Procedury badawcze nieakredytowane

1. Stanowisko szerokopasmowej spektroskopii dielektrycznej
    Właściwości dielektryczne wszystkich materiałów występujących w przyrodzie zależne są od ich budowy cząsteczkowej, rozkładu ładunku elektrycznego na stałe wbudowanego w cząsteczki składowe lub indukowanego na ich powierzchni. Budowa cząsteczkowa materiałów determinuje ich właściwości fizyczne i chemiczne.

Rys. 1 Widok stanowiska badawczego


    Właściwości dielektryczne mieszanin różnych cząsteczek tworzących w sposób unikatowy określony materiał, powinny go jednoznacznie identyfikować, to znaczy będą  opisywały jego właściwości fizyczne i chemiczne. 
    Istotą zastosowania technik pomiarowych spektroskopii dielektrycznej w  agrofizyce jest wykorzystanie ich potencjału w szybkim i nieniszczącym określaniu jakości obiektów agrofizycznych poprzez poszukiwanie zależności między właściwościami fizycznymi i chemicznymi materiałów i produktów pochodzenia rolniczego i ich właściwościami dielektrycznymi.
    Zachowanie różnych materiałów w polu elektrycznym jest różne, ponieważ ich budowa cząsteczkowa jest również niejednorodna. Właściwości fizyczne i chemiczne materiałów określają ich jakość, która w przypadku produktów spożywczych przekłada się w wartość zdrowotną.
    Badania polegają na pomiarach właściwości elektrycznych materiałów w funkcji częstotliwości. Następnie zebrane dane pomiarowe służą do stworzenia modelu matematycznego materiału. W stworzonym programie symulacyjnym następuje przeanalizowanie odpowiedzi modelu na rożnego rodzaju wymuszenia. Uzyskanie z wyników symulacji częstotliwości rezonansowych przy badaniach wysokoczęstotliwościowych są identyfikowane jak poszczególne składniki materiału badanego.
Metoda jest rozwijana w kierunku opracowania szybkiego sposobu procentowej oceny ilości produktu w materiale badawczym jak również sprawdzenie stopnia zanieczyszczenia  produktu.
Powstają wzorce produktów o 100 % zawartości jednego składnika, będą one nadepnie porównywane z materiałami o zróżnicowanym składzie.

2. Stanowisko odziaływania PEF
    Odziaływanie  za pomocą PEF sprowadza się do poddawania impulsów  wysokiego napięcia na materiał umieszczony pomiędzy dwoma elektrodami. Istotą oddziaływań jest zastosowanie wysokiego napięcia przez bardzo krótki okres czasu wyrażany najczęściej dla pojedynczego impulsu w nano- i mikrosekundach.  
PEF mają nie tylko działanie bakterio i matkobójcze ale mogą służyć w różnych procesach  przemysłowych gdzie rozbicie błony komórki może mieć pozytywne znaczenie dla jakości i właściwości danego produktu.
Pulsacyjne pole elektryczne stanowi alternatywę dla wstępnych zabiegów obróbki żywności przed suszeniem (m.in. rozdrabniania i blanszowania) (Jayaraman i Das Gupta, 2006). Wspomaga dyfuzję wody (Wiktor i in., 2013) oraz pomaga skrócić czas suszenia produktów (Gachovska i in., 2008). W technologii chłodniczej PEF wykorzystywane jest m.in. do skrócenia czasu zamrażania produktów (Jalté i in., 2009). Wiktor i in. (2015) wykazali, że zastosowanie pulsacyjnego pola elektrycznego jako procesu wstępnego przed mrożeniem.
Pulsacyjne pole elektryczne ma również zastosowanie w procesie zimnej pasteryzacji. Sharma i in. (2014) wykorzystali PEF do inaktywacji mikroorganizmów w mleku.
PEF inaktywuje szkodliwe mikroorganizmy (elektroporacja nieodwracalna). Ułatwia przenikanie substancji, zwiększa wydajność ekstrakcji, skraca czas obróbki żywności, umożliwia zachowanie związków wrażliwych na działanie wysokich temperatur, zmniejsza koszty energii i niweluje negatywny wpływ na środowisko naturalne.
PEF służy do wspomagania procesu ekstrakcji za pomocą dyfuzji z wykorzystaniem wysokiej temperatury i rozpuszczalników. Ułatwia przenikalność cennych składników zawartych w tkankach roślinnych  w temperaturze otoczenia. Zapobiega degradacji termicznej ścian komórkowych, umożliwiając odzysk pektyn (Barba  i in., 2015). Zjawisko to wykorzystywane było m.in. do ekstrakcji cukru z buraków cukrowych. El-Belghiti i Vorobiev (2005) prowadzili badania z zastosowaniem PEF o natężeniu pola elektrycznego 670 V•cm-1 i w czasie 0,025 s do ługowania sacharozy z plastrów buraka cukrowego. Stwierdzono wówczas, że próby traktowane pulsacyjnym polem elektrycznym charakteryzowały się 93% odzyskiem substancji rozpuszczonych, natomiast próby niepoddane temu procesowi tylko 40%. Dzięki temu PEF może być wykorzystywany do wspomagania konwencjonalnych metod wykorzystywanych w przemyśle spożywczym. Technologia ta jest procesem efektywnym, przyjaznym środowisku oraz zmniejszającym zużycie energii, a tym samym powoduje obniżenie kosztów procesu (Barba i in., 2015). PEF jest również wykorzystywane w procesie odwadniania osmotycznego m.in. jabłek, marchwi, mango i papryki czerwonej (Amami i in., 2006) oraz w procesie suszenia.



Rys. 1 Widok stanowiska badawczego

Przedstawione stanowisko (rys. 1) sterowane komputerem pozwala na odziaływanie na produkty PEF Pulsacyjnym Polem elektrycznym w zakresie Od 1 kV do 30 kV/cm.

Zasada działania pulsacyjnego pola elektrycznego polega na indukowaniu krótkich impulsów elektrycznych o natężeniu najczęściej od 100 V•cm-1 nawet do 80 kV•cm-1, w określonym czasie. PEF o natężeniu pola elektrycznego powyżej 20 kV•cm-1 może stanowić alternatywę dla termicznych procesów obróbki żywności zapewniających jej trwałość mikrobiologiczną. Pod wpływem pulsacyjnego pola elektrycznego błona komórkowa organizmów ulega uszkodzeniu, przerwaniu lub permeabilizacji.
Sterowanie pozwala na zaprojektowanie prowadzeni badań  w szerokim zakresie czasu odżałowania na produkty od 5 s do kilkudziesięciu minut.
Celki pomiarowe mają pojemności 20 ml oraz 500 ml.
Stanowisko pozwala oddziaływać na produkty płynne i stałe.

3. Stanowisko oddziaływania stałym polem elektrycznym do napięcia  3 kV
Stanowisko służy do oddziaływania na substancje i produkty biologiczne stałym polem elektrycznym (Rys. 1).  Elektroporacja – EP (ang. electroporation) jest to proces fizyczny, który polega na poddaniu  komórek działaniu pola elektrycznego o dużym natężeniu. Skutkiem działania impulsu tego pola są chwilowe zmiany w błonie komórkowej, co skutkuje zwiększoną przepuszczalnością  błony komórkowej lub jej całkowita degradacją.



Rys. 1. Widok stanowiska badawczego

Stanowisko sterowane komputerowo pozwala uzyskać w komorze oddziaływania od 1 kV do 3 kV . Napisany w środowisku Labview program sterujący pozwala na zaprogramowanie stałego odziaływania pola jak również czasowe z dowolnie regulowanym czasem oddziaływania.

Przeprowadzane badania laboratoryjne na prezentowanym stanowisku w czasie trwania procesu maceracji-fermentacji wina potwierdziły że następuje otwarcie komórek biologicznych skóry winogron co pozwala na  wydobycia substancji smakowych oraz w przypadku czerwonych winogron szybko i starannie pigmentów.  
Takie odziaływanie pozwala  uzyskać wino o wystarczającym stężeniu związków fenolowych z umiarkowanym czasie maceracji. Mimo, że niektóre związki fenolowe czerwonego wina pochodzą z pestek winogron, to głównym ich źródłem  jest skórka winogron która zawiera dużą ilość różnych fenoli głównie antocyjany i poratyncjadanidy, zlokalizowane w wakuoli komórek.  Skład fenolowy wina zależy zarówno od winogron jaki i technologii produkcji wina , która może mieć wpływ na wydobycie fenoli i ich późniejsza stabilność w winie.
Przeprowadzane badania pokazują stosowanie stałego wysokiego napięcia  jest odpowiednią technologią poprawiająca uwalnianie wewnątrzkomórkowych związków przy niskim zużyciu energii.
Stanowisko może służyć do odziaływania na inne rodzaje substancji biologiczny i produktów spożywczych. Są potwierdzone badania które udowadniają że stałe pole elektryczne którego czas oddziaływania jest odpowiednio długi może służyć do utrwalania soków jednodniowych bez konieczności zastosowania pasteryzacji.

4. Stanowisko do stymulacji zróżnicowanym polem elektromagnetycznym substancji biologicznej

Oddziaływanie pola elektromagnetycznego na organizmy żywe stanowi przedmiot badań wielu autorów, co umożliwiają coraz lepsze środki techniczne i wysublimowane metody wymuszeń i rejestracji reakcji organizmu na te wymuszenia. Badania wskazują również na oddziaływanie pól elektromagnetycznych na rośliny, np. niektóre gatunki, które cały czas rosły w polu o częstotliwości 50 Hz posiadają większą zawartość suchej masy, powierzchnie asymilacyjną liści oraz bardzo dobrze rozbudowany system korzeniowy. Pozwala to roślinom na łatwiejszy dostęp do substancji odżywczych, wody z gleby i zwiększenie produktywności procesu fotosyntezy. Pole elektromagnetyczne ma wpływ również na transport związków organicznych – hormonów wzrostu (auksyn), obdarzonych ładunkiem elektrycznym oraz wpływa na substancje chemiczne w roślinach. Prawidłowa ekspozycja na pola elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości zmniejsza zachorowalność nasion, zabijając patogeny znajdujące się na powierzchni nasion, jednocześnie nie wpływając na zdolność kiełkowania. Jednakże pole o wysokiej częstotliwości może wywoływać również negatywne skutki w roślinach m.in. może przyspieszyć powstanie białka szoku termicznego [Rochalska M. 2009. Wpływ pól elektromagnetycznych na flore i faune. Medycyna pracy, 60(1), 43.].

Do zasilania układu zastosowano generator sygnałowy typu RC OSCILLATOR TYPE G502, który generuje sygnał sinusoidalny oraz prostokątny w zakresie częstotliwości od 10 Hz do 100 kHz i napięciu, wyjściowym regulowanym płynnie w zakresie 0 - 5 V AC (sk), Sygnał z generatora zasila wzmacniacz mocy pasma akustycznego typu M.2600 o mocy ok. 2000W. Obciążeniem wzmacniacza i właściwym układem ekspozycyjnym jest solenoid posiadający . trzy niezależne uzwojenia, które można dowolnie konfigurować uzyskując żądane parametry pola elektromagnetycznego (rys.1). Cewka wyposażona jest w cieczowy system chłodzenia uzwojeń, a całe stanowisko przedstawiono na rysunku 3. Dla częstotliwości 50 Hz do uzyskania indukcji 50 mT prąd płynący przez cewkę wynosi ok. 3,5 A przy napięciu 80 V, przy takich parametrach moc tracona w cewce wynosi ok. 250 W. Materiał poddawany stymulacji umieszczany jest w próbówce wewnątrz rdzenia cewki generującej pole magnetyczne (rys. 2). Umieszczenie stymulowanego materiału biologicznego w w osi symetrii solenoidu w probówce o średnicy nie większej niż ½ średnicy wewnętrznej cewki pozwala uzyskać jednorodne natężenia pola w całej objętości próbki z nierównomiernością poniżej 5. Czas ekspozycji materiału dobierany jest w zależności od scenariusza badań. Natężenie pola magnetycznego w przestrzeni ekspozycji kontrolowano miernikiem SMS z sondą hallotronową.

Rys. 1. Schemat funkcjonalny modyfikowanego układu ekspozycyjnego pola magnetycznego 10-100Hz

Rys 2 Widok układu do stymulacji polem magnetycznym małych częstotliwości substancji organicznych: 1. Wzmacniacz Akustyczny M.2600 OWNER”S MANUAL 2. Generator Prądu sinusoidalnego 3. Multimetr 4. Mierniki natężenia 5.Dławnik z systemem chłodzącym 6. Cewka 7. Miernik pola magnetycznego.

 

Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie
Uniwersytet Rolniczy w Krakowie
Wydział Inżynierii Produkcji i Energetyki
ul. Balicka 116 B
30-149
Kraków
12 662 46 10
12 662 46 12
wipie[a]urk.edu.pl
ESP:/URKRAKOW/wipie
© 2020 Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie
Projekt i wykonanie strony: Dział Informatyki UR