Pola fizyczne w żywności

Pola fizyczne w żywności
Utrwalanie, magazynowanie,
opakowania
Metody eksperymentalne stosowane w badaniach żywności
Rozmiar, m
Termiczne
ciepło właściwe, przewodnictwo, zmiany punktu zamarzania i wrzenia
Optyczne
kolor, połysk, transmisja
Elektryczne
przewodnictwo, właściwości dielektryczne
Mechaniczne
teksturalne (scisliwośc, deformacje) reologiczne (lepkość)
Strukturalne i geometryczne gęstośc, rozmiar, kształt, porowatość,
powierzchniowa struktura itp..
Powstawanie energetycznie i elektronowo wzbudzonych
form tlenu molekularnego
-
+
O2 (3Σg)
3
Stan
podstawowy
tripletowy
dwurodnik
O2 (1∆g)
1
O2 (1Σg)
1
Stany wzbudzone
singletowe
O2.-
O2-2
Anion
Anion
ponadtlenkowy nadtlenkowy
jonorodnik
Sensybilizacja tlenu singletowego przez stany tripletowe, dozwolony spinowo
ale nie dyfuzyjnie kontrolowany transfer energii
Fotosensybilizacja jest to proces przekazywania energii ze stanu tripletowego
barwnika do stanu podstawowego tlenu i wzbudzenie tego tlenu do stanu
singletowego
1. Absorpcja światła przez barwnik
2. Przejście barwnika do stanu tripletowego
3. Powstanie kompleksu barwnik tlen
3. Transfer energii z tripletu barwnika na triplet tlenu
Wydajność generowania
tlenu singletowego
Φ∆ = ΦT fTS SD
ΦT wydajnośc generowania stanu
tripletowego barwnika
fTS wydajnośc tworzenia kompleksu
S∆ wydajność transferu energii
Schemat przekazywania energii wzbudzenia z
tlenu singletowego na sensybilizatory
Mechanizmy ochronne przed
wzbudzonymi formami tlenu
Nieradiacyjna dezaktywacja:
-dezaktywacja przez energię
wibracyjną kolizyjnego partnera,
np. woda
-przeniesienie ładunku na związki
o niskim potencjale utlenienia
-dyfuzyjnie kontrolowany transfer
energii do stanu tripletowego
wygaszacza np.. karoten
Mechanizmy fotosensybilizacji
Mechanizm Typu I przeniesienie elektronu
i powstanie
form rodnikowych
Mechanizm Typu II przeniesienie energii ze
wzbudzonego
sensybilizatora na
tlen singletowy
barwnik
Fale elektromagnetyczne
Wektor pola Wektor pola
magnetycznego elektrycznego
Zakresy promieniowania
ultrafiolet
podczerwień
Mechanizmy molekularne widma absorpcji i emisji
Diagram Jabłońskiego
Widmo absorpcji wody
drgania
wibracyjne
rotacyjne
translacyjne
przejścia
elektronowe
Oddziaływania
dipoli
elektronów
jąder atomowych
Podczas przechodzenia wiązki światła przez roztwory można zaobserwować
kilka procesów mających wpływ na pochłanianie światła w próbce.
- pochłanianie światła przez roztwór Ia
- rozproszenie światła (do przodu) w kierunku jego przechodzenia Irp
-rozproszenie światła do tyłu Ib
-rozproszenie światła na boki Ir
-część światła ulega odbiciu na granicy środowisk powietrze-szkło oraz szkło-woda In
-część światła przechodzi przez roztwór It
Ib
Ir
Ia
I0
Ir
Irp
It
Zjawisku absorpcji powoduje osłabienie natężenia światła monochromatycznego
przechodzącego przez badany ośrodek.
Dla roztworów o niewielkim stężeniu współczynnik absorpcji k jest proporcjonalny
do stężenia c. Jest to prawo Beera,
Beera które zapisujemy wzorem
k=εc
gdzie ε to współczynnik ekstynkcji, wartość charakterystyczna dla danego roztworu
Dla roztworów jednorodnych dla których współczynnik absorpcji k nie zależy
od położenia natężenie światła wychodzącego It z próbki o grubości d wynosi
It = I0 exp (-kd)
co stanowi treść prawa Lamberta.
Łącząc obydwie zależności otrzymujemy prawo Lamberta-Beera w postaci wzoru
I = I0 exp (-εcd)
-dI = I0 ε c dx
It
zmiana natężenia –dI na grubości dx
l
dI
− ∫
= ε c ∫ dx
I
I0
0
It = I0 exp(-εcl)
Po zlogarytmowaniu wyrażenia oraz pomnożeniu
przez (–1) otrzymamy wyrażenie na absorbancję A
I0
ln = ε cl
It
A = εcl
absorbancja
I0
A = - log T
T = 10-A
T - transmisja
I
x
I
I - dI
dx
l
It
Zakresy promieniowania elektromagnetycznego
Absorpcja UV przez biomolekuły
Fale akustyczne
infra
akustyczne
ultra
hyper
Fale akustyczne o częstotliwości powyżej 20 kHz, czyli tzw.
ultradźwięki (sonifikacja ultradźwiękowa), mają w przemyśle
spożywczym coraz większe zastosowanie.
Wykorzystuje się je m.in. do rozdrabniania cząstek fazy rozproszonej
emulsji i zawiesin na przykład w przetwórstwie mleczarskim oraz w
procesach przetwarzania i utrwalania żywności.
W technologii żywności wykorzystuje się przede wszystkim fale
ultradźwiękowe o wysokiej mocy i małej częstotliwości od 20 do 100
kHz, w celu wywołania efektu kawitacji, który wpływa na biochemiczne
i fizykochemiczne właściwości produktu, a w szczególności na
dezintegrację struktur komórkowych.
Niszczenie ścian i błon komórkowych przyczynia się do inaktywacji
mikroorganizmów, ale bardzo często powoduje także łatwiejsze
uwalnianie zawartości komórki dośrodowiska.
Zastosowanie wysokich ciśnień to niekonwencjonalna metoda utrwalania
żywności, polegająca na nietermicznym niszczeniu mikroorganizmów za
pomocą wysokiego ciśnienia hydrostatycznego, określanego jako UHP (Ultra
High Pressure), bądź HHP (High Hydrostatic Pressure) .
Zasada metody wysokociśnieniowego utrwalania żywności polega na
umieszczeniu produktu spożywczego w komorze ciśnieniowej,
w której jest on poddawany ciśnieniu hydrostatycznemu rzędu od 100 do 1000
Mpa przez kilka minut. Wolną przestrzeń w komorze wypełnia się cieczą, która
przenosi ciśnienie bezpośrednio na produkt. W ten sposób dochodzi do
zmniejszenia odległości między cząsteczkami i zachodzącymi między nimi
interakcjami.
Pod wpływem ciśnienia zmniejsza się objętość molowa produktu, co jest
procesem odwracalnym. Wysokie ciśnienie oddziałuje na duże cząstki tj. białka,
enzymy i polisacharydy, ponieważ ich objętość molowa łatwiej maleje. Cząstki
mniejsze natomiast, tj. witaminy, aminokwasy czy substancje smakowe zostają
nienaruszone. W ten sposób powstaje sterylny produkt bez konieczności
wykorzystania wysokich temperatur, promieniowania czy użycia środków
konserwujących.
Poza unieszkodliwianiem zagrożeń biologicznych, w wyniku utrwalania
wysokociśnieniowego, może dochodzić także do inaktywacji enzymów.
Pulsacyjne pole elektryczne (ang. pulsed electric fields – PEF) jest jedną z
nowoczesnych metod nietermicznego utrwalania żywności, gwarantującą
uzyskanie produktów o wyższej, w porównaniu z utrwalaniem termicznym,
zawartości składników odżywczych i fitozwiązków .
Proces z wykorzystaniem pulsacyjnego pola elektrycznego polega na podaniu
krótkich impulsów wysokiego napięcia (od 20 do 80 kV/cm) do materiału
umieszczonego pomiędzy dwiema elektrodami. Prąd elektryczny o wysokim
napięciu przepływa przez produkt zaledwie przez kilka mikro- lub milisekund. W
ten sposób nie dochodzi do ogrzania żywności, ale następują lokalne zmiany
struktury i zniszczenie błon komórkowych.
Utrwalanie żywności metodą PEF jest zdecydowanie lepszą technologią niż
tradycyjna obróbka termiczna żywności, ponieważ gwarantuje zachowanie cech
sensorycznych i fizycznych produktów, przy jednoczesnej inaktywacji
zanieczyszczeń biologicznych.
Zjawisko promieniotwórczości
Jądro atomowe istnieje dzięki równowadze
oddziaływań jądrowych i elektromagnetycznych
W wyniku przemian jądrowych i ustalenia nowej
elektryczne równowagi następuje emisja energii nazywanej
promieniotwórczością
jądrowe
Porównanie energii wiązania w atomie i jądrze atomowym
Energia jonizacji
atomu wodoru
wynosi 13.6 eV
Energia rozerwania jądra helu
wynosi 28 300 000 eV
Własności promieniowania jonizującego
Promieniowanie alfa i beta są odchylane w polu magnetycznym i elektrycznym
Na promieniowanie gamma obydwa pola nie wpływają
Najbardziej przenikliwe jest promieniowanie gamma
Promieniowanie alfa
Jądro atomu helu czyli dwa protony i dwa neutrony
Obliczona klasycznie energia cząstki α
jest za mała aby wydostać się z jądra atomu
Jedynym sposobem jest zjawisko tunelowania
przez barierę potencjału jądra atomowego
Promieniowanie beta
Strumień elektronów lub pozytronów
Promieniowanie gamma
Promieniowanie elektromagnetyczne
Powstające podczas przemian jądrowych
E = hv
Bardzo przenikliwe
Niesie dużą energię
Rozpad promieniotwórczy
prawdopodobieństwo rozpadu promieniotwórczego
równanie
λ –stała rozpadu
rozwiązanie
T1/2 czas połowicznego zaniku
Czas potrzebny aby rozpadowi uległa
połowa materiału promieniotwórczego
Zastosowanie izotopu węgla C14
Wykorzystanie czasu połowicznego zaniku promieniowania
beta do określenia wieku szczątków organicznych
Równowaga pomiędzy
izotopami węgla
Węgiel C14 uczestniczy
w cyklu przemian
Gdy roślina ginie rozpoczyna się zanik izotopu C14
Porównanie ilości izotopu w świeżej próbce z próbką
badaną pozwoli określić czas jaki upłynął od powstania
próbki
Dozymetria
Równoważnik dawki pochłoniętej H jest związany z faktem, że
skutek biologiczny działania różnych rodzajów promieniowania
na części ciała jest zależny od powyższych czynników.
H=DWN
D dawka promieniowania
N współczynniki modyfikujące
W współczynnik jakości promieniowania
Jednostka jest siwert (1 Sv= 1 J /kg)
Stosowana jest 1 rem = 0.01 Sv
Oddziaływanie promieniowania z materią
Zachodzi w wyniku absorpcji
różnych zakresów
promieniowania
mikrofalowe
podczerwone
widzialne
ultrafioletowe
jonizujące
Wpływ promieniowania na organizmy żywe
Teoria tarczowa lub teoria działania bezpośredniego
Znaczący wpływ na biomolekuły wynika z faktu trafienia promieniowania
jonizującego w tarcze czyli miejsca szczególnie wrażliwe co prowadzi do całkowitej
destrukcji danej molekuły.
Zależność pomiędzy dawką a liczba elementów uszkodzonych jest eksponencjalna
n = n0 exp (-SD)
n - liczba elementów, które przeżyły napromieniowanie; n0 - liczba
elementów przed napromieniowaniem; S - powierzchnia efektywna
elementów tzw. przekrój czynny; D - dawka promieniowania
Teoria działania pośredniego
Skutek promieniowania zależy od wielu czynników.
Podstawowym elementem działania destrukcyjnego jest
działanie produktów radiolizy wody.
H2O ----> H*, OH*, H2O2
H2O+ ---> H+ + OH*
H2O- ---> OH- + H*
W tej teorii biologicznie czynne są wolne rodniki H* i OH*
oraz cząsteczki H2 i H2O2.
Pod wpływem wolnych rodników następuje depolimeryzacja,
sieciowanie, dimeryzacja itp., itd.. czyli procesy prowadzące
do dezaktywacji procesów biologicznych.
Ochrona przed promieniowaniem jonizującym
ALARA as low as reasonably achievable
Tak małe jak to tylko możliwe
Odległość im dalej tym mniejsze natężenie źródła
Czas w miarę czasu zmniejsza się natężenie źródła
Osłona duży współczynnik absorpcji
Ochrona przed promieniowaniem niejonizującym
UVA 320 - 400 nm pigmentacja skóry
UVB 280 -320 nm rumień, synteza witaminy D
UVC 200- 280 nm bakteriobójczy i mutagenny
Pochłanianie promieniowania
-odpowiednie widmo absorpcji
-rozpraszanie zaabsorbowanej energii /zamiana na ciepło/
Odbicie lub rozproszenie padającego promieniowania aby
nie doszło do jego absorpcji
Dezaktywacja powstających wolnych rodników podczas
naświetlania, procesy fotosensybilizacji.
Inhibicja procesów fotoutleniania
Promieniowanie jądrowe to rezultat przemian zachodzących w jądrach atomowych na skutek oddziaływań: silnego, słabego i elektromagnetycznego, i jest
nazywane odpowiednio promieniowaniem α, β i γ.
Promieniowanie α stanowią jądra helu (czyli dwa protony i dwa neutrony), które
za pośrednictwem oddziaływania silnego złączyły się wewnątrz większe-go jądra
i zdołały oderwać się od niego jako całość.
Promieniowanie β wywoływane jest przez oddziaływanie słabe i stanowią go
elektrony lub pozytony (antyelektrony), które powstały w wyniku przemiany
protonu w neutron, pozyton i neutrino, lub przemiany neutronu w proton, elektron i antyneutrino.
Trzeci rodzaj promieniowania, czyli promieniowanie γ, powstaje analogicz-nie
jak światło widzialne („promieniowanie atomowe”) będące kwantem energii
emitowanym przy przejściu elektronu z powłoki o wyższej energii na powłokę o
niższej energii.
Miarą napromieniowania może być liczba zjonizowanych
atomów lub też energia zdeponowana w materiale.
Energię zdeponowaną na jednostkę masy nazywa się
dawką pochłoniętą, a jej jednostką jest Gy (grej), gdzie Gy
= J/kg. 1 J odpowiada około 6·1018 eV. Biorąc pod uwagę,
że energia wiązania elektro-nów w atomach jest rzędu 30
eV, dawka 1 Gy powstaje na skutek wybicia oko-ło 2·1017
elektronów w jednym kilogramie. Jest to liczba
niewyobrażalnie duża, lecz w 1 kg jest około 1027
elektronów i względne zniszczenia są bardzo małe: można
je porównać do uszkodzenia o długości 1 mikrometra na
odcinku stuki-lometrowej drogi. Jednak w złożonych
organizmach nawet tak małe zmiany mogą spowodować
poważne problemy w ich funkcjonowaniu.
Konserwowanie żywności promieniowaniem jądrowym.
Żywność skażona bakteriami może spowodować ciężkie choroby, a
nawet śmierć. Także w krajach wysoko rozwiniętych infekcje bakteriami
E-coli czy Salmonelli prowadzą do śmierci wielu ludzi. Na przykład w
USA rocznie umiera ponad 5000 osób na skutek spożycia żywności
skażonej. Dlatego uzdatnianie żywności poprzez redukcję zawartości
drobnoustrojów chorobotwórczych oraz zapobieganie jej psuciu się
poprzez eliminację bakterii czy grzybów ma ogromne znaczenie,
szczególnie, jeśli można to robić bez wprowadzania do pożywienia
substancji szkodliwych dla zdrowia.
Użycie promieniowania jądrowego daje możliwość nie tylko redukcji
drobnoustrojów i ich form zarodnikowych w żywności, ale także może
zapobiegać kiełkowaniu roślin, przedłużając znacznie okres możliwego
składowania np. ziemniaków, cebuli czy czosnku.
Procesy konserwowania, pasteryzacji i sterylizacji żywności za pomocą obróbki
termicznej czy też dodawanie środków chemicznych związane są ze
zmianą smaku, zapachu, koloru i innych właściwości organoleptycznych.
Promieniowanie
jądrowe może także wywołać takie zmiany, ale występują one
w znacznie mniejszym stopniu i tylko w przypadku niektórych artykułów (np.
mleka i masła). W większości przypadków zmiany takie występują przy dawkach
napromieniowania znacznie większych niż konieczne do sterylizacji.
Porównanie grupy ziemniaków nienapromieniowanych i napromieniowanych
dawką około 200 Gy, po długim czasie przechowywania ich w tych samych
warunkach
W praktyce przy konserwowaniu żywności stosuje się dawki do 10
000 Gy, co (patrz Tabela III) pozwala na pozbycie się nawet
większości wirusów. Tak duża dawka promieniowania γ w
porównaniu ze średnią dawką śmiertelną dla człowieka, która
wynosi ok. 3 Gy, na pierwszy rzut oka mogłaby wydawać się
bardzo niepokojąca.
Konserwując żywność promieniowaniem jądrowym nie naświetla się same-go
człowieka, a po procesie naświetlania żywność nie staje się promienio-twórcza.
Energia promieniowania γ czy elektronów używanych do konserwo-wania żywności
jest wielkości kilku MeV i jest to zbyt mało by wywoływać przemiany jądrowe!
Energia całkowita przekazywana do napromieniowanej żywności w procesie
konserwowania jest też wielokrotnie mniejsza niż w przypadku typowych pro-cesów
w trakcie przygotowywania posiłków. Przeliczmy na przykład ile energii pochłania
ziemniak, czy jeszcze prościej woda przy podgrzewaniu od 20 do 100°C. Jest to
~4000 J/kg/°C × 80°C = 320 000 J/kg, czyli 32 razy więcej w porównaniu z dawką
promieniowania 10 000 Gy = 10 000 J/kg.
Naturalne wydają się dwa pytania: czy żywność
napromieniowana tak dużymi dawkami nie traci właściwości
odżywczych? czy naświetlanie promieniowaniem jądrowym
nie powoduje powstawania szkodliwych dla zdrowia
substancji toksycznych?
Badania wykazują, że wartość odżywcza wynikająca z
zawartości białka, tłuszczu i węglowodanów nie zmniejsza
się w wyniku konserwacji promieniowaniem jądrowym.
Można to uzasadnić biorąc pod uwagę, że liczba uszkodzeń
danej molekuły zależy liniowo od dawki i w przybliżeniu
także liniowo od liczby stanowiących ją atomów. I tak w
przypadku naświetlenia dawką 1000 Gy,
Jak sprawdzić czy żywność była napromieniowana
Zmiany składu produktów żywnościowych przy napromieniowaniu jądrowym są
tak małe, że nie da się ich ani zobaczyć, ani wywąchać, w przeciwieństwie do
innych zmian zachodzących w trakcie gotowania czy smażenia. Zastosowanie
analizy chemicznej także nie jest skuteczną metodą badania czy żywność była
napromieniowana, ponieważ większość substancji pojawiających się przy
napromieniowaniu występuje także w wyniku utrwalania żywności innymi
metodami np. obróbki cieplnej.
Jedna z takich metod opiera się na wyekstrahowaniu z żywności minerałów i
poddaniu ich analizie termoluminescencyjnej, która polega na szybkim
podgrzaniu badanej próbki i pomiarze intensywności emitowanych fotonów. W
pułapkach sieci krystalicznych minerałów więzione są elektrony, które zostały
oderwane od atomów w wyniku oddziaływania z promieniowaniem jądrowym.
Przy podgrzewaniu, pod wpływem energii dostarczonej do sieci, elektrony te,
przechodząc ze stanów wzbudzonych do stanów podstawowych, powodują
luminescencję (emisję fotonów).
W celu stwierdzenia czy produkt był napromieniowany, po wstępnym
pomiarze widma intensywności luminescencji, napromieniowuje się go
dawką 1000 Gy, ponownie podgrzewa i drugi raz mierzy intensywność
luminescencji. W przypadku, gdy minerały zostały wyekstrahowane z
żywności napromieniowanej, ponowne napromieniowanie nie ma
dużego wpływu na intensywność luminescencji. Gdy produkt był
nienapromie-niowany, to po naświetleniu dawką 1000 Gy jego
luminescencja wzrośnie po-nad dziesięciokrotnie.
Można stwierdzić napromieniowanie ziemniaków mierząc ich
przewodnictwo elektryczne, które maleje w czasie po wbiciu do ziemniaka
elektrod, a po kilku minutach osiąga wartość stałą. Napromieniowanie
można wykryć, ponieważ wartość końcowa przewodnictwa ziemniaka nie
zależy od tego czy był on napromieniowany, czy nie, ale po
napromieniowaniu istotnemu zmniejszeniu ulega wartość początkowa.
Nawet bez odpowiedniej aparatury badawczej, żywność konserwowaną
za pomocą promieniowania jądrowego możemy łatwo rozpoznać,
ponieważ jest ona oznaczana poniższym symbolem