Виды течения реальных пищевых масс

Классификация структур дисперсных систем

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение высшего пРофессионального образования

Красноярский государственный аграрный университет

Институт пищевых производств

Кафедра технологии хлебопекарного,

кондитерского и макаронного производств

Н.В. Присухина

РЕОЛОГИЯ ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ, ПРОДУКТОВ, ПОЛУФАБРИКАТОВ

Конспект лекций

Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 260100.62"Продукты питания растительного происхождения" (бакалавриат)

Красноярск 2013

УДК

Автор: Присухина Н.В..,и.о. доцент кафедры "Технологиии хлеба, кондитерских и макаронных производств" ФГБОУ ВПО "Красноярский государственный аграрный университет"

Рецензенты:

Струпан Е.А. – доктор технических наук, профессор СФУ

Машанов А.И. – доктор биологических наук, профессор КрасГАУ

Присухина Н.В. Реология пищевого сырья, продуктов, полуфабрикатов. Конспект лекций: Учебное пособие. - Красноярск.: КрасГАУ, 2013. - 140 с.

В данном учебном пособии рассматриваются вопросы применения реологических характеристик пищевых сред в сфере анализа показателей качества сырья, продуктов и полуфабрикатов пищевой промышленности.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 260100.62 «Продукты питания растительного происхождения» (квалификация "бакалавр").

© Присухина Н.В.., 2013© «КрасГАУ», 2013

Содержание

Введение.................................................................................................................................. 4

Тема 1. Реология: предмет, цели, задачи, история......................................................... 5

1.1 Предмет реологии, цели и задачи..................................................................... 5

1.2 Краткая история развития реологии как науки.................................................... 10

Тема 2. Теоретические основы реологии пищевых масс..................................... 15

2.1 Основные понятия и определения........................................................................ 15

2.2 Структурно-механические свойства пищевых материалов......................... 21

Тема 3. Структура и консистенция пищевых масс 31

3.1 Структура и консистенция как качественные характеристики

пищевых сред..................................................................................................... 31

3.2 Связь структурно-механических свойств и органолептической

оценки показателей качества пищевых продуктов............................................. 38

3.3 Вещества, изменяющие структуру пищевых сред............................................... 45

Тема 4. Особенности течения реальных пищевых масс 56

4.1 Дисперсные системы и их классификация........................................................... 56

4.2 Классификация структур дисперсных систем................................................. 63

4.3 Виды течения реальных пищевых масс............................................................ 67

4.4 Кривые течения....................................................................................................... 73

4.5 Моделирование реологического поведения пищевых материалов................... 78

Тема 5. Основные положения реометрии 87

5.1 Методы реометрических измерений..................................................................... 87

5.2 Классификация реометров..................................................................................... 89

5.3 Определение сдвиговых характеристик пищевых масс..................................... 93

5.3.1 Вискозиметрия.............................................................................................. 93

5.3.2 Пенетрация.................................................................................................... 102

5.3.3 Плоскопараллельное смещение пластин............................................... 105

5.4 Определение компрессионных характеристик пищевых масс.................... 105

5.5 Определение поверхностных характеристик пищевых масс....................... 106

Тема 6. Основы инженерной реологии............................................................................. 111

6.1 Принципы инженерной реологии......................................................................... 111

6.2 Реодинамика........................................................................................................ 115

6.3 Управляющая реология....................................................................................... 125

Литература.............................................................................................................................. 130

Введение

Реология является, безусловно, значимой дисциплиной в курсе обучения специалистов, чья будущая профессиональная деятельность напрямую связана с вопросами производства, потребления и контроля качества продуктов питания. Знание базисных теоретических основ дисциплины несёт в себе важную функцию и позволяет товароведу глубже понимать механизм сенсорного анализа пищевых продуктов, а технологу - суть некоторых методов производственного контроля качества и особенности поведения пищевых сред при движении потока по технологической линии. Понимание основы реологии - механики сплошных сред - и её «надстройки», представляющей собой математические описания моделей поведения пищевых масс даёт будущему специалисту возможность расширения своего научного взгляда на вопросы формирования качества продукта и управления этим процессом.

Пищевое сырьё, продукты и полуфабрикаты представляют собой как объекты, элементарные по составу (соль, вода), так и весьма сложные биотехнологические среды (продукты животного происхождения). Химический состав продуктов, как правило, является сложным, что обуславливает наличие разнообразных свойств, составляющих в совокупности качество сырья и продуктов питания.

Наиболее полно о качестве продукта можно судить по тем физическим свойствам, которые зависят от химического состава и определяются внутренним строением продукта. К таким свойствам относятся структурно-механические (реологические) характеристики биотехнологических продуктов. Именно они определяют наиболее существенные аспекты технологического качества и поведения в различных процессах переработки объектов пищевой промышленности - ввиду того, что сырьё растительного и животного происхождения при заготовке, транспортировании, хранении и переработке подвергается различным механическим воздействиям, напрямую связанным с деформированием или течением пищевых масс.

Учитывая, что производственные процессы переработки, хранения и транспортирования должны быть организованы так, чтобы обеспечить максимально высокий уровень качества готовых продуктов, вопрос изучения реологических свойств пищевого материала представляется актуальным и значимым для всех специалистов, чья профессиональная деятельность связана с производством и контролем качества продуктов питания.

Тема 1. Реология: предмет, цели, задачи, история

1.1 Предмет реологии, цели и задачи

Само слово «реология» происходит от греческого pew— течение.

Реологические явления проявляются во многих природных процессах и в большом числе технологических. Вещества, участвующие в таких процессах, весьма разнообразны по своей природе: породы, составляющие земную кору, магма, вулканическая лава; нефть и глинистые растворы; влажная глина, цементная паста, бетон и асфальтобетон; масляные краски, растворы и расплавы полимеров; твёрдое топливо для ракет; мази и зубные пасты; наконец, это — хлебное тесто и тестообразные массы, из которых изготовляют конфеты, сосиски, кремы, и в том числе белковые тела, например, мышечные ткани. В этот не полный перечень "реологических" сред входят как тела, которые естественно считать твердыми (бетон), так и жидкие.

Реология позволяет понять, что при быстрых воздействиях все тела ведут себя как твердые, при медленных — текут. Но понятия "быстрый" и "медленный" для разных сред различны. Временной диапазон в реологических явлениях может составлять от долей секунды до миллионов лет. Механические свойства разных реологических сред не менее разнообразны и оказываются существенно различными в зависимости от условий нагружения. Таким образом, один и тот же объект может классифицироваться по-разному, в зависимости от внешних условий, вида воздействия, времени воздействия и т. д. Так, например, Рейнер для различия между течением жидкости и твёрдых тел ввёл в употребление безразмерный критерий - число Деборы:

D = тр/т,

где тр - время релаксации;

Т- время наблюдения.

Реология - наука о деформации и течении различных тел, она изучает способы определения структурно-механических свойств (СМС) сырья, полуфабрикатов и функциональных продуктов, приборы для регулирования технологических процессов (ТП) и контроля качества на всех стадиях производства.

Предметом реологии является исследование различных видов деформации в зависимости от сопровождающих их напряжений.

В качестве важнейших проблем реологии и физико-химической механики можно отметить:

• уточнение закономерностей и механизма действия малых добавок поверхностно-активных веществ в процессах структурообразования, при возникновении контактных взаимодействий, деформировании и разрушении материалов: в этих процессах определяющее значение имеют механические свойства;

• выявление величин основных реологических характеристик, не­обходимых для расчета и совершенствования технологических процессов и оценки качества изделий;

• разработка методов измерения характеристик как в стационарных (лабораторных) условиях, так и в потоке, а также методик расчета реологических характеристик;

• разработка датчиков и приборов для измерения реологических параметров на основе научно обоснованных математических моделей реальных продуктов и оперативного регулирования значения свойств (с обратной связью к обрабатывающей машине);

• разработка научно обоснованных методов расчета оборудования для определения оптимальных геометрических, энергетических, кинематических и динамических параметров работы машин, а также принципиально новых машин и аппаратов и их рабочих органов;

• определение «эталонных» показателей реологических свойств сырья и готовых продуктов, основанных на существующих в настоящее время методах оценки качества изделий;

• управление структурой и качеством пищевых продуктов путем внесения добавок, изменения режимов и способов механической и технологической обработки и пр.;

• комплексное исследование величин различных физических свойств (в значительном интервале изменения определяющих технологических факторов) для установления аналогии между изменениями свойств, их моделирования, прогнозирования и расчета как значений свойств, так и производственного оборудования и приборов контроля.

При помощи реологии, на основе биохимических, биофизических, физико-химических и органолептических показателей, решают следующие задачи:

• глубокое изучение сущности процессов, участвующих в структурообразовании функциональных продуктов;

• определение нормативных СМС, характеризующих качество изделий, для их использования в технологической документации;

• получение необходимых данных для расчета и создания специализированного технологического оборудования.

Реология включает два раздела: первый посвящен изучению структурно- механических (реологических) свойств реальных тел и их роль в вопросах определения показателей качества пищевого сырья, продуктов и полуфабрикатов; второй рассматривает движение реальных тел в рабочих органах машин и аппаратов и разрабатывает инженерные способы их расчета.

Феноменологическая реология изучает поведение материалов, основываясь на предположении, что все они являются однородными или квазиоднородными сплошными средами. Квазиоднородными называются условно однородные материалы, при рассмотрении которых пренебрегают содержащимися в них твёрдыми включениями в силу малости последних. Однако феноменологически однородными являются только чистые жидкости и совершенные микрокристаллы. Большая часть материалов, исследуемых реологией, представляет собой дисперсные системы, состоящие из двух или более фаз.

Макрореология рассматривает все материалы в том виде, в каком они предстают перед наблюдателем при поверхностном осмотре невооруженном глазом, то есть как однородные или лишённые структуры. Материал считается изотропным или квазиизотропным, если самый малый элемент объема материала содержит анизотропные диспергированные частицы всевозможных ориентаций. Иногда квазиизотропные материалы можно сделать анизотропными путем деформаций.

Микрореология рассматривает реологическое поведение двух- и много­фазных систем в зависимости от реологических свойств их компонентов. Она учитывает квазиоднородность и квазиизотропность и реологическое поведение дисперсных материалов, исходя из известных реологических свойств составляющих материал элементов. В качестве примера можно привести работу

Эйнштейна о вязкости суспензии из простой вязкой жидкости и твердых сферических шариков.

Именно в микрореологии на базе различных физико-химических процессов и явлений делаются попытки определить макрореологические параметры материала - например, рассчитать теоретически коэффициент динамической вязкости жидкого материала, исходя из его микроструктуры. Среди микрореологических теорий вязкости жидкостей выделяют:

• молекулярную теорию Грина (базируется на рассмотрении функции распределения молекул, окружающих данную молекулу; деформация при течении сопровождается изменением характера распределения с симметрично-радиального на эллипсоидное);

• теорию абсолютных скоростей реакции Эйринга (базируется на предположении о взаимном вращении ассоциировавших молекул в свободном вследствие флуктуации плотности пространстве и существовании для этих молекул потенциального барьера перехода);

• диффузионную теорию Френкеля (рассматривает вопрос искажения картины диффузионного движения молекул невозмущённого состояния жидкости, характеризующегося коэффициентом самодиффузии).

Одним из разделов феноменологической реологии является метареология, где реологические исследования граничат с химией, биологией, физикой, пси­хофизиологией, экономикой и другими науками. Так, покупатель оценивает све­жесть хлебобулочных изделий, проведя реологический «эксперимент»: деформи­рует хлеб и, следя за его вязкоупругим поведением, оценивает усилие деформации и восстанавливаемость изделия после деформации. Психофизиологические и рео­логические свойства сливочного масла или маргарина при намазывании их на хлеб тоже можно отнести к метареологии. Вообще органолептические оценки качества многих пищевых продуктов относятся к метареологии или психореологии, например оценка «на глаз» вязкостных свойств сметаны, зернистости творога, консистенции мясного фарша и т. п. При исследовании биологических процессов в живых организмах, например в системе кровообращения, в мышечных тканях, широко используются данные биореологии - она исследует течение разнообразных биологических жидкостей (например, крови, синовиальной, плевральной и др.), деформации различных тканей (мышц, костей, кровеносных сосудов) у человека и животных.

Приборы, устройства и методики определения реологических свойств мате­риалов образуют раздел феноменологической реологии, которая называется реометрией. Если в экспериментальных данных реометрии удается разделить свойства, действительно принадлежащие объекту измерений, и свойства, принадлежащие измерительному прибору, то реологические параметры объекта измерения можно отнести к приборно-инвариантным данным реометрии, и эти данные можно использовать для построения математических реодинамических моделей процессов переработки материала.

Контроль и управление технологическими процессами не всегда требуют данных инвариантной реометрии, достаточно использовать относительные реометрические параметры материала, измеряемые на конкретном реометре, и связать эти параметры с другими показателями технологического процесса (температурой, плотностью, компонентным составом дисперсной среды и др.), произведя, таким образом, своеобразное тарирование системы контроля и управления.

В целом проблема разделения в экспериментальных данных информации об объекте измерений и приборе является общей проблемой экспериментов, по­скольку любой прибор так или иначе воздействует на объект измерений и может изменить измеряемые свойства объекта, особенно при механических испытаниях материала. При решении этой проблемы полезными могут оказаться теории рас­познавания образов и статистической проверки гипотез.

В ряде случаев, в силу сложности процессов переработки дисперсных сред и трудностей создания адекватной математической модели на основании общей теории сплошных сред, необходимо проведение экспериментов на моделях пере­рабатывающих устройств с использованием методов теории подобия, планирова­ния экспериментов и распознавания образов. Такие эксперименты можно назвать имитационной реометрией.

С физико-математической точки зрения в основе реологии лежат следующие положения:

• формализации Лагранжа и Эйлера как основа описания движения сред;

• законы сохранения вещества, количества движения и энергии;

• дифференциальные уравнения неразрывности, движения и энергии

• принципы тензорного выражения напряжений и скоростей деформации.

1.2 Краткая история развития реологии как науки

Исторические истоки реологии в широком смысле можно отнести к очень древним временам, когда человечество только начинало осознавать особенности механического поведения окружающего материального мира. В настоящее время известен ряд работ по механике, которые можно отнести к древним истокам реологии: работу Архимеда (ок. 287— 212 гг. до н. э.) «О плавающих телах»; Герона Александрийского (примерно 100 г. н. э.) «Пневматика», в которой опи­сывается эолипил, основанный на принципе действия активной турбины; Алек­сандра Афродитского (вторая половина II в. н. э.), который рассматривал взаимо­действие корабля, весла и воды.

Отдельные элементы реологии были известны с XVII века. Одним из наиболее известных законов, используемых в реологии, является закон Р. Гука (1676) о механическом поведении деформируемых тел («каково удлинение, такова сила»).

И. Ньютон (1643 - 1727) ввел элементы теории движения жидкости и твердых тел в сопротивляющейся среде; с его именем связан простейший линейный закон вязкого сдвигового течения жидкостей.

Бернулли является одним из основоположников биореологии. В 1705 г. при исследовании деформации лесы из кишки он получил параболическую зависимость деформации растяжения от нагрузки, наблюдая, таким образом, нелинейную упругость. В книге Бернулли «Гидродинамика» (1738 г.) есть задача о течении жидкости в трубе. Задачу течения жидкости в трубе решал также Г. Гаген, однако он полагал, что скорости течения в трубе распределяются по треугольному закону. Правильное решение задачи о распределении скоростей течения в трубе носит имя Ж. Л. Пуазейля. В реологии широко используются достижения классической гидроаэродинамики, в частности универсальное уравнение Навье - Стокса о течении различных сред.

В работах М. В. Ломоносова (1711 - 1765) изложено описание капиллярных вискозиметров, одних из важнейших реометрических устройств.

В работах Л. Эйлера (1707 - 1783) рассматривается движение материальных точек в среде с сопротивлением.

Основы теории упругости заложили Симеон Дени Пуассон (1781-1840) и Огюстен Луи Коши (1789 - 1857). Учеником Пуассона был М. В. Остроградский. Можно отметить работу Пуассона «Мемуар об общих уравнениях равновесия и движения твердых упругих тел» и работу Остроградского «О волнообразном движении жидкости в цилиндрическом сосуде» (1826 г.).

В 1875 г. в Британской энциклопедии была напечатана работа Томсона (лорда Кельвина) «Эластичность». В теоретических работах Д. Максвелла (1868) приведены уравнения упруго-вязкой релаксирующей среды и введено понятие «релаксация напряжений».

Д. И. Менделеев в 1880 г. указал, что сопротивление движению при малых скоростях пропорционально скорости, а при больших — квадрату скорости. Это отмечается и в работе Осборна Рейнольдса (1883 г.). Он также изучал и другое явление - изменение объема, вызванное сдвигом. Рейнольдс ввел термин «дилатансия».

В 1883 г. Петров заложил основы гидродинамической теории смазки машин, а в 1885 г. предложил конструкцию вискозиметра.

В 1837 г. Н. Д. Брашман опубликовал работу «Теория равновесия тел твердых и жидких или статика и гидростатика».

Впервые реологические свойства раствора желатина с помощью ротационной вискозиметрии изучал профессор Одесского университета Ф. Н. Шведов (1890 г.). Результаты этих исследований стали основой для вывода дифференциального уравнения состояния, являющегося развитием гипотезы Ньютона о сопротивлении деформированию реального пластично-вязкого тела. Изучая релаксационные процессы в коллоидных растворах желатина, Ф. Н. Шведов применил ротационный прибор с электродвигателем и торсионной подвеской и предвосхитил работу Ю. Бингама, создав более общую реологическую модель, частным случаем которой является реологическая модель Бингама. Шведова считают одним из основоположников реологии дисперсных систем.

Механические модели для описания свойств материалов ввели в 1902 г. Дж. Г. Пойнтинг и У. Томсон.

Первыми значительными теоретическими работами по микрореологии считаются статьи А. Эйнштейна, опубликованные в 1906 и 1911 гг., в которых определен коэффициент кинематической вязкости дисперсной смеси из сферических твердых частиц и ньютоновской жидкости.

Таким образом, в начале XX века реология была выделена в самостоятельную науку. Согласно М. Рейнеру, моментом возникновения реологии можно считать 1919 г., когда вышла фундаментальная реологическая работа Бингама - теория пластичного потока, базирующаяся на некоторых разделах физики, теории упругости, гидродинамики и других наук, обеспечившая получение аналитических уравнений для расчета деформации (течения) пластично-вязких материалов.

Авторство в названии особой отрасли науки — реологии, видимо, также следует признать за Бингамом.

Развитие основ теории ротационных вискозиметров Н. П. Петровым (1885), интегрирование дифференциального уравнения Ф. Н. Шведова для вискозиметра с вращающимися цилиндрами, выполненное Б. П. Вайнбергом (1912), а также дифференциального уравнения Ю. Бингама, выполненное Э. Букингамом, явились важным этапом становления реологии как науки, что обусловило создание в 1928 г. Американского реологического общества.

В результате работ Мизеса и Хенки к 1924 г. была разработана гипотеза о начале пластического течения материалов в момент, когда удельная энергия формоизменения достигает определенного предела.

В 1925 - 1926 гг. Оствальд де Вале и его ученики ввели термин «структурная вязкость», в 1929 году Рейнер - «неньютоновские жидкости», в том же 1929 г. была опубликована важная работа по теории капиллярных вискозиметров Рабиновича.

В 30-е годы XX века М.П. Воларовичем и др., а также учёными Шофильдом и Скотт-Блэром было показано, что, например, мучное тесто проявляет комплекс реологических свойств: упругие, пластические, вязко-упругие и нелинейные вязкие. Оно может быть отнесено к биологическим полимерам сложного состава.

В 1947 г. Вейссенберг опубликовал сообщение о весьма любопытном реологическом эффекте, получившем позже его имя. Рейнер в 1948 г. объяснил некоторые реологические эффекты второго порядка в вязких и упругих средах, используя тензорную символику из теории упругости (Мурнаган, 1937). В 1949 г. в работах Скотт-Блэра и Грина были изложены интегральные методы и психофизические представления в реологии и освещено понятие тиксотропии (термин Фрейндлиха).

Фундаментальные труды отечественных ученых по реологии дисперсных систем и физико-химической механики П. А. Ребиндера, Г. В. Виноградова, М. П. Воларовича, Б. В. Дерягина А. А. Трапезникова, Н. Б. Урьева, Я. И. Френкеля, Э. П. Шульмана и др., а также труды по теории и практике течения биотехнологических вязко-пластичных сред многих русских и зарубежных учёных способствовали решению вопросов, связанных с пластичностью, вязкостью и упругостью этих сред и послужили базой для совершенствования технологических процессов и обрабатывающего оборудования пищевых производств.

Большая роль в распространении методов реологии в России принадлежит М.П. Воларовичу, который одним из первых стал применять их для различных исследований. Ротационные вискозиметры системы М.П. Воларовича - наиболее распространенные приборы. Теоретическое обоснование, выполненное автором, делает их пригодными для измерения свойств самых разнообразных дисперсных систем.

Труды П.А. Ребиндера в области новой «пограничной» науки - физико- химической механики значительно опередили исследования зарубежных ученых. Физико-химическая механика генетически связана с реологией, физической и коллоидной химией, механохимией и гидродинамикой, занимая при этом более высокую ступень. Основная ее цель состоит в установлении существа образования и разрушения структур в дисперсных системах в зависимости от совокупности физико-химических и механических факторов. Это обеспечивает обоснование путей получения структур с заданными свойствами и позволяет разработать способы оптимизации процессов получения и обработки пищевых продуктов. В таких процессах механические свойства являются основными среди других физических свойств (термических, электрических и пр.).

Основная роль в использовании реологических методов в мясной и молочной промышленности принадлежит А.В. Горбатову. Им разработаны пути и методы совершенствования процессов и аппаратов, а также технологических приемов обработки продукции животного происхождения за счет использования методов инженерной реологии. А. В. Горбатовым создана научная школа по реализации и дальнейшей разработке методов реологии с целью оптимизации производства на базе создания новой техники и технологии.

Важное место в дальнейшем развитии и применении методов инженерной реологии в пищевой промышленности принадлежит Ю.А. Мачихину и С.А. Мачихину, которые в своих научных трудах значительно расширили представления о процессах, происходящих при обработке продукции хлебопекарной, кондитерской и других отраслей пищевых производств.

Основы отечественной школы реологии заложили такие выдающиеся ученые, как Д. И. Менделеев, Н. П. Петров, С. П. Тимошенко, Л. И. Седов, П. А. Ребиндер, Н. П. Воларович, А. А. Трапезников, Г. В. Виноградов. С. Н. Карпин, Г. Л. Слонимский, Д. М. Толстой, А. X. Мирзаджанзаде, Н. В. Михайлов, Н. В.

Тябин, А. М. Гуткин, Т. Я. Горазовский, Н. Б. Урьев, Я. И. Френкель, Т. И. Гуревич, Ю. Н. Работнов, А. Р. Ржаницын. С. В. Ильюшин, А. Ю. Ишлинский, Г. И. Баренблатт, А. И. Леонов, А. X. Ким, Л. Г. Лойцянский, П. П. Мосолов, В. П. Мясников, П. М. Огибалов, С. М. Тарг, 3. П. Шульман и многие другие.

Применительно к пищевой промышленности и технологии развитие реологии в русской научной литературе началось в 60-е годы, если не претендовать на полноту списка авторов, то благодаря работам П. А. Ребиндера, М. П. Воларовича, К. П. Гуськова, В. П. Калугина, М. Н. Караваева, Н. И. Назарова, О. Г. Лунина, Л. Н. Лунина, Ю. В. Клаповского, В. П. Корячкина, Ю. А. Мачихина, С. А. Мачихина, А. В. Горбатова, И. А. Рогова, В. Д. Косого, Л. К. Николаева, В. А. Арета, Б. А. Николаева, В. А. Панфилова, Ю. С. Рыбаковой, В. Н. Серба, П. М. Силина, В. П. Табачникова, Г. В. Твердохлеб, А. 3. Уманцева, Н. Б. Урьева, М. А. Талейсника, Н. Е. Федорова, С. Е. Харина, Г. К. Бермана, И. Э. Груздьева, Г. А. Ересько, С. С. Гуляева-Зайцева, С. В. Чувахина, А. М. Маслова, Б. М Азарова, Г. Е. Лимонова, О. П. Боровикой, М. М. Благовещенской, В. Вайткуса, Б. Я. Шайхаева и многих других исследователей.

Среди авторов по пищевой проблематике в иностранной литературе можно назвать исторически значительные работы Ф. Н. Шведова, Е. С. Бингама, М. Рейнера, А, Б. Метцнера, У. Л. Уилкинсона, Й. С. Рида, Й. Коха, Н. Грина, Г. В. Скотт-Блэра, Р. К. Шофильда, М. С. Боурне, С. Е. Шарма, А. Финке, X. Г. Муллера, А. Г. Варда, А. Крамера, В. Твигга, С. X. Лиина, И. Прайс-Джон, Р. Вейссенберга, В. Зингга. Ш. С. Сулева, С. Д. Моргана, В. П. Валавендера, Те Ю Чена, А. М. Скалзо, Р. В. Дикерсона, И. Т. Пиилера, Р. Б. Рида и т. д.

Расцвет реологии, особенно ее приложений, начался в 50-е годы в связи с бурным развитием перерабатывающих технологий и внедрением искусственно структурированных материалов в различные отрасли народного хозяйства.

В последние десятилетия практически во всех работах, посвященных механическим процессам и машинам пищевой промышленности, затрагиваются вопросы инженерной реологии пищи или пищевых материалов. Особенности механики переработки пищевых продуктов и полуфабрикатов в основном и заключаются в реологических особенностях механического поведения этих материалов и в огромном, нарастающем разнообразии машин и аппаратов в этой отрасли промышленности.

Тема 2. Теоретические основы реологии пищевых масс

2.1 Основные понятия и определения

Любое внешнее воздействие на тело приводит либо к его перемещению как целого, либо к изменению его первоначальной формы, либо к наложению этих эффектов. Перемещение тела как целого, без изменения его формы (движение в пространстве, вращение вокруг центра тяжести) составляет предмет механики.

Центральными понятиями механики сплошных сред, на которой базируется реология, являются понятия напряжения и деформации. При этом с точки зрения механики интерес представляет только то, что происходит внутри тела. Реология занимается свойствами вещества, трактуя эти свойства как соотношение между напряжениями и деформациями.

Реология — наука о деформациях и текучести сплошных сред, обнаруживающих упругие, пластические и вязкие свойства в различных сочетаниях.

Приложенные к телу внешние силы создают динамическую ситуацию в любой точке тела, которая характеризуется напряжением. Напряжения действуют внутри вещества и определяются силами, приложенными к телу безотносительно породы и причины происхождения этих сил. В некоторых случаях напряжения могут возникать внутри тела и в отсутствие внешних сил (например, в случае неоднородности температурного поля).

Напряжение - мера внутренних сил F [Н], возникающих в теле под влиянием внешних воздействий на единицу площади А [м²], нормальной к вектору приложения силы:

s = F/A, Па

Напряжения могут быть нормальными и касательными - в зависимости от характера приложения силы.

Только нормальные напряжения могут вызвать изменения объёма тела, в то время как касательные напряжения изменяют его форму.

Случай напряжённого состояния, когда объект подвергается действию всестороннего давления, называют гидростатическим давлением.

Гидростатическое давление - отношение силы, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности, к площади этой поверхности.

Основной особенностью гидростатического давления является отсутствие касательных напряжений, то есть все главные напряжения в теле, находящемся под действием гидростатического давления, равны между собой:

Si = S = S3 = -p.

В данном равенстве знак «-» означает, что сила направлена внутрь каждого элемента объёма тела.

Распределение напряжений в теле описывается уравнениями равновесия (балансовыми уравнениями) Навье, Пуассона и Коши. В сущности, эти уравнения представляют собой выражение второго закона Ньютона: сумма всех сил, действующих на тело в состоянии равновесия, равно нулю.

Явление деформации можно интерпретировать с геометрической точки зрения: изменение формы тела по сути своей представляется изменением расстояния между различными точками в объёме тела.

Деформация - это изменение формы и (или) линейных размеров тела под действием внешних сил, при изменении влажности, температуры и др., при котором частицы или молекулы смещаются одна относительно другой без нарушения сплошности тела.

Деформацию как изменение расстояния между двумя точками можно описать, рассматривая перемещение в пространстве двух соседних точек, отстоящих друг от друга на бесконечно малое расстояние.

Пусть начальное расстояние между точками А и В в материале равняется dS. Вследствие каких либо причин точки меняют своё положение на А' и B'. Их перемещение в пространстве не представляет интереса для механики сплошных сред, но вот изменение расстояния между ними с dS до dS' имеет значение. Более того: важна не абсолютная величина (dS'- dS), а относительное изменение между ними, выражающееся следующим образом:

e = (dS'- dS)/ dS.

Поскольку исходное расстояние между точками А и В в материале было бесконечно малым, а после деформации не возникает разрывов - принимаем, что расстояние между точками А' и B' также бесконечно мало.

Таким образом, если рассматривать деформацию как относительное

смещение частей или частиц тела без нарушения его непрерывности, становится

возможным использование математического аппарата бесконечно малых величин,

дифференциальное и интегральное исчисление, а также оперировать равномерно ограниченными непрерывными функциями.

С позиции геометрической интерпретации выделяют малые деформации (между точками, бесконечно мало удалёнными друг от друга) и большие (конечные) деформации.

При обсуждении концепции больших деформаций принимается, что существует некое начальное состояние тела, по отношению к которому вычисляется деформация. Именно в этом смысле течение жидкости не связывается с какой-либо деформацией, поскольку все её состояния эквивалентны. Так что только для материалов, обладающих «памятью» о своём исходном состоянии, можно говорить о деформации по отношению к этому исходному состоянию.

Величина и характер деформации зависят от способа приложения внешних сил, свойств материала тела и его формы.

Деформация проявляется в виде:

а) обратимых (упругих) деформаций, которые возникают в теле при приложении нагрузки и исчезают, если нагрузки снять;

б) пластических (вязких) деформаций, которые появляются только в том случае, когда вызванные нагрузкой напряжения превышают известную величину

— предел текучести; они сохраняется после снятия нагрузки;

в) вязкого течения, которое возникает при любых сколь угодно малых (отличных от нуля) нагрузках; при этом скорость деформаций растёт с увеличением нагрузки.

Многие пищевые материалы по мере роста нагрузок проявляют все перечисленные виды деформаций: вначале деформируются упруго, затем начинают пластически течь и при дальнейшем росте нагрузок текут вязко.

Еще одно свойство, которым могут обладать среды, изучаемые реологией,

— это высокоэластичность, характерная, например, для резины, когда материал допускает десятикратное растяжение, а после снятия нагрузки практически мгновенно восстанавливает первоначальное состояние.

Кроме того, существует и другое деление деформаций. Например, по виду нагружения они могут быть сдвиговыми (рис. 1а), одноосными (линейными) (рис. 1б), а так же двухосными (плоскими) и объёмными.

а) сдвиг; б) растяжение Рисунок 1 - Схемы нагружения материалов

При этом деформации вычисляются по уравнениям:

g= D/a, e = Dl/l.

Сдвиг - очень важный вид деформации в реологии.

Случай простого сдвига - скольжение соседних слоёв материала относительно друг друга. Он рассматривается как плоская деформация, параллельная неподвижной плоскости вследствие действия на гранях элемента касательных напряжений. Простой сдвиг представляет собой случай ламинарного потока, при котором тело можно считать состоящим из бесконечно тонких слоёв. Эти слои не деформируются, а скользят один по другому. Также простой сдвиг может осуществляться при некоторых схемах деформирования твёрдых тел, например при кручении длинных труб или проволоки.

Другая разновидность сдвига - двумерный, плоский, «чистый» сдвиг, при котором не происходит поворота линейных элементов тела, а только их параллельный перенос и изменение линейных размеров.

При сдвиговых деформациях изменений объёма тела не происходит.

При простом сдвиге происходит не только изменение длины линейных элементов (вдоль направления главных осей), но также их повороты (рис. 2).

Геометрическое представление плоского (чистого) сдвига показано на рис. 3. При чистом сдвиге диагональ АВ маленького квадрата (в данной точке) перемещается вследствие деформации в новое положение А*В*, параллельное первоначальному; а диагональ ОМ вообще положения своего не меняет - только растягивается до величины ОМ*. Таким образом, ни один элемент тела не претерпевает вращения. Очевидно, что превращение квадрата ОАМВ в ромб ОА*М*В* может быть осуществлено сжатием исходного квадрата вдоль направления АВ с одновременным растяжением вдоль направления ОМ. Это означает, что простой сдвиг может рассматриваться как комбинация двух деформаций одноосного растяжения.

а) малые; б) большие Рисунок 2 - Деформации при простом сдвиге

Таким образом, различие между простым и чистым сдвигом такое же, как между деформацией и смещением. Это различие существенно при формулировке уравнений, описывающих реологические свойства реальных материалов.

При одноосном растяжении образец (нить, стержень) претерпевает изменения не только в продольном, но и в поперечном направлении. Связь между изменением размеров в обоих направлениях отражает внутренние свойства материала и может быть установлена, исходя из простых геометрических соображений.

При одноосном растяжении поперечные размеры тела уменьшаются. Отношение изменений поперечного и продольного размеров называется коэффициентом Пуассона, который представляет собой внутреннюю характеристику свойств материала.

m = e/e,

где £r - относительная поперечная деформация; e - относительная продольная деформация.

При сжатии пластично-вязких тел, не заключённых в жёсткую форму, наряду с упругими возможны необратимые пластические деформации, связанные с уменьшением объёма.

Тогда объёмная деформация ev будет представлять собой отношение изменения объёма тела DV = V - Vkк его первоначальному объёму V:

ev=DV/V,

где V - начальный объём, м²;

Vk - объём тела после деформации, м².

При одноосном сжатии реализуется условие постоянства объёма: уменьшается высота тела и увеличиваются его поперечные размеры, что также характеризуется относительными деформациями, которые также количественно связаны между собой посредством коэффициента Пуассона.

Принято считать, что коэффициент Пуассона является также мерой объёмных изменений при малых деформациях. При m = 0,5 деформация происходит без изменения объёмов тела. Для реальных твёрдых тел m < 0,5. В большинстве случаев значение коэффициента Пуассона лежит в диапазоне m = 0,3 - 0,35. Это означает, что одноосное растяжение сопровождается увеличением объёма тела. Без изменения объёма, с величиной m @ 0,5 деформируются только резины.

Коэффициент Пуассона не может быть больше 0,5, так как в противном случае гидростатическое сжатие вызывало бы увеличение объёма (абсурдно с позиций физики). В то же время значения коэффициента могут быть отрицательны: в этих случаях при одноосном растяжении поперечные размеры образца увеличиваются, что характерно для пен.

Если деформация при сдвиге под действием конечных сил увеличивается непрерывно и постоянно, то материал начинает течь. При этом вектор скорости всех точек тела одинаков: присутствует движение, деформация отсутствует. Ус­тановившийся режим течения характеризуется градиентом скорости, который по смыслу аналогичен скорости деформации.

Деформация проявляется тогда, когда имеет место градиент скорости «в точке». Это означает, что соседние точки (с бесконечно малым расстоянием между ними) движутся с разными скоростями.

В области больших деформаций скорость вычислить сложнее, поскольку положение деформируемых элементов тела непрерывно изменяется во времени. Таким образом, при неустановившемся процессе учитывают скорость деформации (градиент скорости); при установившемся процессе деформирования изменение деформации в единицу времени постоянно. Все это описывается понятием «скорость деформации» при растяжении - сжатии e' и при сдвиге g.

e' = de/dt, g = dgdt

При математическом описании больших деформаций используют специальные меры деформации.

Таким образом, можно сказать, что типичный реологический процесс представляет собой сравнительно медленное течение вещества, в котором обнаруживаются упругие, пластические или высокоэластические свойства.

2.2 Структурно-механические свойства материалов

Как уже было сказано, реология описывает деформацию тела под действием напряжения. В данном контексте тела могут быть твердыми, жидкими или газообразными.

Идеально твердое тело деформируется упруго. Энергия, необходимая для этой деформации, полностью возвращается при снятии напряжения.

Идеально текучие системы, такие как жидкости или газы, деформируются необратимо — они текут. Энергия, необходимая для их деформации, переходит в теплоту, рассеивается и не может быть возвращена простым снятием напряжения. Реальные тела, с которыми мы обычно встречаемся, никогда не являются ни иде­ально твердыми, ни идеально жидкими.

Реальные твердые тела под действием силы достаточной величины также могут деформироваться необратимо, они "ползут" или "текут".

Только очень немногие жидкости, имеющие практическое значение, близки по своему поведению к идеальным. Подавляющее большинство жидкостей по их реологическому поведению можно отнести к промежуточной области между жидкостью и твердым телом: они проявляют как вязкие, так и упругие свойства, и поэтому могут быть названы "вязкоупругими". К твердым телам могут быть приложены как растягивающие, так и сдвиговые напряжения, тогда как к жидкости - только сдвиговые.

Наиболее полное представление о некоторых существенных аспектах качества продукта может дать группа физических свойств, которая проявляет зависимость от биологического и химического состава (рецептуры) и внутреннего строения (структуры продукта). Небольшие изменения этих определяющих характеристик должны вызывать значительные изменения величин свойств, которые регистрируются приборами. При этом характеристики сырья предопределяют основные показатели готовых продуктов. К одной из групп таких показателей относятся структурно-механические (реологические) свойства.

Переработка различных пищевых материалов сопровождается сложными физико-химическими, биологическими и механическими процессами, изучение которых позволяет организовать эффективный и объективный реологический контроль и управление технологическими циклами производства. Большинство процессов в пищевой промышленности связано с переработкой дисперсных систем, суспензий, коллоидных растворов, различных упруго-пластично-вязких материалов. Реологические исследования позволяют глубже познать физику явления, происходящего при обработке пищевых материалов.

Реологические свойства могут быть использованы в расчётах процессов, которые необходимо производить при создании новых конструкций машин и реконструкции существующих, а также для выбора наиболее рациональных режимов работы оборудования и оптимальных технологических схем производства, использовать в качестве контролируемых параметров при создании автоматизированных систем управления машинами, агрегатами, производственными участками, при автоматизированном контроле качества продукции. Реология позволяет управлять структурой и качеством продуктов путем внесения добавок, изменения режимов и способов механической и технологической обработки.

Свойства пищевого сырья и продуктов зависят от таких факторов как:

- температура;

- влажность;

- величина и продолжительность механического воздействия;

- сроки хранения, транспортирования, способа получения данного продукта;

- прочие частные причины.

Основные структурно-механические характеристики можно классифицировать по характеру приложения к продукту внешних усилий и вызываемых ими деформаций на три группы: сдвиговые, компрессионные и поверхностные.

Сдвиговые свойства определяют поведение объема продукта при воздействии на него сдвиговых касательных напряжений. К основным сдвиговым реологическим свойствам пищевых продуктов (при напряжении сдвига больше предельного значения) можно отнести: предельное напряжение сдвига, пластическую и эффективную вязкость для вязко-пластичных систем и динамическую вязкость для структурированных жидкостей.

Компрессионные (объемные) свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме или между двумя пластинами. К параметрам, определяющим компрессионные свойства, относятся модуль упругости, период релаксации деформации или напряжения, относительная линейная и объемная деформация, работа сжатия и среза, предельное напряжение среза. Эти параметры необходимы для расчета процессов шприцевания, формования и дозирования.

Поверхностные свойства характеризуют поведение продукта на границе раздела с другими твердыми материалами при воздействии нормальных (адгезия) и касательных (внешнее трение) напряжений.

Структурно-механические характеристики характеризуют также качество продукции по ее консистенции. Для оценки качества фарша предпочтительны сдвиговые (предельное напряжение сдвига) или поверхностные (липкость) характеристики, а для готовых пищевых изделий (колбаса мясная или рыбная, сыр и др.) - компрессионные характеристики (предельное напряжение среза, работа сжатия и среза).

Реологические характеристики 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, но существенно зависят от формы и размеров тела, скорости нагружения, состояния поверхности, влияния окружающей среды, температуры, структуры и других фак­торов. При известных величинах характеристик можно вычислить напряжение или деформацию и получить необходимые параметры процесса или аппарата, т.е. выполнить прочностные и технологические расчеты. Кроме того, свойство продукта как объективная реальность позволяет охарактеризовать его качество.

К основным реологическим свойствам материалов относятся:

- вязкость;

- упругость;

- пластичность;

- прочность;

- твёрдость.

У одного и того же материала, в зависимости от его состояния и условий нагружения, проявляются те или иные реологические свойства. Поэтому в первую очередь необходимо выяснить, какие свойства исследуемого материала при заданных условиях деформирования являются основными, определяющими.

Вязкость - мера сопротивления течению. Это одно из важнейших понятий в реологии. Она является основным свойством для жидких тел, а также для пластичных тел после превышения предела текучести. В реологии пищевых масс вязкость в смысле коэффициента вязкости не всегда применима. Наиболее употребимым является определение вязкости как свойства пищевого материала противодействовать сдвиговому течению; причём под течением подразумевается состояние движения среды, при котором изменение скоростей сдвига вызывает изменение противодействующих течению сил внутреннего трения (касательных напряжений).

Для ньютоновских жидкостей вязкость определяется согласно линейному закону вязкого течения Ньютона:

dF = h ■ ^ddW ■ dS dn '

где dF - сила внутреннего трения на элементарном участке;

h - коэффициент динамической вязкости, который характеризует величину усилий, возникающих между двумя элементарными слоями жидкости при их относительном смещении, Пас;

dw dn

градиент скорости движения слоёв в направлении,

перпендикулярном к их поверхности (скорость сдвига); dS - площадь элементарного участка.

Таким образом, ньютоновская жидкость - это вязкая жидкость, подчиняющаяся при своём течении закону вязкого трения Ньютона. Закон устанавливает линейную зависимость между касательным напряжением 0 в плоскостях соприкосновения слоёв жидкости и производной по скорости по направлению к нормали к этой плоскости.

Многие пищевые среды не подчиняются закону вязкого трения Ньютона - то есть не являются ньютоновскими жидкостями. Соответственно, их вязкостные свойства нельзя описать одним параметром (коэффициентом вязкости). Для таких жидкостей, которые называют неньютоновскими, вязкость - величина, определяемая с помощью приборов для реологических исследований. Вязкость неньютоновских жидкостей является функцией скорости сдвига, поэтому её называют «кажущейся», или эффективной, вязкостью h [Па с].

Подход, при котором факт существования вязкости просто констатируется и устанавливается, например, связь между напряжениями и скоростями сдвига, называется феноменологическим и является предметом макрореологии. Для неньютоновских жидкостей эффективная вязкость состоит из двух компонентов:

1) ньютоновской вязкости J], которая основана на внутреннем трении и представляет физическую константу материала;

2) структурного сопротивления, которое зависит от структурного состояния дисперсных систем и является функцией скорости сдвига g'.

В силу сложности состава пищевых сред в настоящее время достоверные знания о вязкости материалов для построения математических реологических моделей процессов переработки пищевых масс получают путём экспериментальных реологических исследований.

Упругость - способность тела после деформирования полностью восстанавливать свою первоначальную форму или объем, т.е. работа деформирования равна работе восстановления. Упругость тел при растяжении - сжатии характеризуется модулем упругости первого рода (модуль Юнга) Е [Па], а при сдвиге - второго рода (модуль сдвига) G [Па]. Простейший закон Гука получают из обобщённого закона с применением коэффициента Пуассона:

- при одноосном растяжении s = E ■ e;

- при сдвиге s = G ■ g.

Линейный закон Гука характеризует абсолютную упругость (эластичность) материала, т.е. свойство материала после снятия нагрузки возвращаться в первоначальное недеформированное состояние. Гуковское тело - это идеально

упругое тело, связь между напряжением и деформацией которого описывается законом Гука.

Аналогично закону Ньютона, закон Гука во многих случаях деформации пищевых материалов нарушается уже в эластичной области. Если некоторая часть деформации останется необратимой, то эту часть называют пластической деформацией.

Пластичность - способность тела под действием внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности. В реологии в этом смысле при деформациях существует понятие «предельное напряжение сдвига» (ПНС), обозначаемое 00. Это напряжение, при превышении которого в материале появляются пластические деформации.

Прочностью называют сопротивление тела действию внешних сил, которые приводят к течению или к их разрушению. Это способность тела воспринимать нагрузку без разрушения и образования остаточной деформации.

Твёрдость - это комплексное свойство негуковских тел оказывать сопротивление проникновению другого тела вследствие необратимых деформаций. Твёрдость нельзя выразить как физическую величину с однозначной размерностью. Она является некоторым техническим параметром, который выражается в относительных величинах в зависимости от метода определения.

Твёрдость определяется следующими методами:

- нанесением царапин (шкала твёрдости по Мосу);

- внедрение в исследуемое тело более твёрдого тела: шара (твёрдость по Бринелю), конуса (твёрдость по Роквеллу), пирамиды (твёрдость по Викерсу).

По величине силы и геометрическим параметрам остаточной деформации рассчитывают коэффициент твёрдости. Между коэффициентами, полученными с помощью различных методов, существуют определенные соотношения.

К другим физико-механическим свойствам материалов можно отнести:

- мягкость

- хрупкость

- когезию

- адгезию

- липкость

- внешнее трение.

Мягкость - свойство, противоположное твёрдости.

Хрупкость - свойство твёрдых тел достигать разрушения при незначительных пластических деформациях. Чисто гуковские тела обнаруживают хрупкое разрушение при любой скорости деформации. У негуковских тел хрупкое разрушение наступает только при высоких скоростях деформации или низких температурах, когда теряют действие вязкостные свойства.

Когезия - сопротивление тела разрушению, связанному с преодолением сил взаимодействия между атомами и молекулами на поверхности раздела. Между работой когезии и работой хрупкого разрушения существует прямая зависимость. Когезия характеризует сцепление частиц внутри рассматриваемого материала.

Адгезия - свойство, которое основывается на взаимодействии двух различных тел на границе раздела фаз и вызывает сцепление тел. При разделении тел необходимо преодолеть силы сцепления. Прочность соединения двух тел из различных материалов зависит от площади и состояния поверхности контакта между телами.

Липкость - свойство пограничного слоя вязких или пластичных материалов оказывать сопротивление разделению находящихся в контакте поверхностей.

Внешнее трение - сопротивление относительному перемещению двух находящихся в соприкосновении поверхностей твёрдого тела. Для начала скольжения необходимо приложить нагрузку, превышающую силы трения покоя.

Адгезия, когезия, коэффициент трения представляют группу поверхностных свойств среди структурно-механических характеристик. Они характеризуют усилие взаимодействия между рабочими поверхностями оборудования и перерабатываемого продукта при отрыве или сдвиге.

В процессе технологической обработки пищевые материалы находятся в контакте с поверхностями различных рабочих органов машин, транспортирующих устройств и т.п. Характер течения массы по каналам формующих машин разных типов (шнековых, валковых, шестеренных и др.), а также по технологическим трубопроводам определяется как её структурно-механическими свойствами, так и силами сцепления с поверхностями контакта.

Для пищевых материалов характерны разные виды отрыва (рис. 4). В ряде случаев для двух или более фазовых систем установить границу разрушения сложно. Поверхность пластины после отрыва может быть смочена дисперсионной средой или покрыта тончайшей плёнкой тонкодисперсной фракции исследуемого продукта.

Общей количественной теории адгезии пока нет, хотя весьма плодотворны попытки комплексного объяснения адгезии на основе различных механизмов взаимодействия.

а) б) в)

а) адгезионный; б) когезионный; в) смешанный- адгезионно-когезионный Рисунок 4 - Виды отрыва материала

Величину адгезии двух тел принято характеризовать:

• силой отрыва;

• удельной работой отрыва, отнесённой к единице площади;

• временем, необходимым для нарушения связи между субстратом и адгезивом под действием определённой нагрузки.

Наиболее распространёнными методами испытания являются:

а) неравномерный отрыв, который позволяет выявить изменения в значениях адгезионной прочности на отдельных участках ис­пытуемого образца;

б) равномерный отрыв, при котором измеряют значение усилия, необходимого для отделения адгезива от субстрата одновременно по всей площади контакта;

в) сдвиг одного материала относительно другого.

Часто адгезию характеризуют минимальной силой, необходимой для отрыва. Эту величину называют адгезионной прочностью, адгезионным давлением (напряжением), давлением прилипания или удельным прилипанием.

На формирование адгезионной связи большое влияние оказывают реологические свойства адгезива, чистота поверхности подложки и её топография, продолжительность контактирования адгезива и субстрата, давление при контакте, температура адгезива и подложки, скорость отрыва от подложки.

При эксплуатации оборудования, а также при проектировании и создании новых машин необходимо учитывать адгезионные явления, для того чтобы правильно выбрать материал деталей или покрытий, установить оптимальный режим работы. Например, при производстве мягких сортов конфет из пралиновых масс, сливочной помадки и ряда других в зависимости от назначения тех или иных органов машины приходится или увеличивать их адгезионное взаимодействие, или добиваться минимального прилипания. Так, если в питающей зоне

формующей машины прилипание массы к стенкам должно быть наименьшим, то в шнековой камере - наибольшим. Поверхность же шнека в противоположность выше сказанному должна быть гладкой, выполненной из материала, наименее прилипающего к массе.

Хотя до настоящего времени природа адгезии не выявлена, существует несколько теорий, объясняющих физико-химическую сущность адгезионных явлений: адсорбционная, электрическая, электромагнитная,

электрорелаксационная, диффузионная, термодинамическая.

Формально адгезия определяется как удельная сила нормального отрыва пластины от продукта:

po = F0/A0,

где F0 - сила отрыва, Н;

A0 - геометрическая площадь пластины, м².

Группа компрессионных свойств используется для оценки качества продукта (например, при растяжении - сжатии) и для расчёта рабочих органов машин и аппаратов. В группу компрессионных свойств входят:

- коэффициент бокового давления

- коэффициент Пуассона

- модуль упругости

- плотность

- удельный вес.

Плотность как одно из компрессионных свойств является существенной характеристикой пищевого материала - как при оценке качества продукта, так и при проведении технологических расчётов. Среднюю плотность p [кг/м³] для сравнительно небольшого объёма материала V [м³] определяют из соотношения:

p= М/ V,

где М - масса продукта, кг.

Истинная плотность равна пределу отношения массы к объёму, когда последний стремится к нулю.

Между плотностью и удельным весом g [Н/м³]существует простая зависимость:

g= Pg-

Плотность смеси из нескольких компонентов, когда они не вступают во взаимодействие, при котором меняется состав или объём смеси, вычисляется с учётом массовой концентрации каждого компонента смеси.

Плотность сыпучих веществ определяется с учётом наличия газового пространства между частицами вещества и называется насыпной плотностью.

Каждый материал обладает всем комплексом реологических свойств, хотя и в различной степени. У одного и того же материала в зависимости от его состояния и условий нагружения, могут проявляться, в большей или меньшей степени, различные реологические свойства. Например, макаронное тесто при мгновенном воздействии нагрузки ведёт себя в основном как упругое тело. При других условиях нагружения больше проявляются его вязкостные и пластические свойства. Поэтому в первую очередь необходимо выяснять, какие свойства исследуемого материала при заданных условиях деформирования являются основными, определяющими.

Среди пищевых масс встречаются материалы, весьма разнообразные по своим реологическим свойствам. Нередко в процессе технологической обработки один и тот же продукт переходит из одного реологического состояния в другое, противоположное по свойствам первому. Например, шоколад при отливке в форму переходит из вязкого (текучего) в твёрдое (хрупкое) состояние.

Тема 3. Структура и консистенция пищевых масс

3.1 Структура и консистенция как качественные характеристики

пищевых сред

Биотехнологические продукты имеют различную структуру и подвижность, характеризуемые качественным показателем — консистенцией.

Консистенция - это совокупность реологических свойств продуктов с различной структурой. Консистенция характеризует степень плотности, твердости продукта.

В зависимости от консистенции продукты по-разному деформируются при избранных видах нагрузки и скорости. Воспроизводимость характерных показателей, полученных при измерении консистенции, гарантирована только в том случае, если все условия измерения постоянны, особенно форма образца и его размеры, вид нагружения и его скорость. Результаты измерений обычно даются в относительных единицах, характерных для применяемого прибора. Обобщение результатов на другие условия измерения невозможно, так как консистенция отражает реологическое свойство в форме, трудно поддающейся математической обработке. При реометрическом анализе деформационные свойства материала, связанные с консистенцией, можно достаточно полно описать реологическими ха­рактеристиками или уравнениями состояния.

Структура - это строение продукта, характеризуемое размерами, формой и расположением частиц.

Структура определяется химическим составом, биохимическими показателями, дисперсностью, температурой, агрегатным состоянием и рядом технологических процессов и параметров.

Большинство пищевых продуктов содержат значительное количество воды (60—85%, а некоторые овощи — до 95—97%), но благодаря особому внутреннему строению и свойствам компонентов обладают определенной формой и структурой.

Придание пищевым изделиям в процессе производства заданной формы и структуры — одна из задач технологии пищевых продуктов.

По структуре биотехнологические продукты можно разбить на следующие группы:

• структурированные жидкости (молоко, сливки, концентрированное молоко без сахара, бульоны, расплавленный жир и т.д.),

• вязко-пластичные (фарш для вареных колбас, мясные паштеты, сметана, творожные изделия, сгущенное молоко с сахаром и т.д.)

• пластичные (фарш для полукопченых и сырокопченых колбас, плавленые сыры и т.д.) системы,

• упруго-эластичные (готовые мясные и рыбные колбасы, цельнокусковые мясные и рыбные изделия, сычужные сыры и т.д.) продукты, обладающие иными, чем ньютоновские жидкости структурно- механическими свойствами.

Понятие структуры включает в себя:

• макроструктуру, видимую невооруженным глазом,

• микроструктуру, определяемую при помощи оптического микроскопа,

• ультраструктуру, видимую только в электронном микроскопе.

Макроструктура и ее эквивалент «текстура» характеризуют, прежде всего, технологические аспекты образования и преобразования струк

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 2343; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!