Вода в биоматериалах

В биологических материалах вода содержится в виде растворов и часть ее постоянно связана в структуре белков и полисахаридов (связанная влага), которая не подвергается замораживанию даже при очень низких температурах. Процесс кристаллизации свободной влаги характеризуется скоростью образования зародышей кристаллов и скоростью их роста. Зависимость скорости этих процессов от температуры объясняет ряд практических проблем замораживания.В процессе кристаллизации свободной влаги понижается точка замерзания и падает скорость замораживания, поэтому время, необходимое для кристаллизации воды, должно быть как можно меньшим, что обеспечивается быстрым отводом теплоты, выделяющейся при фазовом переходе. Классификация способов замораживания в зависимости от скорости кристаллизации в зоне максимального образования кристаллов приведена в табл. 5.
При медленном замораживании в воде, содержащейся в растворе биоматериала, образуются большие кристаллы и количество центров кристаллизации незначительно, что приводит к механическому разрушению живых клеток. Кристаллы льда вначале образуются в растворах с меньшим осмотическим давлением и более низкой температурой замерзания, т. е. в межклеточном пространстве. Затем при последующем снижении температуры происходит рост образовавшихся кристаллов за счет окружающей их воды как из межклеточного пространства, так и из самой клетки, из которой она диффундирует через полупроницаемую мембрану наружу, что приводит к концентрированию раствора, изменению величины рН, денатурированию белков. Это влечет за собой образование аномальных связей между молекулами и постепенное обезвоживание клеток, а в конечном счете их гибель вследствие нарушения биологического равновесия. В настоящее время рядом исследователей доказано, что большая часть потерь сока биоматериалов (продукты животного и растительного происхождения) происходит не вследствие механического разрушения клеток, а главным образом за счет диффузии клеточной влаги в межклеточное пространстве при медленном замораживании.
На практике, замораживая биоматериалы обычно стремятся к реализации процесса при максимальном количестве зародышей и минимальной скорости их роста, что обеспечивается высокими скоростями протекания процесса (быстрое замораживание).
Рассмотрим процесс быстрого замораживания биоматериала более подробно. Как только температура материала достигает 0°С, начинается процесс кристаллизации свободной влаги (зарождение кристаллов). Учитывая, что биоматериалы обычно содержат от 60 до 95% воды, этот процесс охватывает практически весь объем, и температура продукта стабилизируется, в течение некоторого времени находясь в пределах 0°С. В точке В кристаллы льда продолжают развиваться и через некоторое время охватывают практически 80—90% начального объема раствора (точка С), что соответствует почти полной кристаллизации свободной влаги.