Льдообразование в тканевых системах

В настоящее время нет единого представления о процессе льдообра­зования. Это объясняется не отсутствием знаний о процессе в целом, а многообразием самого процесса и форм его протекания.

Наиболее старой теорией, объясняющей процесс роста кристаллов и льда в частности, является теория поверхностного натяжения. Со­гласно ей, кристалл, находящийся в равновесии с жидкой фазой, дол­жен иметь форму, отвечающую минимуму его суммарной поверхно­стной энергии при постоянном объеМе.

Молекулярно-кинетическая теория и теория «дислокаций» (нару­шений в формировании кристаллической решетки) основаны на пред­ставлениях об образовании совершенных и несовершенных форм кри­
сталлов. Теории раскрывают закономерности построения кристалли­ческой решетки, что представляет преимущественный интерес при вы­ращивании искусственных кристаллов.

В основе диффузионной теории, получившей широкое распростра­нение, лежит представление о формировании кристалла при выпол­нении законов диффузии растворенного вещества к его поверхности и удалении примесей от границы раздела фаз.

Слой раствора повышенной концентрации вблизи границы раздела фаз получил название слоя концентрационного уплотнения раствора (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Движение плоских кристаллов льда в растворе красителя Направление движения — снизу вверх

Рис. 4.2 Остроконечные кристаллы в растворе низкомолекулярного соединения (сахароза)

Распределение концентрации растворенного вещества, не успевшего диффундировать в раствор, описывается экспоненциальным законом.

Рис. 4.3 Дендриты неправильной формы в мышечном соке животной ткани

Рис. 4.4 Замораживание мышечной ткани трески Рост кристаллов — слева направо

Толщина слоя зависит от скорости линейного перемещения границы раздела фаз, т. е. от скорости замораживания и свойств растворенного вещества. В растворах с низкомолекулярными соединениями, напри­мер в растворе сахарозы, кристаллы льда приобретают форму остро­конечных кристаллов (рис. 4.2).

С возрастанием скорости теплоотвода разветвленность кристаллов возрастает, формируются дендритные кристаллы правильной формы. (Дендриты — кристаллы папоротникоподобной формы.)

При аналогичных условиях теплоотвода в растворе с высокомоле­кулярными соединениями диффузия растворенного вещества от гра­ницы раздела фаз затруднена, образуются дендриты неправильной фор­мы (рис. 4.3).

При образовании дендритных кристаллов растворенное вещество распределяется в пространствах между ветвями. Концентрация этого вещества повышается. При соприкосновении растворенного вещества с поверхностью клетки происходит осмотическое обезвоживание клет­ки. Чем выше разветвленность дендритных кристаллов, тем более рав­номерно распределяется растворенное вещество в его ветвях и тем в меньшей мере возможно обезвоживание клеток.

При замораживании продуктов животного и растительного проис­хождения, картина процесса несколько меняется. В тканевых систе­мах процесс льдообразования существенно зависит от скорости теп — лоотЁода. При медленном замораживании в объеме ткани образуются центры кристаллизации в переохлажденном тканевом соке продукта. Переохлаждение тканевого сока зависит от состояния ткани и может достигать -4 °С. Далее происходит образование кристаллов с выделе­нием теплоты льдообразования. Если теплоотвод не интенсивен, то часть кристаллов растворяется, часть укрупняется. Это явление носит название «рекристаллизация». Рекристаллизация может привести к нарушению клеточной структуры.

При интенсивном теплоотводе льдообразование следует рассмат­ривать как процесс перемещения замороженного слоя от поверхности вглубь продукта. Переохлаждения тканевого сока перед кристалли­ческим фронтом практически нет, формируются дендриты. Уровень

Рис. 4.5 Результаты замораживания мышечного волокна. Рост кристаллов — слева направо

Разветвленное™ дендрита зависит от свободы формирования, кото­рую ему предоставляет тканевая структура. Например, в мышечной ткани кристаллы движутся, точно повторяя изгибы мышечного волок­на. Мера разветвленности кристаллов невелика (рис. 4.4).

После замораживания структура мышечного волокна изменяется. Результаты стандартной гистологической обработки препарата свиде­тельствуют, что после замораживания миофибриллы (волоконца внут­ри волокон) утратили начальное состояние, протоплазма разрушена (рис. 4.5).

В растительной ткани формирование кристаллов льда внутри клет­ки не ограничено, как в мышечном волокне, рамками межволоконных пространств, поэтому кристаллы льда имеют более разветвленную фор­му (рис. 4.6).

Однако разветвленность недостаточна, чтобы сохранить исходное распределение внутриклеточной влаги, свойственное клетке до замо­раживания. Это означает, что сохранение тканевой структуры возмож­но лишь с увеличением скорости замораживания.

Осмотическая концентрация межклеточной жидкости меньше внут­риклеточной, поэтому межклеточная жидкость вымерзает в первую очередь. Возрастание осмотической концентрации межклеточной жид­кости приводит к определенному осмотическому обезвоживанию кле­ток, тем большему, чем меньше скорость замораживания.

Следует иметь в виду, что превращение тканевой влаги в лед сопро­вождается ее расширением на 8%, что является одним из факторов раз­рушающего воздействия льда на структуры клеток.

Рис. 4.6 Формирование кристаллов льда в растительной клетке лука

Механическое разрушение кристаллами льда клеточной и внутри­клеточной структуры является лишь одним из многих факторов, вли­яющих на состояние ткани. Увеличение осмотической концентрации межклеточной жидкости может привести к растворению липопроте — идных биологически активных полупроницаемых внутриклеточных мембран, в результате чего внутриклеточная влага способна переме­щаться в межклеточное пространство.

Таким образом, появляется настоятельная необходимость в точной оценке длительности замораживания и параметров, влияющих на ин­тенсивность этого процесса.

Posted in Холодильная техника