Основные реологические свойства крови при переработке крови убойных животных

УДК: 612.10.07

, 

Государственный университет имени Шакарима города Семей

071410, Республика Казахстан, ВКО, А.

Тел/, E-mail: *****@***ru

ОСНОВНЫЕ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРОВИ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ КРОВИ УБОЙНЫХ ЖИВОТНЫХ.

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена переработке крови убойных животных поскольку данная тема имеет актуальное значение в мясной промышленности. Изложены реологические свойства крови, причины неньютоновского поведения крови и теоретические аспекты реологии неоднородных жидкостей. 

В настоящее время одна из актуальных проблем в мясной промышленности - рациональное и эффективное использование вторичного сырья. Постоянно растущая потребность населения в продуктах питания, особенно белках животного происхождения, диктует необходимость поиска новых их источников и способов, позволяющих с наименьшими затратами использовать имеющиеся ресурсы белков. Актуальное значение имеет профилактика белкового дефицита пищевых рационов.

Обогащение белком  - одно из направлений при разработке новых видов мясных продуктов. Одно из достоинств продуктов обогащенных белком - благоприятное влияние на функцию желудочно-кишечного тракта. Белки животного происхождения являются натуральными продуктами, производство которых основано на термических и механических процессах. В настоящее время животные белки вырабатываются из различного сырья: свиной шкурки, свиной жилки, говяжьей жилки, плазмы свиной или говяжьей крови. Наиболее часто для выработки различных видов изделий применяют кровь КРС и свиней. Кровь животных кроме полноценных белков содержит ферменты, липиды, витамины, низкомолекулярные азотистые соединения, минеральные вещества.

Кровь на пищевые цели можно использовать в виде цельной крови, плазмы или сыворотки. Плазму крови перспективно использовать для создания функциональных напитков. Функциональные напитки приобретают все более широкую популярность. Их ежедневное употребление способствует поддержанию и укреплению здоровья. Конкурентоспособный рынок и динамика жизни диктуют производителям повышенные требования, предъявляемые покупателями к напиткам. Технология, принципы и методы переработки пищевого сырья должны быть ориентированы на продукты нового качества с высокими потребительскими свойствами.

Кровь может быть использована для получения медицинских препаратов, в том числе личебно-профилактического назначения. Увеличение объемов выработки мясных продуктов с использованием крови и продуктов ее переработки может способствовать внедрение безотходных технологий [1].

Реологические свойства крови

Реология — это область механики, которая изучает особенности течения и деформации реальных сплошных сред, одними из представителей которых являются неньютоновские жидкости со структурной вязкостью. Вязкость - в 4-5 раз больше вязкости воды, обусловлено эритроцитами, белками плазмы, минеральными элементами.

Гемореология изучает физико-химические свойства крови, которые определя­ют ее текучесть, т. е. способность к обратимой деформации под действием внешних сил. Общепринятой количественной мерой текучести крови является ее вязкость.

Реология неньютоновских жидкостей граничит с динамикой неоднородных жидкостей, под которым принимают многофазные и многокомпонентные среды. В такого рода средах, как, например, тонкие суспензии частиц, вообще трудно отличить неоднородную среду от неньютоновской жидкости. Существует мнение, что в некоторых случаях неньютоновские жидкости при переходе от ламинарного движения к турбулентному могут потерять свою первоначальную молекулярную микроструктуру и стать неньютоновскими, несущими примеси, т. е. неоднородными жидкостями.

Основной линией при описаний течения таких сред является приближенный подход, заключающийся в сохранении для смеси в целом реологического уравнения однородной, ньютоновской и неньютоновской среды, физические константы которые как-то а среднем учитывают особенности отдельных составляющих неоднородной смеси [2].

Причина «неньютоновского поведения» крови.

«Неньютоновское пове­дение» крови обусловлено ее грубодисперсным характером. С физико-хи­мической точки зрения кровь может быть представлена как жидкая среда (вода), в которой взвешена твердая, нерастворимая фаза (форменные элементы крови и высокомолекулярные вещества). Частицы дисперсной фазы достаточно крупны, чтобы противостоять броуновскому движению. Поэто­му общим свойством таких систем является их неравновесность. Компо­ненты дисперсной фазы постоянно стремятся к выделению и осаждению из дисперсной среды клеточных агрегатов.

Основные детерминанты вязкости крови. Вязкость крови подвержена влиянию многих факторов (табл. 1). Все они реализуют свое действие, меняя вязкость плазмы или реологические свойства форменных элементов крови.

Содержание эритроцитов. Эритроцит — основная клеточная популяция крови, активно участвующая в процессах физиологической агрегации. По этой причине изменения гематокрита (Ht) существенно отражаются на вязкости крови (рис. 2). Так, при возрастании Ht с 30 до 60 % относи­тельная вязкость крови увеличивается вдвое, а при возрастании Ht с 30 до 70 % — втрое. Гемодилюция, напротив, снижает вязкость крови.

Термин «реологическое поведение крови» (rheological behavior) является общепринятым, подчеркивает «неньютоновский» характер текучести крови.

Рис. 1. Взаимосвязь между DO2 и гематокритом

Таблица 1. Факторы, влияющие на вязкость крови

Повышают вязкость крови	Понижают вязкость крови
Замедление кровотока	Ускорение кровотока
Ацидоз	Алкалоз
Полицитемия	Анемия
Гиперкапния	Гипокапния
Гипотермия	Гипертермия
Гиперфибриногенемия	Гипопротеинемия
Гиперлипидемия
Гипоксия
Гипергликемия

Вязкость плазмы. Плазма в целом может быть отнесена к разряду «ньютоновских» жидкостей. Ее вязкость относительно стабильна в различных отделах кровеносной системы и в основном определяется концентрацией глобулинов. Среди последних основное значение имеет фибриноген. Известно, что удаление фибриногена снижает вязкость плазмы на 20 %, поэтому вязкость образующейся сыворотки приближается к вязкости воды.

Типичной неньютоновской жидкостью является кровь. Реология крови, или гемореология изучает механические закономерности и особенно изменения физколлоидных свойств крови в процессе циркуляции с различной скоростью и на различных участках сосудистого русла. Движение крови в организме определяется сократительной способностью сердца, функциональным состоянием кровеносного русла, свойствами самой крови. При сравнительно малых линейных скоростях течения частицы крови смещаются параллельно друг к другу и оси сосуда. В этом случае поток крови имеет слоистый характер, и такое течение называют ламинарным.

Если линейная скорость увеличивается и превышает определенную величину, различную для каждого сосуда, то ламинарное течение превращается в беспорядочное, вихревое, которое называется «турбулентным». Скорость движения крови, при котором ламинарное течение переходит в турбулентное, определяется с помощью числа Рейнольдса, которое для кровеносных сосудов составляет приближенно 1160. Данные о числах Рейнольдса свидетельствуют, что турбулентность возможна лишь в начале аорты и в местах ветвления крупных сосудов. Движение крови по большинству сосудов ламинарно. Кроме линейной и объемной скорости кровотока движение крови по сосуду характеризуется еще двумя важными параметрами, так называемым «напряжением сдвига» и «скоростью сдвига». Напряжение сдвига означает силу, действующую на единицу поверхности сосуда в направлении, тангенциальном к поверхности и измеряется в дин/см2, или в Паскалях. Скорость сдвига измеряется в обратных секундах (с-1) и означает величину градиента скорости движения между параллельно движущимися слоями жидкости на единицу расстояния между ними.

Вязкость крови определяется как отношение напряжения сдвига к скорости сдвига, и измеряется в мПас. Вязкость цельной крови зависит от скорости сдвига в диапазоне 0,1 — 120 с-1. При скорости сдвига >100 с-1 изменения вязкости не столь выражены, а после достижения скорости сдвига 200 c-1 вязкость крови практически не изменяется. Величину вязкости, измеренную при высокой скорости сдвига (более 120 — 200 с-1), называют асимптотической вязкостью. Принципиальными факторами, влияющими на вязкость крови, являются гематокрит, свойства плазмы, агрегация и деформируемость клеточных элементов. Учитывая подавляющее большинство эритроцитов по сравнению с лейкоцитами и тромбоцитами, вязкостные свойства крови определяются в основном красными клетками.

Главнейшим фактором, определяющим вязкость крови, является объемная концентрация эритроцитов (их содержание и средний объем), называемая гематокритом. Гематокрит, определяемый из пробы крови путем центрифугирования, составляет примерно 0,4 — 0,5 л/л. Плазма является ньютоновской жидкостью, ее вязкость зависит от температуры и определяется составом белков крови. Более всего на вязкость плазмы влияет фибриноген (вязкость плазмы на 20% выше вязкости сыворотки) и глобулины (особенно Y-глобулины). По мнению некоторых исследователей более важным фактором, ведущим к изменению вязкости плазмы, является не абсолютное количество белков, а их соотношения: альбумин/глобулины, альбумин/фибриноген. Вязкость крови увеличивается при ее агрегации, что определяет неньютоновское поведение цельной крови, это свойство обусловлено агрегационной способностью эритроцитов. Физиологическая агрегация эритроцитов — процесс обратимый. В здоровом организме непрерывно происходит динамический процесс «агрегация – дезагрегация», и дезагрегация доминирует над агрегацией.

Свойство эритроцитов образовывать агрегаты зависит от гемодинами-ческих, плазменных, электростатических, механических и др. факторов. В настоящее время имеется несколько теорий, объясняющих механизм агрегации эритроцитов. Наиболее известной на сегодняшний день является теория мостикового механизма, согласно которой на поверхности эритроцита адсорбируются мостики из фибриногена или других крупномолекулярных белков, в частности Y-глобулинов, которые при уменьшении сдвиговых сил способствуют агрегации эритроцитов. Чистая сила агрегации является разностью между силой в мостиках, силой электростатического отталкивания отрицательно заряженных эритроцитов и сдвиговой силой, вызывающей дезагрегацию. Механизм фиксации на эритроцитах отрицательно заряженных макромолекул: фибриногена, Y-глобулинов — пока не вполне понятен. Имеется точка зрения, что сцепление молекул происходит за счет слабых водородных связей и дисперсных сил Ван-дер-Ваальса.

Существует объяснение агрегации эритроцитов посредством истощения - отсутствия высокомолекулярных белков вблизи эритроцитов, в результате чего появляется «давление взаимодействия», сходное по природе с осмотическим давлением макромолекулярного раствора, что приводит к сближению суспендированных частиц. Кроме этого, существует теория, по которой агрегация эритроцитов вызвана собственно эритроцитарными факторами, которые приводят к уменьшению дзета-потенциала эритроцитов и изменению их формы и метаболизма. Таким образом, вследствие взаимосвязи между агрегационной способностью эритроцитов и вязкостью крови для оценки реологических свойств крови необходим комплексный анализ этих показателей. Одним из наиболее доступных и широко распространенных методов измерения агрегации эритроцитов является оценка скорости седиментации эритроцитов. Однако в своем традиционном варианте этот тест является малоинформативным, так как не учитывает реологические характеристики крови. [3]

Теоретические аспекты реологии неоднородных жидкостей

В реальной жидкости на ее движение оказывает влияние свойство жидкости – вязкость. Вязкость связана с возникновением трения между слоями жидкости.  Слои двигаются с разными скоростями и в результате молекулярного взаимодействия между соседними слоями возникает трение. Исаак Ньютон определил зависимость силы трения от градиента скорости и площади слоев. Ньютон рассматривал движение жидкости на участке плоского дна. 

На рисунке 1 показаны отдельные  слои,  которые  двигаются  с  разными  скоростями.

Рис.2. Движение слоев жидкости.

Слои выбраны произвольно, они отражают реальную картину движения вязкой жидкости. Тонкий слой, соприкасающийся с дном, неподвижен. По мере удаления от дна скорость слоев увеличивается (х4>х3>х2>х1). Слои воздействуют друг на друга – верхний слой – ускоряя, а нижний – замедляя соседние слои. Сила внутреннего трения пропорциональна площади слоев и увеличивается с ростом скорости. Ньютон вывел уравнение для силы внутреннего трения:

Fтр=  з (dн/dx)S                                 (1)

где з – коэффициент пропорциональности,  который  носит название коэффициента динамической вязкости. Измеряется  в Па*с или  Нс/м2. Здесь:  Па  (Паскаль) – единица  давления,  Н (Ньютон) – единица силы,  S – площадь слоев градиент скорости по оси х.  Градиент скорости характеризует изменение скорости по глубине жидкости (вдоль оси х). Градиент скорости характеризует быстроту изменения скорости в направлении, перпендикулярно движению (так как введение слоев условно).

Большинство жидкостей подчиняются закону Ньютона. Их коэффициент вязкости зависит от природы жидкости и температуры (вязкость падает с ростом температуры). Такие жидкости называют ньютоновскими.

У некоторых жидкостей коэффициент вязкости зависит так же от давления и градиента скорости. При их увеличении вязкость снижается, так как изменяется внутренняя структура молекул. Такие жидкости называются неньютоновскими.

Течение вязкой жидкости по трубам небольшого диаметра. 

Описывается экспериментальными результатами  французского  физика  Пуазейля. Объемная скорость движения (Q) – объем жидкости, протекающей через поперечное сечение трубы за 1сек.

Q =  рR4( P1– P2 ) / 8зL                         (2)

– Здесь :  R – радиус сосуда, P1– давление в начале трубы, P2 – давление в конце трубы, L – длина  трубы,  з – вязкость жидкости.
  Средняя линейная скорость жидкости равна:

нcp= Q/ рR2 =  R2 ( P1 –  P2 )  / 8 зL                          (3)

Французский теоретик  Гаген продолжил работу экспериментатора Пуазейла  и вывел формулу, описывающую распределение  скорости  движения жидкости в цилиндрическом сосуде. Эта формула определяет скорость течения жидкости в зависимости от расстояния  до центральной оси цилиндрического сосуда. Это расстояние Гаген обозначил буквой  r.  Формула, определяющая скорость  х (r),  имеет вид:

н( r ) =  ( R2 –  r2 ) ( P1 –  P2 ) / 4зL                         (4)

На рисунке  3  показано распределение скорости  движения
жидкости по цилиндрическому сосуду. График зависимости

н(r)  имеет вид параболы.  Максимальное значение скорости совпадает с центральной осью  сосуда,  минимальное жидкости по цилиндрическому сосуду значение скорости совпадает с внутренней поверхностью сосуда,  где движение скорости равно нулю.

Рис. 3. Распределение скорости  движения

Там, где скорость движения жидкости минимальная – максимальное статическое давление (у стенок трубы), а там где максимальная скорость – минимальное давление (в центре трубы). Это приводит к тому,  что при движении  неоднородной  жидкости,  она расслаивается.  К таким жидкостям относится кровь.  При её  движении по сосуду  в пристеночных слоях движется плазма крови,  обеднённая  форменными элементами, а по центру сосуда,  в плазме,  движется большая  часть  форменных  элементов.

Формулу Пуазейля для объемной скорости можно переписать, с учетом того,  что разность давлений в сосуде равна:

P1 –  P2 =  ДP  – падение давления в сосуде.                 (5)

Из формулы Пуазейля можно вывести, что падение давления в сосуде равно: ДP =  Rгем Q, где  R  –  сопротивление движению жидкости в сосуде. 

Rг =8зL/рR4 – при  движений жидкости                 (6)

сопротивление называется гидравлическим, а при движении крови по сосудам – гемодинамическим. Как видно из формулы  сопротивления, оно зависит прежде всего от изменения радиуса сосудов.

Из представленных материалов можно сделать заключение, что при правильном изучении реологических и других свойств крови она является ценным сырьем для переработки, которая содержит в себе белки, ферменты, липиды, витамины, низкомолекулярные азотистые соединения, минеральные вещества. И при переработке нужно учитывать физико-химические, реологические и другие свойства крови. 

ЛИТЕРАТУРА:

. Переработка крови убойных животных. – Москва.: 1988. – 46 с. Неньютоновские  жидкости.  - М.: 1964.  - 216с ., ., . Кровь убойных животных и ее переработка. Издание второе, дополненное и переработанное. – Москва.: 1971. – 35 с.