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

ной скорости деформирования. Эффективная вязкость плавленых сыров (рис. 24) с увеличением скорости сдвига уменьшается по степенному закону [уравнения (I—26), (I—66)]. При повышении температуры вязкость при единичном значении градиента ско­ рости уменьшается по экспоненциальному закону Френкеля — Эйринга [уравнение (I—83)]. Обобщенное уравнение для расчета эффективной вязкости имеет вид:

где А, Е, т — постоянные величины, приведенные в табл. 19 при ве­ личинах градиента скорости по формуле (I—39) от 1 до 103 с-1. При вычислениях по формуле отклонения не превышают ±5% от опытных величин.

Вязкость водно-спиртово-сахарных растворов определяли вискозиметром Оствальда [127]. Экспериментальные данные помещены в табл. 20 и 21. Концентрации сахарозы ссах. и спирта ссп даны в долях единицы по массе.

Вязкость фруктовых и овощных соков определяли различны­ ми методами: ротационными, капиллярными и шариковыми вискозиметрами [25, 46, 64, 74, 77, 79]. При этом было установ­ лено отличие от ньютоновского течения [25, 79] и наличие пре­ дельного напряжения сдвига [64]. Также показано [64], что реологические характеристики зависят не только от концент-

80

Т а б л и ц а 20

Вязкость т)-103 (Па-с) водно-спиртовых растворов при концентрации спирта ссп, доли единицы по массе

°с

рации сухих веществ, но и от сорта продукта, из которого получен сок. Существенное значение имеет вид сока: осветленный или с мякотью. Белковые частицы мякоти обычно придают соку аномально вязкие свойства, даже при такой же концентрации сухих веществ, как в осветленном соке.

Вязкость яблочного сока, сгущенного в вакуум-аппарате, определили Б. Р. Гочияев [46], Л. Р. Лиепа и С. С. Соловь­ ев [74]. Перед исследованием сок осветляли, концентрацию изме­ ряли рефрактометром. Величины вязкости, полученные в ука­ занных работах, довольно близки между собой; эти данные по­ мещены в табл. 22. Кроме того, для произвольных концентра­ ций и температур нами предлагается формула расчета вязкости сока:

Т а б л и ц а 21

81

80° С и при концентрациях от 0,2 до 0,5, причем при концентра­ ции 0,2 уравнение дает завышенный результат, если температу-

82

ра высокая, и заниженный — при низкой температуре, откло­ нение данных не превышает 10%. При концентрациях больше 0,5

соке имеются эти связи, действительная энергия активации составляет 39 700 кДж/кмоль. Подобная картина получена при исследовании вязкости молока [107].

Вязкость натурального томатного сока имеет аномалии, так как сок представляет собой пластично-вязкое или псевдопластичное тело при концентрации сухих веществ больше

вязкости натурального сока с мякотью без конкретизации кон­ систентных переменных. На основании этих экспериментальных данных нами установлена эмпирическая зависимость для рас­ чета вязкости:

по формуле экспериментальные данные отличаются от расчетных в пре­ делах ±20%, что несколько превышает ошибки самих экспериментов, но меньше ошибки, которую дает формула [77]. Зависимость (I—88) применима в пределах концентрации от 0,06 до 0,25 кг сухих веществ на 1 кг сока при температуре от 30 до 80° С.

Аномалия вязкости и предельное напряжение сдвига у сока с мякотью более заметно выражены, чем у осветленных соков при тех же концентрациях. Это обусловлено наличием белко­ вых частиц, которые способствуют образованию структурной сетки.

По данным К. М. Коларова [64], в табл. 23 приведены вели­ чины предельного напряжения сдвига, которое входит в формулу (I—23) Гершеля — Балкли. Измерения были выполнены на вискозиметре РВ-8. Эффективную вязкость К. М. Коларов оп­ ределял на «Реотесте». Обобщение его результатов, выполнен­ ное нами, позволило получить расчетную формулу

83

ре РВ-8 в пределах концентрации 0,30—0,41 при температурах от 6 до 55° С. Ими получена расчетная зависимость:

концентрации сухих веществ 0,14 кг на 1 кг сока исследовали

84

В. В. Бытьева и А, М. Маслов [25] на вискозиметре «Реотест» при величине кольцевого зазора 0,00035 м. Они установили, что сок относится к псевдопластичным жидкостям. Для опреде­ ления эффективной вязкости при температурах от 18 до 47° С и при скорости сдвига от 230 до 1400 с-1 ими получена зависи­ мость:

личных пищевых продуктов показывает, что авторы соответ­ ствующих исследований применяли для обобщений уравнения, имеющие теоретические обоснования, например Бачинского, Эйнштейна, Френкеля — Эйринга, и эмпирические степенные зависимости, например (I—81), (I—89), (I—90). Естественно, при обобщениях предпочтение следует отдавать уравнениям,

.имеющим теоретическое обоснование.

В литературе [8, 13, 91, 104, 146] имеются данные по реоло­ гическим свойствам крахмальных студней, агароида, пекти­ на; в последнее время на эту тему опубликованы исследования В. И. Назарова, В. С. Грюнера, О. Д. Куриленко, В. С. Ба­ ранова, А. Б. Лукьянова, Г. М. Масловой, Т. В. Филиппо­ вой и др.

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

В некоторых машинах (прессы, волчки, дозато­ ры, шприцы и пр.) продукты находятся при повышенных

.давлениях, что изменяет их первоначальный объем и плотность. На выходе из машины объем и плотность также могут отличаться от начальных.

Эти явления рассчитывают, основываясь на объемных ■свойствах и кинетике их изменения.

К реологическим свойствам при воздействии нормальных напряжений относятся: модули упругости, периоды релакса­ ции, коэффициент бокового давления, коэффициент объемного ■сжатия, плотность идр. Поскольку сжатие продукта в двух про­ стейших случаях может быть реализовано в замкнутом объеме и между двумя плоско-параллельными пластинами, оба про­ цесса описываются компрессионными характеристиками: мо­ дулями упругости, периодами релаксации, кинетическими кри-

.выми деформации, работой сжатия и пр.

85

Приборы и методы исследования реологиче­ ских свойств пищевых продуктов

Прибор для измерения объемного сжатия, кине­ тики развития деформации и плотности представляет собой ци­ линдр с одним или двумя поршнями (рис. 25). Постоянная нагрузка обеспечивается грузами, деформации измеряются индикатором часового типа. Для определения коэффициента бокового давления предлагается два основных способа. По пер­ вому в продукте, находящемся в сжатом состоянии, распола­ гаются вертикально и горизонтально две полосы. Коэффициент бокового давления определяется как отношение усилия выдерги­ вания этих полос [118]. Второй способ основан на непосредст­ венном измерении бокового давления соответствующими датчи­ ками, если вертикальное давление обеспечивается постоянной нагрузкой. Этот метод можно считать первичным и более точным по сравнению с предыдущим [36].

В ряде случаев представляет интерес сжатие пластично­ вязкого слоя между двумя жесткими пластинами, одна из которых может перемещаться под действием груза (постоянное напряжение) или приводиться в движение от электропривода (постоянная скорость деформации). Для описания деформа­ ционного поведения тел используют расчетные модели. Модель И. И. Гольдберга [34] представляет собой два параллельных упруго-вязких элемента; в модели А. И. Лукомской [75] уп­ ругий и вязкий элементы соединены параллельно и последова­ тельно к ним присоединен еще один вязкий элемент; М. С. Бе­ лопольский [17] принял модель стандартного линейного тела, которая, как показали результаты наших экспериментов, хо­ рошо подходит для описания деформации одноосного сжатия фарша. Результаты, выраженные в виде конечных формул, к которым пришли эти авторы, различны и заранее предопреде­

86

При постоянном давлении и температуре получается зави­ симость для расчета удельной (на единицу объема) работы Луд (Дж/м3):

е(р, т) — относительная объемная деформация в любой момент времени;.

Для ряда пластично-вязких тел, в частности для торфа, ко­ торый подобен по своему реологическому строению многим пластично-вязким пищевым продуктам, применимо кинети­ ческое уравнение деформации;

самой деформации. Поэтому первоочередной задачей является отыскание коэффициентов к этому уравнению.

Соотношение вертикальных и горизонтальных давлений при сжатии в цилиндре пластично-вязких материалов отли­ чается от закона Паскаля. Распределение давлений характери­ зуется коэффициентом бокового давления, который представляет собой отношение горизонтального давления рг к вертикальному

Рв-

и лежит в пределах от 0 до 1 соответственно для абсолютна твердого тела и вязкой ньютоновской жидкости.

Впервые и наиболее подробно величины коэффициента бокового дав­ ления были исследованы для грунтов в работах проф. Н. М. Герсеванова, К. Терцаги, Н. В. Орнатского и др. Эту величину для песчаных грун­ тов определили равной 0,41—0,43 [118], 0,5 [99] и т. д. В последних работах [33] найдена зависимость коэффициента бокового давления от степени дисперсности песка: от 0,39 для крупного до 0,52 для пылеватого. Кроме того, с увеличением влагосодержания коэффициент увеличивается. Характеризуя распорные усилия (давления), этот показатель позволяет определить, исходя из условий прочности, толщину цилиндров обрабаты­ вающих продукт машин, размеры гравитационных спусков.

Принцип действия различных приборов, имеющих цилиндр с поршнем, одинаков. Образец продукта, взвешенный с зара­

88

в который входит притертый поршень. К нему прикладывается усилие от гидроприводной установки, рычага с грузом или набора грузов. Для удаления воздуха продукт подпрессовывается или вакуумируется. Высоту продукта в цилиндре изме­ ряют после подпрессовки. Затем при постоянном давлении через каждые 20 с или непрерывно записывают величины абсолютных деформаций продукта. Рабочие пределы изменения давления, например у консистометра Гепплера, от 1,56 • 105 до 15,6 • 105 Па. Максимальное время, необходимое для достижения равновес­ ного состояния, 180 с, что примерно соответствует периоду релаксации для многих пищевых продуктов. Затем нагрузку снимают и исследуют кинетику восстановления образца. Экспе­ рименты позволяют вычислить относительные деформации, построить кинетические зависимости и найти коэффициенты к уравнению (I—96). Поскольку масса продукта в цилиндре известна, эти же эксперименты дают возможность определить плотность при различных давлениях. Если цилиндр (см. рис. 25) снабжен водяной рубашкой, а в продукт помещены термопары, то прибор можно рассматривать в качестве акалориметра и определять на нем теплофизические характеристики продуктов

[21, 43].

Для вычисления коэффициента бокового давления и опре­ деления характера распределений давления по высоте цилиндра продукт в него закладывают на 5—10 мм выше верхней месдозы (см. рис. 25). Давление на продукт от поршня можно рас­ считать по весу грузов, давление на стенку — измерить датчи­ ками давления, месдозами (рис. 26). Зная боковое давление в трех точках по высоте цилиндра и коэффициент бокового давления, можно составить полную картину распределения давлений в цилиндре.

Для определения свойств продуктов при осевом сжатии между двумя плоскими пластинами можно использовать дефометр конструкции МТИММПа (рис. 27) [2]. Прибор имеет корпус, состоящий из верхней и нижней частей. Внутри верх­ ней части установлен выдвижной столик с тензометрической балкой, которая расположена в фиксированном положении на призмах. На тензометрической балке в средней ее части жестко закреплена бобышка для установки и крепления ниж­ ней пластины. Эти пластины могут иметь различную площадь и быть выполнены из разного материала. Подвижная штангагайка получает возвратно-поступательное равномерное движе­ ние от вращающегося винта, жестко соединенного с электродви­ гателем через редуктор и ступенчатый вариатор, позволяющий создавать различные скорости движения штанги-гайки (в опы-

89