1.3 Теоретическая часть модуля

Физико-химическая механика — раздел коллоидной химии, изучающий реологию дисперсных систем и материалов.

Реология — это наука о деформации и течении тел. Слово «реология» от греческого «рео», что означает течение.

Деформация характеризует изменение относительного расстояния между двумя произвольно выбранными точками тела. В отношении твердых тел деформация приводит к изменению формы или размера тела целиком или его части, а в отношении структура равных пищевых масс — к течению (тесто, мука, сгущенное молоко, майонез и т.д.) или даже к их разрыву (конфеты, хлеб и т.д.).

Значительная часть процессов в пищевой технологии связана с переработкой структурированных дисперсных систем. Реологические исследования позволяют решать многие инженерные проблемы и совершенствовать технологические процессы.

По реологическим свойствам и параметрам их определяющим все пищевые массы можно разделить на сыпучие (мука, сахар, сухие дрожжи, порошки детского питания, диетического назначения и др.) и упруго-вязко-пластические (главным образом тесто, кондитерские массы и др.).

Сыпучие пищевые массы способны течь.

Существует несколько точек зрения на определение «сыпучие материалы». Высокодисперсные и среднедисперсные системы, диаметр частиц которых не превышает 10 мкм, называют пылью. К порошкам относятся системы, имеющие частицы размером до несколько сотен мкм. Если частицы более крупные, то такие системы относят к сыпучим материалам.

В различных отраслях промышленности, в том числе и пищевой, не принято учитывать эти разграничения, и все подобные системы считают сыпучими материалами, массами или продуктами. К числу наиболее распространенных сыпучих пищевых масс относится мука. Технология многих отраслей пищевой промышленности связана с хранением, перемещением, смешиванием, дозировкой и транспортировкой сыпучих пищевых масс.

Их свойства и способности течь помимо других факторов зависят от числа частиц дисперсной фазы, т.е. счетной концентрации. Когда взаимодействие между частицами практически исключено, то частицы способны к взаимному перемещению, положение их в дисперсной системе не фиксируется и под действием внешних факторов (например, гравитации), частицы могут перемещаться. Такие системы называются свободнодисперсными.

С

Рисунок 1 - Свободнодисперсные (а) и связнодисперсные (б) системы.

вободнодисперсные — это системы, в которых частицы дисперсной фазы в состоянии свободно перемещаться по всему объему системы (рисунок 1, а). Свободнодисперсные системы текут подобно любой жидкости и газу. Наличие частиц дисперсной фазы приводит лишь к некоторому росту вязкости системы по сравнению с вязкостью дисперсионной среды.

Свободнодисперсной системой является, например, диффузионный сок, который образуется после обработки сахарной свеклы. В нем содержатся частицы белка и крахмала, весовая концентрация которых не превышает 6%.

При увеличении числа частиц и сил взаимодействия между ними дисперсные системы приобретают новые качества. Частицы в состоянии взаимодействовать между собой. В результате подобного взаимодействия образуется структура (рисунок 1, б). Структура представляет собой пространственный каркас, состоящий из частиц дисперсной фазы.

Системы, в которых частицы дисперсной фазы связаны между собой и не способны перемещаться друг относительно друга, называют связнодисперсными. Связнодисперсные системы образуют кондитерские массы, студни, тесто, мясо и мясные изделия и т.д. Связнодисперсные системы в отличие от свободнодисперсных обладают прочностью. Они способны, течь подобно твердому телу, противодействовать в определенных условиях внешнему усилию. Связнодисперсные системы обладают определенными механическими свойствами, к которым помимо прочности относятся упругость, эластичность и пластичность. Они определяют их структурно-механические свойства.

Рисунок 2 - Контакт между частицами: коагуляционный (а) и через прослойку жидкости (б), конденсационно-кристаллизационный (в)

Между частицами связнодисперсных систем существует непосредственный контакт (рисунок 2) и возникает связь. В зависимости от природы различают коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные контакты. Взаимодействие частиц в коагуляционных контактах может происходить непосредственно (рисунок 2, а) или через прослойку жидкости (рисунок 2, б). Граница раздела фаз между частицами сохраняется. Связь частиц в коагуляционных контактах структуры осуществляется за счет сил межмолекулярного взаимодействия. А сам контакт локализуется на небольшой поверхности (точечный контакт). Коагуляционные структуры являются тиксотропными. После разрушения они способны самопроизвольно восстанавливаться с течением времени.

Таким образом, тиксотропия — это способность структурированных систем восстанавливаться после разрушения.

Сила взаимодействия двух частиц радиусом 1 мкм для коагуляционных контактов может быть порядка 10^9 — 10^7Н; в случае конденсационно-кристаллизационных контактов эта сила может увеличиваться до 10^3Н, т.е. на несколько порядков.

Аморфные частицы в некоторых условиях могут образовать конденсационные, а кристаллические частицы (поваренная соль) — соответственно кристаллизационные контакты. В конденсационно-кристаллизационных контактах и структурах между частицами образуются мостики; возможно даже срастание частиц. (Рис. 2 в). Граница раздела фаз между частицами исчезает и по этой причине подобные контакты, называют фазовыми. Связь между частицами значительно превышает межмолекулярное взаимодействие коагуляционных структур. Конденсационно-кристаллизационные структуры — необратимы и не обладают тиксотропией. После разрушения такой структуры она не в состоянии самопроизвольно восстановиться. Пищевые массы могут быть связнодисперсными системами, а также образовывать структуры на основе твердой дисперсионной среды.

С

Рисунок 3 - Прочность на сдвиг: сила сдвига, — внешнее давление

вязнодисперсные пищевые массы обладают определенной прочностью. О

Рисунок 4 Прочность на разрыв: — сила отрыва; Б—Б — площадь разрыва.

на определяется прочностью на разрыв (рисунок 3) и сдвиг (рисунок 4).

Последнее характеризует течение сыпучих пищевых масс.

Течение сыпучих пищевых масс, относящихся к связнодисперсным системам осуществляется силой, направленной тангенциально к зоне контакта пищевой массы с поверхностью. В отличие от течения сплошных сред (жидкости и упруго-вязко-пластических тел) течения сыпучих материалов заключается в перемещении отдельных агрегатов частиц при сохранении границы раздела между частицами.

Сыпучий материал на поверхности образует слой (рисунок 4). Образование структуры сыпучего материала зависит от контактных взаимодействий между частицами и частиц с поверхностью, т.е. аутогезии и адгезии.

Адгезия — это связь разнородных по форме тел (в данном случае поверхность  частицы) при молекулярном контакте.

Аутогезия — это связь однородных по форме тел (в данном случае частицы — частицы) при их молекулярном контакте.