ponad 60% cukru. Sklerenchyma w głównej mierze decyduje o właściwościach mechanicznych korzeni, w ksylenie zachodzi transport substancji mineralnych, a w floemie transport substancji organicznych. Komórki zawierające cukier są otoczone błoną komórkową lipidowo-białkową. Przez błonę tę cukier może się przedostawać tylko w wyniku transportu aktywnego. Oznacza to, że nie jest możliwe pozyskiwanie cukru z komórki przez dyfuzję bez uszkodzenia błony komórkowej. W praktyce przemysłowej część błon komórkowych ulega uszkodzeniu podczas sporządzania krajanki. Natomiast pozostałe są denaturowane w wyniku działania wysokiej temperatury. Istnieje również możliwość stosowania metod chemicznych, które ze względów technologicznych nie mają obecnie większego uzasadnienia. W literaturze od około 60 lat, z różną intensywnością, pojawiają się doniesienia o wykorzystywaniu do denaturacji prądu elektrycznego. Wysokie napięcie może oddziaływać na buraki zmieniając stan tkanki (przepuszczalność, właściwości mechaniczne), a także na enzymy i mikroflorę (rys.2). Zakres badań skutków napięciowych udarów piorunowych w tkance buraków DENATURACJA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MIKROORGANIZMY I ENZYMY Celem pracy było sprawdzenie skutków działania piorunowych udarów napięciowych na tkankę korzeni buraków cukrowych, inwertazę i drobnoustroje towarzyszące burakom. Udary napięciowe realizowano stosując układ przedstawiony na rys. 3. Układ elektrod WN 3 2 1 1 – elektroda uziemiona, blacha mosiężna, 2 – próbka tkanki buraka o grubości 10 mm, 3 – elektroda wysokiego napięcia, mosiężna, = 40 mm Tkankę buraka wyciętą w kształcie walca umieszczano między elektrodami 1 i 3, połączonymi z generatorem wysokiego napięcia. W przypadku badań z użyciem enzymów i drobnoustrojów elektrody umieszczano w odpowiednim naczyniu szklanym. Wpływ udarów na tkankę oceniano na podstawie ilości soku odwirowanego z określonej masy tkanki korzeni w powtarzalnych warunkach, zmian konduktywności tkanki, szybkości dyfuzji sacharozy. Z rys.4 wynika, że masa soku oddzielonego w wyniku wirowania zależy od napięcia udaru i liczby udarów. Znaczenie ma także kierunek rozchodzenia się impulsów napięciowych. Uzyskiwane wyniki odnoszono do otrzymywanych w przypadku tkanki denaturowanej termicznie i oznaczano kolorem czerwonym. Wpływ udarów napięciowych i kierunku rozchodzenia się udaru na ilość soku oddzielanego w wyniku działania siły odśrodkowej ilość odwirowanego soku, % nb 30 27,0 27,0 25,8 26,5 25 20,7 21,0 20 15 14,6 14,6 10 5 0 tkanka św ieża tkanka zdenaturow ana termicznie 1 udar o nap. 4 kV 1 udar o nap. 4 kV tkanka św ieża tkanka zdenaturow ana termicznie 5 udarów o nap. 5 udarów o nap. 4 kV 4 kV Porównując konduktywność tkanki świeżej i traktowanej udarami można stwierdzić większą wartość konduktywności tkanki po udarach, która jest zbliżona do konduktywności tkanki obrabianej termicznie w określonych warunkach (rys.5). Elektryczna przewodność właściwa ( μS/cm) tkanki korzeni buraków cukrowych Tkanka świeża 197 Tkanka zdenaturowana termicznie 4515 Tkanka poddana udarom napięciowym 0,5 kV 4,0 kV 1 udar 5 udarów 1 udar 5 udarów 205 1034 423 3111 Denaturację błon komórkowych potwierdzają także badania szybkości dyfuzji (rys.6,7). Tkanka poddana udarom pięcioma impulsami 4 kV/cm , pod względem szybkości dyfuzji prowadzonej w temperaturze 22oC zachowuje się bardzo podobnie jak tkanka denaturowana termicznie w temperaturze 75oC. Dyfuzja suchej substancji z tkanki buraczanej do wody, temp. dyfuzji – 22ºC, liczba udarów – 5 10 tkanka żywa, nie poddana udarom sucha substancja, % 9 3 2 y = 2E-07x - 9E-05x + 0,011x R2 = 0,917 8 napięcie udaru - 0,5 kV 2 y = -3E-05x + 0,0124x 2 R = 0,7802 napięcie udaru - 4 kV y = -0,0001x2 + 0,0428x 2 R = 0,9627 tkanka zdenaturowana termicznie y = -0,0001x2 + 0,0461x 2 R = 0,963 7 6 5 4 3 2 1 0 0 50 100 150 200 250 czas dyfuzji, min Dyfuzja suchej substancji z tkanki buraczanej do wody, temp. dyfuzji – 75ºC, liczba udarów – 5 16 tkanka żywa, nie poddana udarom napięcie udaru - 0,5 kV napięcie udaru - 4 kV y = 2E-07x3 - 9E-05x2 + 0,011x R2 = 0,917 y = -3E-05x2 + 0,0124x R 2 = 0,7802 y = -0,0001x2 + 0,0428x R2 = 0,9627 tkanka zdenaturowana termicznie sucha substancja, % 14 12 y = -0,0002x2 + 0,0865x R2 = 0,9603 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 czas dyfuzji, min Szybkości dyfuzji w temperaturze 75 oC z tkanek denaturowanych termicznie i udarami piorunowymi o napięciu 0,5 kV i 4 kV są praktycznie identyczne, co dowodzi w tym przypadku znaczenia temperatury procesu dyfuzji powodującej denaturację błon komórkowych w trzech wariantach doświadczenia. Piorunowe udary mają wpływ także na właściwości mechaniczne tkanki korzeni (rys.8). Właściwości mechaniczne tkanki buraczanej 1 2 3 4 Siła ściskająca [MN/m2 ] 1,4 1,4 1,4 1,4 Odkształcenie [mm] 2,8 9,0 2,6 6,8 Opór krajania [kJ/m 2] 4,43 1,62 4,21 3,31 Moduł Younga (Moduł sprężystości) [MN/m2] 4,77 0,46 2,85 0,36 W ytrzymałość na ściskanie 1– 2– 3– 4– tkanka tkanka tkanka tkanka żywa po denaturacji termicznej, czas denat.– 120 min, temperatura denat.– 75ºC po udarach napięciowych, liczba udarów – 5, napięcie udaru – 0,5 kV po udarach napięciowych, liczba udarów – 5, napięcie udaru – 4,0 kV Wstępne badania działania udarów napięciowych na enzym występujący w burakach – inwertazę wskazują, że w środowisku o odczynie obojętnym pod wpływem stosowanych impulsów elektrycznych aktywność enzymu zmienia się nieznacznie (rys.9). Wpływ napięcia udaru na aktywność inwertazy 100 90 86 85 88 86 86 82 82 Aktywność inwertazy, % 80 67 70 60 50 40 30 20 10 0 0 3 5 7 9 11 13 15 17 Napięcie udaru, kV Większe różnice aktywności mają miejsce w przypadku zmiany odczynu środowiska. Zbadanego zakresu największa skuteczność udarów ma miejsce dla wartości pH 3,5 (rys.10). Wpływ pH i liczby udarów piorunowych na aktywność inwertazy 100 90 jeden udar 89 dziesięć udarów 81 Aktywność inwertazy, % 80 77 74 79 73 70 60 54 47 50 40 30 20 10 0 3,5 4,5 pH 5,5 6,5 Badane drobnoustroje reagują na udary napięciowe w sposób zróżnicowany (rys.11). Wrażliwość wybranych drobnoustrojów na piorunowe udary napięciowe Bakterie Bacillus subtilis Wrażliwe na impulsy o napięciach 15 – 17 kV , niezależnie od wieku kultury. Bacillus stearothermophilius Wrażliwe na impulsy o napięciu 17 kV , nieznac znie wrażliwe na impulsy o napięciach 9 – 13 kV. Drożdże Candidia mycoderma Wrażliwe na impulsy o napięciach 2 – 9 kV i 17 kV. Saccharomyces cerevisiae Niewrażliwe na impulsy o napięciach 1 – 17 kV. Brak korelacji między liczbą udarów, a przeżywalnością bakterii i drożdży. Wnioski 1 Obróbka tkanki korzeni buraków cukrowych udarami napięciowymi, podobnie jak klasyczna obróbka termiczna, powoduje efekt denatur acji błon komórkowych umożliwiający dyfuzję składników rozpuszczalnyc h z wnętrza komórek. Następuje wyraźne zwiększenie konduktancji tkanki oraz podatność na oddzielenie soku przez wirowanie. 2 Udary napięciowe, po przekroczeniu pewnego granicznego napięcia, zmieniają w sposób istotny właściwości mechaniczne tkanki. Pod wpływem takiej samej siły ściskającej działającej na próbkę (1,4 MN/m2), tkanka żywa zmniejsza swoją długość o 28%, tkanka zdenaturowana termicznie o 90%, a tkanka poddana 5 udarom o napięciu 4,0 kV/cm ulega ściśnięciu do 68% swojej pierwotnej długości. 3 Udary napięciowe są alternatywą do stosowanej obecnie obróbki termicznej. Pozwalają na prowadzenie dyfuzji w niższej temperatu rze, zaś zastosowanie udarów przed procesem krajania pozwoli zminimalizować energię potrzebną do rozwinięcia powierzchni tkanki. 4 Piorunowe udary napięciowe mają wpływ na aktywność inwertazy. Zmiana aktywności inwertazy zależy od wartości napięcia oraz środowiska. pH 5 Bakterie Bacillus subtilis, Bacillus stearothermophilius oraz drożdże Candidia mycoderma wykazują wrażliwość na wysokonapięciowe udary piorunowe. Drożdże Saccharomyces cerevisiae w badanym zakresie napięć są odporne na stosowane udary.