2. Дисперсные системы

Всякое реальное тело, в том числе пищевой продукт, имеет струк­туру, т. е. состоит из отдельных, но более или менее связанных частей, отличающихся свойствами и имеющими границы раздела. О таких те­лах говорят, что они гетерогенные, в отличие от гомогенных тел, струк­туры не имеющих. Структурные части, обладающие одинаковыми свой­ствами, называются фазами. Понятие фазы довольно условно и опреде­ляется глубиной структурной модели. Переходя на все более высокий уровень детализации, можно выйти на кристаллические и атомные структуры. Очевидно, что дисперсное тело (система) должно иметь как минимум две фазы, но может иметь й больше. Рассмотрим некоторые представления о дисперсных системах на примере двухфазных.

Как правило, в двухфазных дисперсных системах можно выделить связанную фазу (не раздробленную, непрерывную), которую принято называть дисперсионной средой, и раздробленную, которую именуют дисперсной фазой.

2.1. Классификация по агрегатному состоянию

В нормальных условиях тела могут находиться в трех агрегатных состояниях. В табл. 2.1 приведена классификация двухфазных дисперс­ных систем в зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы.

Дисперсная фаза

жидкая

твердая

Дисперсион­ная среда

Ж/Г. Туман

(молоко, соки в рас­пылительных су­шилках)

Т/Г. Сыпучее тело, дым, пыль

(порошки, зерно, крупы, мука и т. п.)

Газ

Г/Ж. Пены, газовые эмульсии

Жидкость

(взбитые сливки, газированная вода, игристые вина)

Ж/Ж. Эмульсии, кремы

(масло в воде, майо­нез)

Т/Ж. Суспензии, золи, гели, пасты

(плодоовощные соки с мякотью, сырковая масса

)

Г/Т. Пористое тело, твердые пены

Твердое тело

(сыр, кость, зернов­ка, хлеб)

Ж/Т. Твердая эмульсия

(сливочное масло)

Т/Т. Твердая сус­пензия, сплав

(замороженная мы- шечная ткань

)2.1. Геометрические характеристики дисперсной фазы

В зависимости от формы и соотношения размеров частиц дисперс­ной фазы различают три вида дисперсных систем:

1. С трехмерной дисперсной фазой (характерные размеры в трех взаи­моперпендикулярных направлениях соизмеримы) - частицы, кап­ли, пузырьки, поры (рис. 2.1, а).

2. С двухмерной дисперсной фазой (один из характерных размеров много больше двух других) - нити, волокна, капилляры (рис. 2.1,6).

С одномерной дисперсной фазой (один из характерных размеров много меньше двух других) - пленки, мембраны (рис. 2.1, в).

Рис. 2.1. Размерность дисперсных систем

а б в

Если размеры частиц различны, но соизмеримы, то можно попы­таться охарактеризовать их одним средним или эквивалентным разме­ром. Для трехмерной фазы - средний размер по трем координатам:

а - (а_х + а_у+ а₇)/3.

Кроме оценки линейных размеров частицы, возникает необходи­мость оценивать такие характеристики, как площадь поверхности и объем. Очевидно, что они существенно зависят от формы частицы. Для устойчивых форм удается выразить их через линейные размеры.

Так, в зернопереработке форма зерна проса, сорго, гороха, сои при­нимается за сферическую.

Для зерна пшеницы площадь внешней поверхности может быть рассчитана по формуле:

S = 1,2а¹ + 3,766² + 0,88/² - 10,

где a, b, I - ширина, толщина, длина зерна, мм.

Форма зерна гречихи близка к тетраэдру

:

5= 1,73 а²; V=0,12 а\

где а - длина ребра.

Объем зерна других культур:

V = КаЬ-1,

где К - коэффициент, зависящий от вида зерна (0,52 - пшеница, ячмень; 0,42 - овес; 0,55 - кукуруза; 0,56 - просо, горох, сорго).

Наряду со средним размером используют понятие эквивалентного размера, например, для трехмерной фазы это диаметр такой сфериче­ской частицы, которая эквивалентна рассматриваемой частице непра­вильной формы по какой-либо из характеристик - площади поверхно­сти, объему (массе), скорости оседания и т. п.

5_Сф = п D², Dj_s = л/S/rc ;

К_сф = я D³/6, D,_v = л/б F/л ,

где D_3s, D_lV - эквивалентные диаметры частицы; S - площадь поверхности частицы; V - объем частицы.

Используется понятие приведенного размера:

Rv = 6V/S.

Форма зерна разных культур заметно различается: вытянутая с продольной бороздкой - для настоящих хлебов, сферическая - для про­са, сои, гороха, тетраэдальная - для гречихи.

Коэффициент (показатель) сферичности представляет собой отно­шение площади равновеликого по объему шара к площади внешней по­верхности зерна:

Иногда оперируют понятием, обратным коэффициенту сферично­сти, - коэффициент несферичности/= 1ЛР. Для сферы (шара) f^=yV- 1. Для остальных форм/> 1, а Ч* < 1.

Существуют математические зависимости, связывающие эти гео­метрические характеристики между собой, конкретный вид которых определяется формой зерновки.

В некоторых случаях удобной характеристикой дисперсности яв­ляется удельная поверхность частиц материала:

S_V = S/M,

^J 2

где S - площадь поверхности частиц, м ; М - масса частиц, кг.

Косвенной характеристикой крупности зерна является показатель, часто используемый технологами, - масса 1 ООО зерен.

Показатели геометрических характеристик зерна некоторых куль­тур приведены в табл. 2.2.