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
1
2
WN
3
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
14,6
27,0
14,6
25,8
26,5
20,7
27,0
21,0
0
5
10
15
20
25
30
tkanka świeża
tkanka
zdenaturowana
termicznie
1 udar o nap. 4
kV
1 udar o nap. 4
kV
tkanka świeża
tkanka
zdenaturow ana
termicznie
5 udarów o nap.
4 kV
5 udarów o nap.
4 kV
il
oś
ć
od
w
ir
ow
an
ego
s
ok
u
,
%
n
b
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
3111
423
1034
205
4515
197
5 udarów
1 udar
5 udarów
1 udar
4,0 kV
0,5 kV
Tkanka poddana udarom napięciowym
Tkanka
zdenaturowana
termicznie
Tkanka
świeża
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
y = -0,0001x
2
+ 0,0428x
R
2
= 0,9627
y = -3E-05x
2
+ 0,0124x
R
2
= 0,7802
y = 2E-07x
3
- 9E-05x
2
+ 0,011x
R
2
= 0,917
y = -0,0001x
2
+ 0,0461x
R
2
= 0,963
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
50
100
150
200
250
czas dyfuzji, min
su
ch
a
su
bs
ta
nc
ja
,
%
tkanka żywa, nie poddana udarom
napięcie udaru - 0,5 kV
napięcie udaru - 4 kV
tkanka zdenaturowana termicznie
Dyfuzja suchej substancji z tkanki
buraczanej do wody,
temp. dyfuzji – 75ºC
, liczba udarów – 5
y = -0,0001x
2
+ 0,0428x
R
2
= 0,9627
y = -3E-05x
2
+ 0,0124x
R
2
= 0,7802
y = 2E-07x
3
- 9E-05x
2
+ 0,011x
R
2
= 0,917
y = -0,0002x
2
+ 0,0865x
R
2
= 0,9603
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0
50
100
150
200
250
czas dyfuzji, min
suc
ha
su
bs
ta
nc
ja
,
%
tkanka żywa, nie poddana udarom
napięcie udaru - 0,5 kV
napięcie udaru - 4 kV
tkanka zdenaturowana termicznie
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
4
3
2
1
1 – tkanka żywa
2 – tkanka po denaturacji termicznej, czas denat. – 120 min, temperatura denat. – 75ºC
3 – tkanka po udarach napięciowych, liczba udarów
– 5, napięcie udaru – 0,5 kV
4 – tkanka po udarach napięciowych, liczba udarów
– 5, napięcie udaru – 4,0 kV
0,36
2,85
0,46
4,77
Moduł Younga
(Moduł sprężystości)
[MN/m
2
]
3,31
4,21
1,62
4,43
Opór krajania
[kJ/m
2
]
6,8
2,6
9,0
2,8
Odkształcenie
[mm]
1,4
1,4
1,4
1,4
Siła
ściskająca
[MN/m
2
]
Wytrzymałość
na ściskanie
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
86
85
88
86
86
82
82
67
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
3
5
7
9
11
13
15
17
Napięcie udaru, kV
A
kt
yw
no
ść
in
w
er
ta
zy,
%
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
54
81
89
79
47
74
77
73
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
3,5
4,5
5,5
6,5
pH
A
kt
yw
no
ść
in
w
er
ta
zy,
%
jeden udar
dziesięć udarów
Badane drobnoustroje reagują na udary napięciowe w sposób zróżnicowany (rys.11).
Wrażliwość wybranych drobnoustrojów na
piorunowe udary napięciowe
Bakterie
Wrażliwe na impulsy o napięciach 15 – 17 kV ,
niezależnie od wieku kultury.
Bacillus subtilis
Brak korelacji między liczbą udarów, a przeżywalnością bakterii i
drożdży.
Niewrażliwe na impulsy o napięciach 1 – 17 kV.
Saccharomyces
cerevisiae
Wrażliwe na impulsy o napięciach 2 – 9 kV i 17 kV.
Candidia mycoderma
Drożdże
Wrażliwe na impulsy o napięciu 17 kV , nieznacznie
wrażliwe na impulsy o napięciach 9 – 13 kV.
Bacillus
stearothermophilius
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 pH
środowiska.
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.