Выбросы капель при резке лука

результат - более тупые лезвия увеличивают скорость и количество выбрасываемых капель

Цзысюань Ву (Zixuan Wu), Алиреза Хушангинеджад (Alireza Hooshanginejad), Вэйлун Ван (Weilun Wang), Чунг-Юэнь Хуэй (Chung-Yuen Hui), Сонгхван Джунг (Sunghwan Jung), Корнелльский университет, США, Выбросы капель при резке лука, arXiv.org 09 May 2025.

Введение

Когда лук разрезают, ферментативная реакция превращает соединения серы в пропантиаля S-оксид при разрыве тканей лука. Когда пропантиаля S-оксид достигает человеческих глаз, химикат активирует цилиарные нервы в роговице и вызывает слезы. Помимо летучести таких химических веществ, истинным виновником, как предположили, могут быть крошечные парящие капли, образующиеся во время резки. Однако не было никакого механистического обзора выброса капель при резке лука, подкрепленного экспериментами и визуализациями.

Связывание жидкостей с упругостью в сложных мягких композитах показало богатую возникающую динамику. Это применимо также к фруктам и овощам. Образование микроструй из экзокарпиев цитрусовых зависит от механических свойств мягкой оболочки. Даже простой защитный слой приводит к изменению жесткости нюансов для фруктов. Поскольку биомиметические, мягкие материальные системы набирают популярность благодаря своей частой биосовместимости, адаптивности и сложной функциональности, понимание того, как мягкие композиты разрушаются и жидкие включения выходят из сложного мягкого композита под давлением, может облегчить инженерные разработки.

Помимо проблем снижения слезотечения и инженерных проблем, нарезка лука представляет собой распространенную практику, которая хорошо подходит для изучения того, как кухонные нарезки генерируют патогенные брызги и способствуют распространению пищевых заболеваний. Распыленные капли являются идеальными переносчиками вирусов и бактерий, и существует множество недавних инженерных разработок, направленных на сокращение патогенных брызг. Только в США ежегодно регистрируется 76 миллионов случаев пищевых заболеваний, наиболее заметными из которых являются пищевые отравления бактериальными агентами, такими как сальмонелла и кампилобактер. Считается, что ненадлежащая практика приготовления пищи, такая как недостаточная очистка разделочной доски и разбрызгивание капель, содержащих патогены, также играют важную роль. Имеют ли значение условия резки при обработке сырых продуктов, такие как скорость и острота лезвия, для появления таких инфицированных капель?

В этой работе мы решили вышеуказанные вопросы, используя экспериментальный подход для исследования комбинированной механики фрагментации жидкости и разрушения мягких тканей с высоким пространственным и временным разрешением для практики резки лука.

Методы

Подготовка образцов и характеристики

Стальные лезвия приобретены у Jsumo Co. и нарезаны по размерам 5 мм (ширина) на 200 мм (длина). Для заточки лезвий использовали абразивные пленки из оксида алюминия 3M с зернистостью 0,3–30 микрометра. Затем острота настраивалась, сначала удерживая лезвие вертикально и перемещая его поверх пленки горизонтально. Лезвие вращалось в соответствии с углом клина и полировалось, перемещая его вдоль поверхности клина. Острота лезвия охарактеризована с помощью сканирующей электронной микроскопии (Zeiss LEO 1550 FESEM) в Корнеллском центре материаловедения (CCMR). Лезвие было прикреплено к измерительному столику режущей кромкой, ориентированной к электронному лучу. Для каждого лезвия по всему образцу было сделано 7–10 измерений.

Лук всегда был свежим от местных поставщиков и экспериментировал в течение двух недель. Вид Allium cepa L. выбран из-за единообразия. Был удален самый верхний сухой слой (коричневая кожица), который обычно не используется в кулинарии. Затем луковицу разделили либо на 2 половины для обычных измерений PTV (велосиметрию отслеживания частиц), либо на 4 четверти для высокоскоростных экспериментов DIC (цифровую корреляцию изображений).

Для испытаний PIV на вариации скорости с 3 условиями мы провели 3 пространственно разделенных разреза на одной и той же половине луковицы, чтобы уменьшить вариации образцов. Для фиксации луковицы и закрытия предыдущих отверстий разреза использовалась клейкая лента, чтобы ограничить выброс жидкости в активную зону резки. Для вариаций остроты лезвий испытания проводились на разных луковицах, чтобы собрать усредненные результаты по образцам.

Оценка погрешности с yz проекцией

Угловое распределение выброса капель показывает, что 80% данных выброса попадают в пределы погрешности 20% для скорости Vd при использовании yz проекции. Это означает, что для более медленных капель ниже 8 м/с, которые могут иметь погрешности выше 30%, смещающие наихудший сценарий глубины резкости 1 мм при 8000 кадр/с, большая часть погрешности по-прежнему ограничена 20%. Эти результаты подтверждают использование yz проекции для характеристики статистических свойств ансамбля капель.

Анализ сегментации из выброса

Высокоскоростные видеозаписи подвергались сегментационному анализу для различения внешних структур (луковицы и лезвия), связок и капель. Классификация основывалась на геометрических характеристиках, таких как размер, округлость и эксцентриситет, а также на пространственных фильтрах. Для идентификации капель, выходящих из кадра, использовались дополнительные методы распознавания на основе границ, что позволяло точно измерять общее количество и объем капель.

Высокоскоростная цифровая корреляция изображений (DIC)

Высокоскоростная цифровая корреляция изображений проводилась с использованием следующих этапов: спекл-паттерн, высокоскоростная видеосъемка и анализ DIC. Для каждого испытания использовалась четверть части лука. Чтобы создать подходящий спекл-паттерн, экспонированное поперечное сечение покрывали черной аэрозольной краской (торговая марка Rust-Oleum), нанесенной с горизонтального расстояния 30–40 см, после чего следовало 30 минут сушки. Высокоскоростная съемка выполнялась с использованием камер серий Photron FASTCAM Nova и SA-Z, работающих с частотой кадров от 8000 до 20000 кадров в секунду. Полученные видео сегментированы на отдельные кадры и проанализированы с помощью Ncorr, открытой программы 2D DIC в MATLAB. В качестве опорного кадра был выбран последний кадр перед контактом лезвия с луковицей. Радиусы подмножества для корреляции установлены в диапазоне 10–15 пикселей, что соответствует приблизительно 200–400 микрометров в зависимости от разрешения, и были выбраны для соответствия масштабу клеток лука. Для расчета деформации был эмпирически выбран радиус деформации 7–15 пикселей, чтобы минимизировать ошибку, как рекомендовано в руководстве по программе. Полученные карты деформации были экспортированы для дальнейшего анализа и визуализации.

Обсуждение

Авторы исследовали механизм образования капель при резке лука в разных условиях, в первую очередь, при скорости резки и остроте лезвия. Используя наши специально разработанные методы визуализации и отслеживания частиц, мы выявили, что резка лука незаточенными лезвиями генерирует капли жидкости в ходе двухэтапного процесса: начальный выброс, вызванный внутренним давлением, с последующей более медленной фрагментацией связок в воздухе. Возникающие капли лука концентрируются в почти вертикальной плоскости, наклоненной примерно на 8 градусов от поверхности лезвия. Скорости выхода со временем уменьшаются, отражая возросшее сопротивление, с которым сталкивается жидкость, исходящая из более глубоких слоев лука. Как скорость резки лезвия Ub, так и ширина кончика лезвия rb эффективно увеличивают количество и среднюю энергию выбрасываемых капель.

Сосредоточившись на выбросе капель из первого слоя лука, который демонстрирует более высокие начальные скорости, разработали высокоскоростные процедуры DIC для извлечения временной эволюции карт поперечной деформации во время резки лука. Эти карты показывают образование локализованной зоны напряжения непосредственно под кончиком лезвия. Карты деформации также предполагают экранирующий эффект, создаваемый жестким эпидермисом лука, который позволяет более мягкому мезофиллу под ним накапливать избыточное напряжение перед разрывом. Этот эффект позволяет более тупым лезвиям вдавливаться глубже, вызывая большее давление перед разрывом. Масштабный анализ, основанный на этом механизме, хорошо объясняет наблюдение скорости капли на ранней стадии Vd, увеличивающейся с шириной кончика лезвия rb, следуя соотношению Vd,0 приблизительно rb^(nl/2m) с nl/2m=0,52 – 0,94.

Наконец, разработали упрощенную модель, представляющую композитный слой луковицы как нерастяжимую мембрану, поддерживаемую пружинным основанием. Численные решения с эмпирическими граничными условиями предсказывают силы разрушения через различные ширины лезвия rb, с результатами, хорошо согласующимися с независимо измеренными данными Instron. Мы также оценили общие стратегии снижения выброса капель с использованием более тупых лезвий с rb примерно 10–12 микрометров, а также методы PTV и профиля вдавливания, чтобы оценить влияние ориентации и температуры резки. Однако эти эффекты было трудно изолировать из-за существенных различий в образцах. Обе ориентации резки давали схожие скорости капель, нормализованные по средней скорости от полюса к полюсу как Vd=Vd/(Vd,P).

Медиана Vd от экваториальных разрезов была немного выше, чем от полюсов к полюсам. Критические профили вдавливания были почти идентичны. Предыдущие исследования показали, что индентирование растительных тканей вдоль продольного направления клеток (направление полюса в эпидермисе лука) требует меньшей энергии разрушения, чем в поперечных направлениях, что может объяснить незначительное увеличение скорости капель от экваториальных разрезов. Однако эта разница не была статистически значимой.

Распространено мнение, что охлаждение лука перед резкой снижает ферментативную активность и связанное с этим раздражение. Чтобы выяснить, изменяет ли охлаждение также механический отклик во время резки, охлаждали лук при 1C в течение 12 часов и сравнивали его разрезы с образцами при комнатной температуре. Аналогичным образом статистический анализ распределения скорости капель не показал существенной разницы между двумя условиями при p=0,4. Соответствующие профили разрушения были почти идентичны. Однако мы наблюдали заметно больший объем выброса капель из охлажденных образцов. Предыдущие исследования сообщали об увеличении эластичности и хрупкости растительных тканей при более низких температурах, что могло расширить область разрушения, даже несмотря на то, что критический порог эпидермального разрушения остался неизменным.

Известно, что пищевые патогены на кухнях распространяются через брызги капель во время мытья и прямого контакта с поверхностью. Исследование коммерческих кухонь показало, что 33–100% областей резки и мытья были загрязнены Campylobacter, распространенной причиной диареи. Текущая работа раскрывает альтернативный путь распространения бактериальных агентов через трещины при нарезке сырой пищи: внутри фрагментированных капель пищи. Это подтверждается предыдущей работой, показывающей, что уровни загрязнения снижаются с расстоянием от разделочных досок во время разделки курицы. Выброшенные капли могут вступать в прямой контакт с загрязненными лезвиями или переносить поверхностные патогены, когда они покидают поверхность пищи. В то время как более тяжелые капли с большими размерами следуют своим инерционным траекториям, более легкие капли легко взвешиваются и могут переноситься окружающими воздушными потоками, тем самым представляя потенциальный риск воздушной передачи.

Текущие результаты показывают важность заточки лезвий во время резки сырых продуктов, поскольку более острые лезвия уменьшают не только количество капель, но также их скорость и кинетическую энергию. Это особенно актуально для фруктов и овощей, которые могут переносить пищевые патогены, такие как сальмонелла, и обычно обладают жесткими эпидермальными слоями, допускающими чрезмерное внутреннее сжатие перед разрушением, как описано в этом исследовании.

Подводя итог, мотивируясь механикой, лежащей в основе индукции разрыва лука и выброса капель с патогенами во время резки, мы разработали индивидуальные экспериментальные процедуры PTV и DIC для визуализации, количественной оценки и связи образования капель с клеточным сжатием в луке. Эти наблюдения были подкреплены теоретическими моделями, которые точно фиксируют независимо измеренные силы разрушения. Наши результаты показывают, что более тупые лезвия увеличивают как скорость, так и количество выбрасываемых капель, что обеспечивает экспериментальное подтверждение широко распространенного мнения о том, что заточка ножей снижает разрывы, вызванные луком. Помимо комфорта, эта практика также играет важную роль в минимизации распространения патогенов, передающихся воздушно-капельным путем, на кухнях, особенно при резке овощей с жесткими внешними слоями, способными сохранять значительную упругую энергию до разрыва.

04.06.2025

Комментарий:

Шнобелевская премия 2018 образование

Японские гастрологи Акира Хориуки (Akira Horiuchi) и Йошико Накаяма (Yoshiko Nakayama) написали великолепную статью - Колоноскопия в сидячем положении: уроки, извлеченные из самоколоноскопии, с использованием колоноскопа малого калибра
подробнее

Шнобелевская премия 2002 - биология

Премию в области биологии получили британские ученые за работу «Правила поведения страусов по отношению к человеку в условиях фермерских хозяйств Великобритании». В работе обосновывается тот факт, что страусы становятся любвеобильными в присутствии людей
подробнее

Источник - пресса

Шнобель Процедура Пресса Анналы Архив Статьи Шнобелист