Ziarniak (caryopsis) - suchy, twardy, jednonasienny owoc traw. Większą część ziarniaka stanowi nasienie, które jest wypełnione w większości przez bielmo, oraz niewielki zarodek. Nasienie pokryte jest okrywą owocowo-nasienną. Głównym materiałem zapasowym jest skrobia stanowiąca 50-70% całej masy ziarniaka. Ziarniaki mają skórzastą owocnię zrośniętą z łupiną nasienną. Ziarniaki występują np. u żyta, pszenicy, jęczmienia, owsa, ryżu i kukurydzy. W rolnictwie ziarniaki określa się zbiorczą nazwą ziarno.
Rozpuszczanie - proces fizykochemiczny polegający na takim zmieszaniu ciała stałego, gazu lub cieczy w innej cieczy lub gazie, że powstaje jednorodna, niemożliwa do rozdzielenia metodami mechanicznymi mieszanina. Mieszanina taka nazywana jest roztworem, zaś substancja, w której to się odbywa nazywana jest rozpuszczalnikiem. Proces rozpuszczania nie jest uważany za reakcję chemiczną, gdyż w wyniku interakcji między substancją rozpuszczaną a rozpuszczalnikiem nie powstają nowe, trwałe wiązania chemiczne. Niemniej rozpuszczaniu mogą towarzyszyć procesy rozpadania i tworzenia się nietrwałych wiązań wodorowych, generowanie jonów i struktur nadcząsteczkowych. Procesy te są nazywane solwolizą, solwatacją i dysocjacją elektrolityczną. Jednak główną siłą napędową procesów rozpuszczania są pozostałe, słabe oddziaływania międzycząsteczkowe między substancją rozpuszczaną i rozpuszczalnikiem oraz dążenie układu do osiągnięcia jak najwyższej entropii i jak najniższej energii wewnętrznej. Procesom rozpuszczania towarzyszą często efekty cieplne i niemal zawsze wzrost entropii układu. Czasami może się jednak zdarzyć, że w trakcie rozpuszczania dochodzi do samouporządkowania się układu i spadek jego entropii, musi to być jednak skompensowane przez wzrost entropii otoczenia. Ciepło rozpuszczania - czyli sumaryczny efekt cieplny procesu rozpuszczania zależy od bilansu energii zanikania oddziaływań występujących w wyjściowej substancji rozpuszczanej i powstawania nowych oddziaływań między substancją rozpuszczaną i rozpuszczalnikiem. W zależności od tego, który z tych procesów przeważa energetycznie w określonym układzie substancja rozpuszczana-rozpuszczalnik proces rozpuszczania może prowadzić do oziębienia (proces endoenergetyczny) lub ogrzania się (proces egzoenergetyczny) całego układu. Na przykład, gdy rozpuszcza się kryształ chlorku potasu w wodzie, w pierwszym etapie dochodzi do zrywania wiązań jonowych, między jonami chlorkowymi (Cl-) i potasowymi (K+), który wymaga wydatkowania energii cieplnej i prowadzi do wzrostu entropii całego układu. W drugim etapie "wyrwane" z kryształu jony są solwatowane, tzn. tworzy się otoczka cząsteczek wody dookoła obu jonów na skutek oddziaływań jon-trwały dipol, co jest procesem w wyniku którego energia się wyzwala, a entropia układu spada. W przypadku chlorku potasu przeważa zdecydowanie efekt cieplny pierwszego procesu, a zatem rozpuszczanie tej soli w wodzi powoduje oziębienie się całej mieszaniny, podczas gdy np. rozpuszczanie kwasu siarkowego jest związane z silnym efektem ogrzewania. Inne przykłady:
- Al2(SO4)3 w wodzie: -528 kJ/mol (układ się ogrzewa)
- Na2SO4 w wodzie: +78,6 kJ/mol (układ się oziębia).
Liofilizacja to suszenie sublimacyjne, stosowane do produktów termolabilnych (nieodpornych na ogrzewanie). Liofilizację w technologii żywności zastosowano po raz pierwszy w latach pięćdziesiątych XX wieku na zlecenie rządu Stanów Zjednoczonych zmierzającego do wyprodukowania lekkich wagowo racji żywności dla astronautów i wojska. Preparaty zliofilizowane, dzięki rozwiniętej (tzn. dużej) powierzchni, odznaczają się na ogół dobrą rozpuszczalnością, często też są silnie higroskopijne.
Zastosowanie
Liofilizację stosuje się w:
- laboratoriach chemicznych, biochemicznych i biologii molekularnej do zagęszczania i suszenia związków termolabilnych, takich jak białka, kwasy nukleinowe, pochodne nukleozydów i in.
- laboratoriach i zakładach farmaceutycznych do zagęszczania i suszenia substancji,
- technologii żywności do produkcji żywności liofilizowanej,
- biotechnologii przy produkcji białek enzymatycznych,
- archeologii i technologii drewna przy wyciąganiu drewna archeologicznego z wody,
- osuszaniu zalanych i zawilgoconych zbiorów bibliotecznych.
Prowadzenie liofilizacji
W procesie liofilizacji należy najpierw zamrozić suszony preparat. W laboratoriach do zamrażania preparatów stosuje się najczęściej ciekły azot, rzadziej mieszaniny chłodzące (np. suchy lód z etanolem). Zamrożony preparat wprowadza się do próżni (zwykle ciśnienie poniżej 10 Pa), która jest niezbędna do zapoczątkowania sublimacji rozpuszczalnika. Podczas liofilizacji sublimujące cząsteczki rozpuszczalnika potrzebują energii żeby przejść w stan gazowy. Pobieranie energii przez te cząsteczki powoduje obniżanie temperatury liofilizowanego preparatu, dzięki temu liofilizację można przeprowadzać długo, a preparat nie rozmarza. Do liofilizowanego preparatu należy dostarczać w sposób kontrolowany ciepło podtrzymujące sublimację. Jeśli masa liofilizowanego preparatu jest niewielka, często wystarcza ciepło samoistnie przekazywane przez ścianki naczyń. Podczas liofilizacji należy także usuwać (np. wymrażać) powstające opary rozpuszczalnika. Liofilizację przeprowadza się w liofilizatorach lub (przy pracy na skalę do kilku gramów preparatu) w kolbach okrągłodennych.
Liofilizator
Liofilizator jest urządzeniem służącym do prowadzenia procesu liofilizacji. Liofilizator jest zbudowany z pompy próżniowej, urządzenia usuwającego pary rozpuszczalnika (zwykle wymrażacz) oraz komór i naczyń, w których umieszcza się suszone preparaty. Do budowy liofilizatorów stosuje się najczęściej olejowe pompy próżniowe obniżające ciśnienie wewnątrz liofilizatora poniżej 10 Pa. Pompy próżniowe stosowane w liofilizatorach są zwykle wrażliwe na parę wodną i opary rozpuszczalników organicznych. Liofilizatory są zwykle wyposażone w zawory i złącza pozwalające przyłączać różnego rodzaju naczynia i komory, w których umieszcza się suszone preparaty. W laboratoriach liofilizację przeprowadza się najczęściej w kubkach wykonanych ze szkła boro-krzemianowego odpornych na nagłe zmiany temperatury np. podczas zamrażania preparatów. Liofilizatory laboratoryjne są produkowane w wersjach wolno stojących i stawianych na blacie. Produkowane modele różnią się przede wszystkim pojemnością wymrażacza (zwykle w zakresie od 1 do 20 litrów lodu) oraz temperaturą jego pracy. Najczęściej stosowane są wymrażacze pracujące w temperaturze -50 lub -85°C. Do liofilizacji próbek zawierających rozpuszczalniki o bardzo niskiej temperaturze wrzenia stosuje się wymrażacze o temperaturze -120°C.
