Структурно механические свойства и пищевые добавки
Структурно-механические свойства пищевых продуктов выполняют двойную функцию: они предназначены не только для количественных, но и для качественных характеристик пищевых продуктов. Структурно-механические (реологические) свойства — особенности товаров, проявляющиеся при их деформации. Они характеризуют способность товаров сопротивляться приложенным внешним силам или изменяться под их воздействием. К ним относятся прочность, твердость, упругость, эластичность, пластичность, вязкость, адгезия, тиксотропия и др.
Эти свойства зависят не только от химического состава продуктов, но и от строения, или структуры. Показатели структурно-механических свойств характеризуют качество (консистенцию) пищевых продуктов, заметно изменяются при их разрушении и учитываются при выборе условий их технологической обработки, перевозки и хранения.
Прочность — способность твердого тела сопротивляться механическому разрушению при приложении к нему внешней силы растяжения и сжатия.
Прочность материала зависит от его структуры и пористости. Прочность имеет важное значение для количественной характеристики таких пищевых продуктов, как макароны, сахар-рафинад, печенье, сухари. Если пищевые продукты недостаточно прочные, увеличивается количество лома, крошки, Этот показатель учитывается при переработке зерна на муку, при дроблении винограда, при измельчении картофеля и т.д.
Твердость — местная поверхностная прочность тела, которая характеризуется сопротивлением проникновению в него другого более твердого тела.
Твердость объектов зависит от их природы, формы, структуры, размеров и расположения атомов, а также сил межмолекулярного сцепления. Твердость определяют при оценке степени зрелости свежих плодов и овощей, по твердости сухарных и бараночных изделий судят о процессах черствения.
Деформация — способность объекта изменять размеры, форму и структуру под влиянием внешних воздействий, вызывающих смещение отдельных частиц по отношению друг к другу. Деформация товаров зависит от величины и вида нагрузки, структуры и физико-химических свойств объекта.
Деформации могут быть обратимыми и необратимыми (остаточными). При обратимой деформации первоначальные размеры, форма и структура продуктов восстанавливаются полностью после снятия нагрузки, а при необратимой — не восстанавливаются. Обратимая деформация может быть упругой, когда происходит моментальное восстановление формы и размера объекта, и эластичной, когда на восстановление требуется более или менее продолжительный отрезок времени. Остаточной называется деформация, остающаяся после прекращения действия внешних сил. Остаточная необратимая деформация называется также пластической.
Если внешние силы, приложенные к телу, будут настолько велики, что перемещающиеся в процессе деформации частицы тела потеряют взаимную связь, наступает разрушение тела.
Пищевые продукты, как правило, характеризуются мно-гокомпонентностью состава; им свойственна как упругая деформация, так и эластичная, а также пластическая деформация.
Упругость — способность тел мгновенно восстанавливать свою первоначальную форму или объем после прекращения действия деформирующих сил. Применяется этот показатель при определении упругости теста, клейковины пшеничного теста, хлебных изделий и других товаров. Этим свойством характеризуются такие товары, как, например, резиновые надувные изделия (шины, игрушки и т. п.).
Эластичность — свойство тел постепенно восстанавливать форму или объем в течение некоторого времени после прекращения действия деформирующих сил.
Это свойство также используется при оценке качества хлеба (состояние мякиша), мяса и рыбы, клейковины теста. Так, эластичность мякиша хлеба, мяса и рыбы служит показателем их свежести, так как при черствении мякиш утрачивает эластичность; при перезревании мяса и рыбы или их порче мышечная ткань сильно размягчается и также утрачивает эластичность.
Пластичность — способность объекта к необратимым деформациям, вследствие чего изменяется первоначальная форма, а после прекращения внешнего воздействия сохраняется новая форма. Типичным примером пластичных материалов служат пластилин. Пластичность пищевого сырья и полуфабрикатов используется при формовании готовых изделий. Так, благодаря пластичности пшеничного теста можно придавать определенную форму хлебобулочным, мучным кондитерским, бараночным и макаронным изделиям. Пластичностью обладают горячие карамельные, конфетные, шоколадные и мармеладные массы. После выпечки и остывания готовые изделия утрачивают пластичность, приобретая новые свойства (эластичность, твердость и т. п.).
При перевозке, хранении и реализации продукции следует учитывать ее способность к деформации и зависимость ее от механических нагрузок и температуры товара.Так, пищевые жиры, маргариновая продукция, коровье масло, хлеб при низких температурах обладают относительно высокой прочностью, а при повышенных температурах — пластичностью. Поэтому перевозка, например, горячего (неостывшего) хлеба может привести к деформированию изделий и увеличению процента санитарного брака.
Следует отметить, что тел, способных только к обратимым или необратимым деформациям, практически нет. В каждом материале или товаре проявляются различные виды деформаций, но одним в большей степени присущи обратимые деформации, упругость, эластичность, а другим — пластичные. Упругие деформации наиболее присущи товарам, имеющим кристаллическую структуру, эластичные — товарам, состоящим из высокомолекулярных органических соединений (белки, крахмал и т. п.), пластичные — товарам, обладающим слабыми связями между отдельными частицами.
Принципиальные различия между упругими, эластичными и пластичными деформациями заключаются в структурных изменениях, происходящих под воздействием внешней силы. При упругих и эластичных деформациях изменяется расстояние между частицами, а при пластичных — их взаимное расположение.
В результате длительного внешнего воздействия упругая деформация может переходить в пластическую. Этот переход связан с релаксацией — падением напряжения внутри материала при постоянной начальной деформации.
Примером может служить деформация плодов и овощей под воздействием силы тяжести верхних слоев, свежевыпеченного хлеба при ударах или давлении. При этом товар может частично или полностью утрачивать способность восстанавливать свою форму вследствие изменения взаимного расположения частиц.
Вязкость (внутреннее трение) — способность жидкости оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой под действием внешней силы.
Вязкость жидких товаров определяется с помощью прибора вискозиметра. Применяется вязкость для оценки качества товаров с жидкой и вязкой консистенцией (сиропов, экстрактов, меда, растительных масел, соков, спиртных напитков и т. п.). Вязкость зависит от химического состава (содержания воды, сухих веществ, жира) и температуры товара. При повышении содержания воды и жира, а также температуры снижается вязкость сырья, полуфабрикатов и готовых изделий, что облегчает их приготовление, вязкость возрастает с увеличением концентрации растворов, степени их дисперсности.
Вязкость косвенно свидетельствует о качестве жидких и вязких продуктов, характеризует степень их готовности при переработке сырья, влияет на потери при их перемещении из одного вида тары в другой.
Липкость (адгезия) — способность продуктов проявлять силы взаимодействия с другим продуктом или с поверхностью тары, в которой находится продукт. Этот показатель тесно связан с пластичностью, вязкостью пищевых продуктов. Адгезия характерна для таких пищевых продуктов, как сыр, сливочное масло, мясной фарш и др. Они прилипают к лезвию ножа при разрезании, к зубам при разжевывании. Липкость продуктов определяют с целью управления этим свойством в процессе производства и хранения товаров.
Ползучесть — свойство материала непрерывно деформироваться под воздействием постоянной нагрузки. Это свойство характерно для сыров, мороженого, коровьего масла, мармелада и др. В пищевых продуктах ползучесть проявляется очень быстро, с чем приходится считаться при их обработке в хранении.
Тиксотропия— способность некоторых дисперсных систем самопроизвольно восстанавливать структуру, разрушенную механическим воздействием. Она обнаружена у многих полуфабрикатов и продуктов пищевой промышленности и общественного питания, например, у студней.
Структурно-механические, или реологические, свойства пищевых продуктов характеризуют их сопротивляемость воздействию внешней энергии, обусловленную строением и структурой продукта, а также качество пищевых продуктов и учитываются при выборе условий их перевозки и хранения.
К структурно-механическим свойствам относят прочность, твердость, упругость, эластичность, пластичность, вязкость, адгезию, тиксотропию и др.
Прочность— свойство продукта противостоять деформации и механическому разрушению.
Под деформацией понимают изменение формы и размера тела под действием внешних сил. Деформация бывает обратимой и остаточной. При обратимой деформации происходит восстановление первоначальной формы тела после снятия нагрузки. Обратимая деформация может быть упругой, когда происходит моментальное восстановление формы и размера тела, и эластичной, когда на восстановление требуется более или менее продолжительный отрезок времени. Остаточной (пластической) называется деформация, остающаяся после прекращения действия внешних сил.
Пищевые продукты, как правило, характеризуются многокомпонентностью состава; им свойственна как упругая деформация, исчезающая мгновенно, так и эластичная, а также пластическая деформация. Однако у одних преобладают упругие свойства над пластическими, у других — пластические над упругими, а у третьих преобладающими являются эластичные свойства. Если пищевые продукты не способны к остаточным деформациям, то они хрупки, например сахар-рафинад, сушки, сухари и т.д.
Прочность — один из важнейших показателей качества макаронных изделий, сахара-рафинада и других продуктов.
Этот показатель учитывается при переработке зерна на муку, при дроблении винограда (при производстве виноградных вин), при измельчении картофеля (при выработке крахмала) и т.д.
Твердость— способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Твердость определяют при оценке качества плодов, овощей, сахара, зерна и других продуктов. Этот показатель играет важную роль при сборе, сортировке, упаковке, транспортировании, хранении и переработке плодов и овощей. Кроме того, твердость может быть объективным показателем степени их зрелости.
Твердость определяют вдавливанием в поверхность продукта твердого наконечника, имеющего форму шарика, конуса или пирамиды. По диаметру образующейся лунки судят о твердости продукта: чем меньше размер лунки, тем тверже продукт. Твердость плодов и овощей определяют по величине нагрузки, которую нужно приложить, чтобы игла или шарик определенных размеров вошли в мякоть плода.
Упругость— способность тел мгновенно восстанавливать свою первоначальную форму или объем после прекращения действия деформирующих сил.
Эластичность— свойство тел постепенно восстанавливать форму или объем в течение некоторого времени.
Показатели упругости и эластичности используют при определении качества теста, клейковины пшеничной муки, свежести мясных, рыбных и других изделий. Они учитываются при изготовлении тары, при определении условий перевозки и хранения пищевых продуктов.
Пластичность— способность тела необратимо деформироваться под действием внешних сил. Свойство сырья изменять свою форму при переработке и сохранять ее в дальнейшем используется при производстве таких пищевых продуктов, как печенье, мармелад, карамель и др.
В результате длительного внешнего воздействия упругая деформация может переходить в пластическую. Этот переход связан с релаксацией — свойством материалов изменять напряжение при постоянной начальной деформации. На релаксации основано изготовление некоторых пищевых продуктов, например колбасных изделий. Из мяса, характеризующегося упругой деформацией, готовят фарш, а из него колбасу, обладающую свойствами пластического материала. Определенные величины релаксации характерны только для продуктов твердожидкой структуры — сыра, творога, фарша и др. Это свойство пищевых продуктов учитывается при перевозке и хранении хлебобулочных изделий, плодов, овощей и др.
Вязкость— способность жидкости оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой под действием внешней силы.
Различают вязкость динамическую и кинематическую.
Динамическая вязкость характеризует силу внутреннего трения среды, которую необходимо преодолеть для перемещения единицы поверхности одного слоя относительно другого при градиенте скорости смещения, равном единице. За единицу динамической вязкости принята вязкость такой среды, у которой один слой при действии силы, равной 1 Ньютону на квадратный метр, перемещается со скоростью 1 м/с относительно другого слоя, находящегося на расстоянии 1 м. Измеряется динамическая вязкость в Н-с/м2.Кинематической вязкостью называется величина, равная отношению динамической вязкости к плотности среды, и выражается В М2/С.
Величина, обратная вязкости, называется текучестью.
На вязкость продуктов влияют температура, давление, влажность или жирность, концентрация сухих веществ и другие факторы. Вязкость пищевых продуктов уменьшается при повышении ‘влажности, температуры, жирности и возрастает с увеличением концентрации растворов, степени их дисперсности.
Вязкость — свойство, характерное для таких пищевых продуктов, как мед, растительное масло, сиропы, соки, спиртные напитки и др.
Вязкость является показателем качества многих пищевых продуктов и часто характеризует степень их готовности при переработке сырья. Она играет важную роль при производстве многих продуктов, так как активно влияет на технологические процессы — перемешивание, фильтрование, нагревание, экстрагирование и др.
Ползучесть— свойство материала непрерывно деформироваться под воздействием постоянной нагрузки. Это свойство характерно для сыров, мороженого, коровьего масла, мармелада и др. В пищевых продуктах ползучесть проявляется очень быстро, с чем приходится считаться при их обработке и хранении.
Тиксотропия— способность некоторых дисперсных систем самопроизвольно восстанавливать структуру, разрушенную механическим воздействием. Она свойственна дисперсным системам и обнаружена у многих полуфабрикатов и продуктов пищевой промышленности.
Особое место среди структурно-механических свойств занимают поверхностные свойства, к которым относят адгезию, или липкость.
Адгезия характеризует усилие взаимодействия между поверхностями продукта и материала или тары, с которыми он соприкасается. Этот показатель тесно связан с пластичностью, вязкостью пищевых продуктов. Различают два вида адгезии: специфическую (собственно адгезия) и механическую. Первая является результатом сил сцепления между поверхностями материала. Вторая возникает при проникновении адгезива в поры материала и удержании его вследствие механического заклинивания.
Адгезия характерна для таких пищевых продуктов, как сыр, сливочное масло, мясной фарш, некоторые кондитерские изделия и др. Они прилипают к лезвию ножа при разрезании, к зубам при разжевывании.
Излишняя адгезия усложняет технологический процесс, при этом повышаются потери при переработке продукта. Это свойство пищевых продуктов учитывается при выборе способа их переработки, упаковочного материала и условий хранения.
Дата публикования: 2014-11-29; Прочитано: 7947 | Нарушение авторского права страницы
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования
(0.002 с)…
Структурно-механические свойства (СМС) реальных объектов проявляются при механическом воздействии на них касательными или нормальными напряжениями. Протекание разнородных процессов — механических, тепловых, диффузионных, электрических — в значительной степени определяется структурно-механическими свойствами. Они зависят от внутреннего строения и состава продукта, характера взаимодействия частиц или молекул между собой, физико-химического состояния влаги в материале, т. е. от типа структуры.
Пищевые продукты в процессе технологической обработки в большинстве случаев измельчаются и переходят в дисперсные системы. Дисперсионная, или непрерывная, среда окружает частицы дисперсной фазы. При большой концентрации частиц дисперсной фазы система не является легкотекучей и имеет упруго-пластичные свойства, ее можно охарактеризовать как твердообразную. При малой концентрации система является легкотекучей, жидкообразной и не имеет выраженных упруго-пластичных свойств. Таким образом, пищевые продукты в натуральном виде и в виде дисперсий имеют определенное строение, т. е. структуру, которая характеризуется видом связей между ее элементами и обусловливает проявление тех или иных физических свойств.
Структуры пищевых продуктов по характеру связей между их элементами подразделяют на два основных класса: коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные. Коагуляционные структуры образуются в дисперсных системах путем взаимодействия между частицами и молекулами через прослойки дисперсионной среды. Термодинамически стабильны системы, у которых с поверхностью частиц прочно связаны фрагменты молекул, способные без утраты этой связи растворяться в дисперсионной среде. Эти структуры обычно обладают способностью к самопроизвольному восстановлению после разрушения (тиксотропия). Нарастание прочности после разрушения происходит постепенно и имеет определенный предел. Коагуляционные структуры могут иметь твердо- и жидкообразное состояние.
Конденсационно-кристаллизационные структуры характерны для натуральных продуктов, однако могут образовываться из коагуляционных при удалении дисперсионной среды или при срастании частиц дисперсной фазы в расплавах или растворах. В процессе образования их прочность увеличивается; после разрушения эти структуры не восстанавливаются.
Структурно-механические свойства характеризуют поведение продукта в условиях напряженного состояния. По виду приложения усилия или напряжения к продукту эти свойства можно разделить на три группы: сдвиговые, объемные и поверхностные.
Сдвиговые свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений.
Объемные свойства определяют поведение объема продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме или между двумя пластинами.
Поверхностные свойства характеризуют поведение поверхности продукта на границе раздела с другим, твердым материалом при воздействии нормальных (адгезия) и касательных (внешнее трение) напряжений.
Для решения многих задач связанных с механической переработкой различных пищевых продуктов, необходимо знать как ведут себя под нагрузками и при деформировании эти материалы. Изучением этих свойств занимается инженерная реология.
Реология — это наука о деформации и течении различных тел.
Реология включает два раздела:
– посвященный изучению структурно – механических свойств реальных тел;
– раздел в котором рассматривается движение реальных тел в рабочих органах машин и аппаратов, и разрабатываются инженерные методы их расчета.
К основным процессам, в изучении которых реология призвана внести существенный вклад, можно отнести следующие:
1) нагнетание пищевых масс (хлебопекарное, бараночное и макаронное тесто, кондитерские массы, фарш, пасты и т.д.) различными рабочими органами (шнеками, валками, плунжерами, шестернями и т.д.);
2) выпрессовывание масс через формующие отверстия матриц для придания изделиям необходимой формы, причем часто выдавливание производится одновременно через большое количество отверстий, и в этих случаях обеспечение равномерности скоростей истечения из всех отверстий по фронту матрицы является весьма важным;
3) штампование упруго-пластично-вязких масс для придания изделиям требуемой формы или нанесения рельефного рисунка;
4) транспортирование вязких и вязко-пластических масс по каналам различного профиля, длины и диаметра;
5) смешивание двух или нескольких компонентов для получения однородных смесей;
6) резание полуфабрикатов и готовых продуктов;
дробление, сепарирование, брикетирование, штабелирование и некоторые другие процессы.
Рассмотрим некоторые основные физико-математические понятия реологии.
Деформация – изменение линейных размеров тела, при котором частицы или молекулы смещаются друг относительно друга без нарушения сплошности тела. Относительная деформация ε представляет собой отношение абсолютной Δl (м) к первоначальным размерам тела l (м), т.е.
.
Деформации могут быть сдвиговыми, одноосными (линейными) и объемными.
Деформации могут изменяться во времени τ(с) при неустановившемся процессе, при установившемся процессе деформирования изменение деформации в единицу времени постоянно. Все это описывается понятием «скорость деформации» (1/с):
.
Если деформация под действием конечных сил растет непрерывно и неограниченно, то материал начинает течь. Установившейся режим течения характеризуется градиентом скорости, который по смыслу аналогичен скорости деформации:
,
где ω – линейная скорость, м/с;
х – расстояние по нормали между двумя элементарными слоями, м.
Напряжение – сила Р(Н), действующая на единицу площади F(м2):
сдвиговое или касательное напряжение θ (Па):
;
нормальное напряжение σ (Па):
.
Давление р, или гидростатическое давление, – понятие, аналогичное нормальному напряжению.
Упругость – способность тела после деформирования полностью восстанавливать свою первоначальную форму, т.е. работа деформирования равна работе восстановления. Упругость тел характеризуется модулем упругости первого Е (Па) или второго рода, соответственно при сжатии-растяжении и сдвиге, который входит в закон Гука:
.