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

грузки постоянна. Для наибольшего напряжения (кривая 4), близкого к пределу текучести, происходит частичное разрушение структуры и начинается пластично-вязкое течение с малым градиентом скорости. Оно характеризуется наибольшей эффек­ тивной вязкостью (около 5 • 105 Па-с). Эффективная вязкость, соответствующая состоянию ползучести, имеет величину пример­ но в 3 раза большую (16-105), так как движение происходит практически без разрушения структуры.

-■Ю^Па1

Результаты экспериментов, проведенных по описанной выше методи­ ке (см. рис. 11), дают возможность вычислить спектр распределения периодов релаксаций деформаций при различных, но постоянных для каж­ дого опыта напряжениях сдвига. Расчеты могут быть выполнены по ме­ тодике проф. В. Е. Гуля [47], согласно которой на графике In е (т) (рис.12) экстраполяцией прямолинейного участка кривой до т = 0 находим slt а по углу наклона прямой т0 —• первый наибольший период релаксации

деформации при постоянном напряжении. Далее эта операция повторя­ ется несколько раз: In (е—ех) = / (т), 1п [(е—Ей)—е2] — /(т) и т. д. Для каждого графика аналогично определяется е2 и т0п , е3 и и т. д. При этом

время, для которого реализуется один из периодов релаксаций, будет увеличиваться. Указанные графики описываются уравнением

Экспоненциальный член включает период релаксации, который зависит от продолжительности действия напряжения, но не от его величины:

тв = 7300 т-1 (ошибка ±6 %).

50

Описанные результаты получены по экспериментальным дан­ ным для малых относительных деформаций при величине аб­ солютных деформаций до 170 мкм в области до начала лавин­ ного разрушения структуры. В качестве измерительного прибо­ ра использован ротационный вискозиметр РВ-8.

Структурно-механические свойства пластично-вязких про­ дуктов от начала течения до предельного разрушения структуры

Рис. 12. Графические зависимости для расчета спектра распределения вре­ мен релаксаций деформаций:

характеризуются эффективной и пластической вязкостью и предельным напряжением сдвига. Поскольку эти свойства оп­ ределяются при сравнительно высоких градиентах скорости и напряжениях сдвига, они являются наиболее существенными по сравнению с другими [62 ] при расчете перемещения продук­ тов в рабочих органах машин и аппаратов. Эти свойства более глубоко характеризуют внутреннюю сущность объекта, т. е. его качественные показатели.

На рис. 13 приведены типичные интегральные реологические зависимости течения (рис. 13, а), кривые степени разрушения структуры (рис. 13, б) и изменения эффективной вязкости (рис. 13, в). Большой интерес представляют зависимости часто­ ты вращения ротора вискозиметра в секунду (градиент ско­ рости) от массы сдвигающих грузов (напряжение сдвига) для неразрушенной 1 и разрушенной 2 структуры. Они являются

51

продолжением кривой 4 по рис. 11, но для больших деформаций. Расчет величин реологических свойств по кривым 1 и 2 рис. 13, б

Рис. 13. Типичные кривые изменения реологических характеристик реаль­ ных пластично-вязких тел:

рассматривать как твердообразную систему, имеющую упруго­ пластично-вязкие свойства и определенную пространственную структуру. Последняя по своему характеру относится к коагу­ ляционной, что подтверждают результаты микроскопических исследований.

Реограммы рис. 13 образуют петли гистерезиса, объясняемые отсут­ ствием равновесия при замерах в связи с постепенным разрушением струк­ турной сетки (см. выше). Каждому значению градиента скорости соот­ ветствует определенное равновесное состояние системы, которое наступает при медленных его изменениях [54]. А. А. Багров [11] рассматривает гистерезисные явления по развиваемой удельной мощности (она пропор­ циональна площади между реограммой и осью ординат). Прохождение участка кривой вверх-вниз (по напряжениям) позволяет получить равно­ весные значения напряжения и градиента скорости (кривая 2 на рис. 13, а и б) для соответствующей степени разрушения структуры. Обоб­ щают гистерезисные явления поверхности по рис. 15.

52

По кривой 4 (см. рис. 13, б) может быть вычислена [уравнение (I—28)] степень разрушения структуры (кривая 3). Верхний участок кривой 4 показывает значение эффективной вязкости в области практически нераз­ рушенных структур. Далее при увеличении напряжения сдвига начина­ ется лавинное разрушение структуры. В этом же интервале кривая 3 резко возрастает, стремясь к 100%. Дальнейшее увеличение напряжения (выше предельного напряжения сдвига) вызывает медленное уменьшение эффективной вязкости (нижний участок кривой 4). Подобный вид имеют зависимости эффективной вязкости от градиента скорости, которые для нескольких видов фарша приведены на рис. 13, в. Для конфетных масс, теста и других продуктов [104] аналогичные кривые имеют такой же характер.

53

Зависимость между эффективной вязкостью и скоростью боковой поверхности ротора вискозиметра в логарифмических шкалах изображается прямой линией (рис. 14) и может слу­ жить основной характеристикой при расчете рабочих органов машин и аппаратов в интервале от ПНС до напряжения, соответ­ ствующего предельному разрушению структуры. Таким обра­

Результаты первичной обработки экспериментов по определе­ нию эффективной вязкости можно представить формулой (I—27). Далее, пользуясь той или иной зависимостью, следует вычислить градиент скорости и определить эффективную вязкость при еди­ ничном его значении. В качестве примера ниже приведены преоб­ разования, выполненные для прибора РВ-8, который имеет

54

Таким образом, эффективная вязкость при единичном зна­ чении градиента скорости для рассматриваемого примера

где величины коэффициента В0* приведены в табл. 5.

Т а б л и ц а 5

П р и м е ч а н и е . Влажность и жирность вычислены в долях единицы относительно к об­ щей массе продукта.

55

Если градиент скорости вычислен по какой-либо другой за­

висимости, например (I—36), то а — 340 и w\ = 0,00295 м/с; арифметические вычисления выполняются' аналогично.

На графике в трехмерной системе координат (рис. 15), по­ строенном по данным рис. 13 и 14, однозначно связаны эффек­ тивная вязкость, сдвигающее усилие и общее время его прило-

Рис. 15. Зависимость логарифма эффективной вязкости от сдвигающего усилия и времени его приложения:

а — глиняная паста; б — фарш русских сосисок.

жения. Таким образом, при известной длительности приложе­ ния напряжения можно определить эффективную вязкость. Проекции кривых, полученных при постоянном времени или постоянном сдвигающем усилии на соответствующие коорди­ натные плоскости, дают семейство кривых, которые позволяют обобщить данные при различных условиях проведения опыта.

В табл. 5 помещены основные структурно-механические свойства производственных композиций мясного фарша [36]. Величины СМС в табл. 5 учитывают результаты, полученные при измерениях с помощью пластометра и сдвигомера с трубкой. При пользовании табл. 5 следует иметь в виду, что производ­ ственные композиции от указанных значений могут отличать­ ся на следующие величины: для ПНС — до ± 15%, для В — до ± 7%, для т — до ± 3%. Такая разница вызвана различ­ ной степенью куттерования, влажностью и т. д.; добиться по­ стоянства этих показателей в производственных условиях пока не представляется возможным.

В табл. 5 помещены также величины реологических свойств пралиновых конфетных масс по данным Ю. А. Мачихина [81]. Эти массы относятся к пластично-вязким телам Бингама, т. е. при градиентах скорости больше 2—10 с-1 реограммы, полу­

56

ченные на ротационном вискозиметре, представляют собой прямые линии.

При изготовлении пищевых продуктов их состав или состав исходной смеси, температура, длительность выдержки и прочие факторы могут отличаться от обусловленных стандартом. Поэто­ му важно рассмотреть влияние некоторых основных технологи­ ческих факторов на величины СМС. Кроме того, эти данные позволяют обосновать параметры оптимального процесса и, основываясь на них, разработать предпосылки для автомати­ ческого управления технологическими процессами.

Влияние температуры [40, 41] на реологические свойства фарша было изучено в интервале от 2до 35°С; ее измеряли термо­ парами, вмонтированными в стакан вискозиметра РВ-8.В процес­ се технологического цикла температура колеблется от 2 до 20° С, но при термообработке она доходит до 70—80° С. За верхний исследованный предел взято 35° С: эта точка примерно соответ­ ствует началу денатурации белков и фарш из пластично-вяз­ кого состояния переходит в «упругое». При измерении эффект начала денатурации выражается в разрыве сплошности фарша и проскальзывании ротора по фаршу.

Анализ реограмм показывает, что увеличение температуры вызывает снижение численных значений всех реологических свойств, за исключением темпа разрушения структуры. С повы­ шением температуры связи в водно-белково-солевых прослой­ ках ослабляются в результате уменьшения вязкости раствора и более интенсивного теплового движения молекул, что ведет к ослаблению прочности структуры в целом. Кроме того, темпера­ турные изменения прочности структуры, по-видимому, вызывают также диффузионно-осмотические процессы. Увеличение тем­ па разрушения структуры в области 2—23° С обусловлено бо­ лее быстрым разрушением структуры (ее прочность уменьша­ ется); уменьшение темпа разрушения структуры в области 25—35° С объясняется началом проявления денатурационных процессов, которые начинают препятствовать разрушению структуры.

Температурные зависимости изменения СМС фарша в области 2—23° С при малом времени его выдержки аппроксимированы прямыми с ошибкой, не превышающей ± 3 % (рис. 16). Анало­ гичная аппроксимация вязкости воды дает такую же ошибку.

Влияние продолжительности выдержки* т на изменение реологических свойств [41 ] исследовалось для нахождения опти­

* В производственных условиях продолжительность выдержки ограни­ чена. Однако описанные исследования проведены с познавательной целью, чтобы выяснить влияние времени выдержки на СМС фарша при длитель­ ном хранении.

57

мального времени осадки колбасных изделий. После механи­ ческого воздействия на сырой продукт для улучшения его качества необходим «отдых» с целью восстановления структуры (осадка колбас, расстойка тестовых заготовок и пр.).

Рис. 16. Зависимость изменения реологических свойств фарша докторской колбасы от времени старения и температуры:

а — пластическая вязкость; б — предельное напряжение сдвига; о — темп разрушения структуры; г — эффективная вязкость при единичной скорости.

58

Для тонкоизмельченных видов фарша во время выдержки вы­ явлено три периода (см. рис. 16).

Первый период подразделяется на три фазы. В первой фазе длительностью 2—4 ч (чем ниже температура, тем продолжитель­ нее время) величины СМС фарша практически не меняются. Относительный рост количества микробов незначителен. В этой фазе, которую можно назвать потенциальной, формируются предпосылки для дальнейших количественных и качественных изменений состояния фарша. Во второй фазе длительностью около 2 ч величины СМС фарша увеличиваются на 10—22%, идет процесс тиксотропного упрочнения структуры и связыва­

ния, процесс тиксотропного упрочнения заканчивается.

Во втором периоде численные значения свойства фарша уменьшаются, а темп нарастания микрофлоры резко увеличи­ вается. Конец второго периода характеризуется экстремальным значением кривой темпа роста количества микробов и изломом на временных кривых изменения СМС. Резкое уменьшение численных значений СМС объясняется ослаблением структуры или ее элементов под воздействием комплекса микробиологи­ ческих и биохимических процессов. Подобная картина — нара­ стание и спад прочности во время старения — наблюдалась также при исследовании геля яичного альбумина [57]. Для неорганических систем, например пасты бентонитовой глины, такое явление отмечено не было.

В третьем периоде общее число микроорганизмов увеличи­ вается, но наряду с этим начинается процесс их отмирания, величины СМС достигают наименьшего значения, фарш нахо­ дится в разложившемся состоянии.

Влияние влажности и температуры на реологические свойст­ ва фарша изучалось [40] при выдержке до 2—3 ч. Такая мето­ дика измерения позволила получить наиболее устойчивые чис­ ленные показатели величин свойств. Эксперименты давали

0,76 в долях единицы к общей массе сырого фарша. До нужной влажности фарш доводили, разбавляя его водой и тщательно перемешивая. Последовательность добавления воды в фарш после куттерования, как показали наши эксперименты и данные проф. Р. Хамма [143], не влияет на реологические свойства.

Повышение влажности фарша ведет к утолщению жидкост­ ных прослоек дисперсионной среды между частицами, уменьша­ ет концентрацию белков в растворе прослоек, снижая их вяз­ кость. В связи с этим прочность структуры и СМС фарша пони-

59