Osnovy_vzaimodejstviya_ultrazvuka_s_biologicheskimi_obektami

•А.с. 918840. Способ определения формы ультразвуковою ноля при биологических исследованиях / В.Б. Акопян, А.С. Дубовой, 1981.

•Гаврилов Л.Р„ Хэпд Дж. Разработка и экспериментальное исследование внутриполостной фазированной антенной решетки для ультразвуковой хирургии простаты // Акустический журнал. 2000. № 2.

•Гавралов Л.Р.} Хэпд Дж. Двумерные фазированные решетки для применения в хирургии: перемещение одиночного фокуса // Акустический журнал. 2000. № 4.

•Гаврилов Л.Р, Хэпд Дж„ Юшина Й,Г. Двумерные фазированные решетки для применения в хирургии: сканирование несколькими фокусами // Акустический журнал. 2000. № 5.

•Гаврилов Л,Р„ Цирульников Е.М. Фокусированный ультразвук в физиологии и медицине.

Л.: Наука, 1980,

•Гладилин О.В., Догадов А.А. Фокусирующие излучатели ультразвука с электрически управляемой пространственно-временной структурой создаваемых полей // Акустический журнал. 2000. № 4.

•Дубров Э.Я. Рану лечит ультразвук // Компьютерные технологии в медицине. 1997. № 2,

•Цирульников Е.М., Гаврилов Л.Р., Дэвис И. О различных ощущениях кожной боли // Сенсорные системы. 2000.

•Николаев Г.А., Лощилов В.И. Ультразвуковая технология в хирургии. М.; Медицина, 1980.

•Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Пер. с англ.; Под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.

•Янсоп Х.А., Дзенис В.В., Татаринов A.M. Ультразвуковое исследование трубчатых костей / Рига: Зинатне, 1990.

5. УЛЬТРАЗВУК В БИОТЕХНОЛОГИИ

В основе всех ультразвуковых технологий лежат эффекты взаимодействия ультразвука со средой. Мощный ультразвук вызывает в жидких средах ряд специфических эффектов - кавитацию, интенсивные микро- и макропотоки, приводящие к быстрому и качественному перемешиванию компонентов среды, образованию стойких эмульсий, экстрагированию растворимых компонентов из находящихся в жидкости частиц, необходимо разрушению этих частиц.

Оборудование для ультразвуковых технологий условно подразделяется на две группы о зависимости от способа получения ультразвука. К первой относят оборудование, в котором используются относительно простые по конструкции жидкостные механические излучатели, позволяющие генерировать ультразвук достаточной для технологических целей мощности с частотами до 40 кГц.

Гидродинамические излучатели позволяют получать относительно недорогую ультразвуковую энергию и используются а тех случаях, когда не требуется монохроматичности и высокой интенсивности излучения.

В излучателях второго типа ультразвук возникает в результате превращения электрической энергии а механическую с помощью пьезоэлектрических или магнитострикционных преобразователей. Такие преобразователи дают, как правило, монохроматическое ультразвуковое излучение, что позволяет повышать их эффективность благодаря резонансным явлениям. Для увеличения интенсивности на высоких частотах используются ультразвуковые концентраторы, представляющие собой

предшествовали широкие исследования в области молекулярной ак устики, выявившие общие закономерности, связывающие состав и структуру биологических жидкостей и тканей с их акустическими параметрами. Внедрение акустических методов в ветеринарную санитарию и технологии переработки продуктов животноводства позволяет заменить многие субъективные оценки результатами объективного экспресс-анализа мяса, молока и мясомолочных продуктов.

Исследования показали, что акустические характеристики белков, липидов, минеральных веществ и воды в тканях аддитивны, иными словами, зависят лишь от содержания каждого из этих компонентов при неизменной концентрации остальных. Кроме того, зависимость акустических свойств белка, жира и минеральных веществ от их концентрации, а также температуры существенно различается, что и позволяет одновременно измерять содержание каждого компонента в среде с ложного состава.

В простейшем случае, например для раствора белка в воде, зависим ость между скоростью распространения ультразвука (и) и концентрацией белка ( ) выражается соотношением

где - скорость ультразвука в воде;

- коэффициент связи м ежду скоростью ультразвука и концентрацией белка.

Для смеси нескольких веществ - белков липидов, минеральных вещ еств уравнение примет вид:

где - концентра ции белка, липидов и минеральных вещест в;

- коэффициент ы пропорциональности. Аналогичное уравнение можно записать для затухания ультразвука в растворе смеси веществ:

Еще два уравнения, связы вающие концентрации белка, липидов и минеральных веществ в биологической жидкости, можно получить, измеряя скорости ульт развука и коэффициенты его затухания при двух различных температурах -

В этом случае при решении системы линейных уравнений измеряемые акустические параметры линейно зависят от концентрации в интервале от 0 до 5 %.

Аддитивность сохраняетс я при любых соотношениях белка, липидов и минеральных веществ, а коэффициенты в уравнениях легко определяются экспериментально. Используя приведенную выше систему уравнений, можно определить концен трацию основных компонентов биологических жидкостей.

Систему уравнений можн о упростить, если учитывать не абсолютные значения , а их изменения:

Решая уравнение относительно получаем

Специальные измерения при позволили определить значения коэффициентов:

Подставляя эти коэффиц иенты и результаты измерений в последнюю систему уравнений, можн о определить содержание белка, липидов и минеральных веществ в пробе.

Во избежание ошибок измерения следует проводить в разбавленных (не более 5 %) гомогенатах, а результат ы измерений умножать на коэффициент разбавления. Для приготовления гомогенатов предварительно измельченные кусочки мяса диспергируют, используя мощный низкочастотный ультразвук.

В некоторых случаях, например, при оценке качества молока, образец не требует предварительной подготовки, а измерения и расчеты можно существенно упростить, представив молоко в виде трехкомпонентной водной системы, содержащей белок, жир и сухие обезжиренные молочные остатки. Для подобных измерений на базе разработок Института биофизики РАН л Новосибирске создан удобный лабораторный прибор, позволяющий в течение нескольких минут в небольших (1 см3) образцах молока, мясного или колбасного фарша одновременно определить содержание жира, белка, минеральных веществ и воды.

5.2.2. Определение качества мяса в процессе его созревания

Определение качества мяса - одна из важнейших задач ветеринарно-санитарной экспертизы. Переход животноводства па промышленную основу и связанные с этим изменения условий содержания животных привели к появлению нестандартной продукции. Мясо одних животных отличается повышенной жесткостью, в мясе других не протекают процессы созревания.

Рутинные методы определения свежести мяса и степени его созревания либо весьма трудоемки и длительны, либо основаны на органолептике и, следовательно, необъективны.

Выгодно отличается от них ультразвуковой метод, позволяющий измерять сдвиговые характеристики, в частности сдвиговую вязкость биологических тканей.

Принцип действия ультразвуковых вискозиметров прост и основан на зависимости характера колебаний контактирующего со средой вибратора от ее вязкости.

Датчик' прибора для измерений вязкоупругих свойств тканей представляет собой стержень, торец которого совершает крутильные колебания (рис. 5.1). Контакт с исследуемой средой обусловливает дополнительные потери энергии колебаний, затрачиваемой на возбуждение в среде поверхностных волн. Такие потери энергии приводят к уменьшению амплитуды вынужденных колебаний вибратора или более быстрому затуханию его свободных колебаний. Изменяется и частота резонансных колебаний.

Потери энергии вибратора пропорциональны ( - плотность, а — коэффициент сдвиговой вязкости среды). Следовательно, ультразвуковой сдвиговый вискозиметр позволяет исследовать и контролировать кинетику процессов в среде (в частности, в биологических тканях), сопровождающихся изменениями одного из этих параметров.

Рис. 5.1. Датчик прибора для измерения вязкоупругих характерист ик мягких тканей, с помощью крутильных колебаний:

1 электрическое соединен ие датчика с измерительным устройством ; 2 - креплении стержня к корпусу; 3 - стержень из пьезоэлектрического материала, совершающий крутильные колебания; 4 - корпус датчика; 5- исследуемая ткань.

И если плотность тканей животных близка к плотности воды и меняется в весьма ограниченных пределах, то сдвиговая вязкость существенно изменяется при нарушении межклеточных контактов, при чрезмерной гидратации или дегидратации тканей.

Созревание мяса проходит в несколько стадий. Сразу же после убоя мышцы, лишенные управляющих сигналов, р асслабляются. Однако примерно через 3 ч мышечные волокна начинают сокращаться, вызывая развитие напряжения во всей системе мышц.

Сокращение мышц (трупное окоченение), обусловленное распадом АТФ, достигает максимального развития через 10... 12 ч после убоя. Трупное окоченение обычно проходит через 2...3 суток.

Скорость процесса завис ит от температуры, замедляясь по мере охлаждения мяса. При замораживании в мышеч ной ткани возникают кристаллы льда, расс екающие или сильно деформирующие мышечн ые волокна, а также нарушающие целостность клеточных мембран. При последующ ем размораживании из мяса выделяется сок, что приводи т к его частичной дегидратации. При хранении мяса в неподходящих условиях в нем могут возникнуть и развиться процессы гниения, сопровождающиеся изменением структуры мышечных волокон, ослаблением механической связи между ними и т. д. Консистенция мяса изменяется, и оно становиться мягким.

Рис. 5.2. Изменение вязко сти мяса при хранении

Все стадии процессов, протекающих в мясе при созревании или хранении, имеют четко выраженные морфологические особенности, а сами процессы сопровождаются характерными изменениями вязкоупругих свойств мышечной ткани (рис. 5.2).

Следует отметить, что непосредственно после убоя мясо различных животных одного вида может существенно отличаться по своим вязкоупругим харак теристикам. Однако эти различия постепенно уменьшаются по мере созревания мяса и становятся пренебрежимо малыми через 30,,.40 ч. Чем выше начальное значение вязкости, те м меньше изменения вязкости в процессе трудного окоченения (табл. 5.1).

Это становился попятны м, если учесть, что в момент убоя состоян ие животных и, следовательно, напряжение их мышц, скорость биохимических процессов и содержание АТФ в мышечной ткани могут быть разным, и очевидно, что эти различия становятся пренебрежимо малыми после распада АТФ и разрушения сократительных структур.

Таблица 5.1

Наибольшие и наименьшие значения вязкости мяса кроликов в разные периоды созревания

Мясо животных разных видов имеет разную начальную вязкость, которая зависит и от возраста животною, и от условий его содержания и кормления. Отл ичаются по вязкости и мышцы разных групп одн ого и того же животного.

Сравнение возможностей ультразвуковой вискозиметрии с рутинн ыми методами оценки качества мяса - но запаху, по прозрачности и аромату бульона, по п розрачности бульона после добавления в него CuS04 но изменению рН - показало, что сд виговая вискозиметрия, как сама по себе, так и в комплексе с известными методами, позволяет легко и быстро оценивать качество мяса при его созревании, хранении, переработке.

Другой акустический измерительный прибор, измеряющий поглощение поверхностных крутильных колебаний, дает возможность оценить качество мяса и желированных пищевых форм, проследить за процессом созревания мяса и формированием желеобразного состояния ряда продуктов по их вязкоупругим свойствам.

Изменение консистенции молочных продуктов - сметаны, йогуртов , кефира, а также сыров в процессе их приготовления и (или) хранения удобно отслеживать по поглощению и скорости распростране ния поверхностных волн. Прибор с точечными датчиками (рис. 5.3), не разрушающими поверхность исследуемого объекта, позволяет даже сквозь упаковку в течение нескольких секунд определить не только степе нь готовности различных сыров, йогуртов, сметаны и других продуктов сходной консистенции, по и наличие в их теле посторонних включений, в том числе областей, пораженных плесенью. Кроме того, он дает возможность определить степень заполнения упаковок из непрозрач- ных материалов, например жестяных банок.

Рис. 5.3. Точечные датчики с фиксированным расстоянием между п реобразователями для измерения поглощения и скорости распространения поверхностных волн:

1,6 - датчики; 2 демпфир ующая прокладка; 3 обойма держателя; 4 - электрический разъем; 5 основание датчика

Для измерения вязкости в пищевой промышленности удобны ультразвуковые вискозиметры, позволяющие непрерывно регистрировать ее изменения в технологических процессах. Эти и другие акустические приборы, предназначенные для измерения физико- химических свойств пищевых веществ и их композиций, а также состояния оборудования, например уровня заполнения бункеров, наличия механических дефектов и ответственных деталях технологических узлов, толидины органических и неорганических отложений на внутренних стенках рабочих емкостей и труб и т. д., широко применяются в пищевой промышленности.

5.3. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА

Использование ультразвука позволяет не только ускорить процесс очистки, но и получить высокую степень чистоты рабочих поверхностей, а также заменить ручной труд и исключить применение пожароопасных и токсичных растворителей. Процесс ультразвуковой очистки обусловлен рядом специфических явлений в жидкости, вызванных действием интенсивного ультразвука: кавитацией, энергичными микропотоками, акустическим давлением, звукоканиллярным эффектом. Качество очистки зависит от частоты колебаний, плотности акустической энергии и формы поля, свойств моющей жидкости и прочности связи загрязняющих веществ с очищаемой поверхностью. Ультразвук значительно повышает активность микроорганизмов, ток- сических для соединений, что позволяет на один-два порядка снизить концентрацию антибактериальных препаратов при санитарной обработке агрегатов машин но переработке пищевых продуктов. Ультразвуковая очистка осуществляется, как правило, в ваннах различной емкости с встроенными в дно излучателями. Эти ванны широко при- меняются для очистки оборотной стеклянной тары, труб, сменных узлов машин, а также хлебопекарных и прочих поддонов и емкостного оборудования, что стало возможным благодаря разработке новых мощных и экономичных погружных преобразователей.

Специальное ультразвуковое оборудование позволяет осуществлять мойку зерна перед помолом или проращиванием, в течение нескольких секунд избавиться от осадка, а также от «масок» и «сеток» на внутренней поверхности бутылок с шампанским, не меняя его потребительских качеств, провести санитарную очистку оборотной тары и поверхности яиц, предназначенных для использования без тепловой кулинарной обработки и т. д.

Ультразвуковая очистка поверхностей вовсе не всегда сопровождается их полной санацией - освобождением от патогенной и другой микрофлоры. Для решения этой задачи чаще используют комбинированное воздействие ультразвуком и наиболее подходящим для решения конкретной задачи веществом, обладающим бактерицидным действием, При комбинированной очистке концентрацию бактерицидного вещества в растворе можно существенно понизить, гак как ультразвук обладает способностью усиливать действие тех или иных препаратов на биологические системы. Однако в ряде случаев, в частности в пищевой индустрии, считается недопустимым использование моющих или бактерицидных веществ, даже следовые количества которых могут изменить объективные или органолептические показатели продукта.

Особый интерес представляет проблема очистки поверхности скорлупы куриных яиц, где нередко обнаруживаются клетки сальмонеллы, вызывающей тяжелое заболевание у людей. Наибольшей тщательности требует санация поверхности яиц, предназначенных для приготовления блюд, рецептура которых исключает тепловую кулинарную обработку.

Разработка и реализация способа обеззараживания поверхности скорлупы куриных яиц, предназначенных для использования в кулинарных целях, стали возможными благодаря

ультразвуковым эффектам, обеспечивающим смывание с поверхностей и разрушение суспендированных в жидкости живых клеток со скоростью тем большей, чем выше плотность ультразвуковой энергии в среде. Верхний предел по мощности ограничен не только современными техническими возможностями, по и прочностью скорлупы, а также необходимостью минимизировать влияние ультразвука на содержимое яйца: исключить его взбалтывание, денатурацию белка и разрушение биологически активных соединений, а также по возможности снизить вероятность фонофореза в яйцо загрязняющих или бактерицидных веществ сквозь неповрежденную скорлупу.

Для обеззараживания скорлупы яиц можно использовать стандартную ультразвуковую ванну (22 кГц), содержащую воду с растворенным в ней озоном. Слишком быстрое разрушение озона в ультразвуковом поле предотвращается легким подкислением воды в ванне соляной или уксусной кислотой. Плотность энергии ультразвука в среде составляет 5 • 104 Вт/м3. В процессе ультразвуковой обработки температура среды не должна повышаться более чем на З...4 °С.

Исследование эффективности обеззараживания, проведенное на двух наиболее стойких к внешним воздействиям штаммах сальмонелл тифимуреум и дублин, нанесенных на поверхность скорлупы в концентрациях, на два порядка превышающих значения, характерные для заражения в обычных условиях, показали высокую эффективность ультразвуковой очистки. Для обеззараживания кассету с яйцом предварительно помещают на 2 мин в подкисленный до рН 4 водный раствор озона (8,5 мг/л), а затем в течение последующих двух минут подвергают действию ультразвука.

Весьма перспективно применение новых ультразвуковых технологий для регенерации насыпных фильтрующих материалов, например кизельгура, используемого для осветления пива, песчаных фильтров на станциях очистки питьевой воды и пр,

5.4. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Некоторые процессы в биотехнологии - экстрагирование, суспендирование, фильтрование и даже приготовление смесей нередко требуют много времени для получения качественного продукта и могут быть интенсифицированы ультразвуком.

5.4.1. Эмульгирование

Ультразвуковое эмульгирование позволяет получать высокодисперсные, стойкие, практически однородные эмульсии без добавления эмульгаторов, стабилизаторов и других химических веществ.

Эмульгирование в поле ультразвука обусловлено кавитацией, условия возникновения и развития которой зависят от параметров ультразвука - мощности, частоты, формы поля, а также состояния среды - вязкости, температуры, природы и количества растворенных в жидкости газов, давления. Применение ультразвуковых реакторов с магнитострикционными или пьезокерамическими преобразователями позволяет получать практически монодисперсную эмульсию. Качество эмульсии, полученной в установках с гидродинамическими преобразователями, ниже, но их производительность в десятки раз выше эмульгаторов с электромеханическими преобразователями.