Загальні теоретичні положення. Харчова сировина рослинного і тваринного походження при переробці у продукти харчування піддається механічній (змішування

Харчова сировина рослинного і тваринного походження при переробці у продукти харчування піддається механічній (змішування, різання, подрібнення, протирання, замішування тіста, формування заготовок та ін.) і термічній (розварювання, бланшування, обсмажування) обробці. При цьому виробничі процеси повинні бути організовані таким чином, щоб забезпечити максимально високий рівень якості готової продукції.

Серед харчових мас зустрічаються матеріали, які дуже різняться за своїми реологічними властивостями. Харчові продукти, сировина і напівфабрикати в залежності від складу, дисперсної будови і структури володіють різними реологічними властивостями і текстурними ознаками. Структурно-механічні властивості часто визначають поведінку продуктів в різних процесах і енергетичних полях. Вони є зовнішнім виразом сутності об’єктів, тобто характеризують агрегатний стан, дисперсність, структуру і вид взаємодії усередині продукту.

Дисперсійна система складається з двох або більше фаз, а саме: дисперсійного середовища, яке є безперервною фазою, і роздробленої дисперсної фази. Найбільш складними реологічними властивостями володіють висококонцентровані дисперсні системи з просторовими структурами. Утворення і зміна структур, обумовлені фізико-хімічними, біохімічними або чисто фізичними процесами і завжди приводять до зміни реологічних властивостей харчових систем. Різниця властивостей харчових продуктів обумовлена великим різноманіттям структур і хімічного складу. Харчові продукти бувають тверді, напівтверді або напівжирні і рідкі. Тверді тіла мають кристалічну структуру (кухонна сіль, цукор, тверді жири). Хліб, крупа, макаронні вироби, печиво, м'ясо, риба, плоди і овочі характеризуються капілярно-пористо-колоїдною структурою. Кусковий цукор є капілярно-пористим, а крохмаль, мармелад, желатин – концентрованими драглями.

Харчова сировина, напівфабрикати і вироблені з них продукти є реальними тілами, які володіють пружністю, пластичністю, в’язкістю і плинністю. В’язкість або консистенція - це найбільш важливі характеристики, які визначають стан речовини. Вони характеризують опір, який здійснює речовина при переміщенні одних шарів речовини відносно інших.

В’язкість – це показник якості багатьох харчових продуктів, таких як сироп, майонез тощо. Вона активно впливає на технологічні процеси, такі як перемішування, фільтрування тощо. В’язкість характеризується коефіцієнтом динамічної в’язкості (Па·с) і коефіцієнтом кінематичної в’язкості. Значення динамічних і кінематичних коефіцієнтів в’язкості для кожного продукту індивідуальні і залежать від температури, тиску, вологості або жирності, концентрації сухих речовин. В’язкість харчових продуктів зменшується при підвищенні вологості, температури, жирності і зростає з підвищенням концентрації розчинів та ступеня їх дисперсності.

Зсув – це дуже важливий вид деформації в реології. Простий зсув розглядається як плоска деформація, яка паралельна нерухомій площині, внаслідок дії на гранях паралелепіпеда дотичних напружень. Простий зсув являє собою особливий випадок ламінарного потоку, при якому можна вважати, що тіло складається із безперервних тонких шарів. Ці шари не деформуються, а тільки ковзають один по одному. Плинність – це здатність продукту безперервно деформуватися під дією постійного навантаження.

Напруження зсуву – це опір продукту дії дотичної складової прикладеної сили. Воно дорівнює відношенню цієї сили до поверхні зсуву. Мінімальна сила, яка необхідна для проведення зсуву (переміщення шарів на площі зсуву), визначається величиною граничного напруження зсуву.

Ротаційні віскозиметри широко використовують майже у всіх галузях харчової промисловості. Вони більш універсальні порівняно з капілярними, тому що поряд з в’язкістю і граничним напруженням зсуву дозволяють визначити інші реологічні характеристики. Для малов’язких рідин ротаційні віскозиметри застосовуються рідко, але широко використовуються для вимірювання реологічних характеристик високов’язких, високопластичних систем. За їх допомогою контролюють якість вихідної сировини і готової продукції, а також технологічні процеси виробництва. Віскозиметри ротаційного типу використовують для роботи з сиропами, молоком, кремами, шоколадом, м’ясними і рибними фаршами, сирними кисломолочними масами та ін.

Ротаційні віскозиметри – теоретично обґрунтовані прилади, які дозволяють отримати практично однорідні поля напруги і деформацій при дуже малих і великих деформаціях зсуву.

Теорія ротаційної реометрії використовує принципово ті ж допущення і обмеження, які діють в теорії капілярної віскозиметрії. Для коаксіального зазора ротаційного віскозиметра, вважаючи, що лінійна швидкість и елементарного шару і кутова швидкість ω на відстані r (в м) від осі обертання пов’язані співвідношенням и = ω r, критерій Рейнольдса Re набуває наступного вигляду:

Re = ρΩR² / η = ΩR² / ν,

де ρ – густина дослідної речовини, кг/м³;

Ω – кутова швидкість, с^-1;

R – радіус циліндра, що обертається, м;

η – динамічна в’язкість, Па·с;

ν = η / ρ – кінематична в’язкість, м²/с.

В загальному випадку, коли математична модель деформаційної поведінки продукту невідома, ефективну в’язкість можна виразити через окружну швидкість ω (м/с) обертання ротора:

η _еф = В (ω/ ω₁)^n-1 = B· ω ,

де В – ефективна в’язкість, Па·с, при відносній окружній швидкості ω_*= 1;

ω₁ – одиничне значення окружної швидкості, м/с (аналогічні одиничному значенню градієнта швидкості γ₁;

n - 1 = m – темп руйнування структури.

Модулі пружності при зсуві G (Па·с) визначають за законом Гука і графічними залежностями відносної деформації від часу дії постійного напруження

θ = γ ·G або G = (γ /θ)^-1

де θ – напруження зсуву, Па;

γ – відносна деформація продукту;

γ /θ – відносна деформація, приведена до одиниці напруження зсуву, 1/Па;

γ = ,

де δ – відхилення стрілки приладу, м;

ΔR = R_н – R_В – товщина шару продукту між стаканом і ротором, м;

R_В, R_н – радіуси відповідно ротора і стакана;

l – довжина стрілки, м.

Найбільшу ефективну в’язкість (Па·с), яка відповідає початку в’язко-

пластичної течії, знаходять за рівнянням Ньютона:

= або = ,

де Δτ – інтервал часу, с;

Δγ/Δτ – швидкість деформації для прямолінійного відрізку кривої.

Існує велика кількість віскозиметрів, які знайшли використання при дослідженні реологічних властивостей харчових матеріалів.

Слід відзначити, що всі ці прилади громіздкі, потребують певних умов використання, що дуже важко забезпечити під час роботи приладів, та часу для проведення реологічних досліджень харчових продуктів. Їх неможливо використовувати під час контролю технологічних процесів, пов’язаних з концентруванням, випаровуванням, уварюванням. Тому в умовах виробництва користуються експресними методами контролю консистенції, зокрема плинності харчових продуктів або напівфабрикатів.

Для цього використовують компактні прилади, які дозволяють швидко визначити консистенцію продукту під час технологічного процесу і які легко можна перенести з місця на місце.