Исследование емкостных свойств коллагенсодержащей ткани при различных способах обработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ В АПК

УДК 637.07 DOI 10.24412/2311-6447-2024-4-240-249

Исследование емкостных свойств коллагенсодержащей ткани при различных способах обработки

Study of capacitive properties of collagen containing tissue under different processing methods

Старший преподаватель А.В. Залуцкий, доцент Т.И. Котова, доцент С. П. Поломошных

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, кафедра «Технологические машины и оборудование. Агроинженерия», тел. +7(924)017-68-23 aleksei-zaluckii@mail. ru

Senior lecturer A.V. Zalutsky, associate professor T.I. Kotova, associate professor S.P. Polomoshnykh

East Siberian state university of technology and management, department "Technological machines and equipment. Agricultural engineering", tel. +7(924)017-68-23 aleksei-zaluckii@mail. ru

Аннотация. Статья рассматривает один из подходов к разработке неразрушающего экспресс-метода оценки макроструктуры коллагенсодержащих тканей измерением электроемкости при различных способах обработки. Предлагается схема и метод измерения с применением иглообразных электродов. Полученные результаты предполагается использовать для дальнейших исследований коллагеновых структур в различных вариантах технологической обработки и их качественной оценки.

Abstract. The article considers one of the approaches to the development of a non-destructive express method for evaluating the macrostructure of collagen-containing tissues by measuring electrical capacity in various processing methods. A scheme and a measurement method using needle-shaped electrodes are proposed. The obtained results are expected to be used for further studies of collagen structures in various processing options and their qualitative assessment.

Ключевые слова: коллаген, макроструктура, электроемкость

Keywords: collagen, macrostructure, electrical capacity

Перспективным направлением определения качественных показателей проведения технологических процессов обработки сырья животного происхождения, диагностики состояния коллагенсодержащих тканей является разработка методов неразрушающего контроля.

Многие исследования качественных показателей коллагенсодержащих покровных тканей основываются на определении энергии связей. Поскольку механически структура коллагена дермы шкур относится к предварительно напряженным конструкциям, то при нагревании образца энергия нагревателя вначале расходуется на совершение работы расширения тела при напряжении поперечных связей, затем, после достижения температуры сваривания - на работу разрыва этих связей и сжатие образца. Дальнейшее повышение температуры исследуемого материала приводит снова к положительному удлинению образца, что объясняется переходом материала в вязкотекучее состояние. Предлагаемый метод термодеформации позволяет представить энергетическую картину существования связей в природных биополимерных веществах с тем, чтобы научно обоснованно разрабатывать технологический цикл их переработки [4, 6].

© А.В. Залуцкий, Т.И. Котова, С.П. Поломошных, 2024

Старение коллагенсодержащих структур под воздействием УФ-излучения определяют по оксипролину различными методами: по интенсивности флуоресценции продуктов распада, либо методами гель-хроматографии [5].

Весьма информативным методом оценки макроструктуры коллагеновых волокнистых материалов является оптическое микроскопическое исследование [7].

Перечисленные методы требуют специальной подготовки материала (например, окрашивание) с отбором образцов, что не всегда возможно. Данные исследования могут быть полезными при оценке состояния коллагенсодержащих тканей, например, фиброзного кольца в комплексе позвонок-диск-позвонок [8].

Цель работы - оценка степени разделения структурных элементов коллаген содержащей ткани по электроемкости.

В статье рассмотрен емкостной метод определения степени разделения структуры коллагенсодержащей ткани при различных видах технологической обработки типовым прибором для измерения электроемкости конденсаторов Capacitancemeter CM 860^+.

Метод исследования основан на измерении электроемкости материала путем внедрения иглообразных электродов в образец на различном расстоянии по двум направлениям, прибором для измерения электроемкости конденсаторов Capacitancemeter СМ 8601А+. Этоцифровой измеритель ёмкости с большим пределом измерения от 0.1рР до 20тР, частота измерения от 8 Гц до 800 Гц, с подстройкой нуля. Иглообразные электроды позволяют легко разместить измеряемую систему в нужном месте. Электроды иглообразной формы диаметром 0,6 мм изготовлены из стали У-10 и покрыты никелем. В качестве измерительного прибора использовался Capacitancemeter CM 860^+.

Объектом исследования являлись образцы коллагенсодержащей ткани кожного покрова крупного рогатого скота в различных процессах технологической обработки, влияющих на волокнистую структуру белка, например, обработка щелочными растворами гидроксида кальция, обработка растворами уксусной кислоты, солями меди, с целью определения зависимости электроемкости от степени разделения структуры коллагеновых волокон.

Обработка результатов измерений выполнялась стандартными методами математической статистики с использованием программы Ехе1.

Коллаген - основной белок соединительной ткани кожного покрова широко используется в различных отраслях промышленности, таких как пищевая, фармацевтическая, косметическая, кожевенно-меховая и др. Свойство данного белка образовывать волокнистые структуры определяет его высокие прочностные характеристики, способность к пропитке различными составами характеризует его как ценный источник пищевых волокон [10]. Неразрушающий контроль процессов обработки коллагенсодержащих белковых структур остается актуальным и открытым.

Наиболее распространенным методом разделения структуры коллагеновых волокон является определение температуры сваривания [1], что не всегда возможно, так как требуется отбор образца для анализа, имеет большой разброс по топографическим участкам и зависит от сил трения в шарнирах измерительной установки.

Более сложным методом определения степени разделения структуры коллагена является метод снятия термодеформационной кривой, который позволяет определить количественно энергию разрушенных связей при разделении структуры волокон коллагена [2]. В производственных условиях данные методы практически не используются.

Наиболее подходящим параметром для определения структуры коллагенсодер-жащих тканей является электрическая емкость, которая значительно зависит от площади поверхности пористого материала [10].

с = £о££, (1)

а

где С - электроемкость, [Ф]; £ - относительная диэлектрическая проницаемость среды; £0 - электрическая постоянная =8,85-10-12 Ф/м; S - площадь пластин, м2; d - расстояние между пластинами, м.

Для измерения емкости коллаген содержащего материала возможны следующие способы установки измерительных электродов (рис.1).

,_1_. I_I

Л

3 4

Рис. 1. Варианты схем измерения емкости коллагенсодержащих тканей:

1 - иглообразные электроды примыкают к наружной и внутренней стороне образца;

2 - иглообразные электроды пронизывают образец по всей толщине на определённом расстоянии друг от друга; 3 - электроды в виде контактных площадок примыкают к наружной и внутренней стороне образца; 4 - электрод в виде контактной площадки находится на лицевой поверхности, иглообразный электрод на внутренней стороне.

Наиболее оптимальными результатами с точки зрения измерений емкости показала схема 2, так как при измерении по данной схеме наиболее полно идет накопление заряда по всей толщине белка и нет необходимости регулировать усилие прижима электродов. Также возможно регулировать расстояние между электродами, добиваясь максимальной чувствительности.

Природный белок коллаген отличается неоднородностью структуры, что обусловлено особенностями функционирования того или иного топографического участка. Более плотные ткани отличаются разнообразием переплетения и толщиной волокон, ориентированных по прилагаемой нагрузке. В результате технологических обработок структура коллагеновых волокон меняется, становится более разделенной и пористой, либо наоборот обводняется и уплотняется. Контроль состояния и качественных изменений структуры коллагена, имеет важное значение для мониторинга процессов обработки и переработки.

Исследование электрической емкости нативных образцов коллагенсодержащей ткани солевого способа консервирования представлен в таблице 1.

Таблица 1

Электрическая емкость нативных образцов коллаген содержащей ткани солевого __способа консервирования__

Расстояние межу электродами, мм Влажность, % Толщина образца, мм Ориентация расположения электродов Электрическая емкость, мкФ

Вдоль волокон Поперёк волокон

10 55 3,5 + 1,0±0,1

20 + 1,7±0,1

30 + 3,7±0,2

50 + 6,0±0,2

100 + 6,65±1,25

10 + 0,96±0,1

20 + 1,6±0,2

30 + 3,3±0,3

50 + 5,5±0,4

100 + 6,54±1,25

Из данных таблицы видно, что параметры электроемкости имеют близкие значения как в продольном, так и в поперечном направлении. Кривые изменения электроемкости представлены на рисунках 2 и 3. Наиболее оптимальным расстоянием между электродами является 30, 50 мм.

©

о з

у = -0,00 х2 + 0,1765х - 1,0461

X«

20

40

60

80

100

120

Расстояние между электродами, мм

Рис. 2. Электроемкость нашивной коллагенсодержащей ткани солевого способа консервирования в продольном направлении

8

©

Н 7 2

Л с

Н 6

о §

с

в-

М 4 <и

Л

У = -0,00 12х2 + 0,2027 1,2852

/ (

60 80 100 120 Расстояние между электродами, мм

Рис. 3. Электроемкость нашивной коллагенсодержащей ткани солевого способа консервирования в поперечном направлении

Из таблицы 1 и рисунков 2 и 3 видно, что нативный коллаген имеет практически равные значения электрической емкости как в продольном, так и в поперечном направлении. Следовательно, разделение структуры волокон в нативном коллагене по направлениям равномерное, несмотря на то что для исследования были выбраны наиболее плотные образцы воротковой части шкуры КРС.

Далее образцы коллаген содержащей ткани помещались в насыщенный раствор гидроксида кальция при температуре 25С на 24 часа. После образцам давали стечь на наклонной инертной поверхности в течение 30 минут, после чего были произведены измерения электроемкости по рис.1 схема 2. Результаты измерения образцов представлены на рисунках 4 и 5.

©

и 2

1,2

Н 1

<и

о, 0,8

В £

0,6

0,4

0,2

•

у - 7Е-05х2 0,0118х + 1 0868

0 20 40 60 80 100 120

Расстояние между электродами, мм

Рис. 4. Электроемкость коллагенсодержащей ткани после обработки в щелочном растворе в продольном направлении

1,2

©

а 3

Й 1

и

а

8 0,8

Й 0,6

0,4

0,2

•

У = ЗЕ-05х2 - 0,0] 29х +1,0437

80 100 120 Расстояние между электродами, мм

Рис. 5. Электроемкость коллагенсодержащей ткани после обработки в щелочном растворе в поперечном направлении

Как известно, щелочная обработка способствует обводнению белка, что способствует увеличению толщины коллагенсодержащей ткани и сокращению межволоконного пространства. Это отражается на изменении электроёмкости, которая уменьшается до 1,0-0,6 мкФ по сравнению с нативным белком (6,5-7,0 мкФ), что подтверждается как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Данный факт вполне согласуется с теоретическими положениями, снижение пористости белковой структуры уменьшает площадь накопления заряда, вследствие чего значение электроемкости понижается (формула 1).

После щелочной обработки образцы были промыты в течении двух часов в воде и помещены в раствор, содержащий 50 г/л поваренной соли и 15 г/л уксусной кислоты. После 24 часов обработки при температуре 25С произведены замеры электроемкости образцов коллаген содержащей ткани. Результаты представлены на рисунках 6 и 7.

си 5

с |

о»

у = -0,0004х2 +- 0,0544х + 4 1386

80 100 120 Расстояние между электродами, мм

Рис. 6. Электроемкость коллагенсодержащей ткани после однократной обработки в 70% растворе уксусной кислоты в продольном направлении (ломаная кривая - данные эксперимента)

©

к

В <и

й 5

£ 4 Л

-¿О 6,2

' 4,6

у =-0,0 Юбх2 + 0,076 1х + 4,3705

0 20 40 60 80 100 120

Расстояние между электродами, мм

Рис. 7. Электроемкость коллагенсодержащей ткани после однократной обработки в 70% растворе уксусной кислоты в поперечном направлении (ломаная кривая - данные эксперимента)

Далее производилась повторная обработка раствором кислоты. Результаты измерений электроемкости при двухкратной обработке кислым раствором представлены на рисунках 8 и 9. Из рисунков видно, что между первой и второй обработкой кислым раствором происходит двухкратное повышение электроемкости, что свидетельствует о разделении структуры, то есть увеличении площади поверхности накопления заряда. При двухкратной обработке кислым раствором происходит увеличение электроемкости в поперечном направлении до 8 -10 мкФ.

Трехкратная обработка в кислом растворе показала снижение электроемкости в продольном направлении до 3-4 мкФ и увеличение в поперечном рисунки 10 и 11. Данный факт свидетельствует о значительных структурных изменениях коллагена, которые могут быть положены в основу контроля качественных показателей.

• У = О.ОООЗх* + 0, 0441х + 8,69. 6

80 100 120 Расстояние между электродами, мм

Рис. 8. Электроемкость коллагенсодержащей ткани после двукратной обработки в 70% растворе уксусной кислоты в продольном направлении

е

я

£

& 8

£ й

> 0,0003х2 + 0, )452х +8,321 7

80 100 120 Рассстояние между электродами, мм

Рис. 9. Электроемкость коллагенсодержащей ткани после двукратной обработки в 70% растворе уксусной кислоты в поперечном направлении

•

у = -0, ЗООЗх2 + 0,№ 38х + 2,4732

О 20 40 60 80 100 120

Расстояние между электродами, мм

Рис. 10. Электроемкость коллагенсодержащей ткани после трёхкратной обработки в 70% растворе уксусной кислоты в продольном направлении

о р.

н

♦

«

у = -0,0 009х2 +0,123 9х+5,9053

О 20 40 60 80 100 120

Расстояние между электродами, мм

Рис. 11. Электроемкость коллагенсодержащей ткани после трехкратной обработки в 70% растворе уксусной кислоты в поперечном направлении

В продолжении эксперимента полученную структуру фиксировали с помощью обработки в 5%-ном растворе сульфата меди (С^0^5Нз0). Известно, соли меди образуют с коллагеном достаточно прочные связи при рН=2,2-2,4, увеличивая его пористость [9]. Данные обработки и измерения электроемкости представлены на рисунках 12 и 13. При фиксации структуры коллагеновых волокон солями меди, происходит выравнивание по направлениям и возрастание показателей электроемкости на 2-4 мкФ.

е

2

а £ 12 о

10

•

•

у = -0,000 2х2 + 0,0386 11,85

80 100 120 Расстояние между электродами,мм

Рис. 12. Электроемкость коллагенсодержащей ткани после обработки в 5% растворе сульфата меди в продольном направлении

©

14

g

о | 12

CU &

О

10

•

•

у = -0,0 )06х2 + 0,09: ¡7х+ 11,096

О 20 40 60 80 100 120

Расстояние между электродами, мм

Рис. 13. Электроемкость коллагенсодержащей ткани после обработки в 5% растворе сульфата меди в поперечном направлении

Предлагаемый метод контроля качества структуры коллагенсодержащих на-тивных тканей, позволит определять момент максимального разделения структуры без разрушения. Наиболее интересным явлением является повышение емкости в поперечном направлении и снижение в продольном при длительной обработке в кислой среде, что свидетельствует о более тонком разделении структуры белка (рис. 10, 11). Метод позволяет контролировать процесс разделения структуры любых участков на-тивных коллагенсодержащих тканей различной толщины, благодаря выбранной схеме измерения 2 (рис. 1), так как охватывает все слои по толщине.

Данные настоящей статьи отражают начальный этап исследований выбранного направления, в дальнейшем предполагается развить схему измерений, рассмотреть измерения на разных частотах, а также исследовать структуру консервированных образцов коллагенсодержащих тканей. Получены промежуточные результаты, позволяющие разработать и внедрить предлагаемый способ на промышленном уровне без значительных затрат.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р ИСО 3380-2013 Кожа. Физические и механические испытания. Методы определения температуры сваривания кожевой ткани при нагревании до ста градусов Цельсия. - 2012. - 8 с. - Текст: непосредственный.

2. Финкельштейн, А.В. Физика белка / А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын. - М.: КДУ, 2012. - 456 с. - Текст: непосредственный.

3. Ибрагимова, Н.А. Исследование параметров белковой структуры коллагена дермы овчины / Н.А. Ибрагимова. - Текст: непосредственный / /Евразийское научное объединение. - 2018. - 1-1(35). - С. - 31-34.

4. Барнаханова, К.Т. Исследование структуры коллагена / К.Т. Барнаханова, М.М. Усупов. - Текст: непосредственный // Приоритетные векторы развития промышленности и сельского хозяйства материалы IV международной научно-практической конференции: в 7 т. Том III. Макеевка, 2021. - С. 57-61.

5. Патент РФ 2425367 Способ определения структурных характеристик коллагена дермы / А.О. Титов, И.И. Титова, М.О. Титов, О.П. Титов. - ВСГУТУ. - 2011. -Текст: непосредственный.

6. Рахматуллина, Г.Р. Влияние плазменной обработки на физические, химические свойства и макроструктуру кожи из шкур КРС / Г.Р. Рахматуллина, И.Ш. Абдул-лин. - Текст: непосредственный // Вестник ВСГУТУ. - 2010. - №1. - С. 59-62.

7. Игнатьева, Н.Ю. Изменение структуры коллагена фиброзного кольца при термическом и ИК- лазерном воздействии / Н.Ю. Игнатьева, О.Л. Захаркина, Э.Н. Соболь и [и др.]. - Текст: непосредственный // Доклады Академии наук. -2007. - Т. 413. - № 6. - С. 845-847.

8. Садикова, Д.Б. Получение и состав комплексов сульфата меди (II) с коллагеном / Садикова Д.Б. [и др.] // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. - 2021. - 4(82). - Текст: электронный.

9. Югай, А.В. К вопросу о многофункциональном использовании коллагена, получаемого из кожи рыб / А.В. Югай, Т.М. Бойцова. - Текст: непосредственный // Фундаментальные исследования. - 2015. - № 2-4. - С. 704-707.

10. Грабовский, Р.И. Курс физики / Р.И. Грабовский. - 14-е изд., стер. -Санкт-Петербург: Лань, 2024. - 608 с. - Текст: непосредственный.

REFERENCES

1. GOST R ISO 3380-2013 Leather. Physical and mechanical tests. Methods for determining the welding temperature of leather fabric when heated to one hundred degrees Celsius. - 2012. - 8 p. - Text: direct.

2. Finkelstein, A.V. Protein physics / A.V. Finkelstein, O.B. Ptitsyn. - M.: KDU, 2012. - 456 p. - Text: direct.

3. Ibragimova, N.A. Study of the parameters of the protein structure of sheepskin dermis collagen / N.A. Ibragimova. - Text: direct // Eurasian Scientific Association. -2018. - 1-1 (35). - P. - 31-34.

4. Barnakhanova, K.T. Study of collagen structure / K.T. Barnakhanova, M.M. Usupov. - Text: direct // Priority vectors of development of industry and agriculture materials of the IV international scientific-practical conference: in 7 volumes. Volume III. Makeyevka, 2021. - P. 57-61.

5. Patent of the Russian Federation 2425367 Method for determining the structural characteristics of dermal collagen / A.O. Titov, I.I. Titova, M.O. Titov, O.P. Titov. -VSGUTU. - 2011. - Text: direct.

6. Rakhmatullina, G.R. Effect of plasma treatment on the physical, chemical properties and macrostructure of leather from cattle skins / G.R. Rakhmatullina, I.Sh. -Text: direct // Bulletin of VSGUTU. - 2010. - No. 1. - P. 59-62.

7. Ignatyeva, N.Yu. Changes in the structure of collagen of the fibrous ring under thermal and IR laser exposure / N.Yu. Ignatyeva, O.L. Zakharkina, E.N. Sobol and [et al.]. - Text: direct // Reports of the Academy of Sciences. - 2007. - Vol. 413. - No. 6. -Pp. 845-847.

8. Sadikova, D.B. Preparation and composition of copper (II) sulfate complexes with collagen / Sadikova D.B. [et al.] // Universum: chemistry and biology: electronic. scientific journal. - 2021. - 4 (82). - Text: electronic.

9. Yugay, A.V. On the issue of multifunctional use of collagen obtained from fish skin / A.V. Yugay, T.M. Boytsova. - Text: direct // Fundamental research. - 2015. -No. 2-4. - P. 704-707.

10. Grabovsky, R.I. Physics course / R.I. Grabovsky. - 14th ed., reprinted -St. Petersburg: Lan, 2024. - 608 p. - Text: direct.