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

их в зависимости от вида сырья, однако общая закономерность,

накладываются аномальные изменения белков и углеводов моло­ ка. При среднем составе (воды 87—89%, сухого вещества 13— 11 %, газа по объему 3—6%) к молоку приближенно можно при­

290

если считать,.что при температуре больше 20РС растворенный газ улетучивается.

Зависимость I g ^ - ^ j (см. РисЮЗ) для молока и воды дают

прямые линии. Если за нулевую принять точку перегиба, в ко­

торой обратная абсолютная температура = 0,00325 (Т кр=

=307,7° К), вязкость молока 1,15 • 10_3, водыР0,69 • 10~3 (действи­ тельная вязкость воды 0,73 -Ю"3), то получим уравнение

Для воды применимость выражения (III—34) лежит в преде­ лах 0—25° С, для молока 0—35° С. Если в уравнение (III—34) подставить вместо Т* ее значение, то получим уравнение Френ­ келя, где предэкспоненциалькый множитель 1,59-10-7. Введенная новая переменная позволяет более наглядно сравнивать обе температурные зависимости.

Предэкспоненциальный множитель в уравнении (III—34) свя­ зан уравнением (III—33) при температуре 307,7° К с вязкостью воды:

ц = 0,69 • 10“3 (1 + 4 ,5 • 0,13) = 1,1 • 10"3.

При действительном значении вязкости воды 0,73-10“3 полу­ чим 1,16 -10"3, т. е. величину, близкую к вычисленной для мо­ лока (см. табл. 77). Разница в угловых коэффициентах воды и молока (энергия активации) дает Д£ = 3800 кДж/кмоль. Сле­ довательно, при отсутствии структурообразования вязкость мо­ лока выражалась бы зависимостью по линии 1а (см. рис. 103 и табл. 77), т. е. ДЕ характеризует дополнительную энергию

10* 291

структурообразования. Компонент 'структурной составляющей вязкости определяется из соотношения

(II1-35)

где т|6с— бесструктурная вязкость.

С учетом предыдущих соотношений зависимость (Ц1—32) пос­ ле преобразований для температур от 0 до 35° С принимает вид:

(III—36)

где: член, стоящий перед фигурной скобкой,— температурные изменения вязкости воды;

4,5ф — поправка вязкости на дисперсную фазу; второй комплекс в фигурных скобках — поправка на наличие структуры.

Для области температур 50—80° С средняя линия темпера­ турной зависимости вязкости молока идет параллельно анало­ гичной для воды. Интервал с 34 до 50° С описывается с ошибкой до 5% в сторону уменьшения уравнением для интервала 50— 80° С (см. рис. 103 и табл. 77). Неоднократные изменения энер­ гии активации у молока следуют аналогичным для воды: две основные области и промежуточная между ними (см. рис. 103). На рис. 103 и в табл. 77 видно, что при температурах 50—80° С энергия активации для воды и молока — одинаковы, т. е. струк­ турная составляющая вязкости перестала существовать. Предэкспоненциальный множитель характеризует поправку на ди­ сперсную фазу. Его проверка по уравнению (III—44) для темпе­

идеально чистой воды от температуры (см. рис. 103) имеет излом прямой линии при 301° К (обратная температура 3,325-10-3). Однако величина излома незначительна. Электропроводность молока, измеренная при температуре от 30 до 80°С (см. рис. 103), представляет собой практически прямую линию в равномерно обратных шкалах.

Для молока проверили применимость правила Вальдена— Писаржевского: произведение эквивалентной электропроводно­ сти X на динамическую вязкость у] представляет постоянную величину. Исходя из постоянной концентрации продукта, сле­

292

Из рис. 103 (кривая 5) следует, что при температурах 20—

50° 103=3,413 -г- 3,096^ это правило неприменимо вслед­

ствие наличия у молока 'структурной составляющей вязкости. Начиная примерно с 50° С, можно говорить о применимости пра­ вила Вальдена—Писаржевского с удовлетворительной степенью точности, хотя наблюдается некоторое снижение кривой. В ин­ тервале температур 50—80° С среднее значение произведения

Решая совместно уравнения (III—34) и (III—38), получаем уравнение, связывающее количественно вязкость и электропро­ водность молока для области температур 50—80° С:

саржевского имеют место, что также объясняется наличием ком­ понента структурной вязкости.

Аналогичные связи установлены и для других пищевых про­ дуктов, но их не всегда удается описать аналитически. К сожа­ лению, практически отсутствуют такого рода исследования в об­ ласти сверхвысоких частот.

293

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕ­ СКИХ СВОЙСТВ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Нельзя рекомендовать единый метод измерения электрофизических характеристик для столь большого частот­ ного диапазона, для каждого участка которого существует ряд методов, хотя среди них есть предпочтительные.

Удельную электропроводность пищевых продуктов можно определить с помощью общепринятого мостового метода, для которого имеется ряд модификаций. Труднее всего принять кон­ струкцию измерительной кюветы, которая в большинстве слу­ чаев представляет собой ячейку из стекла с впаянными плати­ новыми электродами, покрытыми платиновой черныо. Для под­ держания температурного режима кювету снабжают водяной рубашкой, соединенной с ультратермостатом. Однако такого рода кювета применима лишь для ограниченного количества пищевых продуктов, в первую очередь жидких (вино, различные соки, молоко и др.), а также не меняющих свои структурно­ механические характеристики при нагревании. По-видимому, наиболее целесообразно одновременное исследование удельной электропроводности в зависимости от ряда факторов: давления, температуры, степени измельчения и др. Очевидно, что при этом важное значение имеет равномерное температурное поле в образ­ це. В большей степени, чем другие приборы, этой задаче отвечает универсальная измерительная кювета, разработанная во МТИММПе.

Измерительная кювета (рис. 105) представляет собой полый фторо­ пластовый цилиндр 8 с внутренним диаметром 20 мм. В середине ци­ линдра диаметрально закреплены два платинированных измерительных электрода 9, покрытых платиновой черныо. Цилиндр плотно вставляется в гильзу 10 из нержавеющей стали и поджимается накидной гайкойкрышкой 16. Под выводы измерительных электродов в гильзе по обра­ зующей профрезерованы два паза. Гильзу с фторопластовым цилиндром надевают на фторопластовое донышко 4, закрепленное в обойме 2. Между гильзой и обоймой предусмотрена прокладка 3 из пищевой резины для создания герметизации исследуемого продукта. С другого конца в ци­ линдр входит поршень 14, закрепленный на штоке 17. На рабочих по­ верхностях донышка и поршня закреплены платиновые рабочие электро­ ды 6 и 13. К. ним подводится электрический ток проводниками 18 для контактного электронагрева исследуемого продукта. По центру донышка и электрода проходит игольчатая термопара 7 для регистрации темпера­ туры в центре исследуемого образца 11 в процессе электроиагрева. Тер­ мопара заключена в инъекционную иглу внешним диаметром 0,8 мм, причем термопара электрически изолирована от тела иглы и рабочий спай ее покрыт термо- и электрохимически стойким лаком. Высота уста­ новки термопары регулируется в зависимости от условий экспери­ мента.

Донышко и поршень снабжены манжетами 5 и 15, позволяющими герметизировать кювету с учетом прокладываемого давления (до 30 х ХЮ6 Н/м2). Обойма 2 крепится на диэлектрической подставке 1. Для соз-

294

Дания давления подпрессовки в исследуемом продукте к тяге 12 прикла­ дывается усилие Р, которое через коромысло 19, полый шток 17 и пор­ шень воздействует на исследуемый продукт, вследствие чего продукт плотно прилегает к измерительным и рабочим электродам, создавая при этом хороший электрический контакт. При снятии зависимости удельной электропроводности продукта от величины давления к тяге прикладыва­ ются различные по величине грузы.

При снятии характеристик объемного расширения и сжатия иссле­ дуемого продукта в процессе электронагрева и охлаждения используется индикатор часового типа 21, который связан с коромыслом 19 планкой 20.

I

Рис. 105. Универсальная измерительная кювета для исследования электро­ проводности пластично-вязких пищевых продуктов:

295

Индикатор жестко крепится на той же диэлектрической подставке 1 стойкой 22. Шток индикатора связан также с движком проволочного переменного сопротивления. Сопротивление является плечом неуравно­ вешенного моста постоянного тока, сигнал с которого подается на одни из шлейфов осциллографа типа Н-700.

Для снятия температурных полей в исследуемом продукте, а также для исследования картины распределения напряжения по длине продукта в процессе его электроиагрева в кювете предусмотрены сменные фторо-

Рнс. 106. Принципиальная схема комплексного стенда для исследования характера изменения удельной электропроводности пищевых продуктов от некоторых технологических факторов.

пластовые цилиндры с термопарными и измерительными гребенками По образующей цилиндра со стороны пазов гильзы в цилиндре имеются отверстия, в которые входит термопарная, или измерительная, гребенка, представляющая собой жестко закрепленные игольчатые термопары или датчики в диэлектрической рейке. Термопары или датчики соединены электрическими проводниками с регистрирующим прибором.

Комплексная схема стенда, позволяющего проводить исследования характера удельной электропроводности с компенсацией емкостной и ин­ дуктивной составляющей, при снятии температурных характеристик при­ ведена на рис. 106. Продукт нагревается электроконтактным методом на частоте 12 кГц.

В качестве измерительного прибора используют мост переменного тока Р-568, в основу которого положена четырехплечная схема. Основным образцовым регулирующим плечом по активной составляющей R служит магазин сопротивления, встроенный в общую стойку вместе с магазином емкости и индикатором нуля Ф-550. Магазин сопротивлений R состоит

296

мз пяти ступенчатых декад и одной плавной переменной. Этот магазин является отсчетным для измеряемого сопротивления. Погрешность в об­ ласти частот 12 кГц по сопротивлению не превышает ±0,2% .

В качестве основного образцового регулируемого плеча по реактив­ ной составляющей С служит магазин емкости, состоящий из трех ступен­ чатых и одной плавной регулируемой декад, позволяющих набирать лю­ бое значение емкости. Этот магазин является отсчетным для измеряемой емкости.

Схема, предназначенная для измерения индуктивности, выполнена на базе моста Р-551 типа МИЕ и подключается к зажимам кювета, парал­ лельно входу моста Р-568. Схема выполнена на принципе сравнения ин­ дуктивности с емкостью. В качестве указателя равновесия моста Р-568 применен электронный индикатор нуля типа Ф-550.

Индикатором равновесия мостовой схемы измерения индуктивности служит фазочувствительный указатель равновесия Ф-510. Питание мос­ товых схем осуществляется от генератора типа ГЗ-ЗЗ, представляющего собой источник синусоидальных электрических колебаний от 20 до 200 000 Гц. Контроль эффективного значения синусоидального напряже­ ния на измерительных электродах кюветы осуществляется ламповым

Для синхронной фиксации динамики изменения тока, напряжения, температуры, линейной величины изменения объема образца во времени при электронагреве исследуемого продукта можно использовать светолу­ чевой осциллограф Н-700, который является универсальным регистри­ рующим прибором.

При исследовании удельной электропроводности необходимо перед каждой серией опытов определять постоянную измерительной кюветы. Для этого в кювете используется стандартный 0,1 н. водный раствор хи­ мически чистого хлористого калия. С помощью измерительной схемы определяют значения величин сопротивления R, емкости С и индуктив­ ности L измерительной кюветы с раствором хлористого калия. Тогда постоянную измерительной кюветы можно определить по формуле

КС1 при температуре измерения;

zKC] — комплексное сопротивление измерительной кюветы с раство­ ром (в Ом), определяемое следующим образом:

ним подвижным поршнем подпрессовывают. Оптимальное давление под­ прессовки, например для мясопродуктов, составляет 3-105 Н/м2. Под­ прессовка и выдержка продукта в течение 3—5 мин необходима для надежного электрического контакта между продуктом и электродами (из­ мерительным и рабочим), а также для протекания тиксотропного восста-

297

новлення структуры продукта и выравнивания внутренних напряжений по всему объему.

После балансировки мостов снимают показания сопротивления Rx, емкости Сх и индуктивности Lx кюветы с исследуемым образцом.

Удельную электропроводность хЛисследуемого продукта рассчиты­

Конечная расчетная формула удельной электропроводности образца имеет следующий вид:

(III—44)

Существует дифференцированный подход к оценке удельной электропроводности пищевых продуктов [60]. Их общее элект­ рическое сопротивление разбивают на три составляющие: объем­ ное — Rx, поверхностное — Rs и контактное — R K. Последняя величина представляет бесспорно самостоятельный интерес для электроконтактных методов.

В основу этой методики положен принцип, согласно которо­ му изменению линейных поперечных размеров образца в /г раз соответствует изменение его поверхностного сопротивления в k раз, а изменяющемуся при этом его сечению в А2 раз соответ­ ствует изменение его объемного и контактного сопротив­ лений в k2 раз; изменению высоты образца в п раз соответствует изменение его Rv и R Kв п раз, a Rs при этом остается постоян­ ным.

По данным измерения общих сопротивлений R lt Ка'и Rs продукта в форме параллелепипеда размером а X b X с по трем его направлениям составляют три уравнения с тремя неизвестными р^, ps и рк.

Для частных случаев эти уравнения имеют следующие решения: при Рк = 0

_ 2Rj Rac(b — а)

(III—46)

P s _ Rl b*— Raa* *

298

При тепловой обработке мясопродуктов током промышленной и по­

Ps

для определения pv и рк пользуются формулами:

ется доказательством наличия электроконтактного переходного сопро­ тивления. В активной составляющей сопротивления переменный ток про­ ходит, как фарадеевский в результате электрохимической реакции окис­ ления и восстановления, а в емкостной составляющей заряженные час­ тицы не проходят через границу раздела и течение тока происходит за

следуемый и рабочие электроды так, чтобы их электроконтактные со­ противления были равными между собой, получают следующие уравне­ ния:

299