Контрольные вопросы и задания

i. Что такое гидробионты? 2. Какими физическими свойствами обладают гид-оионты? 3. Как измеряется длина рыбы? 4. Что такое теплофизические характе-.тики гидробионтов? 5. Что такое структурно-механические характеристики :робионтов? 6. Что характеризует термолабильность гидробионтов? 7. Что ха-- теризует микробиологическая лабильность гидробионтов? 8. Что характеризует р.ментативная лабильность гидробионтов? 9. Что такое белково-водно-жировой гффициент? 10. Что такое белково-водный коэффициент? 11. Что характеризует активности воды для гидробионтов?

Глава 2 научно-методические основы технологических процессов переработки гидробионтов

Под технологическими процессами подразумевают искусствен­ное воздействие на объект переработки с целью изменения или сохранения на длительное время структурно-механических, физи­ко-химических, биологических, микробиологических или иных его свойств, формы, размеров, состояния и пр. Процессы перера­ботки гидробионтов следует рассматривать как гетерогенную ре­акцию, обусловленную комплексом взаимосвязанных реодинами-ческих, химических, физико-химических, биохимических, микро­биологических, ферментативных явлений, кинетика которых наряду с кинетикой переноса энергии и вещества определяет ме­ханизм этих процессов.

2.1. Научно-методические основы процессов механической обработки гидробионтов

Механическая обработка занимает важное место в технологи­ческих процессах переработки гидробионтов и сопровождается сложными изменениями структурно-механических свойств, со­става, формы, геометрических размеров сырья и готового продук­та. Механическую обработку гидробионтов применяют при их разделке, измельчении, перемешивании, формовании в производ­стве кулинарных изделий, разделения неоднородных систем, об­разующихся в технологических процессах переработки гидроби­онтов, и др. Выбор способа механического воздействия на продукт зависит от его свойств и технологических требований к готовому продукту. Разделка и измельчение осуществляются ножами различной кон­струкции. При резании происходит вклинивание лезвия ножа в продукт, причем у поверхности стыка создается удельное давле­ние, достаточное для разрушения наиболее прочной части разре­заемого продукта. Значительное число тончайших заусенцев на лезвии способствует особенно при наклонном резании, достиже­нию наибольшего эффекта, так как заусенцы как мельчайшие зуб­цы передают давление на крайне ограниченную поверхность и, разрушая наиболее прочную часть материала, минимально дефор­мируют его. Резание может быть свободным и стесненным. При свободном резании вклинивающийся нож свободно отжимает части продукта в стороны, а при стесненном — продукт находится под объемным сжатием и не может свободно перемещаться.

Резание бывает рубящим (рис. 2.1, а) или скользящим — наклонным (рис. 2.1. б). При рубящем резании лезвию или продукту сообщают встречное поступательное движение со скоростью v_n. При наклонном резании лезвие вклинивается со скоростью v_n и скользит по по­верхности раздела со скоростью v,. Усилие вклинивания лезвия в продукт Р_п называют нормаль­ным сопротивлением резанию, а усилие, необходимое для боково­го смещения лезвия Р,, — касательным сопротивлением. При ру­бящем резании v, = 0 и Р_{ = 0', при касательном резании v_n = 0. Следовательно, возможны два предельных случая: при v_t = О — ру­бящее резание и при v_n = 0 — касательное резание. Все промежу­точные случаи, когда v, > 0 и v_n > 0, относятся к скользящему реза­нию.

Отношение касательной скорости к нормальной, или коэффи­циент скольжения лезвия, часто называют качеством процесса ре­зания и обозначают

где о<) —угол скольжения, являющийся одной из характеристик процесса резания волокнистых материалов, рыбы (рыбопродуктов, мяса и др.).

При наклонном резании лезвие скользит по фронту раздела и имеющиеся на лезвии заусенцы, действуя как мелкие зубья, пере­резают соединительную ткань, и таким образом улучшаются усло­вия резания. Кроме того, при смещении продукта вдоль лезвия последнее очищается от зависающих на нем волокон продукта (при зависании волокон снижается эффект резания и повышается расход энергии).

При рубящем резании поверхность раздела получается неров­ной, с выступающими волокнами и выхватами на ней. Для повы­шения качества разреза следует применять наклонное резание.

Энергия Е, затрачиваемая на резание гидробионтов и продук­тов из них, в соответствии с обобщенной теорией акад. П. А. Ре-биндера расходуется на деформацию тела до момента начала реза­ния и на образование новых поверхностей при резании

Где kv, kf— коэффициенты, пропорциональности; К—объем тела; F—площадь вновь образованных поверхностей частиц после резания тела.

Рис. 2.1. Схема видов резания: а — рубящее; б — скользящее

Общий расход энергии представлен в виде суммы двух слагае­мых, из которых первое определяет расход энергии по закону Кирпичева—Кика, а второе — по закону Реттингера.

Измельчение характеризуется степенью измельчения / и пред­ставляет собой отношение средних размеров кусков до (D) и после

В зависимости от значения / различают крупное (/ = 2...6), сред­нее (/= 6...10), мелкое (/= 10...50), тонкое (/= 50...100) и сверхтон­кое (/> 100) измельчение.

Перемешивание в рыбной отрасли применяют в производстве консервов, кулинарных изделий, рыбной муки, при переработке водорослей, а также для интенсификации тепло-массообменных процессов — размораживания, посола, варки, сушки и др.

Эффективность процесса Эф перемешивания (смешивания) жидких, вязких, вязкопластичных и сыпучих материалов оценива­ют по степени однородности получаемой массы:

где п — количество проб; А_ь aq — соответственно содержание данного компонента в пробе и по рецептуре, %.

Формование и прессование — это процессы механической обра­ботки продукта внешним давлением. Их применяют в производ­стве кулинарных изделий, кормовых и технических продуктов для отжима текучей фракции, придания продукту определенной фор­мы и уплотнения для лучшей транспортабельности.

При формовании и прессовании используют среды, которые наряду с вязкостью и пластичностью обладают упругостью. Это приводит к тому, что деформация этих сред при формовании и прессовании зависит от времени. Вязкопластичная среда способна к упругим деформациям до известного предела, за которым начи­нается необратимая деформация, и среда течет как вязкая жид­кость. Реологическое уравнение состояния вязкоупругопластич-ных сред (напряжение сдвига) имеет следующий вид:

Закономерности формования вязкоупругопластичных сред за­висят от их физико-химических, структурно-механических свойств, способов обработки и определяются в основном эмпири­ческими зависимостями.

Прессование с выделением текучей фракции протекает по сле­дующей схеме. После загрузки продукта (разваренной рыбы) в пресс постепенно увеличивают давление, причем сначала проис­ходит уплотнение продукта, а когда внешнее воздействие превы­сит силы сопротивления продукта, начинается выделение текучей фракции. При благоприятных условиях в начальный момент про­цесса отпрессовывается наибольшая часть текучей фракции, далее скорость ее выделения снижается, а затем выделение текучей фракции прекращается.

Минимальное содержание текучей фракции в остатке (жоме рыбной муки) после длительного прессования при данных давле­нии и температуре называют равновесной влажностью или жир­ностью. Фактическая массовая доля жира или влаги в остатке, по­лучаемом в промышленных условиях, всегда будет несколько больше равновесной. Для количественной оценки прессования в промышленных условиях используют отношение фактической (конечной) массовой доля жира или влаги в остатке к равновесной массовой доли жира или влаги.

Текучая фракция начинает выделяться при определенном дав­лении, называемом начальным, зависящим от ее вязкости, массо­вой доли в прессуемой массе, температуры, предварительной об­работки и др. Давление, воспринимаемое прессуемой массой р_п, равно сумме давлений, воспринимаемых текучей фракцией pj и скелетом продукта/^, Па,

В начальный момент отвода движение текучей фракции лами­нарное с постоянным градиентом

Давление, воспринимаемое скелетом продукта в начале выде­ления текучей фракции, (Па) определяют по выражению

где е — коэффициент, учитывающий сжатие скелета продукта в замкнутом про­странстве.

Движущей силой выделения текучей фракции является раз­ность давлений, Па,

Каждому давлению прессования продукта р_п при данных усло­виях соответствует определенная доля равновесной влажности, жирности или равновесная доля текучей фракции, причем опре­деляются они более простой зависимостью для однородной жид­кости и более сложной —для текучей фракции, содержащей ком­плекс растворенных в ней компонентов.

Механическое разделение в рыбной отрасли применяют для обработки различных неоднородных систем, которые образу­ются в результате переработки гидробионтов, с целью очистки жидкой или газовой фазы от взвешенных частиц или выделения требуемой фракции. Например, суспензии, образующиеся при мойке гидробионтов, оборудования и его узлов, тары очищают от загрязнений; рыбий жир — от белковых веществ и влаги; туз­лук от чешуи и загрязнений; растительное масло из обжарочной печи — от кусочков рыбы и муки; бульон жиромучного произ­водства — от жира, водорастворимых веществ и твердых взве­шенных частиц; коптильный дым — от взвешенных жидких и твердых частиц; раствор агар-агара — от взвешенных частиц и др.

Для механического разделения неоднородных систем применя­ют осаждение и фильтрование. Осаждение проводят под действи­ем гравитационных, центробежных и электрических сил. При фильтровании неоднородные системы разделяют через фильтрую­щую перегородку под действием разности давлений. Разделение осаждением возможно только при разности плотностей их дис­персной и дисперсионной фаз и связано это с погружением или всплытием из неоднородной жидкой среды частиц под действием выталкивающей и погружающей сил.

Скорость погружения или всплытия одиночной частицы (м/с) зависит от режима движения среды, вызываемого движущейся ча­стицей:

при ламинарном движении

при переходном режиме движения

при турбулентном движении

При разделении в поле электрических сил скорость осаждения частиц, м/с,

где п — число электронов, осевших на частицу; е — заряд электрона (е = 1,6 • 10~⁹ Кл.); Е— напряженность электрического поля, В/м.

Фильтрование представляет собой процесс разделения суспен­зий, пыли, туманов через пористую фильтрующую перегородку, способную пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешен­ные в них частицы (осадок). При разделении суспензий жидкость, прошедшая через фильтрующую перегородку, называют фильтра­том. По целевому назначению фильтрование бывает очистным и продуктовым. При очистном фильтровании целевой продукт — фильтрат, при продуктовом — осадок.

Скорость фильтрации v_(b (м/с) представляет собой объем филь­трата V, прошедшего через единицу поверхности F за единицу времени т. В общем случае скорость фильтрования прямо пропор­циональна движущей силе процесса (разности давления р) и об­ратно пропорциональна сопротивлению осадка R0 и фильтрую­щей перегородки (Rф_p)

где — вязкость дисперсионной (жидкой) фазы суспензии, Па • с.

Интегрирование этого выражения дает зависимости между объемом получаемого фильтрата и продолжительностью фильтро­вания для соответствующих условий ведения процесса: при посто­янном давлении поступающей фильтруемой среды (при этом уменьшается скорость фильтрования) или при постоянной скоро­сти фильтрования и переменном возрастающем давлении.

2.2. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛО-МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ГИДРОБИОНТОВ

Тепло-массообмен широко применяется в процессах перера­ботки гидробионтов и сопровождается сложными физико-хими­ческими, биохимическими, ферментативными, структурно-меха­ническими и другими изменениями, связанными с поверхностным или объемным проникновением теплоты в продукт. Целью процес­сов может быть подготовка сырья к дальнейшей переработке, дове­дение продукта до состояния готовности к употреблению в пищу, предотвращение или уничтожение развития микрофлоры в полу­фабрикате, готовом продукте или при его хранении, выделение из сырья его составных компонентов, изменение структурного состо­яния продукта.

В теплообменных процессах поток теплоты направлен от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. В зависимости от характера изменения состояния объектов тепло­вой обработки различают следующие виды теплообменных про­цессов: охлаждение, нагревание и др.

Массообменные процессы основаны на избирательном обмене отдельными компонентами между фазами многокомпонентных систем через поверхности контакта фаз. Переход распределяемого компонента через поверхность контакта в другую фазу описывает­ся законами молекулярного, конвективного и турбулентного пере­носа. К массообменным процессам при переработке гидробионтов относятся: посол, экстрагирование, копчение и др.

Тепло-массообменные процессы — совмещенные процессы пере­носа теплоты и массы в гидробионтах. Они протекают с измене­нием физического состояния распределяемого компонента и со­провождаются затратой и высвобождением значительного коли­чества теплоты фазового перехода. К тешто-массообменным процессам относятся: замораживание, размораживание, варка, бланширование, запекание, обжаривание, стерилизация, сушка, вяление и др. Основная часть процессов переработки гидробионтов протека­ет в условиях подвода и отвода теплоты. Тепловую обработку и повышение концентрации пищевых компонентов продукта осу­ществляют погружением его в жидкую среду (вода, растительное масло идр ); воздействием пара, воздуха, дымовоздушной, паро­воздушной и пароводяной смесями; инфракрасным излучением, нагреванием электрическими токами (промышленной и сверхвы­сокой частоты) и др. Теплота может быть передана продукту прямым контактом или через теплопередающую поверхность (стенку). Теплота от тепло­носителя передается среде тремя основными способами: тепло­проводностью, конвекцией и тепловым излучением. При передаче теплоты теплопроводностью среда, через которую проходит

теплота, остается неподвижной. При передаче конвекцией теплота пе­редается вместе с перемещающейся средой, а при тепловом излуче­нии присутствие физической среды необязательно, так как это яв­ление имеет электромагнитную природу. На практике перечислен­ные способы передачи теплоты всегда сопутствуют друг другу.

Тепловые процессы, протекающие при обработке гидробионтов, подчиняются законам теплопередачи. При этом теплофизические свойства объектов обработки оказывают решающее влия­ние на механизм теплообмена. Если при передаче теплоты темпе­ратура среды не изменяется во времени, то протекающий процесс называется стационарным: если температура среды или продукта изменяется во времени, то протекающий процесс называется не­стационарным. Теплообмен осуществляется по-разному в зависи­мости от вязкости продукта: в жидких средах посредством конвек­ции, в вязких продуктах посредством конвекции и теплопровод­ности, в твердых телах посредством теплопроводности.

Согласно основному закону теплопроводности (рурье для стаци­онарного режима количество теплоты dQ (Дж), переданное тепло­проводностью, пропорционально градиенту температуры dt/dx, времени d и площади сечения dF, перпендикулярной направле­нию теплового потока,

Знак «минус» показывает, что положительные направления вектора плотности теплового потока и градиента температуры не совпадают, так как теплота переносится в сторону уменьшения температуры, навстречу градиенту dt/dx.

Нестационарная теплопроводность описывается вторым зако­ном Фурье, который устанавливает прямую пропорциональную зависимость между изменением температуры во времени и ее рас­пределением в пространстве,

Средние значения теплофизических характеристик мяса от­дельных видов гидробионтов приведены в табл. 2.1.

Гидробионт

Темпера тура

Массовая Доля влаги %

кг./

Дж/(кг.К) С,

Вт/(м * К

А * 10 М /с

Треска	16	—	992	3684	0,54	14,4
	20	80	1020	3684	0,46	12.1
	—	83	997	3684	0,54	14,7
	20	—	1052	3726	0,45	11,7
Лосось	—	73	980	3517	0,50	14,4
Судак	1	—	1070	3226	0,43	12,5
	0	80	1070	3475	0.52	14.0
	20	—	1064	3810	0,47	12,0
Сазан	20	—	1060	3864	0,44	11,3
Осетр	20	—	1059	3643	0,43	11,3
Креветки*	0...27	76.8	1358*	3559	—	—
		83		3601	—	—
Кальмар		20.1	1060,6	3575	0,83	24,5

Для вареной креветки (среда — воздух). Конвекция осуществляется как путем теплопроводности, так и перемешивания, а вклад этих механизмов переноса в процесс за­висит от гидродинамических условий движения жидкости или газа. Количество теплоты (Дж), отдаваемое стенкой в жидкость, рассчитывают по закону теплоотдачи Ньютона

Значения коэффициента теплоотдачи для типовых процессов теплообмена приведены ниже*.

Процесс теплообмена а, Вт/(м ² • К)

Нагревание и охлаждение газов при атмосферном 10...50

давлении

Нагревание и охлаждение воды при свободной цир- 350...1800

куляции

Нагревание и охлаждение воды при принудительной 700...3500

циркуляции

Кипение:

воды 6000... 12000

растительного масла 180...480

томатной пасты с массовой долей сухих веществ 12 % 5500...23000

Конденсация:

водяного пара 4000...15000

паров органических жидкостей 500...2000

*Чупахин В.М. Технологическое оборудование рыбообрабатывающих предприятий. — М.: Пищевая промышленность, 1976.— 472 с.

В общем виде коэффициент теплоотдачи

где а_к, ал, — соответственно коэффициенты теплоотдачи конвекцией и лучеиспус­канием.

Суммарный коэффициент теплоотдачи для аппаратов, установ­ленных в помещении, при температуре стенки аппарата до 150 °С приближенно определяют по формуле

Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена (уравнение Фурье — Кирхгофа) имеет вид:

где v_х, v_у, Vz — скорости перемещения частицы в направлении осей соответственно х, у, z.

Приравнивая выражения основного закона теплопроводности Фурье и закона Ньютона, получим уравнение, характеризующее условия на границе раздела потока и стенки аппарата

Закономерности теплового излучения описываются законами Стефана—Больцмана, Кирхгофа и Ламберта. В невидимой инфра­красной области спектра с длиной волны 0,8...40 мкм может пере­даваться большое количество теплоты. С повышением температу­ры тела интенсивность теплового излучения возрастает, а при тем­пературах выше 600 "С теплообмен между твердыми телами и газами осуществляется путем лучеиспускания. Закон Стефана — Больцмана определяет полное количество лучистой энергии, из­лучаемой абсолютно черным телом,

Вт/(м² К)

где Q) — коэффициент излучения абсолютно черного тела [С₀ = 5,68 Вт/(м² • К⁴)]. Для реальных (серых) тел этот закон имеет вид

где E_c — количество лучистой энергии, излучаемой серым телом, Вт/(м² -К); _с — степень черноты серого тела; в зависимости от вида материала, состояния его по­верхности и температуры 0 < _с <1.

Закономерности переноса массы компонентов вещества опи­сываются законами Фика и Щукарева. Перенос массы осуществ­ляется молекулярной конвективной диффузией, термодиффузией и массопроводностью.

Молекулярный перенос компонентов вещества описывается пер­вым законом Фика

где D— коэффициент диффузии

Закон Щукарева устанавливает закономерности переноса мас­сы конвективной диффузией

где — коэффициент массоотдачи; с_п, с_я — соответственно концентрация компо­нента у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы.

Распределение концентрации при конвективной диффузии вы­ражается следующими дифференциальными уравнениями: для установившегося режима

для неустановившегося режима

для массообмена в неподвижной среде

Последнее выражение является записью второго закона Фика.

2.3. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ И ФЕРМЕНТАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ГИДРОБИОНТОВ

Микробиологическим называется процесс, изучающий строение, жизнедеятельность, изменчивость, наследственность, эволюцию и систематику микроорганизмов. Микробиологические процессы, протекающие при переработке гидробионтов, основаны в основ­ном на жизнедеятельности микроорганизмов.

Биохимический процесс технологической переработки сырья, в том числе и гидробионтов, протекающий под воздействием биологических катализаторов (ферментов), вырабатываемых соответ­ствующими видами микроорганизмов, называется ферментатив­ным процессом.

Микробиологические и ферментативные процессы при перера­ботке гидробионтов следует рассматривать либо как вид опреде­ленного технологического воздействия на них, либо они протека­ют самопроизвольно. Технологическое воздействие возникает или создается при условиях, обеспечивающих необходимое соотноше­ние между энергией активации и энергией теплового движения молекул или отдельных их звеньев, вызывающей разрыв связей, которые существуют между отдельными звеньями молекул и их переориентацию. В качестве примера можно привести процессы охлаждения и замораживания, созревания при посоле, копчения, вяления рыбы, стерилизации консервов, гниения и разложения тканей гидробионтов и др.

Микробиологические процессы по своей природе представля­ют собой ферментативные реакции, протекающие в полифермен­тных системах при переменной концентрации биологических ка­тализаторов (ферментов), вырабатываемых микроорганизмами. Специфическая особенность роста микроорганизмов — автоката­литический характер процесса, определяемый увеличением общей концентрации ферментов в системе по мере развития популяции.

Микробиологические процессы при переработке гидробионтов можно разделить на две группы. Первую группу составляют мик­робиологические процессы, которые используют как средство тех­нологического воздействия на сырье, полуфабрикаты, вторую — самопроизвольно протекающие процессы.

Процессы первой группы реализуют либо созданием благопри­ятных условий жизнедеятельности микроорганизмов, либо внесе­нием в продукт ферментных препаратов протеолитического дей­ствия из внутренностей созревающих рыб и некоторых ракообраз­ных, либо, например, добавлением в тузлук при посоле рыбы определенных штаммов микроорганизмов. Внесение ферментных препаратов при производстве соленой рыбы, пресервов ускоряет созревание мяса рыбы и сокращает общую продолжительность выработки продукции.

Микробиологические процессы второй группы протекают при созревании соленой, вяленой, копченой рыбы. В результате мясо рыбы приобретает нежность, сочность, специфические приятные вкус и запах. Созревание рыбы представляет собой комплексный физико-химический, микробиологический и ферментативный процесс.

Микробиологические процессы второй группы вызывают также порчу сырья и продуктов его переработки. Для предотвращения, торможения или прекращения этих процессов создают неблагопри­ятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов с помо­щью охлаждения, замораживания, пастеризации и стерилизации.

Микроорганизмы представляют собой одну из наиболее под­вижных форм жизни, при которой они способны адаптироваться к большому разнообразию окружающих условий. Эта адаптация сопровождается реорганизацией макромолекулярной структуры клеток, индукцией и (или) подавлением ферментных систем и пе­рераспределением местоположения отдельных компонентов в клеточном метаболическом пуле.

Микроорганизмы способны к росту в широком диапазоне фи­зических и химических показателей среды. Их рост и другие про­явления физиологической активности в сущности являются реак­цией на физико-химические условия среды и могут осуществлять­ся периодически и непрерывно. Скорость изменения числа микроорганизмов в режиме их рос­та линейно связана с концентрацией клеток в системе

где N— число клеток; — время; ц — удельная скорость роста.

Интегрирование этой зависимости при начальных условиях = 0, N=0 дает функцию экспоненциального роста

Удельная скорость роста микроорганизмов зависит от концентрации питательной среды и выражается уравнением моно.

Изменение скорости роста микроорганизмов и образование ими различных продуктов в зависимости от текущего состояния системы «субстрат — микроорганизмы» представляет собой кине­тику микробиологического процесса. Типичная кривая кинетики периодического роста для микроорганизмов показана на рис. 2.2.

Кинетическая кривая роста имеет три различающиеся фазы: лаг-фазу, фазу экспоненциального роста и стационарную фазу Лаг-фаза начинается с момента внесения микроорганизма в пита­тельную среду, в этот период происходит адаптация микроорга­низмов.

Фаза экспоненциального роста характеризуется на графике log N=f(x) прямой линией. Это период сбалансированного роста или роста в установившемся состоянии, во время которого удель­ная скорость роста постоянна. В некоторый момент скорость рос­та начинает снижаться из-за истощения незаменимых питательных веществ или накопления продуктов, ингибируюших рост. Тем не менее, клетки проходят через переходный период до тех пор, пока скорость роста не ста­нет равной нулю.Фаза увеличения численности микроорганизмов заканчивается в момент, когда скорость их раз­множения становится равной скорости отмирания, наступает стационарная фаза. Общая масса клеток может оставаться посто­янной (линия а), но число живых клеток достоверно уменьшается (линия в). При этом поскольку выживаемость падает, может происходить лизис (разрушение)

клеток (линия б) и их масса уменьшается. Это ведет к образованию сложной среды, в которой находятся клетки, включающей, в част­ности, продукты лизиса, и может наступить следующий период роста — так называемый период скрытого роста. Часто в фермен­тных системах образуются не имеющие значения вторичные ме­таболиты (вещества), которые ранее не присутствовали или не функционировали в клетке. Рост микроорганизмов обычно характеризуется временем, не­обходимым для того, чтобы масса клеток или их число увеличи­лось в 2 раза. Время удваивания массы может отличаться от време­ни удваивания числа клеток, поскольку не исключается увеличе­ние массы клеток без увеличения их количества. Рост микроорганизмов зависит от температуры, рН, концент­рации и вида субстрата (питательной среды). На рис. 2.3 показа­ны типичные зависимости удельной скорости роста микроорга­низмов от температуры. Микроорганизмы, рост которых макси­мален при температуре ниже 20 "С, относятся к психрофиль-ным; максимальный рост мезо-фильных микроорганизмов про­исходит при 30...35°С, термо­фильных — при температуре выше 50 °С. Концентрация водородных ионов (рН среды) — важный па­раметр, влияющий на рост мик­роорганизмов. Бактерии обычно растут при рН4...8, дрожжи — при рН 3...6,

Микроскопические грибы — при рН 3...7, клетки высших эукаритов — при рНб,5...7,5. Благодаря этому величину рН можно использовать избирательно для стимуляции роста конкретных видов микроор­ганизмов, а иногда для сохранения среды в условиях минималь­ной подверженности контаминации (смешения).

Рост и гибель микроорганизмов в зависимости от температуры описываются уравнением Аррениуса

Типичное значение энергии активации для роста микроорганиз­мов (6,68...8,38)10⁴ Дж/моль, для гибели (25,14...29,33)10⁴Дж/моль. Видно, что скорость гибели значительно более чувствительна к температуре, чем скорость роста. Физический смысл энергии ак­тивации применительно к росту и гибели микроорганизмов не ясен, так как неизвестно, с какими молекулярными структурами связаны эти два процесса.

Скорость гибели микроорганизмов играет основную роль при термообработке (пастеризации и стерилизации) консервов из гид-робионтов в аппаратах периодического и непрерывного действия. Скорость гибели вегетативных клеток

Интегрирование этого уравнения при граничных условиях дает

где No — концентрация жизнеспособных микроорганизмов в момент времени х₀ дает

Характерные кинетические зависимости термической скорости гибели вегетативных форм микроорганизмов показаны на рис. 2.4, а. Углы наклона кривых на рисунке численно равны константам удельной скорости гибели. Абсолютное значение удельной скоро­сти гибели служит мерой термолабильности организма: чем мень­ше это значение, тем более устойчив организм к термической инактивации (подавлению жизнедеятельности).

Кинетические зависимости термической скорости гибели бак­териальных спор микроорганизмов приведены на рис. 2.4, б. При

Рис. 2.4. Кинетические зависимости термической скорости гибели

микроорга­низмов:

а — вегетативные формы (Е. coli); б— бактериальные споры (В. stearothermophilus) рассмотрении процесса гибели бактериальных спор используют модель последовательных ступеней, согласно которой инактива­ция спор происходит по схеме

В соответствии с данной схемой резистентная (устойчивая) спора концентрацией N_R инактивируется до конечного состояния концентрацией N_D,

проходя через высокочувствительное проме­жуточное состояние концентрацией N_s. Для аналитического опи­сания модели используют систему дифференциальных уравнений:

Ниже приведены данные об относительной термолабильности микроорганизмов различных видов.

Микроорганизмы Относительная термолабильность

Вегетативные бактерии и дрожжи 1

Бактериальные споры 3 • 10^ь

Споры грибов 2..10

Вирусы и бактериофаги 1...5

Отсюда видно, что бактериальные споры более стойки к тепло­те, чем другие виды микроорганизмов, поэтому режимы стерили­зации продуктов разрабатывают из расчета деструкции (разруше­ния) бактериальных спор, полагая, что другие виды микроорга­низмов при этом окажутся разрушенными.

Контрольные вопросы и задания

1.Для какой цели применяют механическую обработку гидробионтов¹? 2. На­зовите виды резания гидробионтов. 3. На что расходуется энергия при резании гидробионтов? 4. Что является движушей силой процесса прессования'¹ 5. Какие процессы применяют для механического разделения неоднородных систем, обра­зующихся при переработке гидробионтов'? 6. Какие способы передачи теплоты применяют при обработке гидробионтов'? 7. Что характеризует закон теплопро­водности Фурье 8. Что описывают первый и второй законы Фика? 9. Что такое микробиологический процесс¹ 10. Что описывает уравнение Аррениуса?