На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


автореферат Бофзика процесв, що приводять до нактивацї мкроорганзмв змни властивостей продуктв пд високим тиском. Фзичний механзм впливу тиску на функцональну збереженсть босистем. Фзико-математичне моделювання процесу деградацї втамну С.

Информация:

Тип работы: автореферат. Предмет: Биология. Добавлен: 29.03.2009. Сдан: 2009. Уникальность по antiplagiat.ru: --.

Описание (план):


ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені В.Н. КАРАЗІНА
НОГА Інна Володимирівна
УДК 577.3
МЕХАНІЗМ ДІЇ ВИСОКОГО ТИСКУ і ТЕМПЕРАТУРИ НА ДЕЯКІ МІКРООРГАНІЗМИ та ВІТАМІНИ

03.00.02 - біофізика
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук
Харків - 2009
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Донецькому національному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор Беспалова Світлана Володимирівна, Донецький національний університет, декан біологічного факультету, завідувач кафедри біофізики.
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Прилуцький Юрій Іванович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри фізики функціональних матеріалів,
доктор біологічних наук, професор Гордієнко Євген Олександрович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, професор кафедри біологічної і медичної фізики.
Захист відбудеться “_11”__червня__2008 року о _15___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.13 у Харківському національному університеті імені В.Н. Каразіна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 7-4.
З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.
Автореферат розіслано “_6__”__травня_____2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
С.В. Гаташ
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки дедалі більшу актуальність набуває проблема стерилізації продуктів харчування надвисоким тиском (100-800МПа), що обумовлено екологічною чистотою та малою енергоємністю даного методу. Перспективність цього способу обробки обумовлена тим, що при підвищенні тиску досягається асептичний ефект, а також у значній мірі прискорюються процеси, що ведуть до утворення якісно нових продуктів зі збереженням всіх живильних властивостей. Ця новітня технологія активно упроваджується в виробництво в ряді високорозвинених країн (Японія, Франція, Іспанія, США). З іншого боку, останнім часом високий тиск використовується для вивчення денатурації й ренатурації білків, що відкриває нові перспективи в дослідженні процесів метаболізму в живих організмах. На жаль, в Україні подібні дослідження та ця новітня технологія майже відсутні. Окремі епізодичні дослідження впливу надвисокого тиску на біосистеми проводилися в Донецькому фізико-технічному інституті НАН України (ДонФТІ) та в Донецькому державному університеті економіки та торгівлі ім. М. Туган-Барановського (ДонДУЕТ), де створена перша в Україні експериментальна установка для вивчення дії надвисокого тиску на продукти харчування з метою впровадження цієї технології у виробництво. Дані розробки стимулювали дослідження впливу високих тисків на біосистеми на кафедрі біофізики Донецького національного університету (ДонНУ), в межах НДР якої була виконана ця дисертація.
Біофізика процесів, що приводять до інактивації мікроорганізмів і зміни властивостей продуктів під високим тиском, залишається неясною. Оптимальні параметри тиску, температури та терміну обробки доводиться підбирати емпірично, що вимагає великих витрат ресурсів і часу. При цьому основною задачею є забезпечення стерильності обробленого продукту за умови збереження його харчосмакових якостей. Чимале значення має також економічна сторона процесу - витрати енергії й часу на обробку. Окрім того існує ще цілий ряд невирішених суто наукових питань, до яких належать з'ясування мікроскопічних механізмів дії тиску на різноманітні біооб'єкти, причини розходження в стійкості до тиску різних штамів одного виду бактерій, зміна структури оброблених тиском клітин та їхньої здатності до відновлення, а також дія тиску на внутрішньоклітинне рН.
Таким чином, актуальність теми дисертації зумовлена необхідністю наукового обґрунтування ефективних підходів в галузі створення фундаментальних основ нових технологій стерилізації високим тиском.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана за пріоритетним напрямом «Виробництво екологічно чистих продуктів та технології їх збереження», який рекомендовано в листі Міністерства освіти й науки України № 15/20-571 від 18.04.06 «Щодо пріоритетних напрямів для комплексних проектів». Робота виконана у рамках науково-дослідних держбюджетних тем кафедри біофізики ДонНУ «Вивчення механізму дії високого тиску й температури на деякі мікроорганізми й вітаміни» за договором про науково-технічне співробітництво між ДонНУ і ДонДУЕТ, № 44/25-75/03 від 15.12.2003 р. та ДонДУЕТ «Застосування енергетичних полів для розроблення нових і вдосконалення існуючих продуктів», № Держ. реєстрації 0103U001183, 2005 р.
Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є експериментальне виявлення основних закономірностей та розробка фізико-математичних моделей спільної дії на біосистеми величини високого тиску і тривалості його дії, а також температури.
Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:
– експериментальне дослідження реакції мікроорганізмів і вітаміну С у різних середовищах на сполучену дію тиску і температури в залежності від тривалості дії цих факторів;
– фізико-математичне моделювання кінетики інактивації мікроорганізмів і процесу деградації вітаміну С;
– з'ясування фізичного механізму впливу тиску на функціональну збереженість біосистем;
– розробка рекомендацій з оптимізації і стандартизації алгоритму обробки харчових продуктів високим тиском.
Об'єкт дослідження - фізичні явища і процеси, що зумовлюють деградацію вітамінів й інактивацію мікроорганізмів у харчових продуктах і модельних біосистемах під дією тиску й температури.
Предмет дослідження - реакція біосистем на спільну дію тиску і температури в залежності від тривалості впливу цих факторів.
Методи дослідження - обробка біооб'єктів високим тиском при різних температурах і термінах витримки на експериментальних установках високого тиску, мікробіологічний аналіз, вимірювання кількості вітаміну С методом фотоелектроколориметрії, фізико-математичне моделювання кінетики деградації вітамінів та інактивації мікроорганізмів, чисельне моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів. У роботі вперше проведено комплексне експериментальне дослідження спільної дії тиску і температури на вітаміни та мікроорганізми.
Для оцінки сили впливу неврахованих факторів середовища вперше запропоновані й реалізовані експериментальні моделі, в яких харчове середовище імітується буферним розчином із заданим рН.
Розроблено оригінальну методику визначення оптимальних значень параметрів обробки досліджених груп мезофільних аеробних і факультативно-анаеробних мікроорганізмів (МАФАМ), цвілі, вітаміну С та спор Bacillus subtilis й Bacillus stearothermophilus спільною дією підвищеного тиску і температури при різних термінах їхньої дії. У рамках цієї ж моделі описана кінетика температурної деградації вітаміну С, а також досліджено вплив нерівномірного остигання об'єкту дослідження. Спираючись на порівняння бар'єрів інактивації та дані щодо зміни об'єму різних мікроорганізмів, визначено фізичну причину впливу тиску на біосистеми.
На основі отриманих результатів у роботі розроблено новий фізично обґрунтований підхід до стандартизації процесу обробки харчових продуктів високим тиском, а також спосіб оптимізації параметрів обробки.
Практичне значення одержаних результатів. Результати виконаного дослідження можуть бути використані:
- у наукових дослідженнях у галузі баробіології для планування експериментів й оцінки термодинамічних параметрів, що описують зміни, які відбуваються в системі;
- у лабораторіях харчової промисловості для інтерполяції та інтерпретації розрізнених табличних даних по впливу тиску на окремі мікроорганізми, вітаміни й ферменти;
- у технології стерилізації продуктів харчування надвисокими тисками для оптимізації параметрів обробки з метою досягнення повної стерилізації при максимальному збереженні харчосмакових якостей продуктів та мінімальних витратах енергії й часу;
- для обгрунтування стандартів і норм стерилізації продуктів харчування надвисокими тисками.
Рекомендації і висновки дисертації можуть бути використані при розробці технологій обробки продуктів харчування високим тиском, а також у навчальному процесі на кафедрі біофізики ДонНУ.
Особистий внесок здобувача. У роботах [1, 3, 6, 9, 10, 12-16] - участь у плануванні, підготовці й проведенні експериментів, статистична обробка експериментальних даних, розрахунок параметрів кінетичної моделі; у [2, 8, 11-13] - опис кінетики інактивації мікроорганізмів; у [5, 15] - пояснення відхилення від лінійності нерівномірним остиганням зразка, оцінка величини ефекту, розрахунок виправлень до кривих залежності ступеня виживаності від тиску; у [6] - співставлення зростання кислотності харчових продуктів та дисоціації води під дією тиску та температури; у [7] - застосування кінетичної моделі для опису даних з інактивації спор, порівняння параметрів інактивації різних вегетативних форм мікроорганізмів та аналіз мікроскопічного механізму дії тиску. У всіх роботах - аналіз та інтерпретація результатів, підбір літератури.
Апробація результатів дисертації. Основні матеріали за темою дисертації повідомлені та обговорені на республіканських і міжнародних конференціях:
- І Українська наукова конференція «Проблеми біологічної й медичної фізики» (Харків, 2004),
- Міжнар. наук.-практична конф. «Грибівництво» (Донецьк, 2005),
- І міжгалуз. Міжнар. Конф. «Харчові добавки. Харчування здорової людини» (Донецьк, 2005),
- IV й VI Міжнар. наук. конф. асп. і студ. «Охорона навколишнього середовища й раціональне використання природних ресурсів» (Донецьк, 2005, 2007),
- IX Міжнар. конф. «Високі тиски - 2006» (Судак, 2006),
- IV з'їзд Українського біофізичного товариства (Донецьк, 2006),
- III Всеукраїнська науково-технічна конференція «Фізика. Біофізика - 2007» (Севастополь, 2007).
Публікації. За результатами досліджень, що увійшли до дисертації, опубліковано 16 наукових праць, у тому числі 7 статей у фахових журналах, 9 - тез доповідей на національних та міжнародних наукових конференціях і з'їздах.
Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів і висновків. Основний текст викладено на 131 сторінці машинописного друку. Дисертація містить 24 таблиці і 31 рисунок. Список використаних джерел містить 171 найменування. Робота має 1 додаток на 2 аркушах. Повний обсяг дисертації складає 151 сторінку.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об'єкт, предмет та методи дослідження, вказано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, відомості про апробацію та публікацію результатів.
Розділ 1 присвячено огляду та аналізу літератури за темою дисертації, зокрема опису нової технології стерилізації продуктів харчування надвисоким тиском, історії її створення, перевагам. Як витікає з літературних даних, розвиток нової технології стримують невизначеність у виборі фізичних параметрів обробки і відсутність її стандартів.
Розглянуто особливості дії високого тиску на мікроорганізми, а також фактори, що впливають на стійкість бактерій до високого тиску (тип мікроорганізмів, умови їхнього росту й вік, кислотність середовища, склад харчових продуктів, температура). Літературні дані що до чутливості різних мікроорганізмів до дії тиску, як і до параметрів обробки харчових продуктів, що використовуються для інактивації мікроорганізмів, істотно різняться.
Крім того в огляді літератури розглянуто відомі механізми інактивації мікроорганізмів високим тиском, а також наведено дані про дію тиску на білки, зміну кислотності середовища під тиском, і її вплив на процес інактивації мікроорганізмів.
Огляд літератури свідчить, що дотепер немає єдиної теорії, яка б пояснювала все розмаїття явищ, що відбуваються в біологічних і хімічних матеріалах під дією високого тиску. Немає і сталих уявлень щодо механізму інактивації мікроорганізмів під дією тиску.
У розділі 2 описані матеріали і методи експериментального дослідження. Об'єктами, які зазнавали дію високого тиску, були зразки вишневого соку та яблучного пюре, а також вітамін С в буферних розчинах з рН від 4 до 6. Вимірювання проводилися у діапазоні тисків від 0 до 600МПа при температурах від 20 до 45С. Тривалість дії тиску становила від 5 до 20 хвилин і здійснювалась на експериментальній установці високого тиску в ДонДУЕТ. Мікробіологічний аналіз зразків, що оброблялись високим тиском, та визначення концентрації вітаміну С виконувалися за методиками, що відповідають ДСТУ.
У розділі 3 наведені результати спільної дії тиску, температури й часу обробки на кількість виявлених мікроорганізмів і концентрацію вітаміну С у вишневому соку та яблучному пюре, а також результати модельних експериментів над чистим вітаміном С у розчинах різної кислотності.
Подано результати досліджень впливу тиску на мікробіологічні показники (інактивацію МАФАМ і цвілі) і вміст вітаміну С у вишневому соку.
Показано (рис.1), що тиск біля 500МПа є граничним для інактивації мікроорганізмів і цвілі. У той же час спад концентрації вітаміну С є незначним, (з ростом тиску від 300 до 500МПа він становить ~10% при t=10хв, T=25C й ~50% при t=20хв, T=45C).
Підвищення температури так само, як і збільшення тривалості дії тиску та температури приводить до суттєвого зменшення числа мікроорганізмів в інтервалі тисків від 300 до 500МПа. Зменшення концентрації вітаміну С при цьому однакові для зазначених тисків.
У роботі досліджено вплив високого тиску на зміст МАФАМ у яблучному пюре (Рис. 3), вивчено кількісний й якісний склад мікрофлори.
В модельних експериментах з обробки надвисоким тиском розчинів вітаміну С при різних кислотностях встановлено (Рис. 2), що вплив високого тиску на розчини з більшим рН приводить до більшої деградації вітаміну С. До такого ж ефекту веде збільшення часу обробки тиском. В розчинах з більшим рН спостерігається уповільнення швидкості падіння концентрації з ростом тиску.
Отримані результати що до впливу тиску, температури й часу витримки на деякі компоненти харчових продуктів узгоджуються з даними інших авторів і можуть бути використані для побудови феноменологічної моделі процесу обробки високим тиском.
У розділі 4 розглянуто фізичні основи явища деградації біосистем під дією тиску. При порівнянні отриманих даних що до інактивації мікроорганізмів із відомими з літератури кривими денатурації білків під тиском виявлена кореляція між ступенем інактивації мікроорганізмів і ступенем денатурації білків, що свідчить на користь ключової ролі денатурації білків у механізмі інактивації мікроорганізмів.
Кінетику інактивації мікроорганізмів і денатурації білків під дією сталих підвищеної температури й тиску можна розглядати як незворотну хімічну реакцію першого порядку. Зміна концентрації мікроорганізмів, що вижили, і не денатурованих білків в залежності від часу C(t) описується рівнянням розпаду:
, (1)
рішенням якого є: (2)
де - імовірність переходу біомолекули або мікроорганізму в пошкоджену форму в одиницю часу. У відповідності до теорії активованого комплексу, розглядаючи вказаний перехід як одновимірний процес активаційного типу, маємо:
, (3)
де W - висота енергетичного бар'єру, що відокремлює нативний та денатурований стани. Висота вказаного енергетичного бар'єру дорівнює мінімальній роботі, яка затрачується при переході з нативного стану на вершину енергетичного бар'єру, тобто:
, (4)
де Р0 і Т0 - температура і тиск у барокамері, ДE, ДS, ДV - зміна енергії, ентропії та об'єму зразка.
При ДV<0 вільна енергія реакції зменшується з ростом тиску, що відповідає зрушенню хімічної рівноваги убік збільшення кінцевого продукту у повній відповідності із принципом Ле-Шательє. Таким чином, зовнішній тиск P впливає на рівноважне співвідношення концентрацій у нативному N і денатурованому D станах через доданок Р0ДV у термодинамічному потенціалі, а також впливає на швидкість денатурації через зміну активаційного бар'єра (U + Р0ДV, де U= ДE - Т0ДS).
Рішенням системи рівнянь (2)-(4) методом найменших квадратів винайдено набір {ln(A), U й ДV}, при якому теоретичні криві щонайкраще проходять через всі експериментальні крапки. Цінність цього рішення полягає в тому, що за допомогою всього лише трьох параметрів описана реакція системи на будь-яке сполучення зовнішніх впливів тиску P, температури T й тривалості їхньої дії t. Непрямим підтвердженням правильності отриманих параметрів є близькість за порядком величини U та ДV МАФАМ і цвілі до відомих значень для різних білків. Отримана зміна молярного об'єму ДV для невеликої молекули вітаміну С по модулю на порядок менша, ніж характерні значення цього параметру для мікроорганізмів або для білків.
На Рис. 1 представлено криві, що розраховані з використанням винайдених параметрів, в порівнянні з експериментальними даними. Теорія цілком задовільно описує експеримент, зокрема, криві передають правильний хід концентрації залежно від тиску як для вітаміну С, так і для МАФАМ і цвілі, а також правильно відображають тенденції зміни цих залежностей при зростанні температури й часу обробки. У рамках однієї й тієї ж формули утворюються як плавно спадаючі майже лінійні залежності для вітаміну С, так і східчасті криві для МАФАМ і цвілі.
Тим самим проведені розрахунки, з одного боку, підтверджують правильність обраної моделі, а з іншого - дають можливість планувати експеримент і вибирати оптимальні значення параметрів обробки для максимальної стерилізації продуктів при найкращій збереженості вітаміну С.
Досліджено вплив високого тиску на кількість мікроорганізмів групи МАФАМ у яблучному пюре, тобто знайдені значення параметрів ln(A·1сек)=13.2, U=13.4ккал/моль та ДV=-25.1мл/моль, які є близькими до значень відповідних величин, що отримані для вишневого соку. На Рис. 3 представлені експериментальні й теоретичні значення відносних чисел КУО МАФАМ (з двох серій дослідів T=30С, t=20хв і T=25С, t=10хв), отриманих для яблучного пюре, а також криві, що розраховані для вишневого соку у тих же умовах. Має місце цілком задовільна якісна згода теорії з експериментом. Крім того, в обох випадках наявне помітне зрушення убік менших тисків (приблизно на 150МПа) кривих для яблучного пюре порівняно з кривими для вишневого соку. Таке зрушення кривих убік менших тисків обумовлюється різними значеннями кислотності в яблучному пюре (pН=5.3) і у вишневому соку (pН=6.1). Як відомо, процеси денатурації білків й виживаність мікроорганізмів визначаються, насамперед, кислотністю середовища, швидкість інактивації мікроорганізмів тиском росте зі зниженням рН.
Для з'ясування, наскільки широким є клас об'єктів, для яких справедлива використана модель, та чи буде вона описувати відомі дані з інактивації мікроорганізмів, що отримані в роботах інших авторів, запропонований підхід було застосовано щодо даних з інактивації спор Bacillus subtilis і Bacillus stearothermophilus з робіт Urzica A.C., 2004 р. та Ardia A., 2004 р. Отримані таким чином значення термодинамічних параметрів наведені в Табл. 1. Для порівняння там же наведені знайдені нами параметри інактивації вегетативних форм мікроорганізмів.
Як видно, значення активаційного бар'єру U (Табл. 1) є близькими для всіх об'єктів. Крім того, ці значення потрапляють в інтервал від 10 до 20ккал/моль, характерний для активаційного бар'єру процесу денатурації різних білків. Отже, можна припустити що це є одна і та ж величина і що бар'єр інактивації U різних мікроорганізмів визначається процесом, що не пов'язаний з їхнім розміром, масою або формою.
Значення зміни питомого об'єму ДV для всіх об'єктів (Табл. 1) за порядком величини збігаються з характерними значеннями ДV для білків. Таким чином підтверджується припущення, що інактивація мікроорганізмів обумовлена деградацією білків. Величини ДV для різних вегетативних форм приблизно однакові. Теж саме маємо і для спор, при цьому ДV для спор помітно менше, ніж для вегетативних форм. Цей факт також підтверджує зв'язок інактивації мікроорганізмів з деградацією білків, оскільки в спорах упаковка білків є більш щільною і в них відсутні або є в мінімальній кількості порожнини, які заповнюються водою при розгортанні білка і дають вагомий внесок у зміну об'єму зразка.
Отримані в роботі експериментальні дані досить добре описуються в рамках кінетичної моделі першого порядку, одначе, в літературі часто зустрічаються дані зі значними відхиленнями від лінійності, які зазвичай описуються комбінацією двох реакцій першого порядку як двофазна кінетика з різними швидкостями інактивації. Зміна порядку реакції іноді спостерігається у межах одного виду бактерій і навіть у межах однієї серії дослідів, що зазвичай пояснюється існуванням невеликої частини популяції з підвищеним опором до впливу високого тиску, «багатофазністю» процесу інактивації або зміною порядку реакції. В дисертації показано, що цей ефект є пов'язаним з нерівномірним остиганням зразку, який нагрівається внаслідок стискання. При адіабатичному стисканні під тиском до 600МПа константа швидкості інактивації може збільшуватися для різних об'єктів від 2 до 5 разів у залежності від співвідношення W/kT.
Ви и т.д.................


Перейти к полному тексту работы



Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.