Реология мясных и молочных продуктов (Горбатов) 1979 год

Капиллярные вискозиметры 88

Пенетрометры, консистометры и другие вискозиметры 102

Методы и приборы для измерения компрессионных характеристик 111

Методы и приборы для измерения характеристик продуктов на границе раздела с твердыми телами 121

Глава 111

Сдвиговые свойства мясных и молочных продуктов 133

Сдвиговые свойства твердообразных продуктов 133 Влияние различных технологических факторов на структурно-механические свойства 147

Сдвиговые свойства жидкообразных продуктов и влияние на них различных технологических факторов 186

Глава IV

Компрессионные характеристики и плотность мясных и молочных продуктов 209

Компрессионные характеристики мясных продуктов 209 Компрессионные характеристики молочных продуктов 231

Плотность мясных и молочных продуктов 235

I' л а в а V

Поверхностные характеристики мясных и молочных продуктов 240

Адгезионные характеристики (липкость) мясных и молочных продуктом 240

Фрикционные характеристики мясных и молочных продуктов 262

Глава VI

Реологические исследования и расчеты некоторых рабочих органов машин 273

Общие положения 273

Приборы, стенды и методы исследования рабочих органов машин 276

Уравнения движения пластично-вязких продуктов 289 Реологические расчеты 308

Глава VII

Устройства для перемещения пластично-вязких мясных и молочных продуктов 323

Насосы 323

Устройства для пневмо гидро транспортировки продуктов 352

Приложения 361

Предметный указатель 363

Список использованной литературы 369

Пищевые продукты, в том числе мясные и молочные, очень сложны по химическому составу и обладают различными свойствами, которые в совокупности составляют качество продукции. Существующие в настоящее время методы оценки качества продуктов часто субъективны и далеки от совершенства. Важнейшие физические свойства продуктов не всегда верно учитывают при проектировании машин и аппаратов.

      Наиболее полно можно судить о качестве продукта по тем физическим свойствам, которые зависят от химического состава и определяются внутренним строением продукта. При этом характеристики сырья предопределяют основные показатели готовых продуктов.

      Задачами классической реологии как науки о течении и деформации реальных тел (техническая механика реальных тел или дисперсных систем) являются изучение свойств существующих продуктов и разработка методов расчета процессов течения их в рабочих органах машин. В функции физико-химической механики как науки о способах и закономерностях формирования структур дисперсных систем с заранее заданными свойствами входят установление существа образования и разрушения структур в дисперсных и нативных системах в зависимости от совокупности физико-химических, биохимических, механических и других факторов, а также исследование, обоснование и оптимизация путей получения структур с заранее заданными технологическими свойствами.

      Важнейшая проблема физико-химической механики заключается в уточнении закономерностей и механизма действия малых добавок поверхностно-активных веществ в процессах структурообразования, при возникновении контактных взаимодействий, деформировании и разрушении материалов. В этих процессах определяющее значение имеют механические свойства [73, 148].

      К основным задачам инженерной физико-химической механики можно отнести следующие:

      выявление величин основных реологических характеристик, необходимых для расчета и совершенствована технологических процессов и оценки качества изделий разработку методов измерения характеристик как i стационарных (лабораторных) условиях, так и в потоке а также методик расчета реологических характеристик разработку датчиков и приборов для измерения ве личин свойств на основе научно обоснованных математических моделей реальных продуктов и оперативной регулирования значений свойств (с обратной связь к обрабатывающей машине);

      разработку научно обоснованных методов расчет; оборудования для определения оптимальных геометрических, энергетических, кинематических и динамически; параметров работы машин, а также принципиально но вых машин и аппаратов и их рабочих органов;

      определение «эталонных» показателей реологически; свойств сырья и готовых продуктов, основанных на су ществующих в настоящее время методах оценки качества изделий;

      управление структурой и качеством пищевых продуктов путем внесения добавок, изменения режимов и спо собов механической и технологической обработки и пр.

      комплексное исследование величин различных физических свойств (в значительном интервале измененш определяющих технологических факторов) для установления аналогии между изменениями свойств, их модели рования, прогнозирования и расчета как значенш свойств, так и производственного оборудования и при боров контроля.

      При решении названных проблем существенное значение имеют реологические методы как научный фундамент для практических и теоретических разработок. Эт соображение о важности реологических (структурно механических) свойств, отмеченное более десяти ле назад [34, 124, 152, 160], в последние годы нашло пол ное признание как в СССР [73, 92, 93, 116, 133, 174 200], так и за границей [110, 193, 216, 219, 220].

      В реологии и инженерной физико-химической механике широко используют следующие основные методы ис следования: дифференциальный, интегральный, аналогии и моделей, анализа размерностей, экспериментальный При этом обычно основываются на гипотезах, рассматривающих материал с макроскопической точки зрения з качестве сплошной деформируемой среды, мерами подвижности частиц которой являются амплитуда и скорость смещения с непрерывным распределением основных физических свойств и деформаций. Такой подход позволяет не рассматривать сложные молекулярные движения в телах и использовать для описания процес-:ов аппарат математического анализа, применяемого к непрерывным функциям [157]. Каждый из перечисленных методов, за исключением экспериментального, можно осуществлять теоретико-феноменологическими и экспериментальными способами. В пределах одного исследования возможны комбинации методов.

      Дифференциальным методом пользуются при изучении бесконечно малых величин: в феноменологических исследованиях при составлении дифференциальных равнений; в экспериментальных работах часто изучают изменение параметров отдельных элементов тела в каком-либо процессе. Таким образом, дифференциальный метод позволяет определить в теоретических и экспериментальных исследованиях состояние величин, переменных во времени и пространстве (для любого момента времени и в любой точке пространства). Интегральный метод служит для изучения конечных величин. Он дает возможность определить суммарный эффект изменения параметров в системе под действием тех или иных факторов. Обычно теоретические расчетные формулы покупают в результате интегрирования дифференциальных равнений, эмпирические — в результате суммарного чета дифференциальных изменений в системе. Те и другие уравнения позволяют описать процесс от начального то конечного состояния изменения параметров.

      Методом аналогий пользуются довольно широко во многих качественных и количественных исследованиях. В общем случае он позволяет составить уравнения для идеальных объектов по аналогии с уравнениями для идеальных. Основываясь на общности дифференциальных уравнений, можно изучать сложные явления с помощью более простых.

      В реологии широко распространен метод механических моделей. Например, для получения наглядной картины поведения материала под действием напряжений каждое его свойство (упругость, пластичность

      и др.) заменяют механическим элементом (пружиной, нарой трения скольжения и т. д.). В реологии также широко используют геометрическое, математическое, физическое и другое моделирование. Недостаток метода аналогий заключается в том, что им трудно пользоваться при исследовании сложных внутренних взаимодействий. Физическое моделирование эффективно для получения качественных и количественных соответствий натурным объектам.

      Метод анализа размерностей применяют для составления критериальных уравнений при обработке экспериментальных данных. При разработке методики эксперимента, определив зависимые и независимые переменные и функциональную зависимость между критериями, можно установить необходимые пределы изменения последних.

      Экспериментальный метод обязателен при полных исследованиях для получения всех расчетных зависимостей и формул. Только в результате эксперимента можно определить границы приложения дифференциального или интегрального уравнения, найти для теоретических или эмпирических уравнений коэффициенты, характеризующие специфичность исследуемого объекта, проверить теоретические положения на практике и увязать теорию с практикой. Общепризнанной теорией экспериментальных исследований является теория подобия, которая трактует условия подобия физических явлений и методы определения этих условий, а в ряде случаев позволяет разработать методику эксперимента и определить подход к нему. Подобные явления должны иметь одинаковые и численно равные критерии, в том числе и полученные из граничных и начальных условий. Частичное подобие может быть в том случае, когда одинаковы критерии, учитывающие наиболее существенные черты объекта в данном процессе.

      Любые измерения, как бы тщательно их не проводили, не могут дать двух абсолютно тождественных результатов. Всегда возможно наложение каких-либс побочных явлений, искажающих результат. Отклонена измеренного значения величины в эксперименте от ее точного значения составляет ошибку. Кроме того, даль нейшую аналитическую и графическую обработку опытов проводят с определенной степенью точности, напри

      мер логарифмической линейкой или на ЭВМ. Подсчет ошибки эксперимента позволяет установить заранее допустимую погрешность вычислений. Основной задачей теории ошибок является разработка способов получения и обработки результатов, при которых ошибки будут минимальны, а определяемая величина наиболее достоверной. Для предварительного решения этой задачи оценивают ошибки и погрешности как в экспериментальных измерениях, так и дальнейших арифметических действиях с опытными числами.

      В основу классификации материала книги по главам положен вид действующих на продукт механических напряжений (усилий) и деформаций. Условно весь материал разделен на две части: реологические свойства и динамика движения продуктов в рабочих органах машин. Разделы построены по единому плану: физическая сущность и теоретические основы; способы и устройства для измерения характерных величин; фактические данные по основным характеристикам; использование их для практических целей.

      По возможности в книге показаны комплексные исследования различных физических свойств и установлена аналогия их изменения при воздействии одинаковых факторов.

      Собственные исследования автора, приведенные в книге, выполнены в лаборатории гидравлики кафедры промышленного строительства и охраны труда и в Проблемной научно-исследовательской лаборатории электрофизических методов обработки пищевых продуктов МТИММПа.

      Сотрудникам кафедры и лаборатории проф., д-ру техн. наук И. А. Рогову, кандидатам технических наук О. П. Боровиковой, Я. И. Виноградову, В. Д. Косому, Н. А. Мусабаеву, Е. Т. Спирину, С. И. Сухановой, В. М. Щукину, а также товарищам, любезно предоставившим результаты своих опубликованных научных исследований, специально переработанных ими в плане книги; рецензентам: зав. кафедрой технологии молока и молочных продуктов ЛТИХПа проф., д-ру техн. наук А. М. Маслову и зав. лабораторией физических методов исследования ВНИИМПа ст. науч. сотр., канд. техн. наук Г. Е. Лимонову — автор выражает свою искреннюю благодарность.

      ОСНОВЫ РЕОЛОГИИ МЯСНЫХ И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

      ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

      Классификация реальных тел. В табл. 1 приведена классификация реальных тел по сдвиговым характеристикам. Методы и положения физической и коллоидной химии, биохимии и ряда других наук, применяемые для классификации реальных тел, не отражены в данной таблице.

      Три основных «первичных» тела — упругое (модель — пружина), пластичное (модель — пара трения скольжения) и вязкое (модель — поршень с отверстиями и цилиндр) — в различных сочетаниях и комбинациях могут обеспечить характеристики множества реальных пищевых продуктов. При этом обычно деформации и скорости их связаны линейно. Группа нелинейных реологических тел описывается, по преимуществу эмпирическими зависимостями, в которых деформации и скорости деформаций связаны степенными или более сложными закономерностями.

      Большинство уравнений теории упругости, пластичности, гидравлики может быть получено в виде частных случаев из реологических.

      Классификация дисперсных систем. Классическими объектами управляющей реологии и инженерной физико-химической механики являются дисперсные системы, состоящие из двух и более фаз. В них дисперсионной средой является непрерывная фаза, дисперсной фазой — раздробленная фаза, состоящая из частиц, не контактирующих друг с другом. При этом под фазой понимается совокупность гомогенных частей системы, отграниченных от других физическими поверхностями раздела. Классификация дисперсных систем дана в табл. 2.

      Дисперсные системы (с жидкой дисперсионной средой) могут находиться в свободном состоянии — золь, когда отдельные элементы не связаны или слабо связаны друг с другом (молоко), и в связанном состоянии — гель (простокваша, кефир), когда частицы связаны друг с другом молекулярными силами и образуют структуру, т. е. пространственный каркас.

      Классификация структур дисперсных систем. Структуру, т. е. внутреннее строение продукта и характер взаимодействия между отдельными ее элементами (частицами), определяют химический состав, биохимические показатели, температура, дисперсность и ряд технологических факторов.

      По классификации акад. П. А. Ребиндера [73] структуры пищевых продуктов можно разделить на коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные.

      Примечания:

      1. В книге рассмотрены системы с жидкой и твердой дисперсионными средами.

      2. В качестве примеров приведены только некоторые продукты, причем продукт к той или иной системе отнесен по главным признакам. Например, колбасный фарш после куттерования представляет собой суспензию, насыщенную воздушными пузырьками, т. е. трехфазную систему. Одни и тот же продукт (животный жир, сливочное масло) в зависимости от температуры можно отнести к разным системам. Механическое воздействие (резание, сбивание, перемешивание) способно вызывать переход нз одного вида дисперсий в другой.

      Коагуляционные структуры образуются в дисперсных системах путем взаимодействия между частицами и молекулами через прослойки дисперсионной среды за счет ван-дер-ваальсовых сил сцепления. Толщина прослойки соответствует минимуму свободной энергии системы [73]. Термодинамически стабильны системы, у которых с поверхностью частиц прочно связаны фрагменты молекул, способные без утраты этой связи растворяться в дисперсной среде. В свою очередь дисперсионная среда находится в связанном состоянии. Обычно эти структуры способны к самопроизвольному восстановлению после разрушения (тиксотропия). Толщину прослоек характеризует в известной степени содержание дисперсионной среды. При увеличении содержания воды значения сдвиговых свойств уменьшаются, а система из твердообразной переходит в жидкообразную. В связи с этим оптимальные технологические характеристики продукта определяются степенью его дисперсности, при которой наблюдается наибольшая водосвязывающая способность. При обезвоживании коагуляционных структур прочность их повышается, но после определенного предела они перестают быть обратимо тиксотропными. Восстанавливаемость структуры сохраняется в пластично вязкой среде, когда пространственный каркас разрушается без нарушения сплошности. При дальнейшем снижении содержания жидкой фазы, т. е. переходе к пластическим пастам, восстановление прочности после разрушения структуры возможно при действии напряжения, вызывающего пластические деформации, обеспечивающие истинный контакт по всей поверхности разрыва. Наконец, при наибольшей степени уплотнения структуры и наименьшей толщине прослоек жидкой среды восстанавливаемость и пластичность исчезают, кривая прочности в зависимости от влажности дает излом. Такая предельная влажность была определена для некоторых видов колбасного фарша [42]. При этом контакты частиц оставались точечными; они могли переходить в фазовые при значительном повышении температур путем спекания или срастания.

      В соответствии с формулой (I — 1) процесс разрушения рассматривается как термомеханический, т. е. энергетический барьер (энергия активации), ослабленье действием механического напряжения, преодолевается i результате теплового воздействия. Числитель экспонентов ты может быть больше или меньше нуля, что характеризует преобладание того или иного вида разрушения Для коагуляционно-конденсационной структуры гель казеина энергия активации составляет около 120х ХЮ3 Джмоль, структурная постоянная — околс 0,42 м3 моль.

      При образовании коагуляционных структур в мясные и молочных продуктах существенную роль играют по верхностно-активные вещества и растворенные в вод белки, которые выступают в качестве эмульгаторов стабилизаторов образуемых систем [73].

      Конденсационно-кристаллизационные структуры при суши натуральным продуктам, однако они могут образовываться из коагуляционных при удалении дисперсионной среды или срастании частиц дисперсной фазы в расплавах или растворах. В процессе образования эт! структуры могут иметь ряд переходных состояний: коа гуляционно-кристаллизационные, коагуляционно-конденсационные при непрерывном нарастании прочности. Ос новные отличительные признаки структур такого тип; следующие: большая прочность по сравнению с прочно стью коагуляционных структур, что обусловлено высокой прочностью контактов между частицами; отсутствш тиксотропии и необратимый характер разрушения; боль шая хрупкость и упругость из-за жесткости скелет; структуры; наличие внутренних напряжений, возникаю щих в процессе образования фазовых контактов и вы зывающих в дальнейшем перекристаллизацию и само произвольное понижение прочности вплоть до нарушения сплошности, например растрескивание при сушке.