CC BY
157
ЕР
СЫРЬЁ / Электрофизические свойства мяса
Электропроводность мяса
А.Н. Захаров, канд. техн. наук, Е.Б. Сусь,
ГНУ ВНИИМП им. В.М. Горбатова Россельхозакадемии
Пищевые продукты необычайно сложны по составу и разнообразны по свойствам. Среди них встречаются диэлектрики, проводники, электролиты, а также их композиции в различных сочетаниях, что препятствует разработке единого описания их электрофизических свойств. Электрофизические свойства мяса характеризуются диэлектрической проницаемостью и удельной электрической проводимостью.
Ключевые слова: электропроводность, дисперсия электропроводности компарт-ментализация, сегнетоэлектрические свойства, свежесть мяса.
^ Характеризуя электрофизические свойства мяса, необходимо учитывать следующие факторы: биоткани являются композиционными средами со сложной геометрией (как в смысле строения, так и электрофизических свойств), хорошо проводящие среды организма - биожидкости, плохо проводящие — мембраны в невозбужденном состоянии, границы раздела разных по строению и свойствам тканей (костная ткань и др.).
Приближенно мясо можно рассматривать как двухфазную систему. Одна из фаз — межклеточная ткань, являющаяся полупроводником с преобладанием диэлектрических свойств, весьма устойчива в живом организме и изменчива в неживом. Вторая фаза — внутриклеточное вещество, представляющее собой электролит.
В меньшей степени, но вполне определенно влияют на электрофизические свойства биохимические процессы, наблюдающиеся в мясе. Рассматривая клетки в живом организме в определенной степени электрически изолированными одна от другой, можно полагать, что в результате послеубойных процессов в мышечной ткани диэлектрические свойства клеточных оболочек будут нарушаться, а в результате деполимеризации тканей будут образовываться низкомолекулярные вещества, которые будут сглаживать емкостный эффект.
Время от времени, появляются гипотезы о достаточно экзотичных свойствах биологических тканей -полупроводниковых и других. Однако при детальном рассмотрении оказывается, что подобные эффекты возникают в тех случаях, когда физические свойства биоткани меняются под действием электромагнитного поля (ЭМП), либо речь идёт о внешнем сходстве наблюдаемых эффектов с эффектами хорошо изученными в электрофизике.
Электропроводность, электрическая проводимость — способность тела пропускать электрический ток, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. Электропроводность биологических тканей определяется наличием в жидкой фазе ионов и, в меньшей степени, заряженных молекул. Основной вклад в электропроводность биотканей вносят такие среды, как кровь, лимфа, межклеточная и внутриклеточная жидкости. Проводимость для этих сред организма находится в диапазоне д = 1/г = 0,1 - 2,0 [См/м]; [См/м] = [1 / Омхм].
д - проводимость, Г - удельное сопротивление.
Электропроводность целых органов на 2-5 порядков ниже, чем проводимости биологических жидкостей, что определяется разделением органов на отсеки (компартменты) различного рода мембранами с относительно высоким сопротивлением. Компарт-менты на микроуровне представлены тканями сухожилия, кожи, сосудистой стенки, фасциями и другими границами раздела биотканей.
Известно, что измерить реальную толщину биологической мембраны достаточно трудно, поэтому, характеризуя сопротивление электрическому току, применяют, так называемое, удельное поверхностное сопротивление. Последнее определяют как произведение удельного сопротивления собственно мембраны на ее толщину: Гм уд = Г X | [ Ом X м2].
Гм уд - удельное поверхностное сопротивление, Г -удельное сопротивление мембраны, I - толщина мембраны.
Для Гм уд диапазон значений располагается в пределах от 0,5 до 102 кОм*см2.
Важным свойством биологических тканей является дисперсия электропроводности (рис. 1).
1—I—I—I—I—Г
12 3 4 5 6 [¿£,Гц
Рис. 1. Типичная зависимость проводимости биоткани от частоты тока.
1 - мозговая ткань кролика; 2 - печень; 3 - измельченная мозговая ткань
Дисперсия особо выражена в нижнем частотном (НЧ) диапазоне. На средних частотах дисперсия выражена меньше, на высоких частотах опять проявляется отчетливо (например, при изменении частоты от 25 МГц до 9 ГГц удельное сопротивление скелетной мышцы снижается в 10 раз).
Следует отметить, что дисперсия проводимости проявляется во всех композиционных средах, а не только биологических. Дисперсия отчётливо наблюдается в таком диапазоне частот ЭМП, который со-
48
ВСё О МЯСЕ № 5 октябрь 2011
Электрофизические свойства мяса / СЫРЬЁ
ЁР
ответствует характеристическим частотам & (частота релаксации (статистического равновесия в системе)) релаксации заряженных частиц, входящих в состав среды. Поскольку однородные среды образованы частицами с близкими значениями &, то дисперсия в них выражена слабо. В неоднородных, в том числе и в биологических, средах наличие емкостных эффектов, сильно зависящих от частоты, приводит к существенной зависимости проводимости от частоты внешнего поля f (частота внешнего поля). Необходимо также помнить, что в случае высокочастотных полей проводимость часто измеряют по величине общего тока и общему напряжению (т.е. току проводимости и току смещения), поэтому в проводимости обычно присутствует емкостная компонента, сильно зависящая от частоты.
Диэлектрические свойства биотканей определяются присутствием в них воды, растворенных в воде макромолекул, а также компартментализацией клеточных и макроскопических структур.
Компартментализация способствует оптимальному протеканию биохимических реакций, но с другой стороны, приводит к тому, что биоткани приобретают сегнетоэлектрические (электретоподоб-ные) свойства. Вследствие наличия заряженных ком-партментов биоткани обладают высоким значением, особенно на НЧ. Заряженные слои ведут себя во внешнем поле как домены с высоким значением электрического дипольного момента и низкой характеристической частотой релаксации &. Применительно к диполям £х соответствует максимальной частоте внешнего ЭМП, которую они способны воспроизводить своим поворотом в нем. В результате подобных поворотов достигается высокая степень экранирования внешнего ЭМП. Диапазон частот & для различных внутриклеточных компартментов простирается от долей герца до 1-10кГц.
На границе раздела электролита и белкового мат-рикса биоткани образуется двойной электрический слой с большим значением электрического диполь-ного момента. Причём характерный размер разделённых зарядов в диэлектрике существенно больше, чем в электролите. Наличие регулярно расположенных границ раздела приводит к тому, что в объёме ткани возникает макроскопический дипольный момент (рис.2).
7
щ
У разных белковых молекул & охватывает диапазон от 10 кГц до 100 МГц и зависит от размеров молекулы и вязкости среды. Существует формула для оценки характеристической Гх в жидких средах за-
полненных диполями:
.А =
кТ
8тг 2т;гг
где г - характерный размер диполей; П- вязкость среды; Т- температура, т.е. частота релаксации одной и той же молекулы в цитоплазме и в плазме крови отличаются, т.к. вязкости разные.
На сверхвысоких частотах (СВЧ) основной вклад в диэлектрические свойства вносит вода, частота релаксации которой составляет 20 ГГц. Именно в воде происходят основные диэлектрические потери при действии СВЧ излучения (& воды попадает в диапазон сантиметровых волн).
Все эти явления приводят к дисперсии - зависимости диэлектрической проницаемости от частоты. Типичный вид дисперсии приведён на рис.3.
Рис. 2. Образование дипольной структуры на границе раздела.
Слева электролит, справа белковый матрикс, стрелки указывают направление перехода электронов, L - характерная длина эквивалентного диполя р.
На более высоких частотах диэлектрические свойства определяются полярными макромолекулами, сосредоточенными как во внутри и внеклеточной жидкости, так и в двойном слое мембраны клеток.
Рис. 3. Дисперсия диэлектрической проницаемости скелетной мышцы
Для биотканей принято выделять три частотные области дисперсии:
а-дисперсия: её диапазон простирается до ~ 10 кГц. Эта область обусловлена наличием клеточных ком-партментов, релаксацией зарядов на микрососудах, фасциях, соединительных прослойках внутренних органов и других неоднородностях.
в-дисперсия (104-108 Гц): обусловлена релаксацией макромолекул, как правило, белков.
Y-дисперсия: обусловлена релаксацией молекул воды и простирается до и более 108 Гц.
В биотканях, находящихся во внешнем переменном ЭМП, возникают токи проводимости и токи смещения. По мере повышения частоты ЭМП роль токов смещения возрастает, и они становятся превалирующими при f > 106 -107 Гц.
Значительный интерес представляют исследования электрических свойств мяса, основанные на измерении электропроводности в зависимости от его качества, которые начаты в ГНУ ВНИИМП им. В.М.Горбатова Россельхозакадемии. В результате установленных закономерностей будут определены нормы электропроводности и экспресс-метод определения вла-гоудерживающей способности и свежести мяса. —|
Литература
1. И.А. Рогов, А.В. Горбатов; «Физические методы обработки пищевых продуктов»; Москва, Пищевая промышленность, 1974 г.
2. Газета «Сельская жизнь» № 3 (23617) от 20.01.2011, статья «Не бывает мяса "второй свежести"»
Контакты:
Александр Николаевич Захаров, тел.: +7(495) 676-66-91, Егор Борисович Сусь, тел.: +7(495) 676-92-14
№ 5 октябрь 2011 ВСё О МЯСЕ
49
