книги из ГПНТБ / Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов

ку. В качестве источника энергии используется пар, горячий воздух, вода или электрический ток, который может подводить­ ся к фаршу через поршни с торцов. Для окончательной терми­ ческой обработки (без формы) применяют горячий воздух, инфракрасное излучение и rfp. Однако’, несмотря на кажущую­ ся простоту вопроса и многолетние работы в этой области, проблема еще полностью не решена.-Такое положение созда­ лось в связи с тем, что проектировщики не учитывали реоло­ гические свойства фарша в условиях нормального напряжен­ ного состояния (сжимаемость, характер распределения давлений по высоте формы и пр.), их температурные изменения, а тепло- и электрофизические характеристики изучали без давления, что не соответствует состоянию фарша в форме при термообра­ ботке.

На кинетических кривых рис. 28 с момента начала варки — от 180 с и далее деформации уменьшаются при любом давлении. При наименьшем давлении (0,312-105) они переходят в отрица­ тельную область, т. е. объем фарша становится больше началь­ ного. Объяснить такое резкое увеличение объема только тепло­ вым расширением, конечно, нельзя. Очевидно, расширение фарша в основном происходит в результате изменения конфигу­ рации фибриллярных и развертывания цепей глобулярных бел­ ков при обязательном присутствии воды. Плавное уменьшение деформации (см. рис. 28) обусловлено наличием температур­ ного градиента. Температура, при которой деформация дости­ гает минимума (£„„„), непостоянна, но зависит от влагосодержания: при влагосодержании 2,0—2,1 температура в этой точке около 55° С, при влагосодержании 2,5—2,6 — около 60°С и при влагосодержании 3,0 — около 65° С. При недостаточно тонком измельчении соединительной ткани, например, на куттере, емкость чаши которого 80 л, температура минимума де­ формаций снижается примерно на 10—20° С.

Уменьшение относительной деформации фарша при нагревании, вызванное увеличением объема, можно охарактеризовать удельной объем­ ной работой деформации Ауд (Дж/м3) по уравнению

ДА

найти расчетную зависимость для фарша русских сосисок при отклонении экспериментальных данных не более ±8% :

100

Минимум удельной работы приходится на критическое влагосодержа­ ние, которое для фарша русских сосисок составляет 2,4. По удельной ра­ боте можно вычислить максимальную величину объема по приращению

Отмеченный эффект увеличения объема при термической, обработке фарша и количественные обоснования процесса имеют большое практическое значение для проектирования ап­ паратов, в которых фарш нагревается в замкнутых формах; для определения прочностных характеристик колбасной обо-г лочки с учетом ее возможной растяжимости и т. д. t

При дальнейшем нагревании фарша до готовности деформа­ ции увеличиваются, а объем уменьшается, если происходит отделение жира и бульона из объема продукта. Если форма достаточно герметична, то уменьшения объема не наблюдается.

Термограммы варки фарша позволили вычислить эффективный коэф­ фициент температуропроводности а (м2/с), который для интервала тем: ператур 50—71° С лежит в пределах от 6 - 10-8 до 15-10-8. С увеличением

Поставленные эксперименты дают возможность сделать некоторые выводы. Коэффициент температуропроводности характеризует молеку­ лярный перенос внутренней, тепловой энергии тела, как отмечает акад. А. В. Лыков. В точке перегиба функции «относительная избыточная тем­ пература — время», которая постоянно находится в интервале 48-—53° С, коэффициент а снижается в 1,5—2,5 раза. При указанной температуре начинается интенсивная денатурация белков и мышечных волокон. При ней изменяются тепло- и электрофизические свойства фарша. Следова­ тельно, денатурация белков, достигающая наибольшей интенсивности при 50° С, является глубоким физическим процессом, меняющим струк­ туру фарша и его свойства. Примерно в этой же области температур на­

цесс нагрева связан с энергоподводом к фаршу, процесс отделения жид­ кости, особенно при повышенном давлении, — с отводом энергии от фар­ ша. Уменьшением доли молекулярного переноса энергии можно объяс­ нить снижение величины а. При отсутствии избыточного давления в обла­ сти температур 50—70° С обычно а увеличивается, так как интенсивный массообмен с окружающей средой отсутствует.

Компрессионные характеристики творожно-сырковых масс определил Н. А. Мусабаев [88] по методикам, аналогичным описанным выше. При объемной деформации образцов творож-

101

но-сырковой массы из них выделяется сыворотка даже при небольших давлениях подпрессовки (0,312-105 Па).

Формы связи влаги в продукте и другие физико-химические факторы значительно влияют на процесс отжатия сыворотки. Так В. П. Табачни­ ков и В. Д. Сурков [116] отмечают, что из сырных сгустков, полученных из различного молока, излишняя сыворотка удаляется с большей разницей во времени, чем при различном давлении (величины давления до 2- 10Б Па при удельной силе до 0,134107 Н/м3).

А. И. Гурьяновым и Н. Н. Липатовым [48] определено наибольшее оптимальное давление для различных видов сгустка (в зависимости от жирности), при котором отделяется максимальное количество влаги; для жирной творожной массы давление составляет около 0,14-105 Па. Величина давления, по их мнению, устанавливается в зависимости от ко­ личества и размеров пор, через которые фильтруется жидкость. При этом они так же, как В. П. Табачников и В. Д. Сурков [116], отмечают, что увеличение давления вызывает лишь незначительное уменьшение влагосодержания.

нии под поршнем образуется тонкий уплотненный слой с пора­ ми, капиллярами малых размеров, который затрудняет прохож­ дение (фильтрацию) жидкости. При небольшом давлении слой более пористый и отделение жидкости начинается быстрее, хотя при высоком давлении ее выделяется больше.

Кинетические кривые относительной деформации для сыр­ ковой массы и творога аналогичны кривым для мясного фарша. Эти кривые описываются уравнением (I—96). Числовые зна­ чения коэффициентов к уравнению и химический состав продук­ та приведены в табл. 26. В табл. 26 помещены также постоянные величины для расчета коэффициента объемного сжатия по вы­ ражению (I—98), который при увеличении давления уменьша­ ется в соответствии с уравнением (I—98а).

102

Представляют интерес; релаксационные характеристики сыр­ ковой массы [88], полученные при осевом сжатии (табл. 27).

Т а б л и ц а 27

Химический состав образцов соответствует данным табл. 13. Релаксационные характеристики вычислены по формулам

(1—102).

Компрессионные характеристики пищевых продуктов (те­ сто, конфетные массы и пр.) исследованы довольно подробно [6, 104, 131, 139]. Однако данные о релаксационных характе­ ристиках при осевом сжатии для большинства продуктов от­ сутствуют.

Плотность пищевых продуктов является существенной ха­ рактеристикой при расчете ряда машин и процессов. Она за­ висит как от давления, действующего на продукт, так и от хи­ мического состава продукта. Были сделаны попытки [150] по изменению плотности определять, а затем и регулировать жирность или влажность продукта в потоке при движении его по трубе.

103

;Среднюю плотность р (кг/м3) определяют из соотношения:

где т — масса продукта, кг; V — его объем, м8.

Между плотностью и удельным весом к (Н/м3) существует простая зависимость:

. Изменение удельного веса от температуры характеризуется коэффициентом температурного расширения Р, (1/град), который показывает, на какую величину изменится объем системы при изменении температуры на 1° С,

Если считать коэффициент температурного расширения ве­ личиной постоянной в определенном интервале температур, то приведенная зависимость преобразуется следующим образом:

Наиболее распространенными приборами для измерения удельного веса и плотности жидкостей являются пикнометры и ареометры. Для непрерывного измерения удельного веса жид­ кости в промышленности предложены автоматические непрерыв­ но действующие устройства [65, 148].

Для определения плотности (объемной массы) пластично­ вязких тел следует пользоваться цилиндрами с поршнем (см. выше), так как эти продукты значительно изменяют плотность при увеличении давления.

Плотность ряда белковых систем (мясной бульон, кровь, молоко, протертая томатная масса и др.) в зависимости от кон­

гдерс— плотность при данной температуре tc и концентрации с, кг су­

104

Формула дает точность до третьей значащей цифры, что впол­ не достаточно для технических расчетов. Незначительные откло­ нения экспериментальных данных от вычисленных по формуле объясняются различным химическим составом сухого остатка.

Определить плотность раствора данной концентрации при температуре выше указанной в табл. 28 можно по формуле, выведенной из уравнения (I—108а)

1+

Среднее значение коэффициента температурного расширения Р, (1 /град) многих водно-белковых систем для интервала темпе­ ратур 40—95° С такое же, как и для воды: Р, = 56 • 10'5.

Плотность жира при различных температурах определена [36] пикнометром и ареометром и приведена в табл. 29. Кроме того, плотности при любой температуре можно вычислить по формуле, аналогичной (I—ПО).

105

Плотность водно-спиртово-сахарных растворов предлагает­ ся [129] определять по следующим зависимостям:

юоо

При концентрациях этанола от 0 до 0,175 и сахарозы от 0 до 0,20 коэффициент рассчитывается по зависимости:

у — 0,383ссах — 0,1863ссп + 0 ,1855с^п.

Если концентрация этанола от 0,175 до 0,45 и сахарозы от 0,20 до 0,45, то расчетная зависимость имеет вид:

Плотность смеси из нескольких компонентов обычно можно определить по уравнению

Уравнение (I—111) справедливо, когда компоненты не всту­ пают во взаимодействия, при которых меняется состав или объем смеси.

Плотность тонкоизмельченных видов колбасного фарша была исследована для фарша докторской колбасы и русских сосисок. На основании данных экспериментов, обработанных графо­ аналитически, выведено уравнение [37]

Уравнение справедливо при р = (0,1 +-16) 105 Па. Оно получено в расчете на начальное влагосодержание фарша. Поскольку при повышенном давлении отделение влаги незна­ чительное, то ошибка в вычислении плотности не превышает 3—4%. В табл. 30 приведены данные по плотности фарша.

106

Т а б л и ц а 30

Плотность творожно-сырковых масс определена при давле­ ниях (0,1 -4-16) 105 Па и времени действия давления 180 с:

р = ИЗО— 250/\ + (60/( — 100) lgp,

где К — вычисляется по уравнению (I—80); величина ошибки не пре­ вышает 6%.

Плотность конфетных и других пищевых масс [81, 104] определяли при различной влажности, температуре и давлении. При увеличении давления плотность повышается резко, затем медленно. Кривые сжатия, как правило, представляют собой степенные зависимости, подобные кривым сжатия для фарша. При увеличении давления до 5-105 Па плотность пралиновых масс увеличивается примерно на 12%, сливочной помадки — на 4%.

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА С ТВЕРДЫМИ ТЕЛАМИ

Поверхностные свойства пищевых продуктов — адгезия и внешнее трение — проявляются на границе раздела между продуктом и твердой стенкой. Они имеют существенное значение в разнообразных технологических процессах, где воз­ можен контакт между продуктом и стенкой обрабатывающей ма-

107

шины, например при отделении продукта от формы в пельменных или конфетных машинах. Величины этих реологических свойств зависят не только от структуры продукта и его технологических показателей, но и от условий измерения и параметров прибора, поэтому с практической точки зрения целесообразно в общем случае рассматривать адгезионные и фрикционные характе­ ристики [68].

Приборы и методы исследования адгезионных и фрикционных характеристик пищевых про­ дуктов

Для исследования адгезионных и фрикционных характеристик продуктов наибольшее распространение получи­ ли приборы, реализующие нормальный разрыв двух плоско­ параллельных дисков, между которыми находится продукт, и касательное смещение продукта по твердой поверхности.

Адгезия р0 (Па) определяется как удельная сила нормального отрыва продукта от пластины:

где Ро— сила отрыва, Н;

Fo— геометрическая площадь пластины, ма.

Отрыв может быть трех видов: по границе контакта (адгези­ онный), по слою продукта (когезионный) и смешанный (адге­ зионно-когезионный). Адгезионный отрыв происходит редко, поэтому удельную силу при любом виде отрыва называют лип­ костью, или давлением прилипания [91, 106].

Липкость определяет величину внешнего трения продукта. Многие экспериментальные работы, проведенные в этой области, подтвердили применимость двучленного уравнения Б. В. Де­ рягина [51 ] для вычисления силы тренияJ

В ряде случаев удобнее оперировать с эффективным коэффи­ циентом внешнего трения, который вычисляется по зависимо­ сти:

и может быть связан с величиной р.:

108

На внешнее трение влияют те же факторы, что и на липкость. Следовательно, статическое трение должно быть больше дина­ мического. При первоначальном сдвигании часть усилия расхо­ дуется на выход молекул одного тела из молекулярных ям дру­ гого, остальное — на разрыв молекулярных контактов, которые во время движения не успевают восстанавливаться. Доста­ точно малая скорость относительного движения трущихся тел мо­ жет вызывать скачки, т. е. прерывистость движения: тело пере­ ходит из одного статического состояния в другое, где вновь образуются контакты с поверхностью скольжения. Большие скорости при неизменном состоянии поверхности скольжения не вызывают существенного изменения силы трения [117].

Теоретически, особенно на молекулярном уровне, вопросы адгезии и внешнего трения разработаны недостаточно, а для пищевых продуктов такие разработки практически отсутствуют. Для объяснения адгезии су­ ществует несколько гипотез [18, 20, 100].

Адсорбционная теория Дебройна и Мак-Ларена увязывает адгезию с действием межмолекулярных сил: физических — ван-дер-ваальсовых или химических, например ковалентно-ионных.

Электрическая теория Б. В. Дерягина и Н. А. Кротовой объясняет адгезию разностью потенциалов на границе разнородных тел, т. е. возник­ новением в зоне контакта своеобразного электрического молекулярного конденсатора, обусловленного двойным электрическим слоем.

Согласно электромагнитной теории адгезия вызывается электромаг­ нитным взаимодействием, т. е. с излучением и поглощением электромаг­ нитных волн атомами и молекулами, что может реализоваться в конден­ сированных телах.

Электрорелаксационная теория Н. М. Москвитина возникновение адгезии объясняет наличием двойного электрического слоя и скоростью отрыва, изменение которой вызывает появление деформационной состав­ ляющей силы или работы разрушения, связанной со скоростью протека­ ния релаксационных процессов в разрушаемом соединении.

По диффузионной теории С. С. Вогоцкого и Б. В. Дерягина адгезия вызвана диффузией концов макромолекул через границу первоначального контакта, в результате чего в предельном случае граница раздела фаз может исчезать. Согласно механической теории адгезионный контакт образуется в результате механического зацепления молекулярных или надмолекулярных образований с микронеровностями поверхности.

Термодинамическая теория связывает адгезию с поверхностным на­ тяжением, которое обусловливает по правилу Дюпре работу по замене

ницу разрушения трудно. Поверхность пластины после отрыва может быть смочена дисперсионной средой либо на поверхности может нахо­ диться тончайшая пленка тонкодисперсной фракции исследуемого про­ дукта [106]. Аналогичные соображения высказывает Дж. Бикерман [134] при рассмотрении адгезии полимеров к металлам.

Общей количественной теории адгезии пока нет, хотя весьма плодо­ творными являются попытки комплексного объяснения адгезии на основе различных механизмов взаимодействия.

В этом смысле для разработки теоретических представлений об адге аии перспективны фундаментальные работы П. А. Ребиндера об адсорб;

109