CC BY
5
УДК 57.087.3, 621.373.7, 621.375.3 DOI: 10.21323/2071-2499-2019-3-32-35 Ил. 8. Библ. 9.
ВЛИЯНИЕ НИЗКОЧАСТОТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ЛЬДА В ОХЛАЖДЁННЫХ МЫШЕЧНЫХ ТКАНЯХ
Барышев М.Г.1, доктор биол. наук, Лисицын А.Б.2, академик РАН, Половодов Ю.А.1, канд. пед. наук, Половодова А.Ю.1
1 Кубанский государственный университет
2 ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова
Ключевые слова: переменное магнитное поле, заморозка, мышечная ткань, гексагональная кристаллическая структура
Реферат
Качество сохранённых мясопродуктов после размораживания необходимо рассматривать преимущественно с помощью описания процесса кристаллизации воды и сложных растворов в составе мясных продуктов. В работе описан эксперимент, проведённый в рамках исследований действия магнитного поля низких частот на изменение структуры мясных волокон после разморозки. Показано, что обработка мяса переменным низкочастотным магнитным полем вызывает существенные изменения структуры тканей мяса при равномерной заморозке. Отмечено, что для разработки технологии заморозки-разморозки мясной продукции без изменения её структуры и с минимальным процентом вымораживания воды требуются дальнейшие исследования.
iNFLUENCE
OF A LOW-FREQUENCY MAGNETiC FiELD ON PROCESS OF FORMATiON OF MONOCRYSTALS OF iCE iN THE COOLED MUSCULAR TiSSUE
Baryshev M.G.1, Lisitsyn A.B.2, Polovodov Y.A.1, Polovodova A.Y.1
1 Kuban State University
2 Gorbatov Research Center for Food Systems
Key words: variation magnetic field, freezing, muscular tissue, hexagonal crystalline structure
Summary
The quality of the kept meat products after defrosting needs to be considered mainly by means of the description of process of a crystallization of water and the complex solutions as a part of meat products. In work the experiment made within the researches of action of an magnetic field of low frequencies on structural change of meat fibers after a defrosting is described. It is shown that processing of meat a variation low-frequency magnetic field causes significant structural changes of fabrics of meat at the uniform freezing. It is noted that for development of technology frosts defrosting of meat products without change of its structure and with minimum percent of winterizing of water are required further researches.
Введение
Нежирные виды мяса являются основой функционального питания населения, оказывая положительное влияние на здоровье различных категорий граждан [1]. При этом одним из главных способов хранения мясной продукции остаются охлаждение и заморозка [2]. Качество сохранённых мясопродуктов после размораживания необходимо рассматривать преимущественно с помощью описания процесса кристаллизации воды и сложных растворов в составе мясных продуктов [3]. Как показывает анализ самых распространённых технологий заморозки, основным фактором, влияющим на структуру и размеры кристаллов замёрзших растворов в мясе и мясопродуктах, является скорость заморозки -как и в большинстве других процессов кристаллизации, чем выше скорость кристаллизации, тем меньше образуется крупных кристаллов с упорядоченной структурой [4].
Если кристаллические структуры невелики и их размещение совпадает с естественным расположением жидкости в мышечной ткани, то коллоидные системы продуктов не претерпевают каких-либо изменений и восстанавливаются после размораживания без повреждений. В связи с этим интенсивность теплообмена при прохождении температурной зоны от -1 до -5 °С при замораживании и от -5 до -1 °С при размораживании является решающим для сохранности
мясопродуктов и минимально влияет на изменение их структуры [5].
Чем выше скорость и ниже температура замораживания, тем значительнее изменения коллоидной структуры тканей, влияющих на величину влагосвязывающей способности после их размораживания.
Причинами, влияющими на наличие и количество вытекающего клеточного сока при замораживании-размораживании, являются:
□ денатурация белков в результате отделения воды от белковой субстанции;
□ рост концентрации минеральных веществ в растворах, содержащихся внутри и вне волокон;
□ механическое воздействие кристаллов льда из стенки мышечных волокон и на соединительнотканные межволоконные прослойки и т.д. [5]. Несмотря на то что молекула воды
является диамагнетиком, она обладает постоянным, достаточно большим магнитным дипольным моментом, равным 1,84 дебая (1,84 х 3,34 х 10-30 кулон-метр) [6]. В присутствии достаточной концентрации растворённых в воде ионов влияние внешнего переменного магнитного поля на такие растворы значительно усиливается.
Учитывая вышесказанное, была выдвинута гипотеза, что при воздействии на жидкие фракции растворов, содержащихся в мышечной ткани, низкочастотным переменным магнитным полем достаточно высокой интенсивности удастся предотвратить создание новых гексаго-
нальных кристаллических структур дальнего порядка, предотвратив тем самым рост кристаллов льда, разрывающих волокна тканей и вызывающих изменение структуры замораживаемого мяса [7].
Для подтверждения или опровержения данной гипотезы требуются многочисленные серии экспериментов, позволяющие учесть влияние различных внешних и внутренних факторов на процесс заморозки мяса под воздействием низкочастотного переменного магнитного поля с учетом количественных и качественных характеристик этих факторов.
Объекты и методы исследования
В качестве объекта исследования было выбрано мясо крупного рогатого скота (говядина) - лопаточный вырез, не подвергавшийся какой-либо термической или химической обработке. Первую серию экспериментов было решено провести при следующих условиях:
1. Средняя скорость замораживания в закрытом боксе свежего мяса с малым содержанием жировой ткани (в качестве холодильника - водно-солевой аккумулятор холода с начальной температурой -56 °С).
2. Переменное магнитное поле напряженностью Н около 400 А/м (В~0,5 мТл) с частотой 18 Гц, не совпадающей с частотами второй гармоники Шумановского резонанса [8].
3. Размораживание при естественном градиенте температур (+23 °С, конвек-
ция ограничена) при отсутствии внешнего низкочастотного переменного магнитного поля.
Эксперименты проводили в лаборатории кафедры физики и информационных систем Кубанского государственного университета в термоизолированном боксе с ограниченной конвекцией воздушной среды. В качестве холодильника использовались водно-солевые аккумуляторы холода с начальной температурой - 56 °С (217 К). Образцами являлись прямоугольные вырезы мышечной ткани лопаточной части говядины толщиной около 10 мм, помещённые в боксы из тонкого поливинилхлорида. В качестве источника магнитного поля использовался специально изготовленный индуктор кольцевого типа диаметром 270 мм и расчётной индуктивностью 0,075 Гн. Индуктор был запитан от генератора звуковой частоты МУШЕ13650 (МУШЕ, Германия) с модернизированным выходным трактом, увеличивающим выходную мощность, что позволило поднять амплитуду колебаний до 14 В и достичь значений магнитной индукции переменного магнитного поля в центре индуктора порядка 0,5 мТл при напряжённости поля 400 А/м [9]. Частота генерации составляла 18 Гц. Выбор частоты был обусловлен общей направленностью основных исследований кафедры по влиянию на биологические системы магнитного поля на частотах Шумановского резонанса [8]. Точность поддержания частоты генерации составляла 0,05 Гц.
Так как эксперимент носил предварительно-оценочный характер, в качестве методов оценки результатов были выбраны визуально-метрические методы оценки состояния образцов. В качестве объекта исследования были применены только преимущественно продольные срезы мышечной ткани ввиду того, что результаты опытов оценивались визуально по снимкам на охлаждённых стёклах под микроскопом с увеличением 50х (Биомед-6, Россия). При данном разрешении поперечные срезы будут менее информативны для оценки качественных изменений в структуре мышечной ткани. Инструмент, как и стекла, находился в боксе и имел температуру, близкую к температуре исследуемых образцов. Контроль температуры проводился с помощью термодатчиков мультиметров ЭТ838 (1ЕК, Россия), помещённых в центральную часть образцов с торца. Точность измерения температуры составила 0,5 °С, что для данного эксперимента допустимо. В конце серии опытов ввиду явных отличий консистенции образцов было решено исследовать остаточную де-
формацию путём помещения охлаждённого груза массой 0,5 кг на контрольный и подопытный образцы с последующим измерением остаточной деформации.
Результаты исследований
Эксперимент проводили последовательно на одном и том же материале, как с воздействием переменного магнитного поля, так и без его воздействия.
Как видно на рисунке 1, серьёзного различия в структуре образцов не наблюдается, хотя по градациям интенсивности окраса среза очевидно, что образец, подвергшийся воздействию внешнего низкочастотного переменного магнитного поля, незначительно отличается от контрольного.
Уже при температуре -2 °С отличия становятся более заметными (рисунок 2) -очевидно, что образец, подвергшийся воздействию внешнего низкочастотного переменного магнитного поля, отличается от контрольного более упорядоченной структурой среза, на нем проступают мышечные волокна образца, поверхность среза более плотная, о чем говорит меньшее количество воздушных пузырьков под покровным стеклом и субъективно меньшее количество свободной жидкости на поверхности образца.
Дальнейшее охлаждение образцов выявило ещё большее расхождение в структуре на срезах, что видно на рисунках 3, 4, 5, 6, 7, однако характер этих изменений неоднороден.
Рисунок 1. Срез опытного образца при 0 °С а) — контрольный, б) — под воздействием переменного магнитного поля
Рисунок 2. Срез опытного образца при -2 °С а) — контрольный, б) — под воздействием переменного магнитного поля
Рисунок 3. Срез опытного образца при -4 °С а) — контрольный, б) — под воздействием переменного магнитного поля
,, Л Л
Ш
Лт
б
а
б
а
б
а
2019 | № 3 ВСЕ О МЯСЕ
Рисунок 4. Срез опытного образца при -6 °С а) — контрольный, б) — под воздействием переменного магнитного поля
Рисунок 5. Срез опытного образца при -8 °С а) — контрольный, б) — под воздействием переменного магнитного поля
Рисунок 6. Срез опытного образца при -10 °С а) — контрольный, б) — под воздействием переменного магнитного поля
Если сравнить структуру срезов образцов, подвергшихся воздействию внешнего низкочастотного переменного магнитного поля при температуре -4 °С (рисунок 3) и -6 °С (рисунок 4), то утверждение об определяющей роли скорости замораживания в диапазоне от -1 до -5 °С при замораживании в переменном магнитном поле не подтверждается в полной мере. Очевидно, что изменения структуры образцов на контрольных срезах более детерминированы, структура хаотична, наблюдаются крупные центры увеличения плотности материала (рисунки 3а, 4а). На образцах, подвергшихся воздействию внешнего низкочастотного переменного магнитного поля (рисунки
3б, 4б), структура среза остаётся равномерно-упорядоченной, хотя и появляются локальные вытянутые уплотнения, совпадающие по частоте и характеру направленности с предыдущими рисунками.
Логично предположить, что при охлаждении в данном диапазоне температур внешнее магнитное поле не смогло полностью предотвратить образование больших гексагональных структур кристаллизующихся растворов в связи с особенностями кристаллизации воды именно при этих температурах.
При дальнейшем охлаждении образцов на контрольных срезах наблюдается типичная картина изменения структуры мяса - неравномерная структура,
свидетельствующая о наличии локализованных, хаотично расположенных центров кристаллизации различных растворов в составе образцов (рисунок 5а).
Структура образцов, подвергшихся воздействию внешнего низкочастотного переменного магнитного поля, претерпевает интересное изменение -наблюдаемые на рисунке 4б локальные вытянутые уплотнения исчезают (рисунок 5б). Можно предположить, что после охлаждения в предыдущем диапазоне температур упорядоченные кристаллические структуры замёрзших растворов становятся чувствительнее к внешнему магнитному полю и происходит частичное разрушение образовавшихся слоёв кристаллов льда, однако это утверждение требует дальнейшей проверки на срезах при большем увеличении и в условиях управляемой термостабильной среды.
На рисунке 6а срез контрольного образца демонстрирует наличие крупных кристаллических структур внутри образца.
Срезы, представленные на рисунке 7, были последними, так как при температуре -12 °С контрольный образец окончательно затвердевал, в то время как образец, подвергшийся воздействию внешнего низкочастотного переменного магнитного поля, сохранял некоторую пластичность. При воздействии на контрольный образец толщиной 10 мм груза с удельным статическим давлением 0,5 Н/см2, охлаждённого до -12 °С, остаточная деформация у контрольного образца практически не наблюдалась, тогда как у образца, подвергшегося воздействию внешнего низкочастотного переменного магнитного поля, она составила порядка 1,5-2 мм.
Оценка повреждения структуры образцов при размораживании по количеству выделившейся жидкости оказалась затруднительной, так как при массе образцов 50 г количество выделившейся жидкости оказалось около 10 мг для образца, подвергшегося воздействию внешнего низкочастотного переменного магнитного поля, и приблизительно 20 мг - для контрольного образца. Для уточнения этих цифр необходимо провести опыт с большими объёмами мяса при условии синхронности процесса замораживания образцов.
На рисунке 8 представлены снимки срезов после разморозки. Очевидно, что структура образца, подвергшегося воздействию внешнего низкочастотного переменного магнитного поля, более плотная, упорядоченная и рав-
© КОНТАКТЫ:
Барышев Михаил Геннадьевич a mgbarishev@kubsu.ru Лисицын Андрей Борисович a info@fncps.ru
Половодов Юрий Александрович a polovodov_ya@list.ru Половодова Александра Юрьевна a polovodov_ya@list.ru
номерная по сравнению с контрольным образцом.
Выводы
Таким образом, можно констатировать следующее:
□ показано воздействие переменного низкочастотного магнитного поля на динамику изменения структуры тканей мяса при равномерной заморозке;
□ для разработки технологии заморозки-разморозки мясной продукции без изменения её структуры и с минимальным процентом вымораживания воды требуются дальнейшие исследования, особенно на уровне влияния переменного низкочастотного магнитного поля на клеточную структуру тканей и микрофибрил;
□ необходимо установить зависимость влияния интенсивности и частоты поля, а также скорости заморозки в диапазоне от -1 до -5 °С при замораживании и от -5 до -1 °С при размораживании с целью сравнения классических технологий заморозки мяса и процесса охлаждения его в низкочастотном магнитном поле.
В дальнейшем при исследовании структуры мышечной ткани планируется подготовка срезов с помощью ультрамикротома, при этом будут использоваться как продольные относительно волокон мяса срезы, так и поперечные.
список ЛИТЕРАТУРЫ:
REFERENCES:
1. Лисицын, А.Б. Современные тенденции развития индустрии функциональных пище- Lisitsyn, A.B. Sovremennyye tendentsii razvitiya industry funktsional'nykh pishchevykh вых продуктов в России и за рубежом / А.Б. Лисицын, И.М. Чернуха, О.И. Лунина // produktov v Rossii i za rubezhom [Modern trends in the development of the functional Теория и практика переработки мяса. — 2018. — Т. 3. — № 1. — С. 29-45. food industry in Russia and abroad] / A.B. Lisitsyn, I.M. Chernukha, O.I. Lunina // Teoriya
i praktika pererabotki myasa. — 2018. — T. 3. — № 1. — P. 29-45.
2. Дибирасулаев, М.А. Интенсификация процесса охлаждения и увеличение срока хра- Dibirasulayev, M.A. Intensifikatsiya protsessa okhlazhdeniya i uvelicheniye sroka khraneni-нения копчёно-варёных продуктов из свинины / М.А. Дибирасулаев, Г.А. Белозеров, ya kopcheno-varenykh produktov iz svininy [Intensification of the cooling process and an С.Г. Рыжова, Б.А. Макаров // Мясная индустрия. — 2015. — № 3. — С. 40-43. increase in the shelf life of smoked — cooked pork products] / M.A. Dibirasulayev, G.A. Be-
lozerov, S.G. Ryzhova, B.A. Makarov // Myasnaya industriya. — 2015. — № 3. — P. 40-43.
9. Дибирасулаев, М.А. Влияние субкриоскопической температуры хранения на количество вымороженной воды в NOR и DFD говядине / М.А. Дибирасулаев, Г.А. Белозёров, Д.М. Дибирасулаев, Д.Е. Орловский // Теория и практика переработки мяса. — 2016. — Т. 1. — № 2. — С. 18-25.
Dibirasulayev, M.A. Vliyaniye subkrioskopicheskoy temperatury khraneniya na kolichestvo vymorozhennoy vody v NOR i DFD govyadine [Effect of sub-cryoscopic storage temperature on the amount of frozen water in NOR and DFD beef] / M.A. Dibirasulayev, G.A. Belozerov, D.M. Dibirasulayev, D.Ye. Orlovskiy // Teoriya i praktika pererabotki myasa. — 2016. — T. 1. — № 2. — P. 18-25.
4. Дибирасулаев, М.А. Разработка спектрофотометрического метода ускоренной идентификации замороженных блоков, выработанных из парного или охлаждённого мяса, для обоснования выбора технологических режимов их размораживания / М.А. Дибирасулаев, Г.А. Белозеров, Л.О. Архипов // Все о мясе. - 2017. - № 5. - С. 48-52.
Dibirasulayev, M.A. Razrabotka spektrofotometricheskogo metoda uskorennoy identifikatsii zamorozhennykh blokov, vyrabotannykh iz parnogo ili okhlazhdennogo myasa, dlya obosno-vaniya vybora tekhnologicheskikh rezhimov ikh razmorazhivaniya [Development of a spectrophotometry method for the accelerated identification of frozen blocks produced from steamed or chilled meat, to substantiate the choice of technological modes for their defrosting] / M.A. Dibirasulayev, G.A. Belozerov, L.O. Arkhipov // Vsyo o myase. — 2017. — № 5. — P. 48-52.
4. Рогов, И.А. Технология мяса и мясопродуктов. Книга 1. Общая технология мяса / И.А. Рогов, А.Г. Забашта, Г.П. Казюлин. - М.: КолосС, 2009. - 565 с.
Rogov, I.A. Tekhnologiya myasa i myasoproduktov. Kniga 1. Obshchaya tekhnologiya myasa [Technology of meat and meat products. Book 1. General technology of meat] / I.A. Rogov, A.G. Zabashta, G.P. Kazyulin. — M.: KolosS, 2009. — 565 p.
6. Стромберг, А.Г. Физическая химия. Учеб. для хим. спец. вузов / А.Г. Стромберг, Stromberg, A.G. Fizicheskaya khimiya. Ucheb. dlya khim. spets. Vuzov [Physical chemistry. Д.П. Семченко; под ред. А.Г. Стромберга. — 4-е изд. Испр. — М.: Высш. шк., 2001. — Training for chemical specialist. universities] / A.G. Stromberg, D.P. Semchenko; pod red. 527 с. A.G. Stromberga. — 4-ye izd. Ispr. — M.: Vyssh. shk., 2001. — 527 p.
7. Барышев, М.Г. Влияние низкочастотного электромагнитного поля на биологические Baryshev, M.G. Vliyaniye nizkochastotnogo elektromagnitnogo polya na biologicheskiye системы / М.Г. Барышев, Г.И. Касьянов, С.С. Джимак // Известия высших учебных sistemy [Effect of a low-frequency electromagnetic field on biological systems] / M.G. Bary-заведений. Пищевая технология. — 2007. — № 3 (298). — С. 44-48. shev, G.I. Kas'yanov, S.S. Dzhimak // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Pishchevaya
tekhnologiya. — 2007. — № 3 (298). — P. 44-48.
8. Электронный ресурс. — Режим доступа: [http://janto.ru/repository/008/01.html] (дата Elektronnyy resurs. — Rezhim dostupa: [http://janto.ru/repository/008/01.html] (data обращения 24.04.2019). obrashcheniya 24.04.2019).
9. Il'chenko, G.P. A Device for Searching for Optimal Alternating Magnetic Field Parameters for the Treatment of Biological Objects / G.P. Il'chenko, M.G. Baryshev, E.E. Tekutskaya, A.V. Nikitin, V.S. Shelistov // Measurement Techniques. — 2017. — Т. 60. — № 6. — P. 632-637.
2D19 | № 3 ВСЕ О МЯСЕ
