ENGLISH VERSION

ZESZYT 358

Dariusz M. Stasiak
Wpływ kawitacji na właściwości składników żywności

Wstęp. Kawitacja, polegająca na wytwarzaniu i gwałtownym zanikaniu pęcherzyków gazowo-parowych w cieczach, towarzyszy procesom hydrodyna-micznym i jest wywoływana przez drgania mechaniczne. Zjawisko to w złożony sposób oddziałuje na ciecze oraz ciała stałe i powoduje zmiany ich właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych. Mimo że kawitacja jest wykorzysty-wana w medycynie, technice, przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, spożywczym i innych, wciąż budzą wątpliwości skutki jej oddziaływania na substancje biologiczne i organizmy.
Cel pracy. Badaniom poddano zmiany właściwości fizykochemicznych substancji znajdujących się w układach biologicznych żywności pod wpływem kawitacji.

Materiał  i  metody. Wykorzystano instrumentalne metody fizyczne, optyczne, elektroanalityczne, chromatograficzne i mikrobiologiczne stosowane w analizie i ocenie jakości żywności. Materiałem badawczym były substancje modelowe i ich naturalne kompozycje, takie jak: woda, białko, tłuszcz, węglowodany, bakterie i tkanka mięśniowa. Poddawano je działaniu kawitacji indukowanej ultradźwiękami o niskiej częstotliwości 37,5 kHz i o średnim natężeniu 2,5 W·cm-2.

Wyniki  i  dyskusja. Wyniki przeprowadzonych badań wykazały, że kawitacja ultradźwiękowa w substancjach modyfikowała właściwości fizykochemiczne skrobi, białka i tłuszczu. Zmiany były tym większe, im dłuższy był czas oddziaływania i natężenie zjawiska. Oddziaływanie fizyczne indukowało reakcje typu sonochemicznego i zjawiska sonofizyczne o charakterze wtórnym, polegające na rozdrabnianiu i dyspersji makromolekuł substancji białkowych i skrobi oraz destabilizacji struktur zolu i żelu prawdopodobnie wskutek oddziaływania na wiązania wodorowe. Kawitacja (15 min) w roztworze żelatyny powodowała obniżenie udziału aminokwasów hydrofobowych (proliny o 18%, glicyny o 14%, waliny o 7%) i wzrost udziału aminokwasów hydrofilowych (fenyloalaniny o 7%, izoleucyny o 4%). Reakcje w tłuszczach poddanych kawitacji prowadziły do obniżenia udziału kwasów trienowych i dienowych oraz powstawania nowych związków chemicznych o niepożądanych cechach sensorycznych. Skutkiem zjawisk sonofizycznych i reakcji sonochemicznych były zmiany struktur komórkowych i tkankowych. Oddziaływanie sonofizyczne na komórki bakteryjne znajdujące się na powierzchni ciał stałych w cieczach polegało na odrywaniu komórek od ich powierzchni, dyspersji w cieczy i inaktywacji. Po 4 min sonikacji ogólna liczba drobnoustrojów na powierzchni skóry kurcząt malała o 1,3 log jtk·cm-2 i o 5,0 log jtk·cm-3 w cieczy. Dodatek 1% kwasu mlekowego wzmacniał letalne oddziaływanie kawitacji. Jednocześnie przebiegające zjawiska fizyczne i reakcje chemiczne powodowane kawitacją powodowały natychmiastowe i opóźnione w czasie zmiany właściwości tkanki mięśniowej. Zjawiska sonofizyczne polegały na rozdrabnianiu i mieszaniu elementów strukturalnych (miofibryli), stymulacji transportu masy i ogrzewaniu. Kawitacja (4 min) powodowała wzrost potencjału oksydoredukcyjnego mięsa o 12 mV i wzrost ilości metmioglobiny o 2,3 mg·g-1. W żelach i mięsie kawitacja rozwijała się w głąb materiału począwszy od powierzchni kontaktującej się ze źródłem drgań. Przyjmowała formę chmury o zmiennej wielkości i kształcie, złożonej z masowo powstających pęcherzyków kawitacyjnych. Rozpraszanie energii powodowało nierównomierność rozkładu temperatury i zróżnicowanie właściwości fizykochemicznych w materiale. Wyniki badań własnych i opublikowanych przez innych autorów dotyczące zastosowań kawitacji w przemyśle spożywczym wykazują ogólnie niski poziom transferu technologii z powodu trudnego do opanowania, wielokierunkowego oddziaływania kawitacji i trudności w przeniesieniu wyników doświadczeń laboratoryjnych do praktyki przemysłowej, jak również wysokich kosztów inwestycyjnych.
Wnioski. Lokalny i przypowierzchniowy charakter kawitacji w materiałach oraz zależność skutków oddziaływania od odległości od źródła drgań są istotnym problemem w postępowaniu technologicznym i wpływają na możliwości oraz warunki wykorzystania kawitacji w technologii żywności. Zróżnicowanie właściwości fizykochemicznych substancji i materiałów biologicznych stosowa-nych jako składniki żywności istotnie ogranicza możliwości fizycznego mode-lowania skutków oddziaływania kawitacji, a optymalizacja procesów wykorzys-tujących kawitację wymaga prowadzenia badań empirycznych w kierunku ja-kości technologicznej i bezpieczeństwa żywności. Wyniki przedstawionych badań są obiecujące, ukazują duże i wciąż nie do końca rozpoznane możliwości wyko-rzystania kawitacji w technologiach spożywczych, a także mogą być wskazówką w projektowaniu aparatury procesowej. Implikują także empiryczną optyma-lizację procesów wspomaganych ultradźwiękami i kawitacyjnie w celu poprawy jakości produktów żywnościowych.