4.5. Маргарины

В рецептуру маргарина входят несколько компонентов, в результате эмульгирования которых образуется эмульсия, состоящая из жировой и водомолочной фаз [14]. В процессе производства маргарина эмульсию охлаждают для получения нужной консистенции и структуры.

В маргаринах содержатся жиры, в том числе в некоторых видах животного происхождения [15]. Так как вязкостные свойства жиров характеризуются двухпараметрической зависимостью и существенно зависят от градиента скорости и температуры, то это распространяется и на маргариновую продукцию. Влияние этих параметров на вязкость продукта особенно заметно при обработке маргарина в аппаратах скребкового и других типов, где он охлаждается и подвергается механическому воздействию.

Исследования вязкостных свойств некоторых видов маргариновой продукции проводились ранее. Однако в связи с достаточно широкой номенклатурой маргариновой продукции и отсутствием в ряде случаев данных по реологическим свойствам некоторых маргаринов были проведены вискозиметрические исследования маргаринов с различным содержанием в них жира.

4.5.1. Маргарины с содержанием жира 82 %

Содержание сравнительно большого количества жира и наличие эмульгаторов в маргарине являются основанием для того, чтобы отнести их к группе пищевых жиросодержащих продуктов, обладающих значительной аномалией вязкости. Эту отличительную особенность маргаринов необходимо учитывать при механических, гидродинамических и других расчетах оборудования, применяемого в процессе производства маргаринов.

Расчеты оборудования еще более усложняются, когда в процессе производства маргаринов изменяются их фазовые состояния. Так, в интервале температур от 15 до 45 С маргарины находятся в трех фазовых состояниях: застывшем, в стадии плавления и в расплавленном или почти расплавленном виде. При этом в зависимости от фазового состояния реологические характеристики маргаринов при одном и том же значении градиента скорости могут отличаться в десятки, сотни и тысячи раз.

Среди исследуемых маргаринов были следующие: «Сливочный», столовый «Молочный», бутербродный «Особый», бутербродный «Славянский» и столовый «Эра» [11].

На рис. 4.6 показаны зависимости вязкостных свойств маргарина бутербродного «Славянский» от градиента скорости при температурах 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 С. Экспериментальные данные приведены в табл. 4.6.

Рис. 4.6

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что в зависимости от температуры в интервале от 5 до 20 С вязкостные свойства продукта изменяются сравнительно равномерно, через каждые 5 С уменьшаются на 25–30 %. При последующем повышении температуры вязкостные свойства изменяются значительно быстрее; в интервале температур от 20 до 35 С через каждые 5 С они уменьшаются в три-четыре раза, что можно объяснить плавлением в этом диапазоне температур некоторых триглицеридов, имеющих сравнительно низкую температуру плавления.

Дальнейшее более резкое изменение вязкостных свойств маргарина при повышении его температуры свыше 35 С (см. рис. 4.6, график в верхнем правом углу) можно объяснить уже не частичным, а более массовым плавлением триглицеридов.

Характер изменения вязкости η маргарина бутербродного «Славянский» от градиента скорости в исследуемом диапазоне температур позволяет констатировать, что в интервале температур от 10 до 35 °С градиент скорости оказывает большее влияние на η, чем при температуре 40 С. При этом, если в интервале температур от 10 до 35 °С при увеличении в три раза значение η уменьшается в 2–2,5 раза, то при 40 °С при увеличении в три раза η уменьшается лишь на 20–30 %. Уменьшение влияния на η при температуре 40 °С объясняется понижением упруговязких свойств маргарина при более высоких температурах.

Наряду с маргарином бутербродным «Славянский», были исследованы реологические свойства следующих маргаринов: бутербродного «Особый», столового «Эра», «Сливочный» и столового «Молочный». Анализ вязкостных характеристик маргаринов бутербродного «Особый», «Сливочный», столового «Эра» и столового «Молочный» показывает, что характер изменения вязкости от температуры и градиента скорости такой же, как и у маргарина бутербродного «Славянский». Абсолютные значения вязкости зависят от компонентов маргарина и их количественного соотношения.

У всех исследуемых маргаринов с увеличением температуры и градиента скорости вязкость уменьшается.

Для определения вязкости маргарина при каких-либо промежуточных значениях температуры и градиента скорости, имевших место при проведении исследований, опытные данные обрабатывали в двух координатных системах, а именно в виде зависимости безразмерной вязкости от градиента скорости .

При обработке опытных данных в логарифмических координатах – (рис. 4.7) значение масштабного градиента скорости принимали равным 0,5 с^–1, т. е. одним из тех, которое находилось в диапазоне изменения , имевшего место в опытах. Значения безразмерной эффективной вязкости маргарина бутербродного «Славянский» для различных значений в исследуемом интервале температур приведены в табл. 4.7. В целях получения обобщенных зависимостей, характеризующих вязкостные свойства всей группы исследуемых маргаринов, средние значения безразмерной эффективной вязкости для тех же соответствующих значений градиента скорости были определены и для других исследуемых маргаринов, а затем обработаны в координатах lg – lg. Значения брали усредненными для каждого при всех исследуемых температурах.

Как видно из рис. 4.7, экспериментальные данные всех маргаринов удовлетворительно размещаются вдоль одной линии для всех значений температур.

Рис 4.7

Опытные данные маргаринов (см. рис. 4.7) описываются расчетной зависимостью

. (4.12)

Погрешность значений , рассчитанных по формуле (4.12), не превышает ±4,6 % при α = 0,95.

Результаты исследований реологических свойств маргаринов были также обработаны в виде зависимости касательного напряжения от градиента скорости. На рис. 4.8 показаны кривые течения маргарина бутербродного «Славянский» в логарифмических координатах . Экспериментальные данные для этого маргарина приведены в табл. 4.6.

В указанных координатах кривые течения для каждой исследуемой температуры с достаточной точностью аппроксимируются прямыми линиями. Аналогичное спрямление прямых имеет место при изменении градиента скорости на один-два порядка у расплавов полимеров, что отмечает Мак-Келви [2].

Кривые течения, полученные для маргаринов «Сливочный», «Молочный», «Особый» и «Эра», аналогичны кривым течения маргарина «Славянский». Характер изменения касательного напряжения от градиента скорости позволяет сделать вывод о принадлежности всей группы исследуемых маргаринов к неньютоновским псевдопластичным жидкостям. Обработка опытных данных маргаринов в координатах (рис. 4.9) показывает, что экспериментальные данные всех исследуемых маргаринов удовлетворительно размещаются вдоль единой прямой.

Опытные данные (см. рис. 4.9) аппроксимируются формулой

. (4.13)

При α = 0,95 погрешность значений , вычисленная по формуле (4.13), не превышает ±5,9 %.

Для определения вязкости маргаринов при любых промежуточных значениях температур в диапазоне их изменений, имевших место при проведении исследований, необходимо, кроме зависимости = f (), показанной на рис. 4.7, иметь данные о температурных коэффициентах вязкости маргаринов, приведенных в табл. 4.8.

Расчетная зависимость по определению а_ для маргаринов «Сливочный», «Молочный», «Эра» и «Славянский» имеет вид

(4.14)

При α = 0,90 погрешность результатов, вычисленных по формуле (4.14), не превышает ±26,4 % в интервале температур –5 ≤ Т–Т_пр ≤ 20 °С.

Другой величиной, необходимой для определения эффективной вязкости маргарина, является масштабная вязкость продукта при температуре приведения. Значения приведены в табл. 4.9.

Рис. 4.8

Рис. 4.9

Исходя из полученных расчетных зависимостей формула для определения вязкости маргаринов имеет вид

. (4.15)

Формула для определения касательных напряжений исследуемых маргаринов имеет вид

. (4.16)

По формуле (4.16) можно определить значения  для всех маргаринов, указанных в табл. 4.10.