Раздел 1 общие сведения Глава 1 гидробионты —многокомпонентная полифункциональная, биологически активная система

Гидробионты -- это водное сырье биологического происхожде­ния, которое подразделяют на две основные группы: рыба и не­рыбные объекты. К нерыбным объектам относятся морские мле­копитающие, беспозвоночные и морские растения.

В результате технологической переработки гидробионты из сы­рья превращаются в готовую продукцию. Свойства гидробионтов имеют много общего, что обусловлено водной и биологической природой их происхождения. Гидробионты разнообразны по видам и размерам, многокомпонентны по химическому составу, полифун­кциональны и неоднородны по морфологическому строению име­ют капиллярно-пористую коллоидную структуру, их функциональ­но-технологические свойства изменяются под воздействием вне­шних факторов.

Различают следующие группы функционально-технологических свойств: физические, биохимические, морфологические, структур­но-механические, теплофизические, а также лабильность к различ­ным воздействиям (например, тепловому, микробиологическому, ферментативному и др.). Каждая группа включает большое число свойств. Поведение гидробионтов как объектов обработки в техно­логических процессах зависит от взаимодействия и взаимовлияния всего комплекса этих свойств. Рассмотрим те из них, которые важ­ны для анализа конструкции оборудования, изучаемого в настоя­щем курсе.

1.1 Общая характеристика физических свойств гидробионтов

К физическим свойствам гидробионтов относятся морфологи­ческие характеристики, плотность, объемная, или насыпная, мас­са, расположение центра тяжести, угол естественного откоса и скольжения, коэффициент трения, теплофизические свойства, ла­бильность и др.

Морфологические характеристики гидробионтов характеризу­ются формой и геометрическими размерами (рис. 1.1... 1.5).

Рис. 1.1 Основные формы тела рыбы:

А, б, в – плоская (Леш, камбала, скат): г – торпедообразная (лосось): д – стреловидная (сарган) е – змеевидная (угорь)

Рис. 1.2. Ракообразные:

а — промысловый камчатский краб: 1 — головогрудь; 2— ходильные конечности; 3 и 4— соот­ветственно левая и правая клешни; б— креветка: У —абдомен; 2— головогрудь; в — широколапый или благородный рак

a —мидии: / —Дункера; 2—черноморс­кая; б — тихоокеанский кальмар: 1 — хво­стовой плавник-стабилизатор; 2 — ман­тия; 3— воронка; 4— глаз; 5—голова; 6 —ловчее щупальце; 7—ротовое отвер­стие; 8— щупальца

Рис. 1.4. Иглокожие:

! — трепанг; б — кукумария; в — морской еж

Рис. 1.5. Морские растения:

а — зостера; б — ламинария, или морская капуста: 1 — розочка; 2 — черешок; 3— основание; 4— слое­вище; 5— средняя утолщенная часть; 6 — верхушка; в — анфельция

При создании рыборазделочных и сортировочных машин наряду с общей длиной и массой рыбы необходимо знать соотношение размеров отдельных ее частей — головы, тушки, хвостового плавни­ка, а также высоту и толщину. Длину рыбы измеряют по прямой от крайней точки начала рыла до: а) средних лучей хвостового плавни­ка (конца чешуйчатого покрова) — технологическая, или промыс­ловая длина; б) развилки хвоста — длина по Смиту; в) конца лучей хвостового плавника — полная (абсолютная) длина. Технологичес­кая длина рыбы определяется ГОСТом «Рыба всех видов обработ­ки. Длина и масса» и используется в промышленной и торговой практике, длина по Смиту — для биологических исследований. Длину обезглавленной рыбы измеряют также по прямой от края го­ловного среза на уровне позвоночника до основания средних лучей хвостового плавника, длину тушки — до края среза хвостового плавника.

Кроме линейных размеров большое практическое значение имеет удельная площадь поверхности рыбы — отношение площа­ди поверхности рыбы к ее объему или массе (выражается соответ­ственно в м²/м³ или м²/кг). Чем больше удельная площадь поверх­ности рыбы, тем быстрее она нагревается, охлаждается, заморажи­вается, просаливается. Удельная площадь поверхности зависит от формы тела рыбы: чем меньше отношение толщины тела рыбы к ее длине, тем больше удельная площадь поверхности. Морфологи­ческие характеристики нерыбных объектов также учитывают при создании соответствующего оборудования.

При проектировании машин большое значение имеет геомет­рическое подобие обрабатываемого сырья. Рыбы одного вида, имеющие разные промысловые размеры, подобны; существуют линейные и другие зависимости между: массой рыбы, площадью поверхности тела и т. д. Для большинства рыб линейные зависи­мости в общем виде имеют вид:

где L — биологическая длина; l1 l₂, l_цг — размеры от начала рыла до характерных точек на теле рыбы (до начала средних лучей хвостового плавника, до середины прямой линии, соединяющей концы крайних лучей хвостового плавника, центра головы и т. п.); b, h — соответственно толщина и высота тела рыбы.

Например, длина головы минтая /_r = 0,19L+13, наибольшая толщина тела сайры b=0,775L—3; высота тела сайры h =0,1287L + 0,1.

Плотность (р, кг/м³), характеризует отношение массы объекта к его объему. Для живой или уснувшей рыбы с неопавшим плава­тельным пузырем р = 1000 кг/м³, что позволяет ее транспортиро­вать в потоке воды по гидрожелобам. Для разделанной рыбы раз­ных видов р = 1050... 1080 кг/м³, кожи р = 1070... 1120 кг/м³, чешуи p= 1300.. .1500 кг/м³.

Объемная, или насыпная, масса представляет собой массу рыбы, вмещающуюся в единицу объема. Эта величина необходима при расчетах оборудования для охлаждения, размораживания, посола, транспортных средств, тары для упаковывания, определении про­изводственных площадей цехов приема и аккумулирования сырья. Насыпная масса живой рыбы равна 710...810кг/м³, уснувшей 690...790КГ/М³, мороженой 440...480кг/м³.

Центр тяжести находится в передней части тела рыбы, ближе к голове и при свободном падении и скольжении она перемещает­ся по наклонной плоскости головой вперед. Это свойство учиты­вают при проектировании ориентирующих устройств рыборазде­лочного оборудования.

Углом естественного откоса называют угол наклона поверхно­сти конуса, образованного насыпанной на горизонтальную пло­щадку рыбы.

Угол скольжения представляет собой угол наклона плоскости, при котором положенная на нее рыба начинает скользить вниз под действием силы тяжести, преодолевая силу трения о плоскость. Угол скольжения для рыбы составляет 25...50° и зависит от ее вида, размера, физического состояния, а также вида материала плоскости, чистоты его обработки и состояния поверхности (смо­ченная водой, тузлуком или сухая).

Коэффициент трения равен тангенсу угла скольжения.

Знание этих величин необходимо при конструировании ориен­тирующих устройств сортировочных, разделочных машин и меха­низмов перемещения и обработки рыбы.

Теплофизические характеристики отражают способность гидро-бионтов передавать, поглощать или выделять теплоту, а также пре­образовывать энергию полей теплового излучения и электромаг­нитных колебаний высокой частоты. К основным величинам, ко­личественно выражающим тешюфизические характеристики, относятся: коэффициент теплопроводности [А, Вт/(м • К)], численно равный плотности теплового потока в рассматриваемом направле­нии (при разности температуры в направлении потока 1К), отне­сенной к 1 м и зависящей от химического состава; для охлажденной рыбы А, = 0,5 Вт/(м • К); удельная теплоемкость (с, Дж/кг • К), чис­ленно равная количеству теплоты, затрачиваемой на изменение температуры 1 кг тела на 1 К (для рыбы с = 2763...3700 Дж/кг • К) и зависящая от ее химического состава; коэффициент теплового рас­ширения (Р, К"¹), численно равный относительному изменению объема продукта или его линейного размера при изменении темпе­ратуры на 1К.

К производным от основных теплофизических характеристик относятся: коэффициент температуропроводности (а, м²/с), выра­жающий тепловую инерционность продукта; удельная энтальпия (/, Дж/кг), численно равная количеству теплоты, необходимой для нагревания 1 кг продукта до температуры Т.

Теплофизические характеристики являются основными пара­метрами, необходимыми для расчетов процессов массо-теплообмена при разработке соответствующего оборудования.

Реологические свойства классифицируют по характеру прило­жения к продукту внешних усилий и вызываемым ими деформа­циям. Эти свойства подразделяют на: сдвиговые — проявляются при воздействии на продукт сдвиговых и касательных усилий; компрессионные — проявляются при воздействии нормальных напряжений в замкнутой форме, между двумя пластинами или ка­ком-либо другом способе растяжения-сжатия образца продукта и поверхностные — характеризуют поведение поверхности продукта на границе раздела с другим твердым материалом при воздействии нормальных (адгезия или липкость) и касательных (внешнее тре­ние) напряжений.

Режимные параметры различных процессов (механических, тепловых, диффузионных) в значительной степени определяются реологическими свойствами обрабатываемого сырья. Учет этих свойств позволяет разрабатывать объективные методы определе­ния готовности и контроля качества на различных стадиях техно­логического процесса и научно обоснованные режимы обработки сырья и продуктов. На всестороннем учете свойств сырья и про­дуктов, позволяющем установить обратную связь для управления процессом, основывается работа поточных линий.

Важным физическим свойством гидробионтов, характеризую­щим их как сложную биологическую систему, является их лабиль­ность по отношению к различным воздействиям (тепловым, мик­робиологическим, ферментативным и др.).

Лабильность (от латинского слова labilis, неустойчивый, измен­чивый) — это функциональная физиологическая подвижность, ха­рактеризующая скорость протекания элементарных циклов воз­буждения в нервной, мышечной или иной возбудимой ткани биологического тела. Мерой лабильности служит наибольшее чис­ло импульсов (число электрических колебаний и др.), которое мо­жет воспроизвести за 1 с данная ткань при сохранении числового соответствия с максимальным ритмом раздражений. Наибольшей лабильностью обладает нервное волокно.

Лабильность к тепловому воздействию (термолабильность) — это способность гидробионтов необратимо изменять свои свойства в результате теплового воздействия. Тепловым называют такое воз­действие на биологическое тело, при котором оно находится в на­гретом (охлажденном) состоянии определенный промежуток вре­мени. В течение этого промежутка происходят необратимые пре­вращения его компонентов и изменения связанных с ним свойств. Тепловое воздействие характеризуется температурой и продолжи­тельностью ее действия.

Изменения свойств при тепловом воздействии происходят в ре­зультате физико-химических и химических превращений со скоростью, зависящей от температуры нагрева (охлаждения) выше некото­рого критического значения. Биологическое тело может проявлять различную термолабильность в отношении разных своих свойств. Показателем термолабильности в отношении рассматриваемого свойства является максимальная температура (/_тах), при которой ма­териал неопределенно долго сохраняет стабильным данное свойство.

Микробиологическая лабильность — это способность гидробионтов необратимо изменять свои свойства в результате микробиоло­гического воздействия. Под микробиологическим воздействием понимают влияние микроорганизмов на биологическое тело в те­чение определенного промежутка времени, за который происхо­дят необратимые превращения его частей, компонентов и измене­ния свойств. Кроме этого, от жизнедеятельности микроорганиз­мов зависят физическое состояние, органолепгические свойства гидробионтов и способы их технологической переработки. Други­ми словами, лабильность к микробиологическому воздействию определяется способностью биологического тела служить пита­тельной средой для микроорганизмов.

Микробиологическое воздействие характеризуется видом, чис­ленностью микроорганизмов на 1 см² поверхности или в 1 млг массы гидробионтов, оптимальной температурой развития и продолжи­тельностью их жизни, кислотностью среды и др. На 1 см² кожи толь­ко что выловленной тралом рыбы приходится от 10² до 10⁶ бактерий. Мышцы и внутренние органы здоровой рыбы обычно стерильны. Пищеварительный тракт жирующей рыбы сильно заражен — в 1 см³ содержимого желудка и кишечника содержится до 10⁷ бактерий, в том числе Clostridium и другие спорообразующие микроорганизмы.

Ферментативная лабильность — это способность гидробионтов необратимо изменять свои свойства в результате ферментативного воздействия. Под ферментативным воздействием понимают влия­ние ферментов на биохимические процессы в биологическом теле в течение определенного промежутка времени, за который проис­ходят необратимые превращения его частей, компонентов и изме­нения связанных с ним свойств.

Влияние ферментов выражается в катализирующем действии на непрерывные биохимические процессы, протекающие в живой клетке. Ферментативное воздействие характеризуется видом, ак­тивностью, специфичностью и избирательностью действия фер­ментов. Биохимическая активность большинства ферментов зави­сит от значений температуры, рН среды и др.