Лекция 4. Дифракция Френеля на простейших преградах

Диск

Круглое отверстие

Дифракция Френеля на простейших преградах

Различают два случая дифракции: дифракцию Френеля (дифракция в расходящихся лучах) и дифрак­цию Фраунгофера (дифракция в параллельных лучах). Рассмотрим несколько примеров дифракции Френеля от простей­ших преград.

Пусть волна от источ­ни­ка S ₀ встречает на пути не­прозрачный экран с круг­лым отверстием ВС. Диф­рак­ци­онный эффект в точке Р эк­рана зависит от числа зон Фре­неля, уклады­вающихся в отверстии:

1 зона: ;

2 зоны: ;

3 зоны: ;

m зон: , «+»- нечетное число m, «-» четное число m; (8)

При большом диаметре отверстия А_m << A ₁ и А = А ₁/2, т.е. амплитуда такая же, как и при открытом волновом фронте.

При размещении между источником S ₀ и экраном круглого непрозрачного диска CB закрывается одна или несколько первых зон Френеля. Если диск закроет m зон Френеля, то в точке Р амплитуда суммарной волны:

(9)

Таким образом, в случае круглого непрозрачного диска в цент­ре картины (точка Р) при любом (как четном, так и нечетном) m получается светлое пятно.

Если диск закрывает много зон Френеля, интен­сивность света в области геометрической тени практически всюду равна нулю и лишь вблизи границ наблюдается слабая интерференционная картина. В этом случае можно пренебречь явлением дифракции и пользоваться законом прямолинейного распространения света.

Микрофлора пищевых продуктов при холодильном хранении.

Микроорганизмы очень широко распространены в природе благодаря легкой приспосабливаемости к теплу, холоду, недостатку влаги, высокой стойкости (особенно спор) и способности к быстрому размножению.

Развитие микробиологических процессов в пищевых продуктах может привести к снижению пищевой ценности и резко ухудшить органолептические показатели пищевых продуктов; вызвать образование вредных для здоровья веществ.

Необходимыми условиями развития микроорганизмов являются:

Ø Наличие воды в доступной для них форме. Количественная потребность микроорганизмов в воде выражается в виде активности воды. К факторам, снижающим активность воды, относится превращение воды в лед

Ø Температура. По отношению к температуре все микроорганизмы делятся на 3 группы:

1. термофилы (выдерживают и развиваются даже при t=55-75ºC)

2. мезофиллы t=25-37 ºC

3. психофилы t=0-15ºC

Для холодильной технологии важное значение имеют свойства психофильных микроорганизмов. В пищевых продуктах некоторые из них способны активно размножаться при t=0-5ºC и охлаждение продукта до температуры, близкой к температуре хранения в этом случае не исключает возможности микробиологической порчи.

Ø Замораживание. Замораживание пищевых продуктов сопровождается понижением количества микроорганизмов и их активности.

Изобразим график зависимости количества клеток микроорганизмов от продолжительности воздействия низких температур.

В начальный период замораживания, когда в лед превращается основная часть воды, происходит резкое снижение числа клеток микроорганизмов (зона А)

Затем следует замедление разрушения микроорганизмов (зона В)

И, наконец, процесс стабилизируется и остаётся некоторое количество устойчивых клеток (зона С)

Гибель микроорганизмов при замораживании наиболее интенсивно происходит при t=-5 - -12ºC

Ряд дрожжей и плесневых грибов способны к процессам жизнедеятельности вплоть до t=-10…-12ºC

Плесень размножается прежде всего на тех участках поверхности продуктов, где затруднена циркуляция воздуха и нарушена целостность поверхности (мясо, резанные овощи и т.д.)

Возникают белые, серые, черные пятна. В толще накапливаются продукты обмена, появляется затхлый запах.

В замороженных ягодах при t˃-8ºC развиваются дрожжи и накапливается продукт их жизнедеятельности – спирт.

При температуре ниже -10…-12ºС исключается рост микроорганизмов и пищевые продукты не подвергаются микробиологической порче.

Но часть микроорганизмов находится в анабиотическом состоянии, а ферменты сохраняют активность. Поэтому, при размораживании продуктов опасность порчи сохраняется.

В целях увеличения продолжительности хранения пищевых продуктов в дополнение к холоду применяют различные вспомогательные средства:

Ø Влаго-газо непроницаемая упаковка

Ø Хранение в атмосфере инертных газов (азот, углекислый газ)

Ø Озонирование

Ø Ультрафиолетовое излучение

Ø Ионизирующее излучение

(Влияние этих факторов изучите самостоятельно)

Наблюдения показывают, что многие органические вещества и некоторые биологические объекты лучше сохраняются при быстром и сверхбыстром замораживании. Например, яичный желток утрачивает биологическую активность после замораживания до -6ºС, но не повреждается при замораживании в теплой ртути.

В ряде случаев и активность ферментов сохраняется в значительной степени при быстром и сверхбыстром замораживании.

В живых клетках при медленном понижении температуры могут возникать катаболические реакции, приводящие к образованию токсичных продуктов.

При быстром замораживании остается меньше времени для воздействия солевых растворов на структуру белка.

Объекты, требующие медленного понижения температуры относительно устойчивы к повышенным концентрациям электролитов, но очень чувствительны к температурному шоку.

Экспертиза показала: жизнедеятельность клеток и тканей при их глубоком охлаждении можно сохранить путем ступенчатого замораживания:

Ø Сначала медленно до -30ºС

Ø Затем быстро до более низких температур

3. Особенности состава пищевых продуктов как объектов холодильной технологии

Продукты пищевого назначения имеют сложный состав. Химические элементы, входящие в продукты питания, объединены в классы соединений.

Органические вещества: белки, углеводы, жиры, ферменты, витамины.

Неорганические вещества: вода, макро и микроэлементы.

Белки – являются наиболее сложной в пищевом отношении составной частью продуктов.

Белковая молекула построена из сотен и тысяч аминокислот, соединенных друг с другом посредством пептидных связей и образующих 4-х уровневую структуру белковой молекулы.

В воде белки образуют коллоидные растворы. В мышечной ткани они находятся в полужирном состоянии; в волосе в твердом.

Нарушение вторичной и третичной структуры белков приводит к его денатурации(т.е. к потере природных свойств) и коагуляции (слипанию).

Одними из факторов, вызывающих денатурацию белка являются: температура ниже замерзания температуры воды и солевой состав ткани изменяющийся при замораживании. Поэтому процессы холодильной технологии должны прогнозировать и учитывать.

Ферменты – это биологические катализаторы. Процессы, протекающие в пищевых продуктах за время их холодильной обработки и хранении, в значительной степени зависят от действия ферментов.

Скорость ферментативных реакций затормаживается при низких температурах, однако эти реакции не прекращаются полностью.

Фермент липаза не теряет активности и при температуре равной -35ºС. Ряд ферментов не разрушается при температуре =-79ºС.

Углеводы - они являются основным питательным веществом для микроорганизмов. Например, лактоза превращается в молочную кислоту.

Углеводы могут вступать в реакцию Майяра – меланоидиновую реакцию с белками, эта реакция вызывает потемнение продукта. Процесс зависит от температуры и времени. Углеводы понижают температуру замерзания растворов.

Липиды(жиры) -сложные органические соединения, в состав которых входят насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты. Это предопределяет их склонность к окислительной и гидролитической порче. Низкая температура замедляет процессы.

Для микроорганизмов липиды не очень благоприятная среда.

Витамины – важные для животных организмов биологически активные вещества.

С точки зрения хранения пищевых продуктов важно то, что они входят в состав некоторых ферментов и тем самым участвуют в биохимических реакциях. Витамин С и Е – выполняют антиокислительную функцию. Витамины легко разрушаются, поэтому критерием эффективности методов обработки является максимальное сохранение витаминов.

Минеральные вещества – содержание которых в животных и растительных тканях составляет более - 1 мг % - макроэлементами (Ca, P, K, Na, Mg, и др.)

Концентрация минеральных веществ в водном растворе является одной из составляющих, от которых зависит температура замерзания растворов. С увеличением минеральных веществ температура замерзания раствора понижается.

Встречаются еще и ультрамикроэлементы – их содержание составляет микрограммы в 100 граммах продукта (олово, свинец, ртуть)

Состояние и роль воды биологических объектов и пищевых продуктов

Содержание воды в пищевых продуктах колеблется в широких пределах: от 3-5% (сухое молоко) до 95% (плоды, овощи).

От содержания воды в пищевых продуктах зависят свойства и стойкость продукта при хранении.

Она является средой, в которой происходят физические и химические взаимодействия.

Вода непосредственно участвует в биохимических реакциях и диффузионных процессах, может создавать условия, которые способствуют развитию микроорганизмов. Она влияет на физическое состояние продукта.

Свойства воды в продуктах и биологических объектах отличаются от обычной природной воды. Для описания состояния воды введены понятия свободной и связанной воды.

Свободная вода: её молекулы образуют в продукте (биологическом объекте) структуру, близкую к структуре обычной воды.

Связанная вода характеризуется тем, что ее молекулы соединены с молекулами белков и других растворенных веществ, а также с ионами или другими заряженными частицами. Её пространственная структура деформирована.

Связанной воды больше:

А) в живых клетках больше, чем в мембранах

Б) в продуктах животного происхождения больше чем в растительных

По классификации П.А. Ребиндера формы связи воды с материалами делятся на 3 группы, в порядке убывания прочности, это:

Ø Химически связанная вода – находится в кристаллогидратах или связана в виде гидроксильных ионов.

Ø Физико-химически связанная вода:

Ø Адсорбционно связанная (находится на поверхности мицелл)

Ø Асмотически поглощенная (находится внутри структуры геля)

Ø Физико-механически связанная вода удерживается микро и макрокапиллярами (связь довольно не прочная)

Для характеристики состояния воды в пищевых продуктах и ее доступности для химических, физических процессов и биологических реакций используется понятие «активность воды».

Чем выше содержание воды (связанной воды), тем ниже показатель активности.

Ферментативные процессы в продуктах зависят от фракционного состава воды, а также от структуры льда.

Увеличение влаги в пищевых продуктах важно и с точки зрения теплофизических процессов холодильной обработки.

Вода имеет большую теплоемкость и для нее характерна высокая теплота фазового превращения при кристаллизации и испарении.

Влияние низких температур на клетки, ткани организма.

a) В области температур выше льдообразования

При быстром понижении температуры биологического объекта происходит нарушение обмена веществ, получившее название температурного шока. Динамическое равновесие биохимических реакций нарушается вследствие того, что степень снижения активности различных ферментов при понижении температуры неодинакова. И если дискоординация происходит резко то, как правило, происходит гибель биологического объекта.

b) В области температур, при которых происходит превращение воды в лед.

Главные повреждающие факторы в этой области – это процессы, связанные с кристаллообразованием.

1. миграция влаги и обезвоживание клеток

При медленном замораживании кристаллы льда сначала образуются в жидкости находящейся между клетками и пучками волокон тканей. Согласно законам осмоса это вызывает движение влаги из клеток в межклеточные пространства, т.е. происходит процесс обезвоживания клеток.

Затем процесс кристаллообразования распространяется на содержимое клеток.

При быстром замораживании кристаллизация происходит практически одновременно вне и внутри клеток.

2. механическое повреждение клеток

Образующиеся в межклеточном пространстве кристаллы льда сдавливают и повреждают клеточные структуры, особенно при медленном замораживании (чем медленнее замораживание, тем больше размеры кристаллов и существеннее механические повреждения)

3. повышение концентрации электролитов (растворение солей)

За счет миграции воды из клеток и превращения в лед части воды внутри клеток, количество незамерзшей влаги в клетке уменьшается, а концентрация солей увеличивается. Это вызывает денатурацию белков протоплазмы и клеточных оболочек.

К сохраняющим факторам биологических объектов относятся вещества, которые создают преграду между кристаллами льда и клеточной оболочкой.

4. Витрификация (стеклообразование)

Это глубокое переохлаждение жидкости. В результате этого процесса кристаллическая решётка не образуется. Это явление способствует сохранению жизнеспособности некоторых биологических объектов при их сверхбыстром замораживании.

Дата добавления: 2013-12-13