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

D = тр/т, 5

e' = de/dt, g = dgdt 21

y = K g_e 38

РО \ 143

S 143

► им 143

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.