Влияние технологических факторов на структурно - механические свойства пищевых материалов

 

В процессе переработки молочные продукты подвергаются воздействию различных факторов: изменению температуры, влажности, давления, степени дисперсности и механической обработки, кислотности, химического состава и др. Влияние этих факторов весьма существенно. Обобщение в теоретическом плане сделано для описания изменения в зависимости от температуры и влажности (содержания сухих веществ) двух фундаментальных свойств: плотности и вязкости.

Плотность жидкообразных систем при изменении температуры можно вычислить с помощью коэффициента температурного расширения _t (в 1/К), который показывает, на какую величину от первоначальной изменится объем системы V (в м³) при изменении температуры t на 1 ⁰К:

 

_t = (1/V) (dV/dt), (1.47)

 

Если считать коэффициент температурного расширения величиной постоянной в определенном интервале температур, то приведенная зависимость преобразуется в следующие расчетные формулы:

 

β _t = или ρ_{t =} , (1.47,а)

 

где ρ_с – плотность при температуре t_c, кг/м³; ρ_t – плотность при более высокой температуре t, кг/м³.

Среднее значение коэффициента температурного расширения для многих вводно-белковых систем в интервале температур 40-95 ⁰С такое же, как и для воды: 56·10^-5 1/К.

Плотность жидкообразных белковых систем ρ_с (в кг/м³) (молоко, мясной бульон, кровь, соки и т.п.), содержащих большое количество воды, может быть вычислена по зависимости:

 

ρ_с = ρ_0t + ас,(1.47, б)

 

где ρ_с – плотность при фиксированной температуре t_c (в К) и концентрации с, кг сухого вещества на 1 кг продукта; ρ_0t – плотность при концентрации, равной нулю, той же температуре, кг/м³; а – эмпирический коэффициент, кг/м³.

Вязкость жидкообразных систем при изменении температуры описывают уравнением Френкеля-Эйринга, имеющим теоретическое обоснование:

 

η = А exp ,(1.48)

 

где А – постоянная, Па с; Е – энергия активации, кДж/(кмоль); Т – абсолютная температура жидкости, К, R – универсальная газовая постоянная, 8,32 кДж/(кмоль К).

Для неньютоновских степенных жидкостей уравнение (1-48) принимает вид, аналогичный (1.39, а), т.е.:

 

η_эф = А {exp[Е/(RT)]} (γ^*/γ₁^*)^-m,(1.48, а)

 

Уравнение Бачинского имеет некоторые теоретические обоснования, сделанные А.С. Предводителевым, М.Ф. Широковым и др. Уравнение связывает температурные изменения вязкости с изменением удельного объема:

 

η = ν/(υ – ω) или 1/η = υ/ν – ω/ν, (1.49)

 

где υ – удельный объем жидкости, υ = 1/ρ, м³/кг; ω и ν – предельный объем и модуль вязкости, зависящие от свойств жидкости, м³/кг и м²/с соответственно; предельный объем лежит в пределах между удельным объемом жидкости и твердого тела.

Хорошие результаты при обобщении экспериментальных данных дают простые эмпирические зависимости:

 

η = а₁t^-а2, или η = а₁ (t / t_ПР) , (1.50)

 

где а₁ и а₂ – эмпирические коэффициенты, в первом уравнении а₁ имеет размерность Па с К , во втором – Па с; коэффициент а₂ безразмерный; t – температура жидкости, К; t_ПР – температура приведения, К.

Температурно-инвариантные характеристики вязкости по предложению А.М. Маслова используют для некоторых пищевых продуктов:

 

(1.51)

где В , В – эффективная вязкость при единичном значении градиента скорости (см. уравнение 1.39, а) или ньютоновская вязкость, Па·с; Т, Т_ПР – абсолютная температура жидкости, К; ρ, ρ_ПР – плотность жидкости, кг/м³; а, б – эмпирические коэффициенты; а = 1, 975, б = 162 К; индекс «пр» означает, что вязкость и плотность отнесены к некоторой температуре приведения, которая подбирается эмпирически.

Для выполнения расчетов уравнение (1.51) можно представить в виде:

 

(1.51, а)

 

затем вычислить lg а_T, определить антилогарифм, т.е. найти а_Т, и далее – вязкость при заданной температуре.

Уравнение 1.51 в широком температурном диапозоне может не быть линейным, тогда для определения вязкости следует пользоваться графическими зависимостями или аппроксимировать отдельные участки кривой прямолинейными отрезками. Температурные изменения предельного напряжения сдвига иногда можно описать аналогичными зависимостями, а в малом диапозоне температур оказываются справедливы линейные уравнения.

Температурные зависимости других реологических характеристик иногда могут не иметь монотонного изменения и описываются для каждого продукта своими уравнениями.

Увеличение влажности (W, кг влаги на 1 кг продукта), или, что то же самое, уменьшение концентрации сухих веществ (с, кг сухих веществ на 1 кг продукта), приводит к монотонному уменьшению сдвиговых свойств, однако липкость при определенной влажности может иметь максимальное значение. Эти изменения могут быть описаны экспоненциальными, степенными или линейными зависимостями и др.

Существенный интерес представляют формулы Эйнштейна-Гатчека, имеющие теоретическое обоснование:

 

η = η_д.с (1+ 4,5υ_д.ф.), (1.52)

 

η = η _{д.с ,} (1.53)

 

где η_д.с – вязкость дисперсной среды, Па с; V_ф/V = υ_д.ф – объемная концентрация дисперсной фазы в системе, м³/м³; V_ф – объем дисперсной фазы, включая объем сольватных оболочек, м³; V – объем системы, м³.

Применимость формул для того или иного продукта определяется экспериментально; например, формула 1.52 хорошо описывает зависимость вязкости молока от количества дисперсной белково-жировой фазы.

Влияние влажности на другие структурно-механические свойства может быть неоднозначным.

Влияние на структурно-механические свойства различных технологических факторов, например продолжительности хранения, степени механической обработки и дисперсности, кислотности и рН, специфично для каждого продукта.

Контрольные вопросы:

1. Что такое реология?

2. Какие реологические методы используют в теоретических и экспериментальных исследованиях?

3. Что входит в задачу управляющей реологии?

4. Перечислите возможности реологии для решения практических инженерных задач.

5. От каких факторов зависят реологические свойства пищевого сырья и продуктов?

6. Назовите основные физико-механические и математические понятия широко используемые в реологии.

7. Что такое деформация?

8. Дайте классификацию пищевых дисперсных систем.

9. Что подразумевается под фазой дисперсной системы?

10. В каком состоянии могут находиться дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой?

11. Назовите основные отличительные признаки конденсационно-кристаллизационных структур от коагуляционно-кристаллизационных.

12. Особенность коагуляционных структур?

13. Какие показатели определяют структуру?

14. Дайте классификацию форм связи влаги по П.А. Ребиндеру.

15. Дайте обобщенную классификацию систем по величине механических свойств по Б.А. Николаеву?

16. Дайте классификацию биотехнологических сред по реологическим сдвиговым характеристикам, предложенную проф. В.Д. Косым и М.Ю. Меркуловым?

17. Назовите реологические модели простых «идеальных» тел.

18. Назовите реологические модели основных сложных реальных тел.

19. Из каких простейших элементов состоят механические модели?

20. Какие механические характеристики определяют упругие свойства пищевых продуктов?

21. Какие модели используют для описания механического поведения различных деформируемых и текучих систем?

22. Назовите линейные уравнения напряжений и деформаций, которые используют для описания деформационного поведения продуктов

23. Какие модели характеризуют процесс деформации более сложных реологических тел?

24. Что характеризует период релаксации?

25. Какие реологические уравнения нашли наибольшее применение и почему?

26. Дайте классификацию реальных тел по сдвиговым свойствам

27. Назовите группу систем с переменными во времени свойствами

28. Какое течение называют псевдопластичным?

29. Что такое тиксотропные, антитиксотропные и реопексные системы?

30. От каких факторов зависит внешнее трение пищевых продуктов?

2 ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

2.1 Структурно-механические характеристики пищевых
материалов, объективный показатель воздействия

 

Структурно-механические характеристики представляют собой фундаментальные физические свойства продуктов. Они проявляются при механическом воздействии на обрабатываемый продукт и характеризуют его сопротивляемость приложенным извне усилиям, обусловленную строением и структурой продукта. Эти характеристики используются для расчета процессов течения продуктов в рабочих органах машин с целью определения их механических параметров (геометрических, кинематических и динамических); они отражают существенные аспекты качества продуктов. Кроме того, структурно-механические характеристики учитываются при расчете различных физических процессах: гидромеханических, термических (кондуктивный, высокочастотный и другие виды нагрева, выпаривание и пр.) массообменных и т.д.

Соотношения между приложенными силами и возникающими под их действием деформациями, а также изменения деформации во времени важны для всех этих материалов, однако задача формулирования этих соотношений исключительно сложна.

Структурно-механические характеристики (СМХ) качественно и количественно определяют поведение продукта в условиях напряженного состояния и позволяют связать между собой напряжения, деформации или скорости деформаций в процессе приложения усилий. Они не являются «чистыми» константами материала и зависят от формы и размеров тела, скорости нагружения, состояния поверхности, воздействия окружающей среды, температуры, структуры и множества других факторов. При известных величинах характеристик можно вычислить значения напряжений и деформаций и в итоге получить необходимые параметры процесса или аппарата, выполнить прочностные и технологические расчеты. То есть, структурно-механические характеристики пищевых материалов выступают как объективный показатель какого-либо воздействия. Кроме того, свойство продукта как объективная реальность позволяет охарактеризовать его качество.

Основные структурно-механические свойства пищевых материалов. Структурно-механические свойства по виду приложения силы (нагрузки, напряжения) к продукту, разделяют на три связанные между собой группы: сдвиговые, компрессионные и поверхностные.

К основным сдвиговым реологическим свойствам материалов относятся -предельное напряжение сдвига , Па·с, эффективная вязкость , Па·с, пластическая вязкость , Па·с, период релаксации , с.

Они представляют группу свойств, которые наиболее полно отражают внутреннюю сущность материала (объекта) и поэтому их принято считать основными. С их помощью рассчитывают течение материалов в технологических трубопроводах, рабочих органах машин и аппаратов, определяют необходимые усилия для перемещения продукта. Кроме того, они позволяют судить о качестве продукта и степени его обработки, т.е. дают возможность обосновать оптимальные технологические и механические условия процесса, а приборное оснащение позволяет их контролировать и регулировать, обеспечивая постоянное и стабильное качество.

К основным компрессионным (объемным) свойствам материалов относятся: модуль упругости первого рода , Па; модуль упругости второго рода G, Па, равновесный модуль , Па; период релаксации деформации при постоянном напряжении ; с, относительная деформация ; объемная относительная деформация ; плотность ρ, кг/м .

Эти характеристики используются для расчета процессов шприцевания, формования, дозирования, транспортирования по трубопроводам и др., а также для оценки качества продуктов.

К основным поверхностным свойствам относятся - адгезия Па, липкость , Па, коэффициент внешнего трения .

Они характеризуют усилие при взаимодействии материалов между поверхностями контакта (адгезию) при нормальном отрыве или сдвиге, которое определяют методом отрыва. При этом, отрыв пищевых материалов друг от друга может быть адгезионным, когезионным и адгезионно-когезионным (смешанным).