ZAMRAŻANIE PODSTAWY CZ.1

Transkrypt

1 METODY PRZECHOWYWANIA I UTRWALANIA BIOPRODUKTÓW ZAMRAŻANIE PODSTAWY CZ.1 Opracował: dr S. Wierzba Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej Uniwersytetu Opolskiego

2 Zamrażaniem produktów nazywamy proces pełnej lub częściowej zamiany wody w nich zawartej w lód (krystalizacji), oraz obniżenia temperatury produktu poniżej punktu krioskopowego. Punkt krioskopowy temperatura krzepnięcia wody wraz z substancjami w niej rozpuszczonymi. Procesy zachodzące w produktach zależą przede wszystkim od temperatury szybkość reakcji zależy od temperatury Reguła van't Hoffa przy obniżeniu temperatury ciała o 10 C, intensywność zachodzących w nim reakcji maleje 2-3 krotnie i w przybliżeniu w tym samym stosunku rośnie jego trwałość. Q 10 YT = Y + 10 Q 10 = 2-3 dla większości bioproduktów nie jest to ogólnie obowiązująca reguła, ale wskazuje na pewną prawidłowość, która sprawdza się w przeważającej liczbie przypadków T gdzie: Q 10 - współczynnik temperaturowy Y szybkość reakcji

3 Trwałość produktu rośnie w momencie jego zamrożenia. Ograniczenia prawa van t Hoffa: sprawdza się dla reakcji jednostkowych, w jednorodnych środowiskach, w miarę obniżania temperatury poniżej punktu krioskopowego Q 10 maleje, ujemny współczynnik temperaturowy dla niektórych reakcji np. denaturacja białka

4 Cząsteczka - dipol (układ dwubiegunowy) poszczególne cząsteczki łączą się za pomocą wiązań wodorowych. W czasie zamrażania obserwujemy w związku z wymianą ciepła przemieszczanie się wody zawartej w produkcie w kierunku niższej temperatury (powierzchni ciała). przyczyna niekorzystnych zmian w produktach po zamrożeniu W początkowej fazie zamrażania obserwujemy [ przechłodzenie cieczy powstanie struktury pseudokrystalicznej (uporządkowane grupy cząsteczek połączonych wiązaniami ( wodorowymi Szybkość wzrostu kryształów Woda (-7 0 C) 50 mm/s Glicerol (-17 0 C) 50 mm/dobę krystalizację ( stała (faza [

5 W miarę obniżania temperatury następuje zbliżanie się cząsteczek wody spadek energii poniżej energii stałej orientacji cząsteczek rosną siły wzajemnego przyciągania, maleją cieplne ruchy Browna tworzy się struktura kryształu, w warunkach naturalnych głównie formy heksagonalne wydzielanie znacznych ilości ciepła 335 kj/kg

6 Woda przechodząc w lód znacznie zmienia swoje właściwości fizyczne W produktach woda nigdy nie występuje w stanie czystym!!! woda związana (unieruchomiona) w związkach chemicznych, kryształach b. trwała rodzaje wody w produktach woda związana w wyniku adsorpcji, sił osmotycznych i w strukturach żeli mniej trwała woda wolna - unieruchomiona mechanicznie w obrębie sieci białkowych, membran możliwa do całkowitego usunięcia

7 Obecność w wodzie substancji tworzących z nią roztwór w rozdrobnieniu cząsteczkowym powoduje: obniżenie temperatury krioskopowej zamarzania, podniesienie temperatury wrzenia obniżenie ciśnienia pary wodnej nad roztworem Obniżenie temp. krzep. r-r w stosunku do temp. krzep. czystego rozpuszczalnika wyraża wzór RAOULTA gdzie: Dt z = -e kr kr n e ( K/mol - stała krioskopowa (1,86 ( mol/1000g ) n - stężenie molowe roztworu Stała krioskopowa: zależy wyłącznie od cech rozpuszczalnika, nie zależy od rodzaju substancji rozpuszczonej, obecności substancji o koloidalnym ( skrobia stopniu rozdrobnienia, substancji wielkocząsteczkowych

8 Temperatura krioskopowa: dla większości naturalnych bioproduktów leży poniżej 0 0 C - w miarę wymrażania wody w produkcie (maleje jej ilość) i wzrostu stężenia soli mineralnych, ( kj/kg kwasów organicznych temperatura krioskopowa stopniowo się obniża (1,86 K/mol), (335 - dla czystych roztworów proces ten kończy się osiągnięciem stężenia i temperatury eutektycznej (roztwór eutektyczny zestala się jako jedna całość bez oddzielenia się kryształów rozpuszczalnika i ( soli rozpuszczonych zależy od ciśnienia osmotycznego panującego w komórkach (średnio wynosi: od -0,5 0 C do ( C -4 0 C, dużo białka W czasie zamrażania bioproduktów nie obserwujemy praktycznie zjawiska przechłodzenia cieczy: tkankowa budowa, rozbudowana powierzchnia ścian komórkowych, zawiesiny treści komórkowych stwarzają wiele dogodnych zarodków krystalizacji dających początek formowania się kryształów

9 Proces krystalizacji charakteryzują dwie szybkości powstawania zarodków kryształów, wzrostu kryształów. Homogeniczne zarodki kryształów ich brak (czyste ciecze i roztwory) sprawie, że roztwory mogą być schładzane znacznie poniżej punktu zamarzania zjawisko przechładzania cieczy. Heterogeniczna krystalizacja zarodkami kryształów są ciała obce.

10 W praktyce dąży się do realizacji procesu przy: maksymalnej liczbie zarodków kryształów, minimalnej szybkości ich wzrostu. Szybkie zamrażanie duża liczba małych kryształów, ( krystalizacji (wiele ośrodków Wolne zamrażanie jeden wielki kryształ (jeden zarodek ( krystalizacji

11 Prędkość zamrażania prędkość rozprzestrzeniania się kryształów od powierzchni do wnętrzna zamrażanego produktu, określa również prędkość odprowadzania ciepła. Rodzaje kryształów: regularne kryształy heksagonalne (sześcienne) w warunkach naturalnego, bardzo wolnego zamrażania, kryształy nieregularne (dendryty) średnia, duża szybkość zamrażania, kryształy kuliste b. szybkie i ultraszybkie zamrażanie (przy ultraszybkim zamrażaniu liczba ( przeźroczysty cienkich igieł powoduje, że staja się niewidoczne a kryształ Podczas oziębiania roztworu z zewnątrz, na powierzchni powstają kryształy lodu i jednocześnie wytwarza się granica podziału między fazą stałą a ciekłą na której zachodzą procesy dyfuzyjnego przemieszczania się wody i substancji w niej rozpuszczonych. (podczas powolnego zamarzania roztworów wodnych, w ich zewnętrznych warstwach tworzy się czysty ( lód Forma kryształów na granicy faz uzależniona jest od prędkości dyfuzji.

12 prędkość zamrażania = prędkość dyfuzji granica faz to płaska powierzchnia podziału (warunek najmniejszego zapotrzebowania energii zostaje ( granicy spełniony przy najmniejszej powierzchni tej prędkość zamrażania > prędkość dyfuzji granica faz to igłowa powierzchnia podziału (warunek najmniejszego zapotrzebowania energii zostaje spełniony przy odpowiednim rozwinięciu powierzchni ( podziału granicy

13 Rekrystalizacja niestabilność struktury krystalicznej, czyli jej przemiany w zamrożonym produkcie. Określana tez często jako proces stałego wzrostu kryształów w wyniku wędrówki cząsteczek wody od zanikających kryształów małych do dużych. matowienie z czasem kryształów kulistych ultraszybkie zamrażanie łączenie się dendrytów w monolityczne płyty lodu w miarę podnoszenia temperatury zamrożonego produktu. Przyczyny: wyższe ciśnienie pary wodnej nad powierzchnia małych kryształów w stosunku do dużych cząsteczki wody odpowiednio sublimują i resublimują, wahania temperatury jako pierwsze topnieją zawsze kryształy małe, po ponownym obniżeniu powstała woda wymraża się wokół dużych kryształów. Całkowite zahamowanie rekrystalizacji jest możliwe jedynie w temperaturze poniżej eutektycznej (-56 0 C dla roztworów biologicznych).