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

цин и поверхностной активности тонких пленок. Проведя эксперименты, В. А. Пчелин измерил для растворов белковых веществ поверхностное натяжение, диэлектрическую постоянную, поверхностный потенциал и др. [100]. В явлении адгезии белковых веществ, как следует из теорети­ ческих представлений Б. В. Дерягина, принимают участие, кроме ван- дер-ваальсовых сил притяжения, и электростатические силы, обусловлен­ ные возникновением двойного электрического слоя на поверхности.

Первая работа, теоретически обосновывающая разрыв двух дисков, между которыми находится вязкая жидкость, принадлежит М. Ж- Стефану.

Им получено уравнение [134]:

В явлениях адгезии участвует ряд механизмов на молеку­ лярном и надмолекулярном уровнях, поэтому их детальный учет весьма затруднителен. Для практических целей достаточно описать общие макроскопические закономерности явления. Для этого можно провести расчеты на заранее выбранной модели, которая представляет собой образец «сложной жидкости» меж­ ду двумя жесткими цилиндрическими пластинами; она обла­ дает одинаковой с продуктом адгезией [5, 123]. «Жидкость» имеет коэффициент поверхностного натяжения а. Смачиваемость пластины характеризуется cos (3, т. е. а = a' cos р, где а ' — коэффициент поверхностного натяжения при полном смачива­ нии (Н/м). Большое количество воды во многих пищевых про­ дуктах и их сильная адгезия [91, 104, 106] оправдывают такое представление. Например, фарш можно рассматривать как дисперсную структуру с водно-белково-солевыми прослойка­ ми на поверхности частиц; на свободном срезе мышечных во­ локон такая же пленка образуется в результате освобождения межклеточной жидкости.

Пластины прижимаются друг к другу силой капиллярного взаимо­ действия [18, 20]:

и равной Р ', вызывает полный отрыв пластины за время т0. При этом внешняя сила при не абсолютно жестком динамометре и скорости отрыва ш0=^=оо увеличивается линейно во времени т:

Поэтому можно сделать предположение о линейном убывании пло­ щади контакта в результате нарушения связей по дефектам структуры,

110

Внутреннее давление взаимодействия пластины с продуктом убывает во время действия отрывающего усилия; оно получается путем решения уравнений (I—116а) и (I—116в) с учетом формулы (I—1166). Уравнение для расчета адгезии можно представить в окончательном виде:

Оно линейно: при wc = const (переменно h) наклон прямой дает

величину —, отрезок, отсекаемый на оси ординат, показывает — ; при

2а wc

h = const (переменно wc) наклон прямой дает С, а отрезок, отсекаемый

г.

на оси ординат, показывает —, откуда при известной толщине слоя про2а

дукта определяется коэффициент поверхностного натяжения. Зависимость (I—116) весьма чувствительна к изменению параметров,

что удобно для экспериментального определения коэффициента поверх­ ностного натяжения и темпа убывания площади контакта, которые в отличие от липкости являются инвариантными характеристиками про­ дуктов.

Адгезия (липкость) и внешнее трение пищевых продуктов сравнительно мало изученные характеристики. На их величину, кроме температуры и технологических свойств самого продукта, влияют условия измерения — геометрические, кинематические и динамические факторы. Поэтому к измерительным приборам предъявляются особые требования.

1. Показания приборов должны быть первичными, т. е. не нуждаться в предварительной тарировке на каком-либо эталонном материале, и выражаться в абсолютной системе ■единиц.

2. Перед измерением продукт должен прижиматься к пласти­ не для установления контакта и удаления из него воздушных

которой может быть больше геометрической; дальнейшее уве­ личение усилия и времени не сказываются (если не учитывать старение или самопроизвольное упрочнение). Чем больше вяз­ кость и предельноенапряжениесдвига.тем медленнее достигает­ ся заполнение микровыступов и инвариантность показаний при­ боров. Таким образом, усилие и длительность предварительного контакта должны меняться в широком диапазоне.

111

3.Измерения, проведенные на пластинах, имеющих различ­ ную площадь при разной толщине слоя, дают отличающиеся числовые значения адгезии при прочих равных условиях [5, 1231. Такие результаты вызываются неодинаковостью эпюр деформаций при предварительном контакте и разрыве. Чем больше диаметр, тем больше ориентация фибрилл и их сдвиг по поверхности пластин с нарушением возможных активных мест контакта, которые определяются не только свойствами продукта, но и природой материала пластин. Вероятно, имеется критическое значение диаметра, при котором величина адгезии наименьшая. Разрыв тонкого слоя затрудняет или исключает течение между пластинами; нарушение всех связей более или менее одновременное. Начальный момент разрыва пластин, между которыми находится более толстый слой продукта, обус­ ловливает его течение в зазоре, затем нарушение связей про­ исходит постепенно. Вследствие этого увеличение толщины ведет к уменьшению адгезии. Поэтому прибор должен иметь набор пластин разной площади и шаблон для нанесения продук­ та заданной толщины на пластину.

4.Различный материал пластин и степень его обработки влияют на прочность молекулярных контактов. Б. В. Дерягин

вотличие от Ф. П. Боудена и Д. Тейбора считает, что одно ме­ ханическое зацепление без молекулярных контактов не вызы­ вает трения и липкости. Когезионный разрыв при определении липкости и «намазывание» продукта при исследовании коэффи­ циента трения, по-видимому, можно устранить, переходя к измерениям при очень тонком слое продукта. Этот слой можно отождествить со смазкой, а данные измерений интерпретиро­ вать как липкость и коэффициент внешнего трения. Таким обра­ зом, в приборах должна быть предусмотрена возможность заме­ ны пластин, которые изготовлены из различного материала при

разной чистоте механической обработки.

5. Длительность и кинетика приложения отрывающего уси­ лия различно влияют на распределение деформаций и усилий между пластинами. Схематично процесс разрыва можно пред­ ставить так: упругие и упруго-пластичные деформации, пласти­ ческое течение, нарушение сплошности и последействие, при котором между пластинами еще возможно сохранение связей в виде тонких перемычек. При мгновенном отрыве одновременно разрушается большинство связей, продукт в некоторой степени уподобляется твердохрупкому телу. При медленном отрыве преобладает пластическое течение, разрушение происходит постепенно по дефектам структуры; при этом молекулы и части­ цы продукта выходят из механического зацепления с материа­ лом пластин, вследствие этого адгезия меньше. Следовательно, влиянием величины скорости приложения силы можно объяс­

112

нить различные значения адгезии, получаемые для одних и тех же продуктов, но на разных приборах [106]. При механическом приводе от электродвигателя скорость приложения силы опре­ деляется линейной скоростью штока или нити и жесткостью (величиной деформации) регистрирующего упругого элемента и других подвижных частей. Скорость тангенциального смеще­ ния продукта по поверхности влияет на коэффициент трения, который в статическом состоянии больше, чем в динамическом: чтобы сдвинуть продукт, нужно разрушить молекулярные свя­ зи. При дальнейшем движении продукта с постоянной скоростью количество разрушенных и восстановленных связей будет на­ ходиться в динамическом равновесии, поэтому здесь на разрыв связей расходуется меньше энергии, чем в начальный момент. Таким образом, приборы должны допускать варьирование скорости приложения силы отрыва или сдвига в широком диапа­ зоне.

Кроме того, адгезия зависит от ряда технологических ха­ рактеристик: влажности, состава продукта, степени измельче­ ния и т. д.

Указанным требованиям отвечает прибор [2, 61], обеспечи­ вающий заданные начальные условия; усилие отрыва пласти­ ны измеряется по деформации тензометрической балки с за­ писью сигнала на ленте осциллографа. Балка установлена так, что допускает тарировку до и после опытов.

Прибор для определения адгезии (рис. 31) имеет корпус, устройство с микрометрическим винтом для установки пластин с продуктом.

Верхняя пластина фиксируется неподвижно держателем, который смонтирован на тензобалке, и имеет хвостовик для обеспечения соосности подвижной части системы. Для созда­ ния предварительного контакта на тензобалку устанавливают грузы. Вертикально вверх она перемещается серьгами, которые оканчиваются призмами и шарнирно укреплены на поперечине с хвостовиком. Последний перемещается во втулке посредством нити и набора шкивов, которые приводятся во вращение от электродвигателя через редуктор (условно не показаны). Для увеличения времени отрыва (уменьшения скорости приложения силы) в тянущую систему последовательно может быть встав­ лена пружина различной жесткости.

Прибор можно модернизировать, если предусмотреть подъем контактирующих грузов до момента начала отрыва.

113

Ст. 3, нержавеющей 1Х18Н9Т, дюралюминия, чугуна, фторопласта-4,

латуни имеют площадь F0 : 0,0005; 0,0007; 0,0010; 0,0015 ма. При изуче­ нии влияния h на показания прибора ее изменяют от 0,0003 до 0,003 м. Скорость отрыва верхней пластины и>0 от продукта определяется часто­ той вращения и диаметром шкивов, на которые наматывается тянущая нить. Она составляет 0,00167; 0,00358; 0,0093; 0,0193 м/с. Скорость

Рис. 31. Прибор для измерения адгезии пищевых продуктов:

•приложения силы шс (Н/с) зависит от скорости отрыва и величин дефор­ маций нити, тензобалки и продукта между пластинами.

Результаты описанных ниже опытов следует считать справедливыми в указанных пределах изменения переменных.

Особое значение имеет подготовка образцов для измерений. Для этого изготовлено приспособление, состоящее из набора входящих друг в друга полых цилиндров с ходовой посадкой. Внутренний диаметр каж­ дого цилиндра равен диаметру пластины. Глубина опускания цилиндра ■необходимого диаметра фиксируется стопорным винтом. В образовавшееся пространство вставляется пластина, высоту от нее до кромки цилиндра измеряют с точностью 0,05 мм, излишки продукта над кромкой цилиндра

114

снимают специальной лопаткой. Характер и продолжительность взаимо­ действия продукта с нижним диском не имеют значения, так как напря­ жение и время предварительного контакта относят к верхнему диску, отрыв которого производят. Перед нанесением продукта пластины всегда однотипно очищают, обезжиривают и сушат.

Относительная ошибка измерений, обусловленная измерительной аппаратурой и конструкцией прибора, не превышает ±4%.

Ч

Рис. 32. Принципиальные схемы адгезиометров:

В последние годы появилось множество работ, посвященных исследованию адгезии и трения, предложены различные спо­ собы измерения и приборы [18, 20].

Б. В. Дерягин [51] с сотрудниками применили оригинальный адге­ зиометр (рис. 32, а) для оценки роли двойного электрического слоя на поверхности. Ю. В. Ашкеров [10] исследовал кинетическую адгезию смазочных масел к стали. В приборе ползун, установленный на масля­ ной пленке, отрывается от вращающегося диска нормально, усилие отры­ ва измеряется по деформации тензобалки (рис. 32, б). Прибор для опре­

115

деления расслаивания печатных красок имеет две наклонные плоскости и валик (рнс. 32, в). При свободном скатывании валика с одной плоскости высоту его подъема на другой плоскости измеряют. Если на пути движе­ ния поместить слон краски, то высота подъема валика уменьшится, что характеризует адгезию краски. Прибор позволяет моделировать различ­ ные рабочие органы машин. Наиболее часто в адгезиометрах реализуется схема по рнс. 32, г; она может отличаться способами приложения силы и регистрации отрывающего усилия. Например, в приборе В. А. Нико­ лаева 191] «мгновенно» отрывается верхний диск с помощью рычажного механизма; в приборе А. Г. Кульмана постепенно отрывается нижний диск при наполнении подвешенной к нему емкости водой.

Классический тип прибора для измерения коэффициента внешнего трения представляет собой пару тел, соприкасающихся плоскими по­ верхностями, площадь которых может быть от долей квадратных милли­ метров до десятков квадратных сантиметров. Одно из тел смещается отно­ сительно другого. Сила смещения (трения) измеряется тензометрическими, пружинными или другими датчиками. Для малых скоростей трения реали­ зуется прямолинейное смещение поверхности. При больших скоростях смещения в качестве одной из рабочих поверхностей используют: поверх­ ность горизонтального диска, вращающегося на вертикальном валу; боковую поверхность вращающегося цилиндра; поверхность бесконечной ленты, вращающейся на двух барабанах с параллельными осями и т. д.

Для исследования трения мясопродуктов был использован трибометр с тележкой, который позволяет определить н вычислить истинный коэф­ фициент внешнего трения и эффективный коэффициент внешнего трения jjlэф [113]. Исследуемый продукт помещается в рамку, установленную на плоскую поверхность тележки. Она перемещается от электродвигателя посредством тянущей нити. Для изменения скорости тележки имеется четырехступенчатый шкив, на который наматывается нить. Рамка сое­ динена с тензометрической балкой; запись изменения электрического сиг­ нала при деформации тензодатчика производится на ленте осциллографа и по тарировочным кривым переводится в усилие. Прибор позволяет ме­ нять геометрические (размер площади поверхности контакта), кинемати­ ческие (скорость смещения тележки, время предварительного контакта) и динамические (давление предварительного контакта) факторы. На тележ­ ку можно установить пластины из различного материала.

Изменение адгезионных характеристик пище­ вых продуктов в зависимости от некоторых технологических факторов

Адгезия пищевых продуктов изучена недоста­ точно. Влияние на адгезию геометрических, кинематических и динамических характеристик прибора выявлены только при данных условиях измерения. Использовать полученные вели­ чины для расчетов машин и аппаратов трудно. Сравнительно подробно исследованы величины адгезии мясопродуктов.

Экспериментальная проверка уравнения (I — 116) была про­ ведена для фарша русских сосисок при различных толщине слоя h и влагосодержаниях. Фарш измельчали на куттере с тремя серповидными ножами, продолжительность куттерования — оптимальная. Толщину слоя фарша изменяли в пределах

116

(0,3ч-1,0) 10~3м, влагосодержание U (кг воды на 1 кг сухого остатка) соответственно: 2,21; 2,44; 2,70; 3,01.

Из графиков— {К), построенных рис. 33, видно, что соот-

Таким образом, экспериментальные данные хорошо укла­ дываются в рамки модели и полученной на основе ее рассмотреция зависимости.

С целью получения удобных для практических расчетов уравнений экспериментальные данные обрабатывали в двух вариантах. По первому варианту подбирали эмпирические

117

зависимости [113], основываясь на тщательном изучении хода экспериментальных кривых и аналогичных исследованиях дру­ гих продуктов [84, 92]. Такие уравнения, являясь первичными результатами экспериментов, позволяют вычислить адгезию в условиях, встречающихся в исследовательской и производ­ ственной практике. В эти уравнения не входит в явном виде скорость нарастания силы, которую определить в отдельных случаях трудно. По второму варианту находили постоянные к уравнению (I—116). Преимущество этого способа заключается в том, что, имея одно общее уравнение, при различных условиях проведения эксперимента определяют лишь изменение двух коэффициентов: С и а. Обобщения двумя способами были про­ ведены для фарша докторской колбасы. Для других видов фар­ ша и мяса полученные закономерности сохраняются неизмен­ ными, а физические основы процесса— идентичными. Поэто­ му остальные данные представлены в обобщенном виде. Поверх­ ности пластин обрабатывали обычно по V классу чистоты.

Давление и продолжительность предварительного контакта. В качестве постоянных были приняты площадь пластины 0,0010 м2, скорость движения нити 0,00358 м/с и толщина слоя фарша 0,0003 м. Напряжения предварительного контакта име­ ли значения: 294, 1030, 2110, 2350,4900 и 6180 Па. При каждом значении напряжения провели пять измерений с различной дли­ тельностью предварительного контакта: 3, 60, 180, 300, 600 с (рис. 34).

Первичная обработка результатов показала, что при малых тк линии р0 (рк) в начале координат не являются прямыми. Очевидно, при этом обеспечивается контакт между выступами шероховатости, площадь которых незначительна, и продуктом; впадины шероховатости не принимают участия в развитии явле­ ния. Зависимости р0 (рк) обычно представляют собой прямые линии. В некоторых случаях р0 (рк) могут не выходить из на­ чала координат, но отсекать на оси ординат некоторый отре­ зок [85, 91 ].

На рис. 34, а показаны зависимости р0 (-к) при разных рк; они представляют собой типичные кинетические кривые и спрям­

где poi, а — эмпирические коэффициенты; соответственно адгезия при времени контакта 1 с и темп нарастания адгезии при увели­ чении времени контакта; пределы применимости уравнения от 3 до 600 с.

Увеличение давления контакта ведет к увеличению адгезии. При высоких рк толщину слоя не удается сохранить постоянной. Начальная толщина слоя 0,0003 м сохраняется практически

118

неизменной до рк = 8000 Па. Затем отрыв происходит уже при меньшей толщине, что связано с вытеканием фарша из зазора между пластинами. При наибольших рк толщина слоя перед

Рис. 34. Кинетические кривые изменения адгезии в за­ висимости от времени предварительного контакта:

отрывом достигает наименьшей величины — около 0,00002 м, которая соизмерима с размером частиц куттерованного мяса. Таким образом, начальные условия не совпадают с условиями отрыва. Верхний участок кривой адгезии, полученной при наи­

119