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

меньшей толщине, дает постоянное значение адгезии, которую можно, по-видимому, интерпретировать как истинную адгезию.

Анализ экспериментальных данных позволяет выбрать гра­ ницы изменения давления и длительности контакта. При не­ больших рк. и контакт пластины с продуктом полностью зави­ сит от ровности слоя и других случайных величин, учет которых затруднителен. При высоких рк фарш вытекает из зазора, толщина к моменту отрыва отличается от начальной. При боль­ ших тк изменение адгезии незначительно, но возможно подсы­ хание продукта по периметру слоя. В области р1( от 2000 до 5000 прибор дает наиболее устойчивые показания; для «густых» фаршей следует выбирать значения рк. ближе к верхнему пре­ делу, для «жидких»— среднее или ближе к нижнему. Опти­ мальная длительность контакта, когда заканчивается процесс заполнения микро- и макронеровностей и молекулярного взаи­ модействия, составляет от 180 до 300 с (рис. 34, б). Приведенные зависимости справедливы при zK^ 600 с; если время контакта больше указанного, расчет можно вести по времени 600 с, имея в виду, что адгезия увеличивается при большем времени контакта незначительно (до 5%).

Материал пластин (рис. 34,в). В ряде работ показано, что адгезия продуктов к различным металлическим поверхностям, покрытым естественной окисной пленкой, неодинакова.

Работами А. М. Медведевой [84] (лаборатория Б. В. Дерягина) уста­ новлен следующий ряд интенсивности взаимодействия металлов с клеевой пленкой (в порядке понижения): алюминий, титан, дюралюминий, сталь, цинк, латунь, медь. В наших исследованиях [113, 123] названный порядок интенсивности для адгезии тонкого слоя фарша сохраняется. Установлено, что чем тоньше и менее прочно связана окисная пленка с металлом, тем силы адгезии меньше. По-видимому, такое объяснение является универ­ сальным. Следует отметить аномальное поведение фторопласта-4, который при малых длительностях взаимодействия с фаршем показывает небольшую адгезию, интенсивно возрастающую при увеличении времени контакта (рис. 34, в). Аналогичные результаты получил Б. А. Николаев [91] для небродящего теста. Поскольку среди всех названных материалов фторо­ пласт-4 является наиболее «пористым», то во время предварительного кон­ такта наряду с механическим зацеплением физико-химическое взаимо­ действие происходит не только на поверхности раздела, но и в глубине материала.

Зависимость адгезионных характеристик от материала пла­ стин приведена в табл. 32, величины адгезии получены при тол­ щине слоя фарша докторской колбасы 0,0003 м, F0 = 0,0007 м2, рк = 4900 Па. Экспериментальные данные находятся в преде­ лах ±12% от средних значений величин. Коэффициент поверх­ ностного натяжения составляет около 4,2 Н/м.

Площадь пластин. В качестве постоянных были приняты толщина слоя фарша 0,0003 м, скорость отрыва 0,00358 м/с, давление контакта 4900 Па. Площади пластин из стали Ст. 3

120

были выбраны следующих размеров: 0,0005; 0,0007; 0,0010 и 0,0015 м2. Для каждой пластины измерения проводили пои вре­ мени предварительного контакта 3, 60, 180, 300 и 600 с. На рис. 34, а, б показаны кинетические зависимости для разных площадей пластин. Как видно из графика, с увеличением пло­ щади пластин адгезия уменьшается. Интерпретация экспери­ ментов дает основание предположить, что при площади пластин около 0,0013 м2 адгезия минимальна.

Комплексные исследования совместного влияния на адгезию длительности и давления контакта, а также площади пластин дали графические зависимости, приведенные на рис. 34, а. Для их обобщения получены уравнения в соответствии с выра­ жением (1—117):

Ро = 0,775рк (3,72— F0 ■ 10*) + (1800 + 0,063рк) lg-rK

при 2030 < рк < 5000,

р0 = 0,775рк (3.721— F0 ■ 103) + 0,42рк lg тк при 5000 < рк < ‘8000,

которые справедливы для стали Ст. 3 в указанной области из­ менения переменных.

Таким образом, отмечаемая в литературе [91] зависимость адгезии от площади контакта подтверждается для мясного фар­ ша. Для получения сопоставимых результатов исследований площадь пластин около 0,0010 м2 можно считать наилучшей.

Скорость отрыва пластины. Эксперименты были проведены на пластинах площадью 0,0007 м2 из нержавеющей стали, фторо­ пласта-4 и стали Ст. 3 при давлении предварительного контакта 4900 Па и толщине слоя фарша 0,0003 м. Скорости отрыва пла­ стин имели указанные выше четыре значения, время контак­ та — пять значений при каждой скорости.

121

Результаты опытов для нержавеющей стали и фторопласта-4 представлены на рис. 34, г, д. Сопоставление кривых показы­ вает, что при времени контакта примерно до 30 с адгезия фар­ ша к фторопласту меньше, чем к стали. При большем времени контакта для небольших скоростей отрыва (0,00167 и 0,00358) адгезия к фторопласту выше, чем к стали; при скоростях 0,0093 и 0,0193 — меньше. Рассматривая отрыв как сокращение пло­ щади контакта и взаимосвязей структур во времени, можно предположить, что при быстром отрыве происходит более или менее одновременный разрыв связей фарш — поверхность; при медленном — наряду с разрывом связей нарушается меха­ ническое зацепление продукта с материалом в выступах шеро­ ховатости и в микропорах. Фторопласт по сравнению со сталью более пористый материал, поэтому затекание жидкого компонен­ та фарша в поры и упрочнение связей в результате физико-хи­ мического взаимодействия для него более вероятно. При медлен­ ном отрыве следует ожидать относительно большую адгезию сравнительно со сталью в результате разрушения связей в микро­ порах и «вытаскивания» из них молекул; при большой ско­ рости отрыва микропоры существенного участия в процессе не принимают, поэтому адгезия фторопласта меньше, чем стали. Эти соображения можно принять в качестве приближенных, так как они не учитывают характера и интенсивности взаимо­

122

Как видно из пределов применимости уравнения (I—118), имеются две зоны зависимости адгезии от скорости: при малых скоростях — логарифмическая, при больших — степенная. Од­ нако за правило такую зависимость принять нельзя. При из­ менении условий измерения меняется вид функции, которая описывает процесс адгезионного взаимодействия. Скорость при­ ложения силы со скоростью отрыва связана линейно.

Таким образом, влияние скорости отрыва на адгезию можно объяснить различными условиями нарушения сплошности про­

предварительного контакта сопровождается ростом действительной пло­ щади контакта и количества ячеек, которые имеют максимальное сцепле­ ние с пластинами, что определяет смачивание материала пластин. Из этого следует, что связи между фаршем и поверхностью стремятся к насыщению и, если адгезия вначале растет интенсивно (см. рис. 34), то затем — весь­ ма незначительно. Коэффициент поверхностного натяжения, характери­ зующий энергию свободной поверхности фарша, также стремится к по­ стоянному значению, а косинус угла смачивания приближается к едини­ це, т. е. происходит полное смачивание. Для последнего случая ориенти­ ровочно [5] можно оценить удельную работу адгезии. Такая оценка пока­ зывает примерно одинаковую величину удельной работы для фтороплас­ та-4 и нержавеющей стали около 8,4 Дж/м2. При этом начальное значение коэффициента поверхностного натяжения для пластин из фторопласта меньше, чем для пластин из нержавеющей стали, что указывает на худ­ шее смачивание фторопласта при малом времени контакта.

Анализируя приведенные данные, приходим к выводу о независимости коэффициента поверхностного натяжения от материала пластин. Этот вывод, справедливый для полностью смоченных пластин, хорошо согла­ суется с теоретическими представлениями об адгезии [18, 20] и соответ­ ствует действительности, т. е. коэффициент поверхностного натяжения относят к поверхности раздела «жидкость» — воздух [51, 134].

На графиках — j угол наклона линий, характеризующий величину

темпа убывания площади контакта по уравнению (I—116), практически

тяжения. Таким образом, темп убывания площади контакта не изменяется с увеличением времени предварительного контакта. Для фарша доктор­ ской колбасы в контакте с фторопластом-4 получено среднее значение темпа убывания площади контакта (5,5 + 0,5) Ю-4, для нержавеющей стали

(8+1) 10-4 м2/с.

Материал и площадь пластин. Величину адгезии изучали при дос­ таточно больших временах контакта (600 с), когда коэффициент поверх­ ностного натяжения подвержен незначительным изменениям, и давлении контакта 4900 Па, при котором геометрическая площадь пластины (F0 =

= 0,0007 м2) и плошадь истинного контакта перед началом отрыва (F0) примерно совпадают. Толщина слоя фарша составляла 0,0003 м.

123

В табл. 32 приведены значения адгезии и темпа убывания площади контакта для различных материалов. Коэффициент поверхностного на­ тяжения, как отмечено, не зависит от материала пластин.

Для определения темпа убывания площади контакта зависимость. (I—116) представлена в виде:

Подставляя в эту зависимость значения постоянных величии, в том числе и коэффициент поверхностного натяжения, равный 4,2, получим расчетную формулу

по которой вычисляли темп убывания площади контакта для табл. 32. Из сравнения величин адгезии и темпа убывания площади контакта вид­ но, что они передают изменения степени адгезии фарша к различным ма­ териалам — большей адгезии соответствует меньший темп убывания пло­ щади контакта. Однако последний в отличие от р0 не зависит от т,с (при не очень малых его значениях) и поэтому является удобной величиной для практических расчетов и оценок.

В табл. 34 помещены экспериментальные данные и вычисленные зна­ чения темпа убывания площади контакта для стали Ст. 3. Сравнение этой величины возможно в том случае, когда wc — const. Если исключить влия­ ние адс на темп убывания площади контакта, т. е. взять отношение С/вус, то заметна тенденция его возрастания при увеличении F0. Число связей, разрываемых за 1 с, оказывается сравнимым с общим числом связей меж­ ду фаршем и пластиной. Действительно, темп убывания площади контактов

Влияние шероховатости поверхности на величину адгезии изучали на пластинах из нержавеющей стали (рис. 35, а) и латуни (рис. 35, б) при давлении контакта 4900 Па, площади 0,0007 м2, скорости отрыва 0,00358 м/с, толщине слоя 0,0003 м для различной чистоты обработки поверхности: IV, VII, X и ХШ классы по ГОСТ 2789—59. Эти классы чистоты имеют среднюю высоту выступов (в мкм): 20—40; 3,2—6,3; 0,5— 0,8 и 0,1—0,12 соответственно. Причем, для IV и VII классов сами макро­ выступы на своей поверхности имеют и микровыступы. Схематичный вид поверхности для классов чистоты показан на рис. 35, в. Размеры частиц фарша [106] (в мкм) составляют: мышечной ткани 30—160, жировых кле­ ток 120—160, жировых капель около 20, жидкостные прослойки до 12, т. е. эти размеры соизмеримы с высотой выступов шероховатости.

124

По схеме (рис. 35), которая согласуется с представлениями, разви­ тыми Н. Б. Демкиным, видно, что для IV класса истинная поверхность пластины больше геометрической; контакт частиц с материалом может быть точечным и по некоторой площади. Для VII класса реализуется мень­ шее количество контактов, чем в первом случае; возможно также и «про­ висание» волокон. Для X класса количество контактов (они в основном точечные) еще больше сокращается, возможность провисания частиц как по длине, так и по периметру — увеличивается. Наконец, для XIII клас­ са — наиболее гладкой поверхности (высота выступов на 2—3 порядка

Рис. 35. Зависимость адгезии фарша от класса чистоты поверхности не­ ржавеющей стали (а) и латуни (б) и схема взаимодействия фарша с по­ верхностью (в):

/ — материал пластины; 2 — мышечные частицы; 3 — жидкостные прослойки; •/ — жи­ ровые частицы.

меньше размера частиц) — контакт реализуется по некоторой поверхнос­ ти, что показано зачерненными участками на рис. 35. Поскольку сущест­ вуют жидкостные водно-белковые прослойки [106], в явлении взаимопритяжения фарш — металл большую роль играют белковые молекулы, которые получают возможность после вытеснения жидкости из мест кон­ такта непосредственно связывать между собой частицы мяса и материал по­ верхности. Кроме того, и, по-видимому, это главное, причина увеличения взанмопритяжения заключается в следующем. При высоте шероховатости 0,1 мкм касание частиц и поверхности материала приводит к появлению жидкостных частей сферы с радиусом кривизны около 0,05-10-6 м (0,05 мкм), что вызывает появление сил избыточного давления сближения [уравнение (I—116а)]. Его приближенно можно оценить (с явным зани­ жением) по коэффициенту поверхностного натяжения воды 0,08 Н/м:

2 • 0,08 Роо = 2ф = 0 05 ■• 10* = 32 • 10*.

При измеряемой величине адгезии около 0 ,2 .105 Па полученное дав­ ление на два с лишним порядка выше. Естественно, что при таком высо­ ком давлении разрушаются водно-белково-соляные оболочки (прослойки) и истинная площадь контакта резко возрастает. О более сильном взаимо­ действии фарша с гладкой поверхностью свидетельствует и наблюдаю­

125

щийся хорошо выраженный когезионный вид отрыва. Для поверхностей,

тоты поверхности уменьшается, достигает минимума и вновь увеличива­ ется. В этом отношении представляет интерес работа А. Д. Зимона [561, который исследовал адгезию стеклянных шариков со средним диаметром 20, 40, 70 мкм к поверхностям различной чистоты обработки. Получен­ ные результаты для фарша согласуются с опытами А. Д. Зимона, одна­ ко трактовки для восходящей части кривой адгезии он не дает.

Таким образом, поверхность для уменьшения адгезии должна быть обработана по X классу чистоты. Поскольку характер изменения адге­ зии от чистоты поверхности остается неизменным при любом времени кон­ такта (см. рис. 35), X класс является оптимальным как для «статических», так и для «динамических» режимов работы машин, соответственно при большой и малой продолжительности контакта.

Адгезия различных продуктов

Адгезия говядины и свинины к различным материалам изучена при условиях измерения, указанных в табл. 35. Обработка результатов по уравнению (I—116) пока­ зала хорошее согласование с ним; ход кривых аналогичен по­ лученному для фарша докторской колбасы, за исключением коэффициента поверхностного натяжения, который при боль­ шой продолжительности контакта не остается постоянным. Адгезия говядины вдоль и поперек волокон отличается мало, с превышением в первом случае до 10%. Значительно уменьша­ ется (в 1,5—2 раза) адгезия размороженной говядины, что, ве­ роятно, связано с необратимыми изменениями структуры тка­ ни и сока при замораживании и размораживании. Результаты измерения адгезии свинины к различным материалам показали, что поскольку отрыв носит адгезионный характер, то, несмот­ ря на большую толщину слоя (0,003 м), ряд активности мате­ риалов соответствует установленному для фарша докторской колбасы, где отрыв реализовали в тонком слое. Как видно по данным табл. 35 адгезия свинины и говядины имеет один поря­ док, но для говядины выше на 10— 15%, чем для свинины.

Зависимости адгезии свиного шпика от длительности кон­ такта несколько отличаются от кривых для других мясопродук­ тов: при увеличении времени контакта у них не наблюдается тен­ денции к выходу на постоянное значение адгезии (рис. 36, а).

При куттеровании фарша на стенках_и ножах куттера обра­ зуется довольно прочная макропленка^мелкодисперсного ве­ щества (частицы мяса, соединительной ткани, жира и воды). Такая же пленка образуется на всех поверхностях, вдоль кото­ рых проходит куттерованный колбасный фарш. Пленка является первопричиной удерживания фарша на поверхности, что в неко­ торых конструкциях машин является положительным, в дру­ гих — отрицательным. Возникновение пленки фарша обуслов-

126

127

лено проскальзыванием крупных частиц вдоль поверхности и сцеплением с ней мелких, что также согласуется с теорией ла­ минарного подслоя. Подобная пленка (белки, вода, ржавчина) образуется на троллеях и разногах. Существующие методы ее удаления (мойка обычная и ультразвуковая) основываются на эмпирически подобранных режимах обработки. С целью опреде-

Рнс. 36. Кинетические кривые зависимости адгезии от времени предвари­ тельного контакта при скорости отрыва 0,00358 м/с:

ры со штрихом) при различном давлении контакта: / — 1030 Па; 2 — 3440; 3 — 8000 Па

ления исходных параметров для расчета очищающих устройств можно использовать полученные данные по адгезии этих пленок к поверхностям (рис. 36, б, в). Микропленки белковых ве­ ществ, адсорбированных на поверхностях, образуют прочные защитные покрытия; белок в пленке уподобляется денатури­ рованному состоянию [100].

Адгезия тонкоизмельченных видов фарша имеет одинаковый порядок. Поэтому эмпирические зависимости, полученные для расчета адгезии фарша докторской колбасы, применимы в первом приближении для расчета адгезии других тонкоизмель­ ченных видов фарша.

Влияние ферментирования на адгезию фарша исследовали [591 с использованием тандрйна и кератиназы, продолжительность ферменти­ рования 15 мин, включая время контакта. Длиннейшую мышцу спины пропускали через мясорубку, диаметр отверстий в решетке которой сос­ тавляет 1 мм; площадь пластин 0,0007 м2, скорость отрыва 0,00358 м/с, давление контакта 3430 Па. Отрыв в большинстве опытов имел адгезион­ ный характер.

128

На рис. 37 приведены зависимости адгезии и абсолютной деформа­ ции сферическим пуансоном с массой 0,09 кг от времени предварительного контакта и действия напряжения. Адгезия, вязкость, модуль сдвига и период релаксации ферментированного фарша меньше, деформируемость больше, чем контрольного (см. рис. 37, табл. 36). Вязкость измеряли в

области практически неразрушенных структур на приборе Б. А. Нико­

продукта.

Понижение температуры фарша с 17—18 до 4—5° С ведет к умень­ шению адгезии на 30—40% вследствие увеличения вязкости и «прочности» дисперсионной среды и, следовательно, системы в целом. Эксперименты проведены при времени предварительного контакта 3 с, давлении 3440 Па и скорости отрыва 0,00358 м/с.

Измерения адгезии творожно-сырковой массы [55, 85, 88] проводили на Московском молочном комбинате им. М. Горь­ кого путем перемешивания творога, сливочного масла и саха­ ра в количествах, соответствующих составу по ГОСТу. По­ скольку размеры белковых частиц достигают 0,001 м, нанести на пластину слой меньшей толщины затруднительно и основ­ ные эксперименты выполнялись при толще слоя 0,001 м ..

5—381 129