Определение интенсивности дыхания растительной продукции в зависимости от содержания СО2 в окружающей ее газовой среде
УДК 581.145
Определение интенсивности дыхания растительной продукции в зависимости от содержания СО2 в окружающей ее газовой среде
С. В. МУРАШЕВ, Е. А. КОЛОМИЧЕВА s.murashev@mail.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий
191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
В данной работе предложен метод определения интенсивности выделения углекислого газа растительной продукцией в зависимости от содержания этого компонента в окружающей газовой среде. Данный метод основан на герметизации образцов растительной продукции в измерительной системе и регистрации изменения содержания углекислого газа в ее газовой среде с помощью ИК-спектроскопии.
Ключевые слова: дыхание, растительная продукция, ИК-спектроскопия, углекислый газ.
Determination of the respiration rate of plant products depending on the content of CO2 in the gas environment surrounding it
S. V. MURASHEV, E. A. KOLOMICHEVA
National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics Institute of Refrigeration and Biotechnologies 191002, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
In this work the method of determination of intensity of carbon dioxide allocation by vegetative production depending on the maintenance of this component in the surrounding gas environment is offered. This method is based on sealing of samples of vegetative production in measuring system and registration of change of the content of carbon dioxide in its gas environment by means of IR-spektroskopy.
Keywords: respiration, plant products, IR-spectroscopy, carbon dioxide.
Дыхание и особенности взаимодействия растительной продукции с окружающей газовой средой имеют первостепенное значение для ее хранения. Выделение СО2 при хранении растительной продукции сопровождается потерей питательных веществ и физиологическим тепловыделением, которое стимулирует испарение воды. Интенсивность выделения углекислого газа зависит от состава газовой среды, окружающей растительную продукцию. Увеличение концентрации СО2, в окружающей растительную продукцию газовой среде, по принципу отрицательной обратной связи вызывает подавление образования в процессе дыхания диоксида углерода. Одновременно с ростом концентрации СО2 в окружающей среде уменьшается содержание другого важнейшего газообразного участника процесса дыхания − кислорода.
Таким образом, учитывая ингибирующее действие СО2 на процесс дыхания возникает потребность в определении скорости выделения углекислого газа растительной продукцией в зависимости от содержания этого
компонента в окружающей газовой среде. В связи с этим целью данной работы является разработка метода определения интенсивности выделения СО2 растительным сырьем в зависимости от содержания СО2 в газовой среде, в которой оно хранится.
Условия взаимодействия растительной продукции с окружающей газовой средой и интенсивность дыхания зависят от особенностей ее хранения, так как именно особенности хранения определяют состав газовой фазы. Поэтому потребность в разработке нового метода определения интенсивности выделения углекислого газа, заключается еще и в том, что если измерение требует изменения состава газовой среды при перемещении растительного сырья из условий хранилища в среду измерительной системы, то неизбежно возникнут адаптационные процессы, влияющие на интенсивность дыхания.
Объекты и методы
Для определения скорости выделения СО2 в зависимости от концентрации этого компонента в газовой среде окружающей образцы растительной продукции осуществляется герметизация растительного материала в изолированном объеме, в котором предусмотрена возможность контроля за изменением содержания углекислого газа с помощью ИК-спектроскопии. Содержание СО2 может регистрироваться по полосам поглощения с различной интенсивностью. Это может быть полоса с очень сильной интенсивностью: 2349,3 см–1, или полосы с иной интенсивностью поглощения, например, 720,5 или 667,3 см–1.
Выбор полосы определяется интенсивностью поглощения способной обеспечить определение содержания СО2 в газовой среде формируемой растительным материалом. По калибровочному графику из оптической плотности, получаемой с помощью спектрофотометра, определяется концентрация СО2. Для построения калибровочного графика в герметичный объем без растительного материала поочередно вводятся газовые среды с различным содержанием СО2.
Зная объем герметизируемой измерительной системы и объем занимаемый в ней растительной продукцией (рассчитывается по массе и плотности растительной продукции) определяется масса СО2, выделяемая растительным материалом.
В данной работе получает дальнейшее развитие метод исследования интенсивности дыхания и взаимодействия растительного материала с окружающей газовой средой с помощью ИК-спектроскопии представленный в работе [1].
Результаты и их обсуждение
После герметизации растительной продукции в измерительной системе, содержащей исходную нормальную атмосферу, с помощью ИК-спектроскопии осуществляется контроль за содержанием СО2 и определяется изменение массы углекислого газа накапливающегося с момента герметизации в измерительной системе (рис. 1).
Рис. 1. Изменение массы СО2 в измерительной системе после герметизации растительного материала
Далее для зависимости изменения массы СО2 от времени в герметичной системе с растительным сырьем (рис. 1) необходимо найти функциональное выражение. Математическое выражение удобно получить в форме полинома. В результате получаем:
mСО2 = (1/М) (а + b t + c t2 + ...+ i tn)
(1)
где: mСО2 содержание углекислого газа в герметизированной газовой среде, окружающей растительное сырье, мг; t время, прошедшее с момента
герметизации, ч; М масса герметизированного растительного материала, кг; а,
b, c, i, коэффициенты полинома; n – степень полинома. Коэффициент (1/М) в выражении (1) необходим для приведения,
полученного выражения, к единице массы растительного материала. Степень полинома не должна быть слишком большой.
В герметичном объеме, исключающем газообмен с окружающей средой, интенсивность дыхания растительного материала равна скорости накопления СО2 в газовой среде этого объема. Она изменяется с течением времени по мере накопления СО2. Поскольку интенсивность дыхания имеет размерность скорости мгСО2/(кг ч), то для того чтобы получить выражение для изменения интенсивности дыхания растительного материала в изолированном объеме от времени необходимо продифференцировать уравнение (1). После дифференцирования полинома получаем выражение:
dmСО2/dt = (1/М) (b + 2 c t + ... + n i tn 1)
(2)
Подставив в (2) любое время ti (рис. 1) получаем значение интенсивности выделения СО2 для данного момента времени. Определив, таким образом,
значения интенсивности выделения СО2 через определенные промежутки времени и зная для этих же значений t концентрацию СО2 (определяется по калибровочной прямой) получаем зависимость интенсивности выделения СО2 от концентрации этого компонента в окружающей растительный материал газовой среде (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость интенсивности дыхания растительного сырья от концентрации СО2 в окружающей его газовой среде.
Зависимость интенсивности дыхания растительного сырья от концентрации СО2 в окружающей его газовой среде значительно упрощает процедуру определения интенсивности дыхания при изменении состава окружающей газовой среды. Особенности влияния содержания СО2 в газовой среде на интенсивность дыхания характеризуют адаптационные способности растительного сырья.
В момент герметизации растительного сырья газовая среда в измерительной системе по своему составу в точности соответствует окружающему атмосферному воздуху. Поэтому определив интенсивность дыхания в момент герметизации (рис.3), получим дыхание растительных организмов в среде атмосферного воздуха при условии свободного газообмена с окружающей средой. Для этого необходимо определить предел первой производной (2) при t 0:
lim (dm СО2/dt) = (1/М) lim (b + 2 c t + ... + n i tn 1) = (1/М) b (3) t0 t0 Из выражения (3) следует, что интенсивность выделения СО2 растительным материалом при свободном газообмене с окружающей атмосферой и условии, что выражение для изменения содержания СО2 имеет форму полинома, равна коэффициенту b, приведенному к единице массы
растительного материала. Результат, полученный в выражении (3), значительно упрощает порядок расчета, так как после аппроксимации из полинома необходимо взять только коэффициент b.
Интенсивность дыхания растительной продукции в условиях свободного газообмена с окружающей средой является ее индивидуальным свойством, и поэтому данный параметр следует использовать в качестве характеристики растительной продукции.
Рис. 3. Определение интенсивности дыхания в момент герметизации растительного сырья в измерительной системе, когда газовая среда в ней соответствует окружающему атмосферному воздуху.
Выводы
Показано, что использование ИК-спектроскопии в совокупности с применением метода герметизации растительного материала позволяют расширить возможности исследования взаимодействия растительной продукции с окружающей ее газовой средой и получить принципиально новые результаты. Зависимости интенсивности выделения СО2 от его содержания в газовой среде могут быть использованы для характеристики адаптационных способностей растительных организмов. Кроме того, они позволяют определять интенсивность дыхания в зависимости от концентрации СО2 в окружающей газовой среде Значения интенсивности выделения СО2 при свободном газообмене с окружающей атмосферой могут быть использованы в качестве характеристики растительных продуктов.
Список литературы
1. Мурашев С.В. Определение интенсивности дыхания растительной продукции с помощью ИК-спектроскопии // Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». – СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. – С.368-372.
Определение интенсивности дыхания растительной продукции в зависимости от содержания СО2 в окружающей ее газовой среде
С. В. МУРАШЕВ, Е. А. КОЛОМИЧЕВА s.murashev@mail.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий
191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
В данной работе предложен метод определения интенсивности выделения углекислого газа растительной продукцией в зависимости от содержания этого компонента в окружающей газовой среде. Данный метод основан на герметизации образцов растительной продукции в измерительной системе и регистрации изменения содержания углекислого газа в ее газовой среде с помощью ИК-спектроскопии.
Ключевые слова: дыхание, растительная продукция, ИК-спектроскопия, углекислый газ.
Determination of the respiration rate of plant products depending on the content of CO2 in the gas environment surrounding it
S. V. MURASHEV, E. A. KOLOMICHEVA
National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics Institute of Refrigeration and Biotechnologies 191002, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
In this work the method of determination of intensity of carbon dioxide allocation by vegetative production depending on the maintenance of this component in the surrounding gas environment is offered. This method is based on sealing of samples of vegetative production in measuring system and registration of change of the content of carbon dioxide in its gas environment by means of IR-spektroskopy.
Keywords: respiration, plant products, IR-spectroscopy, carbon dioxide.
Дыхание и особенности взаимодействия растительной продукции с окружающей газовой средой имеют первостепенное значение для ее хранения. Выделение СО2 при хранении растительной продукции сопровождается потерей питательных веществ и физиологическим тепловыделением, которое стимулирует испарение воды. Интенсивность выделения углекислого газа зависит от состава газовой среды, окружающей растительную продукцию. Увеличение концентрации СО2, в окружающей растительную продукцию газовой среде, по принципу отрицательной обратной связи вызывает подавление образования в процессе дыхания диоксида углерода. Одновременно с ростом концентрации СО2 в окружающей среде уменьшается содержание другого важнейшего газообразного участника процесса дыхания − кислорода.
Таким образом, учитывая ингибирующее действие СО2 на процесс дыхания возникает потребность в определении скорости выделения углекислого газа растительной продукцией в зависимости от содержания этого
компонента в окружающей газовой среде. В связи с этим целью данной работы является разработка метода определения интенсивности выделения СО2 растительным сырьем в зависимости от содержания СО2 в газовой среде, в которой оно хранится.
Условия взаимодействия растительной продукции с окружающей газовой средой и интенсивность дыхания зависят от особенностей ее хранения, так как именно особенности хранения определяют состав газовой фазы. Поэтому потребность в разработке нового метода определения интенсивности выделения углекислого газа, заключается еще и в том, что если измерение требует изменения состава газовой среды при перемещении растительного сырья из условий хранилища в среду измерительной системы, то неизбежно возникнут адаптационные процессы, влияющие на интенсивность дыхания.
Объекты и методы
Для определения скорости выделения СО2 в зависимости от концентрации этого компонента в газовой среде окружающей образцы растительной продукции осуществляется герметизация растительного материала в изолированном объеме, в котором предусмотрена возможность контроля за изменением содержания углекислого газа с помощью ИК-спектроскопии. Содержание СО2 может регистрироваться по полосам поглощения с различной интенсивностью. Это может быть полоса с очень сильной интенсивностью: 2349,3 см–1, или полосы с иной интенсивностью поглощения, например, 720,5 или 667,3 см–1.
Выбор полосы определяется интенсивностью поглощения способной обеспечить определение содержания СО2 в газовой среде формируемой растительным материалом. По калибровочному графику из оптической плотности, получаемой с помощью спектрофотометра, определяется концентрация СО2. Для построения калибровочного графика в герметичный объем без растительного материала поочередно вводятся газовые среды с различным содержанием СО2.
Зная объем герметизируемой измерительной системы и объем занимаемый в ней растительной продукцией (рассчитывается по массе и плотности растительной продукции) определяется масса СО2, выделяемая растительным материалом.
В данной работе получает дальнейшее развитие метод исследования интенсивности дыхания и взаимодействия растительного материала с окружающей газовой средой с помощью ИК-спектроскопии представленный в работе [1].
Результаты и их обсуждение
После герметизации растительной продукции в измерительной системе, содержащей исходную нормальную атмосферу, с помощью ИК-спектроскопии осуществляется контроль за содержанием СО2 и определяется изменение массы углекислого газа накапливающегося с момента герметизации в измерительной системе (рис. 1).
Рис. 1. Изменение массы СО2 в измерительной системе после герметизации растительного материала
Далее для зависимости изменения массы СО2 от времени в герметичной системе с растительным сырьем (рис. 1) необходимо найти функциональное выражение. Математическое выражение удобно получить в форме полинома. В результате получаем:
mСО2 = (1/М) (а + b t + c t2 + ...+ i tn)
(1)
где: mСО2 содержание углекислого газа в герметизированной газовой среде, окружающей растительное сырье, мг; t время, прошедшее с момента
герметизации, ч; М масса герметизированного растительного материала, кг; а,
b, c, i, коэффициенты полинома; n – степень полинома. Коэффициент (1/М) в выражении (1) необходим для приведения,
полученного выражения, к единице массы растительного материала. Степень полинома не должна быть слишком большой.
В герметичном объеме, исключающем газообмен с окружающей средой, интенсивность дыхания растительного материала равна скорости накопления СО2 в газовой среде этого объема. Она изменяется с течением времени по мере накопления СО2. Поскольку интенсивность дыхания имеет размерность скорости мгСО2/(кг ч), то для того чтобы получить выражение для изменения интенсивности дыхания растительного материала в изолированном объеме от времени необходимо продифференцировать уравнение (1). После дифференцирования полинома получаем выражение:
dmСО2/dt = (1/М) (b + 2 c t + ... + n i tn 1)
(2)
Подставив в (2) любое время ti (рис. 1) получаем значение интенсивности выделения СО2 для данного момента времени. Определив, таким образом,
значения интенсивности выделения СО2 через определенные промежутки времени и зная для этих же значений t концентрацию СО2 (определяется по калибровочной прямой) получаем зависимость интенсивности выделения СО2 от концентрации этого компонента в окружающей растительный материал газовой среде (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость интенсивности дыхания растительного сырья от концентрации СО2 в окружающей его газовой среде.
Зависимость интенсивности дыхания растительного сырья от концентрации СО2 в окружающей его газовой среде значительно упрощает процедуру определения интенсивности дыхания при изменении состава окружающей газовой среды. Особенности влияния содержания СО2 в газовой среде на интенсивность дыхания характеризуют адаптационные способности растительного сырья.
В момент герметизации растительного сырья газовая среда в измерительной системе по своему составу в точности соответствует окружающему атмосферному воздуху. Поэтому определив интенсивность дыхания в момент герметизации (рис.3), получим дыхание растительных организмов в среде атмосферного воздуха при условии свободного газообмена с окружающей средой. Для этого необходимо определить предел первой производной (2) при t 0:
lim (dm СО2/dt) = (1/М) lim (b + 2 c t + ... + n i tn 1) = (1/М) b (3) t0 t0 Из выражения (3) следует, что интенсивность выделения СО2 растительным материалом при свободном газообмене с окружающей атмосферой и условии, что выражение для изменения содержания СО2 имеет форму полинома, равна коэффициенту b, приведенному к единице массы
растительного материала. Результат, полученный в выражении (3), значительно упрощает порядок расчета, так как после аппроксимации из полинома необходимо взять только коэффициент b.
Интенсивность дыхания растительной продукции в условиях свободного газообмена с окружающей средой является ее индивидуальным свойством, и поэтому данный параметр следует использовать в качестве характеристики растительной продукции.
Рис. 3. Определение интенсивности дыхания в момент герметизации растительного сырья в измерительной системе, когда газовая среда в ней соответствует окружающему атмосферному воздуху.
Выводы
Показано, что использование ИК-спектроскопии в совокупности с применением метода герметизации растительного материала позволяют расширить возможности исследования взаимодействия растительной продукции с окружающей ее газовой средой и получить принципиально новые результаты. Зависимости интенсивности выделения СО2 от его содержания в газовой среде могут быть использованы для характеристики адаптационных способностей растительных организмов. Кроме того, они позволяют определять интенсивность дыхания в зависимости от концентрации СО2 в окружающей газовой среде Значения интенсивности выделения СО2 при свободном газообмене с окружающей атмосферой могут быть использованы в качестве характеристики растительных продуктов.
Список литературы
1. Мурашев С.В. Определение интенсивности дыхания растительной продукции с помощью ИК-спектроскопии // Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». – СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. – С.368-372.