Физические свойства костной ткани, шрота и оссеина. Часть i Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 678.049.167:675.014.45

В. Г. Кузнецов, Р. Н. Аскарова ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОСТНОЙ ТКАНИ, ШРОТА И ОССЕИНА. ЧАСТЬ I

Ключевые слова: Плотность твердой фазы кости, шрота и оссеина; истинная плотность твердой фазы.

Предложена математическая модель, основанная на использовании кинетической функции, что позволяет усовершенствовать процесс производства желатина в промышленных масштабах. Отдельно рассмотрены плотность, пористость и влажность, что дает более точное понимание протекающих сопутствующих процессов при получении желатинов.

Keywords: Density of bone, meal and ossein; true density of the solid phase.

A mathematical model based on the use of kinetic functions, which allows to improve the production process of gelatine on an industrial scale. A separate analysis of density, porosity and humidity, giving a more accurate understanding of the related processes occurring when receiving gelatins.

Рассмотрим плотность кости, шрота и оссеина (золёного, обеззоленного). Плотность кости - это показатель количества минералов в кости.

Кость относится к многокомпонентным системам и представляет собой смесь белков, минеральных солей, жира и воды. Основу кости образует пористый скелет (каркас) из коллагена кости (белка), некоторых неколлагеновых белков (альбумина, эластина и т.д.) и некоторых минеральных веществ.

Таким образом, различают плотность истинную (при расчёте объём пор не учитывается) и кажущуюся (с учётом пор).

В процессе переработки кости плотность и пористость её значительно меняются, что существенно влияет на массообменные процессы. Определение плотности компактной кости производилось пикно-метрическим методом [1] на приборе СПВ-2 [2], губчатой (мягкой) - на специально созданной установке [3], поскольку применение обычного пикно-метрического метода в этом случае приводит к заниженным результатам, так как весьма затруднительно избавиться от газов, адсорбированных высокоразвитой внутренней поверхностью.

Результаты исследований приведены в [4,5] и могут быть обобщены, следуя [6,7], уравнением:

ри

w г

__|_ ~ж

рв рж

г , г

(1)

Ри, Ре, Рж, Рз, рб - истинная плотность соответственно кости, воды, жира, минеральных солей, белковых веществ, кг/м3; W, £з, - массовая доля соответственно воды, жира, минеральных солей (золы), белковых веществ, %.

Влага в кости определяется высушиванием навески в сушильном шкафу при температуре 100 -1100С до постоянной массы. Жир определяется по разности коэффициентов преломления чистого растворителя (а - монобромнафталина) и испытуемого раствора (жира и растворителя) на рефрактометре. Содержание белков определяется по общему азоту методом Кьельдаля. Содержание минеральных веществ определялось сжиганием органической части, по количеству золы вычисляли содержание минеральных веществ.

Плотность минеральной части (золы) Рз аппроксимирована зависимостью [6,8]:

рз =

27201 - 27 -10-6 (( - 293 )J

(2)

где Т - температура в К.

Плотность костного жира Рж при 1=40-90°С определяется по уравнению[4]:

Рж = 940 - 1,4t

(3)

/ - температура в С.

Плотность сухих обезжиренных белковых веществ Рб определяется по [9], а истинная плотность кости находится в пределах 2000-2140 кг/м3 в зависимости от вида кости [4].

Кажущаяся плотность кости рк связана с истинной соотношением [6,8]:

Рь =Ри (1 - П), (4)

где П - пористость, %; рк находится в пределах 1300-2400 кг/м3 в зависимости от вида кости [4].

Массовые доли компонентов кости связаны соотношением:

4 = ^m (1 - W)

(5)

где - массовая доля компонента сухой и свежей кости, % [10].

В технологии желатина допускается смешение кости разных видов, например, тазовой кости, ребра, лопатки, челюстной. Для такого сырья плотность определится как

Рсм = + Рг^г + Рз£ + Р4^4

(6)

здесь

Р Р Р Р

г = __l г = 2 г =—L г = 4

Ч - Р , Ь2 - Р , Ьз- Р , $4- Р ,

г=l, о <г < 1,

Р = P + P2 + Рз + P4

(7)

где р1, р2, Рз, Р4 - истинные плотности каждого вида кости в общей массе партии, кг/м3; %2, £3, - массовая доля каждого вида кости в общей массе партии, %; Р1, Р2, Р3, Р4 - общий вес и вес каждой партии одного вида кости, кг.

Таким образом

рсм =='

i р.р.

4_

р

(8)

|

i = 4

Используя (1) получим:

(Ж £

рт рА

р

=1 р

+ -А +

+ -

1

р. р

- Р (9)

р У

где РТ, ¿2, %3, £ - массовая доля каждого вида кости в общей массе партии, %; р1, р2, р3, р4, pi -плотности каждого вида кости, кг/мм2; Р, Р1, Р2, Р3, Р4, Р, - общий вес и вес каждой партии одного вида кости, кг.

Насыпная плотность дроблёной кости, смешанной по технологическому регламенту производства желатина, составляет:

- для паспортной кости обезжиренной (таз, ребро, лопатка) - 630-660 кг/м3;

- для трубки - 850-950 кг/3;

- для смешанной кости необезжиренной (таз, ребро, лопатка, трубка) - 650-750 кг/м3.

Насыпная плотность смешанной кости до дробления - 163-175 кг/м3; трубки - 800-825 кг/м3.

Исходя из этого, можно определить порозность е слоя частиц шрота, например, для частиц шрота размером 3-8 мм она составляет 0,70-0,75; для 8-14 мм- 0,60-0,65; для 14-25 мм 0,50-0,55.

Порозность оссеина после мацерации, золения, обеззоливания, в зависимости от калибра также находится в пределах 0,55- 0,75.

При экстрагировании из оссеина желатина по-розность слоя изменяется не только в зависимости от калибра, но и от слива к сливу (табл.1).

Таблица 1

Слив, калибр, мм До экстрагирования 1 2 3 4

3-8 0,59 0,55 0,50 0,48 0,47

14-18 0,85 0,67 0,66 0,64 0,62

18-22 0,76 0,75 0,70 0,60 0,68

Напомним, что после дробления кости и её обезжиривания получают костный шрот. Шрот, обработанный в процессе деминерализации (мацерации) и лишённый минеральных веществ, называют оссеином. Из оссеина, обработанного в процессе золения, получают золёный оссеин, т. е. оссеин, из которого удалены балластные белки. Отмытый в процессе обеззоливания оссеин называют обеззо-ленным оссеином.

Легко предположить, что согласно зависимости (1) можно, исключая тот или иной компонент, рассчитать истинную плотность и шрота, и оссеина. Однако практика показала, что в технологии желатина невозможно идеально отделить жир, минеральные соли, белковые балластные вещества от коллагена и в зависимость (1) следует ввести соответствующие коррективы.

Итак, по технологическому регламенту сухой шрот содержит до 2% остаточного жира, до 10 % влаги [11]. Отсюда,

= £ + 1 + 11ж + Еш. (10)

риш рз рб рж рв

где риш - истинная плотность шрота, кг/м , Ж1в=0, 10 % - остаточная влага в кости; %1ж=0,02 % - остаточный жир.

Поскольку переработка шрота ведётся при температуре не более 20 0С, принимаем по (3) рж = 940-1,4-20 = 912 кг/м3, ре = 1000 кг/м3.

Вычислим плотность шрота, полученного из лопатки, учитывая, что

1 Р6

£колл I 1

+ -

б. бел

Рк,

(11)

' колл ^ б. бел

рколл и %колл - плотность в кг/м3, и массовая доля коллагена в %.

Рб.бел. и %б.бел. - плотность в кг/м3, и массовая доля балластных белков в %.

А Рколл~Рб и ¿6=%+%б.бел.

При этом необходимо пересчитать массовые доли входных компонентов с учётом того, что

Ж +1 +1 +1 = 1

Т.е. если Wв=0.10%, "^ж=0,02%, то массовые доли и равны 0,284 и 0,596.

_ 0596 + 0284 + 010 + 002 _ 0 Р 2720 1300 1000 912

' иш

риш= 1453 кг/м3 - истинная плотность шрота.

Плотность сухого оссеина после мацерации можно определить из уравнения (11), полагая, что минеральные соли и жир практически удалены:

1 _ 1 , Ж

+

' 2в + 12з_

(12)

Рио Рб Р в Рз

рио - истинная плотность оссеина, кг/м3.

W2в =0,06 - 0,10 % - остаточная влага (максимальная) в оссеине после деминерализации, при которой сырьё может храниться без возгорания.

%2з=0,01 % - доля минеральных солей от веса кости, остающаяся после деминерализации.

Плотность сухого золёного оссеина, освобождённого от балластных белков, определится в идеальном случае как

1

1

■ + ■

(13)

Р изо Р колл Р в

ризо - истинная плотность золеного оссеина, кг/м3. Ж3в = 0, 05-0, 10 % - остаточная влага сухого золёного оссеина.

На практике, поскольку минеральная часть не удаляется золением, следует учесть её плотность 1 1 Ж

1 _ Ькг— ''Т-

■ + ■

' 3в_ + 1 з

ризо р колл ре рз

Плотность обеззоленного оссеина 1

Ж

7 колл _ + 3в

(14)

(15)

Риоо Рколл Ре

где риоо - истинная плотность обеззоленного оссеина, кг/м3.

Так как объёмная часть балластных белков при обеззоливании отмывается, а минеральная часть частично нейтрализуется, считаем, что их влияние на окончательную плотность обеззоленного оссеина (практически чистого оссеина) незначительно.

-1

Для примера, полагая, что балластные белки полностью извлечены, определим плотность сухого обез-золенного оссеина, полученного из тазовой кости:

1/Риоо=0,9/1300+0,10/1000=0,6910-4+1,010-4 =0,7910-4;

Риоо=1265 кг/м3

Экспериментально полученные величины истинной плотности коллагена согласуются с данными

[12], которые равны 1,300-1,600 кг/м3, и с данными

[13]- 1,300 -1,340 кг/м3. Результаты исследований показали, что Ри у кости уменьшается от 2140 кг/м3 до 1260 кг/м3 у оссеина.

В технологии желатина применяют, в основном, обезводненный шрот, который гидротранспортом направляется на деминерализацию. В этом случае плотность шрота за счёт обводнения возрастает на 130-140 % по отношению к сухому веществу. Полное удаление минеральных солей из кости приводит к повышению влагоёмкости коллагена почти на 230% [14] по отношению к сухому белку. На рисунке 1 показано, что шрот и оссеин достигают максимум обводнения за 24 часа.

О 24 48 12 96

Продолжительность обводнения, час.

Рис. 1 - Диаграмма обводнения при замачивании сырья в воде, где 1 - шрот, 2 - оссеин

Литература

1. Гаузпер С.И. и др. Измерение массы, объёма и плотности - М.: Изд. Стандартов, 1972. - 623с.

2. Андреев С.Е., Товаров В.В., Перов В.А. Закономерности исчисления характеристик гранулометрического состава - М.: Металлургиздат, 1959. - 437 с.

3. Чернов Р. В., Андрийко А. А. Определение плотности порошкообразных пористых и волокнистых материалов // Порошковая металлургия . 1980. №11 С. 53.

4. Отчёт Казниитехфотопроект. - Казань, 1983. Гос. регистр. Номер 810065035.

5. Плачёнов Т.Г.,КолосенцевС.Д. Порометрия. - Л.: Химия. Ленингр. отделение, 1988. - 175 с.

6. Иванов В.Е. Разработка процесса обезжиривания кости для получения костного шрота с целью создания непрерывно- действующего оборудования. Кандид. диссертация. - М.,1984.

7. Латышев В.П. Рекомендации по расчётам теплофизиче-ских свойств пищевых продуктов. - М.: ВНИКТИхо-лодпром, 1983. - 106с.

8. Файвишевский М.Л. Переработка пищевой кости. - М.: Агропромиздат, 1986. - 176 с.

9. Латышев В.П. Влияние растворимых газов на коэффициент теплопроводности и плотность говядины и свинины // Холодильная техника. 1980. №12 С .31 -36

10. Кузнецов В.Г., Аскарова Р.Н. Математическая модель процесса обеззоливания оссеина в технологии желатина // Вестник Казан. технол. ун-та. 2014. №14 С. 373

11. Технологический регламент № 6-17-07-49. Производство шрота и жира животного технического. Казань. З-д « Полимерфото».

12. Райх Г. Коллаген - М.: Лёгкая индустрия, 1969. - 328с.

13. Mohanaradhakrishnan V. Ramanathan. Leather Science. -1964. №11.

14. Соколов А. А. Физико-химические и биохимические основы технологии мясопродуктов - М.: Пищепромиз-дат,1965. - 490с.

© В. Г. Кузнецов - к.т.н., доцент кафедры ТКМ КНИТУ, kuz vlad@yandex.ru; Р. Н. Аскарова - ассистент кафедры ТКМ КНИТУ, ryshka08@gmail.com.

© V. G. Kuznetsov - candidate of technical science, associate professor from department of structural materials technology, KNRTU, kuz vlad@yandex.ru; R. N. Askarova - teaching assistant from department of structural materials technology, KNRTU, ryshka08@gmail.com.