12.1. Реология в производстве пищевых продуктов

Пищевые отрасли вырабатывают огромное количество продуктов от элементарных по составу (например, поваренная соль или минеральная вода) до самых сложных в биологическом строении (например, мясные и рыбные продукты). Не менее разнообразно по состоянию и свойствам перерабатываемое сырье: от простых минеральных соединений до живых организмов. Многообразие применяемого сырья, необходимость направленной его обработки, связанной в ряде случаев с качественным изменением свойств сырья, вызывают необходимость применения разнообразных операций, форм воздействия, их интенсивности и характера подведения энергии к обрабатываемому сырью. В связи с этим перед научными и производственными работниками пищевой промышленности стоят проблемы создания и освоения прогрессивных технологических процессов с применением физических методов обработки: создания новых видов оборудования, обеспечивающих повышение эффективности производства; разработки объективных научных методов оценки качества сырья и продуктов и так далее. При решении этих вопросов существенное значение имеют реологические методы как научный фундамент для практических и теоретических разработок.

Качественное развитие реологии, которая играет важную роль в инженерной физико-химической механике, видно из следующих этапов ее изменения.

Классическая реология как наука о течении и деформации реальных тел (техническая механика реальных тел или дисперсных систем) ставит своей задачей изучение свойств существующих продуктов и разработку методов расчета процессов течения их в рабочих органах машин.

Физико-химическая механика как наука о способах и закономерностях формирования структур дисперсных систем с заранее заданными свойствами ставит своей задачей:

• установление сущности образования и разрушения структур в дисперсных и нативных системах в зависимости от совокупности физико-химических, биохимических, механических и других факторов;

• исследование, обоснование и оптимизацию путей получения структур с заранее заданными технологическими (в самом широком понимании этого слова) свойствами.

В задачу управляющей реологии входит исследование и обоснование такого сочетания различных видов воздействия, при которых обеспечивается заданный уровень реологических характеристик в течение всего технологического процесса.

Инженерная физико-химическая механика решает перечисленные выше задачи, кроме того, разрабатывает способы приложения установленных закономерностей для расчета машин и аппаратов и оперативного контроля основных показателей качества по значениям величин структурно-механических характеристик.

Реализация исследований методами инженерной физико-химической механики позволяет стабилизировать выход изделий, получать готовые продукты постоянного, заранее заданного качества, научно обосновывать понятие качества продуктов, рассчитывать, совершенствовать и интенсифицировать технологические процессы, «конструировать» те или иные виды пищевых продуктов и так далее. Это показывает, что реология и инженерная физико-химическая механика пищевых продуктов превратились из пассивных отраслей знания в производительную силу, позволяющую активно вмешиваться в производственные процессы с целью разработки новых и совершенствования существующих.

Основные структурно-механические свойства можно классифицировать по характеру приложения к продукту внешних усилий и вызываемых ими деформациям:

• сдвиговые свойства - проявляются при воздействии касательных усилий;

• компрессионные - при воздействии нормальных усилий;

• поверхностные - при сдвиге или отрыве продукта от твердой поверхности.

При этом поверхностные явления, возникающие в межфазных разделах дисперсных гетерогенных систем и характеризующие внутреннюю структуру продукта, в последней группе свойств рассматриваются только частично, то есть в данное понятие вложен смысл, несколько отличающийся от традиционного. В зависимости от принятой модели реального тела в каждой группе свойств может существовать множество показателей: вязкость, пределы текучести, периоды релаксации, модули упругости, коэффициенты внешнего трения и т.п. Для измерения этих характеристик разработаны и используются самые различные приборы периодического и непрерывного действия.

Любой процесс следует рассматривать как непрерывную смену явлений во времени, не только комплексно, но и по наиболее характерным признакам. При этом описания явлений, которые выражают внешнюю форму внутренней природы материала, должны объективно отражать характерные внутренние связи. Для получения уравнений, применяемых в технических расчетах, в большинстве исследований и выводов из них основываются на гипотезах, рассматривающих материал с макроскопической точки зрения в качестве сплошной деформируемой среды, мерами подвижности частиц которой являются амплитуда и скорость смещения с непрерывным распределением основных физических свойств и деформаций.

Такой подход позволяет не рассматривать сложные молекулярные движения в телах, а использовать для описания процессов аппарат математического анализа, применяемого к непрерывным функциям. Однако наряду с признанием феноменологичекого способа реализация обработки продуктов физическими методами невозможна без изучения молекулярных взаимодействий в реальных системах. Например, классификация пищевых дисперсных систем учитывает ряд основных факторов: дисперсность, агрегатное состояние и тип контактов между дисперсными фазами. Большую роль при этом играют фундаментальные положения органической, физической, коллоидной и биологической химии.

Любые измерения, как бы тщательно они ни проводились, не могут дать двух абсолютно тождественных результатов. Как показала практика экспериментальных иследований, при измерении величин структурно-механических характеристик пищевых продуктов удовлетворительной считается ошибка ±2% для жидкообразных и до ±10% для твердообразных систем. В отдельных случаях, например, при измерении плотности, ошибки могут быть на порядок меньше.

Рассматриваемые вопросы направлены на возможность более глубокого понимания происходящих изменений в сырье в процессе его превращения в готовый продукт; влияния различных технологических процессов на формирование качества продукта; в ряде случаев дается предпосылка по-новому организовать технологические процессы, позволяющие улучшить качество изделия при постоянном контроле некоторых определяющих процесс характеристик, таких, как, например, реологические свойства.

Среди комплекса физических свойств реологические (структурно-механические) являются главнейшими; они часто предопределяют поведение продуктов в самых разнообразных технологических процессах и энергетических полях, являются внешним выражением внутренней сущности объектов, то есть характеризуют агрегативное состояние, дисперсность, строение, структуру и вид взаимодействий внутри продукта.

Реология как наука о деформации и течении реальных тел исходит из феноменологического поведения тел при механическом нагружении. Она исследует соотношение между действующим на тело напряжением и его действием деформацией.