CC BY
26
ПРОИЗВОДСТВО ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
УДК 664.1.031
Влияние термохимической обработки на микроструктуру свекловичной ткани
Impact of thermochemical processing on sugar beet tissue microstructure
Профессор Н.Г. Кульнева, инженер M.B. Журавлев, доцент А.В. Гребенщиков, доцент Н.Н. Логачева
(Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра технологии бродильных и сахаристых производств, тел. 8(473) 255-37-32, E-mail: [email protected]
Professor N.G. Kulneva, Engineer M.V. Zhuravlev, Associate Professor A.V. Grebenshikov, Associate Professor N.N. Lobacheva
(Voronezh state university of engineering technologies) chair of technology of fermentation and sugar production, tel. 8(473) 255-37-32, E-mail: [email protected]
Реферат. Процесс диффузионного извлечения сахарозы из свекловичной стружки является фундаментальным массообменным процессом в технологическом потоке свеклосахарного производства. От того насколько грамотно и технологически обоснованно осуществляется работа диффузионного отделения свеклосахарного завода зависит эффективность работы всех последующих станций, а также качество и выход готовой продукции. Проведены исследования по изучению влияния различных способов термохимического воздействия на микроструктуру клеток свекловичной ткани. Согласно методике исследований получали свекловичную стружку с заданными физическими параметрами. Общее количество стружки разделяли на три пробы: первую использовали для получения контрольных образцов свекловичной ткани без термохимической обработки; вторую пробу подвергали термохимической обработке, при которой растворы реагентов не подвергали электрохимическому воздействию, после чего осуществляли обработку стружки; третью пробу также подвергали термохимической обработке с последующим извлечением сахарозы, но растворы реагентов подвергали ЭХА в течение 60 с при напряженности поля 1,2 В/см и плотности тока на электродах 3 мА/см-. При обработке свекловичной стружки ЭХА растворами реагентов, которые активно проникают в образующиеся везикулярные поры, происходит активное агрегатирование внутреннего содержимого клеток и образование конгломератных соединений. В результате термохимической обработки стружки ЭХА растворами реагентов блокируется переход ВМС и ВКД из пор свекловичной ткани в экстрагент, благодаря чему качество диффузионного сока существенно повышается.
Summary. Process of diffusive extraction of sucrose of beet shaving is fundamental mass-exchanged process in a technological flow of beet sugar production. From that, how competently and technologically work of diffusive department of the beet sugar plant is reasonably carried out overall performance of all subsequent stations, and also quality and an exit of finished goods depends. Researches on studying of influence of various methods of thermochemical impact on a microstructure of cells of beet fabric are conducted. According to a technique of researches received beet shaving with the set physical parameters. The total quantity of shaving was divided into three tests: the first was used for receipt of control samples of beet fabric without thermochemical handling; the second test was subjected to thermochemical handling in case of which solutions of reagents didn't subject to electrochemical impact then performed shaving handling; the third test was also subjected to thermochemical handling with the subsequent extraction of sucrose, but solutions of reagents subjected the ECHO during 60 with in case of intensity of the field 1,2 V/cm and current density on electrodes 3 mA/cm2. When handling the ECHO beet shaving the active aggregation of internal content of cages and formation of conglomerate connections occurs solutions of reagents which actively get into the formed vesicular time. As a result of thermochemical handling of ECHO shaving solutions of reagents block transition of Naval Forces and VKD from a time of beet fabric in экстрагент thanks to what quality of diffusive juice significantly increases.
© Кульнева Н.Г., Журавлев M.B., Гребенщиков A.B., Логачева H.H., 2017
Ключевые слова: свекловичная ткань, микроструктура, термохимическая обработка, электрохимическая активация.
Keyivords: sugar beet tissue, micro structure, thermochemical processing, electrochemical activation.
Процесс диффузионного извлечения сахарозы из свекловичной стружки является фундаментальным массообменным процессом в технологическом потоке свеклосахарного производства. От того насколько грамотно и технологически обоснованно осуществляется работа диффузионного отделения свеклосахарного завода зависит эффективность работы всех последующих станций, а также качество и выход готовой продукции [1, 2].
Рассмотрение структуры клеток свекловичной ткани помогает осмыслить диффузионный процесс в совокупности с химическим составом сахарной свеклы [3]. Отличительной особенностью клеток растительных тканей является наличие в них плотной оболочки (стенки), которая состоит в основном из прочной, нерастворимой в горячей воде клетчатки, а также пектиновых веществ. Каркасную основу стенки составляют микрофибриллы целлюлозы - пучки тесно связанных линейно макромолекул, а цементирующим материалом служат полисахариды (гемицеллюлозы и пектиновые вещества). Внутри микрофибрилл находятся участки слабозакреплённых целлюлозных цепей. Внутрь этих участков может проникать растворитель. В структуре имеются поры или капилляры, свободно сообщающиеся друг с другом, образуя ряд переходов. Через эти поры сообщаются протоплазмы соседних клеток. Наличие таких пор объясняет проницаемость стенок растительных клеток, что учитывается при экстрагировании сахарозы.
Подробные исследования свекловичной ткани [4] свидетельствуют о том, что сахароза растворена в клеточном соке, заключенном внутри вакуоли клетки (рис. 1). Сок окружен большим количеством различных по своей природе мембран, важнейшими из которых являются внешняя оболочка из целлюлозы, соприкасающаяся с ней липопротеидная мембрана и окружающая вакуоль белковая протоплазма.
Рис. 1. Строение клетки ткани сахарной свеклы: а - клетка перед плазмолизом; б - клетка после плазмолиза; 1 - клеточная оболочка; 2 - клеточное ядро; 3 - зернистая протоплазма; 4 - вакуоли
Протоплазма по своему строению является полупроницаемой перегородкой: она способна пропускать через себя жидкую фазу, не пропуская при этом растворенных в клеточном соке веществ. Поэтому экстрагирование сахарозы не будет происходить до тех пор, пока структура протоплазмы находится в целостном состоянии и проницаемость клетки невелика. С целью высвобождения сахарозы из клеток ткани протоплазму необходимо разрушить, повысив тем самым проницаемость свекловичной ткани. Поэтому применяют плазмолиз. Существует четыре его вида: механический, тепловой, химический и электрическое воздействие.
Установлено, что плазмолиз осуществляется с момента денатурации белков свекловичной ткани. Для этого достаточно температуры 60 °С. После разрушения протоплазмы оболочка клетки, состоящая, главным образом, из белков, разрушается, в результате чего создаются щелевидные отверстия, через которые сахароза из вакуоли переходит во внутреннее пространство клетки и затем может диффундировать в экстрагент [5]. На проницаемость клеточной оболочки, кроме ее микроскопического строения, существенное влияние оказывает гидрофильность высокомолекулярных соединений (ВМС), входящих в состав стенок. Извлечение из оболочек клеток ряда гидрофильных веществ (пектинов, пентозанов) приводит к падению гидрофильности всей системы и понижению проницаемости клеточной стенки. Обезвоживание гидрофильных ВМС происходит при повышении температуры, особенно выше 75 °С.
Одним из направлений повышения эффективности диффузионного процесса в свеклосахарном производстве является тепловое воздействие на свекловичную стружку различными теплоносителями. Главная цель термовоздействия - разрушить сложную систему барьеров, препятствующих высвобождению сахарозы из вакуоли клеток к периферии свекловичной ткани. Под барьерами следует понимать клеточную систему, состоящую из цитоплазматической мембраны и множества органелл клеток свекловичной ткани.
Интенсивность диффузионного извлечения сахарозы в значительной степени определяется свойствами свекловичной ткани, такими как структурная целостность клеток, степень плазмолиза, деформационные изменения и др. Установлено, что для максимального высвобождения сахарозы из клеток свекловичной ткани необходимо добиться максимальной степени денатурации белковых компонентов пектат-целлюлозной оболочки клеток, которая обеспечит необходимую величину проницаемости свекловичной ткани.
Проведены исследования по изучению влияния различных способов термохимического воздействия на микроструктуру клеток свекловичной ткани. Согласно методике исследований [6] получали свекловичную стружку с заданными физическими параметрами. Общее количество стружки разделяли на три пробы: первую использовали для получения контрольных образцов свекловичной ткани без термохимической обработки; вторую пробу подвергали термохимической обработке, при которой растворы реагентов не подвергали электрохимическому воздействию, после чего осуществляли обработку стружки; третью пробу также подвергали термохимической обработке с последующим извлечением сахарозы, но растворы реагентов подвергали ЭХА в течение 60 с при напряженности поля 1,2 В/см и плотности тока на электродах 3 мА/см2.
По окончании обработки от каждой пробы отбирали по два образца свекловичной стружки, из которых с помощью лабораторного санного микротома НМ-450 фирмы Advensum вырезали препаративный фрагмент свекловичной ткани размером 40х40х7 мм. Полученные фрагменты ткани с помощью пинцета помещали на смотровое стекло, фиксировали и последовательно подвергали депарафини-рованию (удаление парафина) путем погружения в ксилол, затем промывали в этиловом спирте и дистиллированной воде. Приготовленные таким образом фрагменты ткани окрашивали лабораторным красителем, в качестве которого использовали гематоксилин Эрлиха. Окрашенные препараты помещали в термостатируе-мую камеру на 5 ч для подсушивания и анализа на электронном микроскопе «Altami-Bio 6».
На рис. 2 представлены фотографии анализируемых образцов свекловичной ткани, полученные с помощью программного комплекса «Altami Studio 3.3.0» при увеличении ><960 раз.
На образце свекловичной ткани, которая не подвергалась термохимическому воздействию перед диффузионным процессом, четко видно практически не поврежденную клеточную систему (целостность оболочек нарушена только у отдельных клеток). При таких условиях клеточное содержимое не подвергается изменениям: цитоплазматическая мембрана плотно прилегает к оболочке, не позволяя диффундировать молекулам сахарозы. Проницаемость ткани данного образца невелика ввиду чего извлечение сахарозы весьма затруднительно.
5
ей"»
Рис. 2. Микроскопическом структура клеток свекловичной ткани при различных условиях обработки: а - контрольный образец без обработки; б - образец после термохимической обработки раствором АЩБО^з без ЭХА; в - образец после термохимической обработки ЭХА раствором АЩБО^з; г - образец после термохимической обработки раствором (ИН4)2804 без ЭХА; д - образец после термохимической обработки ЭХА раствором
(т.4)2804
Свекловичная ткань (см. рис. 2, б) подверглась термохимической обработке раствором сульфата алюминия без ЭХА: отчетливо видны существенные морфологические изменения клеток, нарушена целостность клеточных стенок, обусловленная высокой степенью плазмолиза белковых компонентов в результате термохимического воздействия. Происходит дестабилизация клеточных стенок и их последующее разрушение, благодаря чему образуется значительное количество
каверн и пор, через которые раствор реагента активно взаимодействует с клеточным содержимым, образуя конгломераты с белковыми веществами и ВМС. В результате данных процессов предупреждается переход веществ белковой природы из клеток в экстра гент.
Через образовавшиеся в клеточной стенке поры и каверны начинается активный диффузионный переход сахарозы. При таких условиях эффективность диффузионного процесса увеличивается, и создаются благоприятные условия для получения диффузионного сока высокого качества.
На рис. 2, в представлена микроструктура свекловичной ткани, которая подвергалась термохимической обработке ЭХА раствором сульфата алюминия. Четко заметно снижение толщины клеточных стенок из-за достижения высокой степени денатурации белковых компонентов протоплазмы. Это доказывает тот факт, что применение ЭХА растворов реагента позволяет интенсифицировать термоплазмолиз свекловичной ткани и добиться более высокой ее проницаемости. При таких условиях возрастает степень реструктуризации цитоплазматических мембран с последующим образованием нестабильного гомогенного клеточного матрикса. Все внутриклеточные органеллы подвергаются деструктивному разрушению, в результате которого происходит их перемещение к периферии клеточного объема по направлению к образующимся разрывам и порам. В данные поры проникает ЭХА раствор сульфата алюминия, активно взаимодействующий с разрушенными орга-неллами белковой природы, в результате чего происходит образование осмофиль-ных конгломератов различной формы, которые впоследствии адсорбируются в поверхностном слое свекловичной ткани, не переходя в экстрагент, за счет чего повышается качество диффузионного сока. Данные конгломераты отчетливо видны на рис. 2, в, д.
При рассмотрении изображения микроструктуры ткани (см. рис. 2, г), подверженной обработке раствором сульфата аммония без ЭХА, мы видим снижение толщины клеточных стенок. Происходит необратимая деструкция плазмалеммы - периферийной части клеточных стенок, в результате чего образуется значительное количество пор и везикул, в которые активно проникает раствор реагента. При его взаимодействии с веществами белково-пектидного комплекса образуются раз-ноформенные комплексные образования, осаждающиеся в поверхностном слое свекловичной ткани.
При обработке образца ткани паром и ЭХА раствором сульфата аммония степень деструктивных разрушений максимальна (см. рис. 2, (3). При таких условиях происходит быстрая денатурация белковых компонентов клеточных стенок и их разрушение. Цитоплазма отделяется от разрушенных клеточных стенок и подвергается прямому воздействию ЭХА раствора реагента, в результате которого плазматический мешочек разрывается на сгустки, агрегатирующиеся в образования неправильной формы. Кроме того, происходит интенсивная агрегация внутреннего содержимого клеток, вызванная поляризацией белковых и липидных компонентов мембран клеток [7]. В результате образуется большое количество агрегатированных конгломератных образований, которые имеют значительные размеры, обладают меньшей подвижностью и удерживаются внутри клеток, не препятствуя при этом высвобождению сахарозы. Это подтверждается результатами экспериментальных исследований диффузионного процесса с применением термохимической обработки стружки ЭХА растворами реагентов.
Таким образом, электрохимическая активация растворов реагентов, применяемых для термохимической обработки свекловичной стружки, оказывает существенное влияние на микроструктуру клеток свекловичной ткани, в результате которого в клетках происходит ряд структурно-функциональных процессов, позволяющих добиться высокой степени проницаемости свекловичной ткани, что интенсифицирует диффузионный переход сахарозы. При обработке свекловичной
стружки ЭХА растворами реагентов, которые активно проникают в образующиеся везикулярные поры, происходит активное агрегатирование внутреннего содержимого клеток и образование конгломератных соединений. В результате термохимической обработки стружки ЭХА растворами реагентов блокируется переход ВМС и ВКД из пор свекловичной ткани в экстрагент, благодаря чему качество диффузионного сока существенно повышается.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kulneva, N. G. Improving the efficiency of the extraction of sucrose from beet chips [Text] / N. G. Kulneva, M. V. Zhyravlev / / Materiäly IX mezinärodni vedecko -praktickä konference «Vedecky prümysl evropskeho kontinentu zemedelstvi» / / Dil Publishing House «Education and Science» ZverolekarslvL: Praha. - 2013. - P. 31-34.
2. Wong, D.S. Sucrose Extraction From Beet By Methanolic Calcium Chloride [Text] / D. S. Wong, J. M. Randall, R. H. Edwards / / Journal USDA-Agricultural Research Service. - 2009. - № 8. - P. 1358-1366.
3. Бугаенко, И. Ф. Общая технология отрасли: научные основы технологии сахара [Текст] / И. Ф. Бугаенко, В. И. Тужилкин. - В 2 Ч. Ч. 1 - СПб.: ГИОРД, 2007 -512 с.
4. Walerianczyk, Е. Kompendium praktychnego prowadzenia procesu w aparacie koiytowym [Text] / E. Walerianczyk // Journal Cukrownicza. - 2011. - № 7. - P. 12911299.
5. Schneider, F. Uber die Plasmolyse und die Zuckerzusammensetzung in verschiedenen Bestandteilen des Rubenzellgewebes [Text] / F. Schneider, H. P. Hoffmann-Walbeck // Zucker - Beihefte. - 2013. - № 2. - P. 447-458.
6. Гребенщиков, A.B. Методы морфологических исследований [Текст] : учеб. пособие / А. В. Гребенщиков, С. М. Сулейманов, В. С. Слободяник, В. В. Авдеев. -Воронеж, 2007. - 190 с.
7. Кульнева, Н. Г. Электротехнологии в производстве сахара [Текст] : монография / Н. Г. Кульнева, В. А. Голыбин, В. А Федорук,- Воронеж, 2007. - 237 с.
REFERENCES
1. Kulneva N. G. Improving the efficiency of the extraction of sucrose from beet chips [Text] / N.G. Kulneva, M. V. Zhyravlev / / Matcriäly IX mezinärodni vedecko -praktickä konference «Vedecky prümysl evropskeho kontinentu zemedelstvi» / / Dil Publishing House «Education and Science» ZverolekarstvL: Praha. - 2013. - S. 31-34.
2. Wong D.S. Sucrose Extraction From Beet By Methanolic Calcium Chloride [Text] / D. S. Wong, J. M. Randall, R. H. Edwards / / Journal USDA-Agricultural Research Service. - 2009. - № 8. - P. 1358-1366.
3. Bugaenko I.F. Obshchaya tekhnologiya otrasli: nauchnye osnovy tekhnologii sakhara [General industry technology: Scientific fundamentals of sugar technology], St. Petersburg, In 2 Vol, Part 1, 2007, 512 pp. (Russian).
4. Walerianczyk E. Kompendium praktychnego prowadzenia procesu w aparacie koiytowym [Text] / E. Walerianczyk / / Journal Cukrownicza. - 2011.-№7.-P. 12911299.
5. Schneider F. Uber die Plasmolyse und die Zuckerzusammensetzung in verschiedenen Bestandteilen des Rubenzellgewebes [Text] / F. Schneider, H. P. Hoffmann-Walbeck // Zucker - Beihefte. - 2013. - № 2. - P.447-458.
6. Grebenshchikov A.V. Metody morfologicheskikh issledovaniy [Methods of morphological research], Voronezh, 2007, 190 pp. (Russian).
7. Kulneva, N.G. Elektrotekhnologii v proizvodstve sakhara [Electrotechnologies in sugar production], Voronezh,2007, 237 pp. (Russian).
