Метод оперативной оценки степени изменения биологических влагоудерживающих свойств свежеубранного растительного материала Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.2:631.3

МЕТОД ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ИЗМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ВЛАГОУДЕРЖИВАЮЩИХ СВОЙСТВ СВЕЖЕУБРАННОГО РАСТИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

© В.М. Жилкин, С.А. Илясова

Zhilkin V.M., Ilyasova S.A. Method of efficient estimation of the newly harvested plant material biological water-holding characteristics degree of change. The article considers the method of efficient estimation of raw materials biological water-holding characteristics degree of change. The estimation is carried out according to the size of changc in the electric signal phase in the examined material.

Оценка эффективности подготовки свежеубранных растительных материалов (РМ) к обезвоживанию актуальна на сокоперерабатывающих, фармацевтических предприятиях, предприятиях кормопроизводства, в пищевой и сахарной промышленности.

Подготовка свежеубранных РМ к обезвоживанию проводится с целью интенсификации последующего процесса обезвоживания обрабатываемого сырья и заключается в максимально возможном повреждении полупроницаемых мембран влагонесущих клеток РМ разрушающими технологическими факторами.

В основу метода оперативной оценки степени по-

Jl\_r/rwn к

1111/1 JJlVAi

характеристик растительной ткани в зависимости от ее жизнеспособности. При повреждении живых клеток увеличивается их электропроводность и снижается поляризационная емкость растительной ткани. При технологической подготовке повреждение растительной ткани обусловлено тем, что в результате механического измельчения, тепловой (электрической или химической) денатурации белков полупроницаемых мембран клеток и коагуляции внутриклеточных коллоидов утрачиваются влагоудерживающие свойства РМ. За счет избыточного внутриклеточного давления (тургора) и сокращения поверхности поврежденных мембран происходит выдавливание внутриклеточного сока в межклеточное пространство и на поверхность РМ, наблюдаются явления выделения поверхностной влаги и истечения сока-самотека.

Повреждение РМ при их технологической подготовке к сокоизвлечению или обезвоживанию определяется суммой сложных внутриклеточных преобразований. Выделить эффект от каждого элементарного преобразования в клетке не представляется возможным. В качестве интегрального критерия, определяющего уровень повреждения растительной ткани как результата общего разрушающего воздействия на живую систему при ее технологической подготовке, предлагается использовать в качестве величины степени изменения влагоудерживающих свойств (С И ВС) РМ косвенный одноименный СИВС-критерий, определяемый но формуле:

Sr =

Ф0 ~ Фх Фо~Фм

где фо - начальное значение фазы электрического сигнала на электродах датчика с необработанным РМ относительно сигнала на сравнительном резисторе; фд. — фактическое значение фазы электрического сигнала на электродах датчика с обработанным тем же РМ относительно сигнала на сравнительном резисторе; ф*, -целевое значение фазы электрического сигнала на измерительных электродах после «теоретически идеальной» (влагоудерживающая структура клеточных мембран и живой протоплазмы всех клеток полностью разрушена) обработки того же РМ относительно сигнала на сравнительном резисторе.

Предложенный авторами оперативный метод косвенного определения СИ ВС РМ может быть легко реализован для непрерывных технологий, является наиболее простым и точным. СИВС РМ при этом находится путем определения значений сдвигов фаз прямоугольных электрических сигналов типа меандр на электродах двух первичных измерительных преобразователей, установленных на входе и выходе из аппарата технологической подготовки РМ к обезвоживанию (сокоизвлечению). Кроме того, данный метод практически нечувствителен к таким влияющим на точность измерения факторам, как вид РМ, его сортность, исходная влажность РМ и сроки его хранения, минеральный состав почвы для выращивания РМ и погодных условий.

Известно, что электрическое сопротивление мертвых биологических объектов с изменением частоты измерительного тока остается постоянным и имеет чисто активный характер, следовательно, можем принять, что = 0 . При этом выражение (1) для определения СИВС при подготовке свежеубранных РМ упрощается и принимает вид:

Sr =

Фо ~Фл Фо

(2)

(1)

Если РМ по каким-то причинам на стадии подготовки оказался необработанным, то = ф0, и СИВС РМ равна нулю. При «идеальной» обработке - 0. СИВС РМ в этом случае наибольшая и равна единице. В общем случае СИВС РМ может принимать значения в интервале 0 < 5 < 1.

Рис. 1. Графическая иллюстрация метода определения СИВС РМ

Рис. 2. Зависимость СИВС стружки сахарной свеклы при нагреве ее до кипения

Графическая иллюстрация метода измерения приведена на рис. 1.

Использование прямоугольных электрических импульсов типа меандр по сравнению с использованием синусоидальных сигналов существенно увеличивает точность измерения временных интервалов за счет более томного определения момента времени пересечения кривых электрических сигналов с датчиков с линией опорного напряжения.

Значения фаз можно определить по кривым напряжения на входном и выходном датчиках по формулам:

„ “'Л»)

Фо - ’ Ф* “ ^

уо уо

где (см. рис. 1)7^- период прямоугольных периодических электрических сигналов переменного тока типа меандр со стабилизированного источника питания; и0 - уровень опорною напряжения, запускающего

таймеры отсчета временных интервалов; и^ - вид

сигнала со сравнительного чисто активного резистора Л0; иях - вид электрического сигнала с первичного измерительного преобразователя, установленного на входе в аппарат технологической подготовки к диффузии; 1/вых - вид сигнала с преобразователя, установленного на выходе из аппарата; - ¡Яо — время запаздывания сигнала с датчика, установленного па входе в аппарат относительно сигнала со сравнительного резистора; 1вых -1Ио - время запаздывания сигнала с датчика установленного на выходе из аппарата по сравнению с сиг налом на сравнительном резисторе.

Измерительный контроллер только на восходящей волне сигнала фиксирует три момента времени

*вх ’ ('<ых и определяет степень повреждения растительного материала по формуле:

— Фо ~ Фд: _ ^вх. ^вых.

Фо {пх. ~{Яо

Зависимость СИВС для одного из случаев последовательной многократной обработки стружки сахарной свеклы путем ее нагрева до кипения представлена на рис. 2.

Измерения фазы во всех приведенных опытах проводились на частоте 10 кГц при величине измерительного сигнала 0,1 мВ. Определения СИВС стружки сахарной свеклы проводились последовательно через каждые 3 минуты эксперимента.

При проведении исследований получены следующие результаты:

1. Критерием эффективности процесса подготовки живой ткани РМ к сокоизвлечению (обезвоживанию) является СИВС РМ.

2. СИВС РМ определяется величиной энергии, сообщенной объекту обработки, и характеризуется экспоненциальной зависимостью во времени.

3. Основным фактором, повышающим сокоот-дачу РМ при прессовании, является повреждение полупроницаемых клеточных мембран и утрата биологической формы связи влаги с РМ.

4. Показатель СИВС не зависит от вида РМ, сроков его хранения и определяется только параметрами обработки.

5. Оперативное определение СИВС РМ проще и надежнее проводить относительным методом с использованием двух датчиков, установленных на входе и выходе из аппарата технологической подготовки РМ к обезвоживанию (сокоизвлечению), и измерением на этих датчиках значений фаз прямоугольных электрических сигналов типа меандр на одной из частот в диапазоне от I кГц до 10 к1 ц.

6. Метод оперативного определения СИВС РМ может быть использован при анализе и расчетах аппаратов и процессов для подготовки различных высоковлажных свежеубранных РМ к обезвоживанию (сокоизвлечению).

Поступила в редакцию 26 марта 2006 г.