54.2. Реологічні властивості харчових продуктів

магниевый скраб beletage

Дослідження характеристик і процесів роботи обладнання хар-чової галузі невідривно зв'язане з основними властивостями харчовихпродуктів і сировини. В харчовій промисловості переробляють сиро-вину і отримують продукти у різному агрегатному стані: твердому,рідинному, паро- і газоподібному. Багато харчових продуктів - це од-норідні і неоднорідні суміші. До однорідних сумішей належать розчи-ни різної природи, основна їх характеристика - концентрація розчине-ної речовини. До неоднорідних сумішей належать суміші, які маютьдві і більше фаз, наприклад суміш газ-тверде, або нерозчинні одна водній рідини.

До основних характеристик при переробці харчової сировини,що відповідають за підтримання оптимального технологічного проце-су, належать її реологічні властивості, які, в свою чергу, залежать відструктурно-механічних характеристик - сил зчеплення між молекула-ми і особливостей побудови сировини. При переробці харчової сиро-вини необхідно подолати сили зчеплення між молекулами, тобто по-рушити її міцність. Сили зчеплення між частинками залежать, в осно-вному, від їх природи і відстані між ними.

Реологія знаходиться на стику таких наук як фізика, хімія, меха-ніка і технологія. Особливістю реології як науки є її зв'язок з будовоютіла і статистикою зміни цієї будови. Реологія - це наука о деформаціїта течії різноманітних об'єктів - сировини, напівфабрикатів і продук-тів харчової технології. Під деформацією у даному випадку розуміютьвідносне зміщення часток матеріального тіла, при якому не порушу-ється безперервність (суцільність) самого тіла. Якщо під дією кінце-вих сил деформація тіла зростає у часі безперервно і не зворотно, цеозначає, що матеріал тече. Вивчення закономірностей деформації тіланеобхідне для оцінки можливості використання тих або інших проце-сів і обладнання при виробництві харчових продуктів. Деформація, яквідомо, це відносне зміщення часток матеріального тіла без порушен-ня його безперервності. При цьому, якщо під дією кінцевих сил дефо-рмація зростає у часі безперервно і незворотно, це називають течієюматеріалу. До основних реологічних властивостей харчової сировини іпродуктів відносять: пластичність, в'язкість, пружність та міцність.Для опису процесів деформація використовують, в основному, кривітечії, які дають можливість знайти напруження і швидкість деформа-ції при технологічній обробці сировини. При відомих реологічних ха-рактеристиках сировини можна розрахувати величину напруження,тобто деформації, що дає можливість отримати необхідні параметрипроцесу чи апарата - виконати розрахунки на міцність і технологіч-ність. Процеси переробки харчової сировини і напівфабрикатів харак-теризуються двома видами простої деформації:

деформація всебічного стиску або розтягу;

деформація чистого зсуву,

які поділяють на зворотну (пружну) - зникає після припиненнядії сили і незворотну (в'язку і пластичну) - не зникає після зняття на-вантаження.

При технологічній обробці матеріалу необхідно з'ясувати якійого властивості у першу чергу при заданих режимах переробки, тоб-то деформації, є основними, що відповідають за протікання процесу.Харчові маси різноманітні за своїми реологічними властивостями -один і той же матеріал може переходити з одного реологічного стану вдруге при технологічній обробці: процеси отримання ковбас, мака-ронних виробів, шоколаду, цукерок і ін. Реологічні властивості харчо-вих матеріалів залежать від тривалості і виду деформації, за видомдокладених зусиль їх поділяють на три групи: поверхневі, зсувні(змішувальні) і компресійні. До основних понять реології відносять:в'язкість, пружність, пластичність і міцність. Один і той же продуктможе проявляти різні властивості залежно від стану матеріалу і умовйого напруження. Пружні властивості тіла визначаються граничнимнапруженням зсуву і іншими механічними характеристиками. Якщопри усесторонньому рівномірному тиску змінюється тільки об'єм тіла,а форма залишається незмінною, то при зсуві змінюється форма тілапри постійному об'ємі.

Пластичність - це здатність тіла до формозмінення або течії, щовикликані залишковими або незворотними деформаціями, без пору-шення суцільності.

Міцність - це здатність тіла до опору формозміненню під дієюзовнішніх сил.

Релаксація напруження (тиску) - це процес поступового розсію-вання енергії пружної деформації, що запасена в тілі, процес встанов-лення термодинамічної рівноваги (повної або часткової) у фізичнійсистемі, яка складається з великого числа часток. Релаксацію напру-ження поділяють на два періоди: перший характеризується різким па-дінням напруження в умовах швидко затухаючої швидкості релакса-ції; другий характеризується сповільненим зниженням напруження звельми малою швидкістю релаксації. Для практики формування хар-чових продуктів найбільшу цікавість представляє перший період ре-лаксації, тому що на короткий проміжок часу випадає більша частканапруження.

Повзучість - це властивість тіла безперервно деформуватися піддією постійного навантаження. У харчових матеріалах повзучістьпроявляється дуже швидко, що необхідно враховувати при їх обробці.

Тиксотропія - це здатність деяких дисперсних систем мимовіль-но відновлювати структуру, що зруйнована механічною дією. Тиксо-тропія властива багатьом напівфабрикатам харчової галузі, це зворот-на властивість речовин - після зняття напруження структура рідинипоступово відновлюється.

Реопексія - зміцнення структури у часі при механічній дії на неїз постійною швидкістю деформації зсуву.

Адгезія - це сила прилипання яка виникає при контакті повер-хонь різних за структурою матеріалів. Це явлення широко розповсю-джено у природі і використовується у техніці.

Аутогезія - це злипання однорідних тіл - злежування. Адгезія іаутогезія визначаються як питома сила нормального відриву пластинивід продукту.

Для ньютонівських матеріалів напруга зсуву пропорційнав'язкості і швидкості зсуву. Найбільш важливою характеристикою,яка визначає різний стан матеріалу є відношення напруження дошвидкості зсуву - ефективна в'язкість (^, Па• с), це міра опору течії,яку розраховують за формулою:

^ = -x/(dw / dn)            (1),

де т - напруга зсуву, Па; dw / dn - швидкість зсуву, с -1, dw -швидкість зсуву елементарного шару відносно сусіднього шару, м/с;dn - товщина елементарного шару, м.

Знак мінус вказує на те, що напругу зсуву гальмує шар, який ру-хається з відносно більшою швидкістю, величина зворотна в'язкостіназивається текучістю. У свою чергу напругу зсуву згідно з закономвнутрішнього тертя Ньютона можна записати:

т = F/S (2),

де F - сила; S - площа верхнього або нижнього шару, м2.

Сировина, напівфабрикати і продукти харчової промисловостізалежно від їх складу, дисперсного стану і структури мають різнома-нітні реологічні властивості і текстурні ознаки (табл. 54.1), які можнакласифікувати, наприклад, по Х.-Д. Чойшнеру.

Дисперснасистема

Сировина, напів-фабрикат, продукт

Типові реологічнівластивості

Типові текстур-ні ознаки

Чистарідина

Вода, олія, фрук-тові і ароматичніесенції

Ньютонівськав'язкість: динамічнаі кінематична

Водянистий,рідкий

Чистийрозплав

Розплавлені жириі цукор

Переважно ньюто-нівська в'язкість

Рідкий, масля-нистий, густий,

Істиннийрозчин

Сольові і цукровірозчини, плодово-ягідні екстракти

Аналогічні попере-дньому

Рідкий, густий

Колоїднийрозчин

Білкові розчини,фруктові і ягіднісоки неосвітлені

Ньютонівська в'я-зкість, можливі в'я-зкопружність і тик-сотропія

Рідкий, густий,слизький

Пастопо-дібний

Фруктове пюре,сир, сирні вироби

Неньютонівськав'язкість, в'язкопру-жність, реопексія,тиксотропія

Густий,клейкий,тягучий, гумо- ікашоподібний,слизький

Рідинно-подібний

Суспензії (соки,какао), емульсії(молоко, майонез,вершки і ін.)

Ньютонівська і не-ньютонівська в'яз-кість, в'язкопруж-ність, тиксотропія

Рідкий, густий,клейкий, кремо-подібний, клей-кий, тягучий

Зв'язанам'яка

Вершкове масло,йогурт, желе, сме-тана, молочні де-серти

Пластична в'язкість,зворотна і незворо-тна тиксотропія,в 'язкопружність,пружність

М'який, слизь-кий, кремо- іпастоподібний,клейкий, елас-тичний

Зв'язананапівтвер-да

Плавлені сири,цукати, джеми,фруктові підварки

Пружність, пласти-чна в'язкість,в 'язкопружність

М'який, міцний,

гумоподібний,

в'язкий

Міцна

Натуральні сири,шоколад, глазурі,курага, ізюм

Аналогічні попере-дньому

М'який, міцний,ламкий, в'язкий,крихкий

Тверда

Карамель, печиво,ядра горіхів

Пружність, високатекучість і міцність,твердість

Міцний, твер-дий, ламкий,склоподібний

При великих швидкостях течії матеріалу його структура повніс-тю руйнується, рідина має найменшу (ньютонівську) в'язкість. Прималих швидкостях зсуву структура матеріалу руйнується і повністювідновлюється - рідина має при цьому найбільшу в'язкість. У періодподальшого зростання швидкості руйнування структури починає пре-валювати над відновленням, при цьому в'язкість різко зменшується.

Для неньютонівських матеріалів, в'язкість яких при заданих те-мпературі і тиску не залишається постійною величиною, а залежитьвід швидкості деформації та природи матеріалу, залежність напру-ження від швидкості зсуву має нелінійний характер. Неньютоновськірідини мають структурну в'язкість (пластичну), яка характеризує тіла,які піддавалися деформуванню при напругах перевищуючих деякуграницю (гранична напруга), в'язкість неньютонівських рідин значноперевищує в'язкість води. Для отримання повної кількісної оцінкиреологічних властивостей тіла необхідно застосовувати різні методинапруження.

Більшість авторів поділяють реальні рідини з нелінійною кри-вою течії на три групи:

В'язкі або стаціонарні неньютоновські рідини - швидкістьзсуву у кожній точці це функція тільки напруження в тій же точці. За-гальним для цієї групи є те, що функція кривої течії f (т) = dw/ dn не

залежить від часу.

Для неньютоновськіх рідин цієї групи функція течії зміню-ється у часі, ^ змінюється разом зі зміною dw/ dn , але і визначаєтьсятривалістю зсуву.

В'язко-пружні або максвеловські рідини - течуть під дієюнапруження т , але після його зняття, частково відновлюють свою фо-рму, подібно пружнім твердим тілам, ці властивості характерні дляречовин тістоподібної консистенції.

За виглядом отриманої функції (рис. 54.1) розрізняють різновидирідин першої групи:

1. бінгамівські - при т > т т структура таких матеріалів (напри-клад, шоколадні суміші, сиркові і пролінові маси, маргарин, рідкі ми-ла, зубна паста, миючі засоби і ін.) повністю руйнується і вони підпа-дають під зсувну течію; фізична поведінка цих матеріалів обумовленахарактером їх структури, яка попереджує рух при напруженнях мен-ших ніж гранична текучість; їх характеризує рівняння Бінгамат = т0 +ЛПл 'dw/dn у якому т0- границя текучості (граничне напру-ження зсуву), Па, а ^ пл - пластична в'язкість, Па• с;

псевдопластичні - для опису таких матеріалів (хлібопекар-ське тісто, томатна паста, цукрові розчини, конфетні маси, крохмальнісуспензії, абрикосове пюре, майонез, мила і ін.) частіше інших вико-ристовують рівняння Освальда-де-Віля т = K-(dw/dn)n у якому К -коефіцієнт консистенції, який залежить від природи матеріалу і видувимірювальної апаратури, п - індекс течії; починають течію як ньюто-нівські, але уявна в'язкість ^ к залежить від величини т і знижується зростом відношення dw/ dn ; крива течії поступово переходить у прямуз постійним граничним уклоном при нескінченно великому зсуві;

дилатантні - для опису таких матеріалів (зустрічаються зна-чно рідше - згущене молоко, деякі розчини крохмалю, цукру, кукуру-дзяної муки і деякі інші) використовують рівняння Освальда-де-Віля;крива течії характеризується ростом ^ к з ростом відношення dw/ dn ;з підвищенням напруження (швидкості зсуву) непропорційно зростаєв'язкість.

х А

За виглядом отриманої функції згідно з характером впливу три-валості зсуву на структуру рідини розрізняють різновиди рідин другоїгрупи:

тиксотропні - з ростом тривалості дії напруження зсуву ви-значеної величини структура порушується і текучість зростає але піс-ля зняття напруження структура рідини поступово відновлюється івона перестає текти (кисле молоко, кефір, м'ясний фарш, какао терте іін.);

реопектантні - відрізняються тим, що їх текучість з ростомтривалості дії напруження зсуву знижується.

При розрахунку технологічних процесів тиксотропні властивостіхарчових середовищ для переробки враховують у момент пуску обла-днання після тривалого вистою, а реопектантні - після інтенсивногозсуву.

Реологічні властивості треба враховувати при розрахунку насту-пних основних процесів: здрібнення, перемішування (збивання), фор-мування (безперервне і періодичне), пресування (з відділенням рідкоїфази, штампування, брикетування, таблетування), транспортуванняненьютоновських матеріалів по трубопроводам, різання і ін. Більшістьтаких розрахунків проводять за формулами, які отримані експеримен-тальним шляхом. Більшість вказаних процесів з фізичної сторони до-статньо складні, мають свої специфічні властивості, вони будуть роз-глянуті при вивченні спеціальних курсів, з ними можна ознайомитисяу спеціальній літературі.

Під дією зовнішнього навантаження у тілі виникають деформа-ції і напруження, які є мірою сил взаємодії між елементами тіла, взає-мозв'язок між якими описується за допомогою реологічних констант(коефіцієнти рівнянь деформації і течії) - різноманітних структурно-механічних характеристик.

Дослідні данні отримані з реологічних кривих різних матеріалівпоказали, що повну криву течії не можливо описати загальним степе-невим рівнянням, але окремі ділянки можуть бути їм описані. Логари-фмічні криві течії полімерів, наприклад, мають вигляд прямих, якщопроводити вимірювання при варіюванні двох порядків швидкостей,але при зміні на декілька порядків - криві звичайно відхиляються відпрямої. Це зв'язують, перш за все, з тим, що з підвищенням напру-ження зсуву зменшується опір потоку, а при високих швидкостях опірзалишається майже постійним і матеріал поводить себе як ньютонів-ська рідина.

В'язкість суспензій незалежно від розміру твердих часток дляоб'ємної долі твердої фази ф розраховують за формулою:

По = V1 + 2,5 ^

а для ф > 10% отримаємо = ^p(1 + 4,5ф).

Експериментальне визначення реологічних констант потребуєправильного вибору методів вимірювання і приладів. Для визначеноговиду деформації тіла не завжди виявляють усі свої реологічні власти-вості, тобто, для повної кількісної оцінки реологічних властивостейтіла необхідно застосовувати різні методи напруження. При реологіч-них дослідженнях різних видів тіста за рецептурою і властивостямиотримані нелінійні залежності, які дозволяють зробити висновки, щодосліджене тісто має аномалію в'язкості і є неньютоновською ріди-ною. Для швидкостей зсуву до 6 с-1 ці залежності описуються рівнян-нями степеневими, а для більш високих швидкостей - лінійним.

Підвищення вологості маси для дослідження і температури ви-мірювання приводить до зниження в'язкості. Для рідкої опари на від-міну від тіста і густої опари (вологість 50 %) характерним є збіль-шення під час бродіння в'язкості до деякого значення, а потім її зме-ншення. Слід відмітити, що при тривалості бродіння 120 і 150 хв. привсіх швидкостях вимірювання для даних матеріалів в'язкість зміню-ється мало.