Cukier z buraków jest od dawna pozyskiwany na drodze dyfuzji. Jako materiał zapasowy rośliny

dwuletniej znajduje się w tkance korzenia (rys.1).

Budowa tkanki korzeni buraków cukrowych

W korzeniu wyróżnia się perynchymę, która gromadzi ponad 60% cukru. Sklerenchyma w głównej

mierze decyduje o właściwościach mechanicznych korzeni, w ksylenie zachodzi transport substancji

mineralnych, a w floemie transport substancji organicznych.

Komórki zawierające cukier są otoczone błoną komórkową lipidowo-białkową. Przez błonę tę cukier

może się przedostawać tylko w wyniku transportu aktywnego. Oznacza to, że nie jest możliwe

pozyskiwanie cukru z komórki przez dyfuzję bez uszkodzenia błony komórkowej. W praktyce

przemysłowej część błon komórkowych ulega uszkodzeniu podczas sporządzania krajanki. Natomiast

pozostałe są denaturowane w wyniku działania wysokiej temperatury. Istnieje również możliwość

stosowania metod chemicznych, które ze względów technologicznych nie mają obecnie większego

uzasadnienia. W literaturze od około 60 lat, z różną intensywnością, pojawiają się doniesienia o

wykorzystywaniu do denaturacji prądu elektrycznego. Wysokie napięcie może oddziaływać na buraki

zmieniając stan tkanki (przepuszczalność, właściwości mechaniczne), a także na enzymy i mikroflorę

(rys.2).

Zakres badań skutków napięciowych

udarów piorunowych w tkance buraków

DENATURACJA

WŁAŚCIWOŚCI

MECHANICZNE

MIKROORGANIZMY

I ENZYMY

Celem pracy było sprawdzenie skutków działania piorunowych udarów napięciowych na tkankę korzeni

buraków cukrowych, inwertazę i drobnoustroje towarzyszące burakom.

Udary napięciowe realizowano stosując układ przedstawiony na rys. 3.

Układ elektrod

1

2

WN

3

1 – elektroda uziemiona, blacha mosiężna,

2 – próbka tkanki buraka o grubości 10 mm,

3 – elektroda wysokiego napięcia, mosiężna,  = 40 mm

Tkankę buraka wyciętą w kształcie walca umieszczano między elektrodami 1 i 3, połączonymi z

generatorem wysokiego napięcia. W przypadku badań z użyciem enzymów i drobnoustrojów elektrody

umieszczano w odpowiednim naczyniu szklanym.

Wpływ udarów na tkankę oceniano na podstawie ilości soku odwirowanego z określonej masy tkanki

korzeni w powtarzalnych warunkach, zmian konduktywności tkanki, szybkości dyfuzji sacharozy.

Z rys.4 wynika, że masa soku oddzielonego w wyniku wirowania zależy od napięcia udaru i liczby

udarów. Znaczenie ma także kierunek rozchodzenia się impulsów napięciowych. Uzyskiwane wyniki

odnoszono do otrzymywanych w przypadku tkanki denaturowanej termicznie i oznaczano kolorem

czerwonym.

Wpływ udarów napięciowych i kierunku

rozchodzenia się udaru na ilość soku oddzielanego

w wyniku działania siły odśrodkowej

14,6

27,0

14,6

25,8

26,5

20,7

27,0

21,0

0

5

10

15

20

25

30

tkanka świeża

tkanka

zdenaturowana

termicznie

1 udar o nap. 4

kV

1 udar o nap. 4

kV

tkanka świeża

tkanka

zdenaturow ana

termicznie

5 udarów o nap.

4 kV

5 udarów o nap.

4 kV

il

oś

ć

od

w

ir

ow

an

ego

s

ok

u

,

%

n

b

Porównując konduktywność tkanki świeżej i traktowanej udarami można stwierdzić większą wartość

konduktywności tkanki po udarach, która jest zbliżona do konduktywności tkanki obrabianej termicznie

w określonych warunkach (rys.5).

Elektryczna przewodność właściwa ( μS/cm)

tkanki korzeni buraków cukrowych

3111

423

1034

205

4515

197

5 udarów

1 udar

5 udarów

1 udar

4,0 kV

0,5 kV

Tkanka poddana udarom napięciowym

Tkanka

zdenaturowana

termicznie

Tkanka

świeża

Denaturację błon komórkowych potwierdzają także badania szybkości dyfuzji (rys.6,7). Tkanka

poddana udarom pięcioma impulsami 4 kV/cm , pod względem szybkości dyfuzji prowadzonej w

temperaturze 22oC zachowuje się bardzo podobnie jak tkanka denaturowana termicznie w

temperaturze 75oC.

Dyfuzja suchej substancji z tkanki

buraczanej do wody,

temp. dyfuzji – 22ºC

, liczba udarów – 5

y = -0,0001x

2

+ 0,0428x

R

2

= 0,9627

y = -3E-05x

2

+ 0,0124x

R

2

= 0,7802

y = 2E-07x

3

- 9E-05x

2

+ 0,011x

R

2

= 0,917

y = -0,0001x

2

+ 0,0461x

R

2

= 0,963

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

50

100

150

200

250

czas dyfuzji, min

su

ch

a

su

bs

ta

nc

ja

,

%

tkanka żywa, nie poddana udarom

napięcie udaru - 0,5 kV

napięcie udaru - 4 kV

tkanka zdenaturowana termicznie

Dyfuzja suchej substancji z tkanki

buraczanej do wody,

temp. dyfuzji – 75ºC

, liczba udarów – 5

y = -0,0001x

2

+ 0,0428x

R

2

= 0,9627

y = -3E-05x

2

+ 0,0124x

R

2

= 0,7802

y = 2E-07x

3

- 9E-05x

2

+ 0,011x

R

2

= 0,917

y = -0,0002x

2

+ 0,0865x

R

2

= 0,9603

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0

50

100

150

200

250

czas dyfuzji, min

suc

ha

su

bs

ta

nc

ja

,

%

tkanka żywa, nie poddana udarom

napięcie udaru - 0,5 kV

napięcie udaru - 4 kV

tkanka zdenaturowana termicznie

Szybkości dyfuzji w temperaturze 75 oC z tkanek denaturowanych termicznie i udarami piorunowymi

o napięciu 0,5 kV i 4 kV są praktycznie identyczne, co dowodzi w tym przypadku znaczenia

temperatury procesu dyfuzji powodującej denaturację błon komórkowych w trzech wariantach

doświadczenia.

Piorunowe udary mają wpływ także na właściwości mechaniczne tkanki korzeni (rys.8).

Właściwości mechaniczne tkanki buraczanej

4

3

2

1

1 – tkanka żywa
2 – tkanka po denaturacji termicznej, czas denat. – 120 min, temperatura denat. – 75ºC
3 – tkanka po udarach napięciowych, liczba udarów

– 5, napięcie udaru – 0,5 kV

4 – tkanka po udarach napięciowych, liczba udarów

– 5, napięcie udaru – 4,0 kV

0,36

2,85

0,46

4,77

Moduł Younga

(Moduł sprężystości)

[MN/m

2

]

3,31

4,21

1,62

4,43

Opór krajania

[kJ/m

2

]

6,8

2,6

9,0

2,8

Odkształcenie

[mm]

1,4

1,4

1,4

1,4

Siła

ściskająca

[MN/m

2

]

Wytrzymałość

na ściskanie

Wstępne badania działania udarów napięciowych na enzym występujący w burakach – inwertazę

wskazują, że w środowisku o odczynie obojętnym pod wpływem stosowanych impulsów elektrycznych

aktywność enzymu zmienia się nieznacznie (rys.9).

Wpływ napięcia udaru na aktywność

inwertazy

86

85

88

86

86

82

82

67

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

3

5

7

9

11

13

15

17

Napięcie udaru, kV

A

kt

yw

no

ść

in

w

er

ta

zy,

%

Większe różnice aktywności mają miejsce w przypadku zmiany odczynu środowiska. Zbadanego

zakresu największa skuteczność udarów ma miejsce dla wartości pH 3,5 (rys.10).

Wpływ pH i liczby udarów piorunowych na

aktywność inwertazy

54

81

89

79

47

74

77

73

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

3,5

4,5

5,5

6,5

pH

A

kt

yw

no

ść

in

w

er

ta

zy,

%

jeden udar

dziesięć udarów

Badane drobnoustroje reagują na udary napięciowe w sposób zróżnicowany (rys.11).

Wrażliwość wybranych drobnoustrojów na

piorunowe udary napięciowe

Bakterie

Wrażliwe na impulsy o napięciach 15 – 17 kV ,
niezależnie od wieku kultury.

Bacillus subtilis

Brak korelacji między liczbą udarów, a przeżywalnością bakterii i

drożdży.

Niewrażliwe na impulsy o napięciach 1 – 17 kV.

Saccharomyces

cerevisiae

Wrażliwe na impulsy o napięciach 2 – 9 kV i 17 kV.

Candidia mycoderma

Drożdże

Wrażliwe na impulsy o napięciu 17 kV , nieznacznie
wrażliwe na impulsy o napięciach 9 – 13 kV.

Bacillus

stearothermophilius

Wnioski

1

Obróbka tkanki korzeni buraków cukrowych udarami napięciowymi,
podobnie jak klasyczna obróbka termiczna, powoduje efekt denatur acji
błon komórkowych umożliwiający dyfuzję składników rozpuszczalnyc h
z wnętrza komórek. Następuje wyraźne zwiększenie konduktancji
tkanki oraz podatność na oddzielenie soku przez wirowanie.

2

Udary napięciowe, po przekroczeniu pewnego granicznego napięcia,
zmieniają w sposób istotny właściwości mechaniczne tkanki. Pod
wpływem takiej samej siły ściskającej działającej na próbkę (1,4
MN/m2), tkanka żywa zmniejsza swoją długość o 28%, tkanka
zdenaturowana termicznie o 90%, a tkanka poddana 5 udarom o
napięciu 4,0 kV/cm ulega ściśnięciu do 68% swojej pierwotnej
długości.

3

Udary napięciowe są alternatywą do stosowanej obecnie obróbki
termicznej. Pozwalają na prowadzenie dyfuzji w niższej temperatu rze,
zaś zastosowanie udarów przed procesem krajania pozwoli
zminimalizować energię potrzebną do rozwinięcia powierzchni tkanki.

4

Piorunowe udary napięciowe mają wpływ na aktywność inwertazy.
Zmiana aktywności inwertazy zależy od wartości napięcia oraz pH
środowiska.

5

Bakterie Bacillus subtilis, Bacillus stearothermophilius oraz drożdże
Candidia mycoderma wykazują wrażliwość na wysokonapięciowe udary
piorunowe. Drożdże Saccharomyces cerevisiae w badanym zakresie
napięć są odporne na stosowane udary.