Задания

1. Провести для образцов творога и сыров измерения пенетрации с использованием конических инденторов с различными углами при вершине.

2. Рассчитать величины предельного напряжения сдвига для исследованных образцов.

3. Провести исследований образцов, выдержанных в термостате при разных температурах. Сделать вывод как влияет температура на предельное напряжение сдвига.

4. В координатах предельное напряжение сдвига – угол при вершине индентора ( – α) построить графики по вычисленным при различных Кα для каждого конуса.

5. Проанализировать получаемые величины при использованием конических инденторов с различным углом при вершине.

6. Проанализировать получаемые величины , рассчитанные с учетом различных коэффициентов пропорциональности. Определить какой коэффициент пропорциональности обеспечивает значение предельного напряжения сдвига с минимальной погрешностью при использовании конических инденторов с различным углом при вершине. Для этого по полученным графикам оценить – какой из коэффициентов Кα при прочих равных условиях дает инвариантные, т.е. независимые от угла α при вершине индентора значения .

Вопросы

1. Почему оценка предельного напряжения сдвига важна для пищевых материалов? Какие факторы влияют на эту величину?

2. Что характеризует консистенция продукта? На каком принципе основаны приборы для оценки консистенции?

3. Что такое пенетрация? На какие группы делят пенетрометры?

4. Для чего нужны пластомеры? В чем суть их работы?

5. Поясните этапы процесса погружения конуса в продукт согласно теории конических пластометров академика Ребиндера.

6. Какие показатели, помимо предельного напряжения сдвига, можно получить с помощью конического пластометра?

7. Схемы и формулы для расчета предельного напряжения сдвига и предельного давления.

8. Формула Ребиндера для определения предельного напряжения сдвига. Ее физическая сущность.

9. Как узнать константу конуса? Что значит «измерения инвариантны»?

10. Устройство конического пластометра, предложенного Воларовичем.

11. Достоинства и недостатки известных пластометров.

12. Порядок работы на коническом пластометре.

13. Как выставить конический пластометр по уровню? Для чего это делается?

14. Как выбрать подходящий конус?

15. Как проводят подготовку образцов к измерениям?

16. Почему длительность погружения конуса в опытах составляла именно 180 с?

Лабораторная работа № 4 экспресс-анализ консистенции молочных продуктов с помощью ротационного вискозиметра

Цель работы: освоить порядок работы с вискозиметром ротационным при экспресс-анализе, провести анализ консистенции молока сгущенного с сахаром и сметаны; определить зависимость консистенции образцов от жирности и температуры.

Материальное обеспечение работы. Экспресс-анализатор консистенции ЭАК-1М, весы, термометр, плитка или водяная баня, стаканчик стеклянный на 100 мл, образцы сгущенного молока, образцы сметаны различной жирности.

Теоретическая часть

Жидкость – состояние вещества, в котором оно может неограниченно менять форму при механическом воздействии снаружи, даже очень малом, практически сохраняя при этом объём.

У жидкости нет такой сильной, как у твердого тела, внутренней связи между частицами, чтобы сопротивляться воздействию внешних сил (как самого простого примера, силы тяжести), поэтому та же сила тяжести не размазывает о стол лежащий брусок сыра, но вжимает молоко в стакан, заставляя молоко принять его форму. Это свойство жидкостей называется текучестью.

Другое важное свойство жидкостей, роднящее их с газами – вязкость. Она определяется, как способность оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой.

Когда соседние слои частиц (молекул, мицелл), составляющих жидкость, движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение частиц, и возникают силы, затормаживающие их упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения частиц переходит в тепловую – выделяется тепло, что аналогично результату действия сил сухого трения, когда трущиеся поверхности разогреваются.

Заметность действия сил вязкого трения легко увидеть, размешивая, в емкости воду. Помешивая ложкой по окружности маленького радиуса, в центре емкости, мы замечаем, что сначала вращается лишь центр водяной линзы, а потом, постепенно, во вращение начинают вовлекаться все новые и новые наружные слои жидкости – и они вовлекаются за счет трения слоев молекул воды друг о друга. Чем больше вязкость размешиваемой жидкости – тем больше сил приходится прикладывать к ложке, и тем легче вовлекаются в движение внешние слои.

Вязкостью обладают все жидкости, и у всех она разная. Сжиженные газы очень текучи, жидкости при комнатной температуре тоже не слишком вязкие. Наибольшей же вязкостью обладают не однокомпонентые, а сложные системы, как правило, коллоидные (гели, эмульсии частиц микрометровых размеров) или суспензии. Жидкостями с крайне высокой вязкостью можно считать стекла. Вязкость стекол настолько высока, что при механическом воздействии на стекло оно предпочтет скорее иметь нарушенную структуру, нежели сместить слои своих молекул друг относительно друга – и лопнуть, вместо того, чтобы потечь. Вместе с тем, если посмотреть, например, на старое оконное стекло, которому уже несколько (минимум пять) десятков лет, то можно заметить, что вверху и внизу стеклянный лист имеет неодинаковую толщину. Это говорит о том, что стекло все-таки течет, но крайне медленно.

Все обладающие вязкостью жидкости подразделяются на ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновские жидкости имеют вязкость, не зависящую от силы (а точнее, от изменения скорости деформации), которую к ним прикладывают. Следует пояснить, что вязкость – это коэффициент пропорциональности между образующейся в жидкости в ответ на деформацию силой вязкого трения (а точнее, касательного напряжения), и изменением скорости этой деформации.

Течение ньютоновских жидкостей подчиняется уравнению Ньютона.

Уравнение Ньютона:

, (1)

где – напряжение сдвига, Па;

– скорость деформации сдвига, с^–1;

(2)

где – деформация сдвига – это отношение смещения верхнего слоя (у) к высоте (х), на которой наблюдается это смещение, т.е. – безразмерная величина;

– время действия напряжения, с;

 – коэффициент вязкости, который часто кратко называют вязкостью, Па  с.

Таким образом, вязкость идеальной жидкости:

(3)

Отметим, что вязкость жидкости в условиях ее ламинарного течения не зависит от способа ее измерения и является однозначной характеристикой реологических свойств идеальной жидкости.

Часто вязкость выражают в виде отношения коэффициента вязкости и плотности:

, (4)

где – плотность жидкой системы.

называется кинематической вязкостью. называют динамической вязкостью.

Ньютоновская вязкость зависит только от температуры и давления и полностью характеризует поведение жидкости.

Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Неньютоновские вязкие жидкости характеризуются тем, что их свойства не зависят от времени, а касательное напряжение является простой функцией градиента скорости. Они подразделяются на вязкопластичные жидкости, псевдопластичные жидкости, дилатантные жидкости.

Если к вязкопластичной жидкости прикладывать напряжение сдвига, меньшим по величине, чем пороговое значение, то такая жидкость будет оставаться в покое. Как только напряжение сдвига превысит, вязкопластик начнет течь, как обычная ньютоновская жидкость. Иначе говоря, привести в движение вязкопластичную жидкость можно, лишь преодолев её предельное напряжение. Такое поведение вязкопластиков объясняется тем, что в жидкости, находящейся в покое, образуется жесткая пространственная структура, оказывающая сопротивление любому напряжению, меньшему, чем пороговое. К вязкопластичным жидкостям можно отнести масляные краски, зубную пасту – то есть то, что похоже на пасту, главным образом суспензии.

К псевдопластичным жидкостям относятся жидкости, содержащие несимметричные частицы или молекулы высокополимеров, например, суспензии или растворы полимеров, подобных производным целлюлозы. При маленьких изменениях скоростей деформации молекулы высокополимеров или несимметричные частицы своими большими осями ориентируются вдоль направления движения, вследствие чего возрастает напряжение внутри. После завершения ориентирования поведение жидкости не отличается от ньютоновского. Иными словами, если нажимать на псевдопластическую жидкость не резко, то ее вязкость будет высока, а если резко – то будет уменьшаться. Пример - размешивание сахарного сиропа или киселя.

К дилатантным неньютоновским относятся жидкости с большим содержанием твердых частиц. При движении с небольшим градиентом скорости жидкость играет роль смазки между твердыми частицами и уменьшает трение. При дальнейшем увеличении градиента скорости жидкость ведет себя, как ньютоновская. Хорошими примерами дилатантных жидкостей являются крахмальное молочко (1-2 части крахмала на одну часть воды), или сгущенное молоко с сахаром.

Характерные кривые течения жидкостей приведены на рис. 1. На этом рисунке прямая I соответствует поведению ньютоновской жидкости, кривая II отвечает течению неньютоновской жидкости.

На этой кривой II практически прямолинейный участок ОА соответствует малым скоростям течения, при которых системе наносятся незначительные повреждения, так как разрушения, связанные с течением, успевают тиксотропно восстанавливаться. Таким образом, течение системы происходит без разрушения ее структуры. Это так называемое явление ползучести, оно протекает при максимальной вязкости системы (_max).

Далее, с ростом напряжения (Р), начинается постепенное разрушение временных контактов между элементами структуры и образование других. В результате возникает динамическое равновесие, скорость деформации (течения) резко возрастает и для многих пластичных систем реологическая кривая выходит на прямолинейный участок ВС кривой II, соответствующий так называемой пластической вязкости (^*) системы.

Рис. 1. Кривые течения: PТ – динамическое предельное напряжение сдвига, соответствующее пределу текучести по Бингаму; PМ – мимнимальное напряжение сдвига, отвечающее полностью разрушенной структуре

Экстраполяция прямой ВС на ось Р дает значение P_т, которое называется предельным динамическим напряжением сдвига. Участок пластического течения ВС описывается уравнением Шведова – Бингама:

, (5)

где ^* – пластическая вязкость системы.

Из уравнения Ньютона (1) с учетом (5) получаем:

₍₆₎

из которого видно, что с ростом Р значение  уменьшается и в пределе , при Р >> P_Т величина   ^*, которая стремится к _min ,соответствующей системе с полностью разрушенной структурой (участок CD).

Т.о., вязкость структурированной системы в процессе течения под действием возрастающего напряжения сдвига изменяется от _max , отвечающего неразрушенной структуре, до _min , характерного для полностью разрушенной структуры. Разность значений этих величин может составлять несколько порядков и характеризует, наряду с P_Т, прочность системы.

Изменение вязкости широко используется на практике. Для перекачки структурированных жидких систем (например, растительные масла) необходимо создать такую скорость, которая бы соответствовала минимальной вязкости, а при перевозе в емкостях – наоборот.

Молоко сгущенное цельное получают из пастеризованного коровьего молока выпариванием из него части влаги и консервированием сахаром. Основной показатель качества сгущенного молока - консистенция. При сгущении молока изменяются показатели консистенции: вязкость, плотность, поверхностное натяжение.

Консистенция обусловливается составом и свойствами сырья и физико-химическими изменениями составных частей молока во время технологических операций производства продукта.

Сгущенные молочные смеси обладают вязкоупругими свойствами. Вязкость продуктов обусловлена состоянием белков и солей и зависит от химического состава молока, его кислотности, режимов пастеризации и сгущения.

Одним из основных факторов, влияющих на консистенцию, является химический состав молока, главным образом его белково-солевой состав. Для производства продукта наиболее пригодно молоко с низкой величиной соотношения между жиром и СОМО (около 0,41), с мелкими жировыми шариками и казеиновыми мицеллами и содержанием кальция не более 125 мг%. Эти показатели зависят от времени года, породы, стадии лактации и др. факторов.

От режимов пастеризации зависит вязкость и стойкость консервов против загустевания. Температуры пастеризации молока 85-95 °С способствуют повышению вязкости сгущенного молока с сахаром, при температурах выше 100 °С продукт получается сравнительно жидкой консистенции.

Плотность при сгущении обезжиренного молока до массовой доли сухого молочного остатка 45% изменяется в большей степени и имеет большую величину, чем в цельном молоке при одинаковых условиях сгущения. Показатели текучести в сгущенном обезжиренном молоке снижаются в 20 раз, а цельном — в 2,8 раза по сравнению с исходным сырьем.

Плотность сгущенного молока зависит от способа варения. Если  сгущенное   молоко  сварено традиционным способом, на вакуум-выпарных установках, его консистенция — жидкая. Показатель вязкости регламентируется. Слишком густое сгущенное   молоко  свидетельствует о нарушении технологии производства или о применении эмульгаторов.

Вязкость готового продукта зависит от кислотности молока. Повышение кислотности сырого молока нарушает солевой баланс молока, снижает тепловую устойчивость казеина и отрицательно сказывается на консистенции готового продукта.

Рисунок 2. Изменение вязкости ν сгущенной молочной смеси с сахаром и без сахара в зависимости от массовой доли сухих веществ С.

Вязкость изменяется пропорционально кратности n сгущения (концентрирования). Основное влияние на изменение вязкости в зависимости от n оказывают ККФК (казеинаткальцийфосфатный комплекс) и сывороточные белки. В молоке коров некоторых пород солевое равновесие сдви­гается в сторону избытка ионов кальция и магния. Содержание кальция в молоке зависит от времени года: осенью оно выше (136 мг%), чем летом (124 мг%). Избыточный кальций может связываться с ККФК, устойчивость которого к тепловому воздействию при этом может снижаться, казеин и фосфат кальция выпадают в осадок. Солевое равновесие в молоке может нарушаться и по другим причинам.

Вязкость сгущенных молочных кон­сервов зависят от размеров частиц ККФК исходного молока. Для консервирования наиболее пригодно молоко с меньшими размерами частиц ККФК.

По мере увеличения n массовая доля ККФК в водной части сгущаемого молока увеличивается. Растворы ККФК при массовой доле в водной части более 18-20 % утрачивают текучесть. Только при массовой доле ККФК в водной части менее 18-20% вязкость сгущаемого продукта изменяется пропорционально увеличению n. При массовой же доле ККФК в водной части более 18-20%, что соответствует общей массовой доле сухих веществ около 50%, происходит скачкообразное увеличение вязкости, вплоть до полной утраты текучести (рис. 2).

Согласно ГОСТ 2903-78 вязкость свежевыработанного молока цельного сгущенного с сахаром (до 2 мес. хранения) должна составлять не более 3-10 Па·с. В процессе хранения она повышается, по стандарту допустимо в течении 2-12 месяцев увеличение вязкости до 15 Па.с. При большем увеличении вязкости наблюдается порок «загустевание»

Сметана относится к структурированным дисперсным системам. В процессе её производства происходит разрушение дисперсной системы, в результате чего структурно-механические свойства продукта претерпевают изменения.

Среди основных реологических свойств — пластичности, вязкости, прочности, упругости и других, наиболее существенное влияние на гидродинамические и тепловые процессы при выработке сметаны оказывают вязкостные свойства её.

Характерной особенностью сметаны является то, что её вязкостные свойства претерпевают значительные изменения не только при изменении температуры продукта, но и при изменении градиента скорости сдвига, который имеет место при различных видах механического воздействия на продукт, например, при транспортировании продукта по трубопроводу, истечении его через дозирующее устройство, при перемешивании продукта в ёмкости мешалками и в других случаях. Весьма значительные изменения градиента скорости сдвига имеют место при перемешивании сметаны в ёмкости.