Особливості харчових продуктів та їх виробництва

Властивості продуктів залежать не тільки від кількості води, що утримується в них, але і від форми її зв’язку з компонентами продукту. Вода має три форми зв’язку з харчовим продуктом – фізико-механічна (волога змочування, волога макро- і мікрокапілярів), фізико-хімічна (волога набрякання, адсорбційна) і хімічна  (іонний і молекулярний зв’язки). Переважають перші два види зв’язку, хімічний зв'язок зустрічається дуже рідко.

Фізико-механічний зв'язок обумовлений утриманням вологи, яка знаходиться в проміжках харчового продукту (імобілізаційна), у мікро- і макрокапілярах і на поверхні продукту (змочування) у невизначених співвідношеннях; волога, яка з матеріалу випаровується або видаляється механічним способам – шляхом віджимання, центрифугування та ін. Основна маса води знаходиться у вільному стані.  

Волога  змочування – волога у вигляді дрібних крапель утримується силами поверхневого натягу на поверхні продукту. Вона досить легко видаляється з продукту, тому що слабко зв’язана з продуктом.

Макрокапілярна  волога – це волога, що знаходиться в капілярах понад  
10^-5 см, мікрокапілярна волога – це волога, яка знаходиться у капілярах менше ніж  10^-5 см. Макро- і мікрокапілярна волога являє собою вологу, яку містять мінеральні і органічні речовини продукту. Вона утримується в проміжках структурно-капілярної системи продуктів. При нарізанні м’яса, риби, плодів, овочів може відбуватися часткова втрата структурно-капілярної вологи у вигляді соку, який має велику харчову цінність.

Капілярна волога зв’язана з речовинами продукту механічно. Мікрокапілярна волога з продукту видаляється важче, ніж макрокапілярна.

Фізико-хімічний зв'язок обумовлений вологою, яка міститься в гідратних оболонках, або за рахунок осмотичного утримання в клітинах. Ця волога видаляється з матеріалу випаровуванням. Адсорбційна волога має властивості інші, ніж вільна вода, вона сприяє диспергуванню часток і пластифікації харчових систем. Вона властива структурам коагуляційного типу. Осмотична волога викликає набрякання продукту. Вона властива нативним і дисперсним клітинним структурам. Волога набрякання називається осмотичноутриманою, знаходиться у мікропросторах, які утворені мембранами кліток, фібрилярними молекулами білків та ін.

Адсорбційно зв’язана вода знаходиться на поверхні поділу колоїдних часточок з навколишнім середовищем. Вона міцно утримується молекулярним силовим полем і входить до складу міцел різних гідрофільних колоїдів, з яких найбільше значення мають водорозчинні білки. Тому цей вид вологи називають вологою гідратаційною. Вона не розчиняє органічні речовини і мінеральні солі, замерзає при  температурі (-71^оС). Насіння рослин і спори мікроорганізмів переносять низькі температури, тому що вода в них гідратаційна і не утворює кристалів льоду, які можу зашкодити клітини тканини.

До зв’язаної води з хімічною формою зв’язку відносять кристалізаційну вологу, яка входить до складу молекул у певній кількості, наприклад, молочного цукру або глюкози. Її видаляють прокалюванням.

У рослинній і тваринній  тканині переважає вільна вода. Тому у м’язах тварин і риб основна частина води зв’язана з гідрофільними білками за рахунок осмотичних і капілярних сил. У плода і овочах вільної води міститься 95 %.

При переробці і зберіганні, вода може переходити з вільної у  зв’язану і навпаки., що призводить до зміни властивостей товарів. Наприклад, при випіканні хліба, варінні картоплі, виробництві мармеладу, пастили, драглів і желе, відбувається перетворення частини вільної води у адсорбційно зв’язану з колоїдними частинами білків, крохмалю і інших речовин. а також зростає кількість води, яка осмотично утримується. У соках плодів, ягід, овочів міняються форми зв’язку вологи у порівнянні з вихідною сировиною. Внаслідок процесів ретраградації крохмалю, старіння драглів, при відтаванні замороженого м’яса і картоплі спостерігається перехід частини зв’язаної води у вільну.

Структурно - механічні властивості харчових продуктів

Для найбільш повної оцінки якості харчових продуктів необхідно  знати не тільки їх хімічний склад, а і фізичні властивості, структурно-механічні і сорбційні властивості. На ці властивості впливають багато факторів – агрегатний стан і будова, форми зв’язку води, температура і тиск, технологія отримання та ін.

Матеріали харчових виробництв мають властивості колоїдних, колоїдно-пористих тіл – тісто, хліб, кондитерські вироби, властивості колоїдних тіл – гідрофільних у вигляді розчинів, драглів і студенів, властивості кристалічних тіл – цукор, сіль.

За величиною молекулярних сил зчеплення всі тіла поділяються  на дві групи: 1/ тіла, які володіють малою молекулярною концентрацією, тобто

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

малими молекулярними силами зчеплення (пари, гази); 2/ тіла, які володіють значними силами молекулярного зчеплення (рідини і тверді тіла).

В рідинних і твердих  тілах сили молекулярного зчеплення приблизно однакові, і різниця між твердим тілом і рідиною визначається дальнім або ближнім порядком розташування структурних осередків – атомів, іонів, молекул.

1. Основні  поняття реології

Реологія – наука про деформації і течії різних тіл, дає можливість зрозу-

міти, що відбуваються при  виробництві, транспортуванні і  зберіганні продуктів.

Структурно-механічні або реологічні властивості харчових продуктів характеризують їх опірність впливу зовнішньої енергії, обумовленому будовою і структурою продукту, а також якість харчових продуктів і враховуються при виборі умов їх перевезення і зберігання.

Реологічні  властивості характеризують поведінку продуктів в умовах напруженого стану, основними показниками якого є напруга, величина і швидкість деформації.

Напруга – це величина внутрішньої сили (Р), яка чисельно дорівнює дії зовнішніх сил (навантаженню), що виявляються при деформації, і віднесена

до одиниці площі (F) перетину тіла.

θ =

Якщо зовнішні сили, прикладені до тіла, будуть на стільки великі, що частки тіла, які переміщуються в процесі деформації тіла втратять взаємний зв'язок, настає руйнування тіла.

Деформація – це процес, при якому під дією зовнішніх сил змінюється відстань між точками тіла, який може супроводжуватися зміною форми і розміру тіла.

Деформації  поділяють на зворотні і залишкові. При зворотній деформації тіло після зняття навантаження під дією внутрішніх пружних сил відновлює свою форму. Та частина зворотної деформації, яка протікає в даному тілі миттєво, називається пружною. Зворотна деформація, що протікає в більш або менш тривалий відрізок часу, називається високоеластичною.

При залишковій деформації відбувається зміна форми тіла, яка припиняється після зняття навантаження. Залишкова незворотна деформація називається також пластичною. В твердих тілах пластичній деформації передує пружна частина деформації. В кожному тілі можна знайти як пружно

-еластичні, так і пластичні  властивості.

Еластичність – здатність тіла до значної пружної після дії постійного навантаження. При знятті навантаження у тілі, деформованому в межах пружності, спостерігається повне зникнення деформацій, що відбувається не миттєво, а у часі.

При несталому процесі швидкість деформації враховує зміну деформацій у часі  (с^-1), а при сталому процесі – зміна деформації в одиницю часу залишається постійною. Швидкість деформації при розтяганні-стиску позначається (с^-1), при зрушенні – ν (с^-1)

V=                 V =   

За агрегатним станом харчові продукти бувають твердими, твердо-рідкими та рідкими.

Для твердих  продуктів характерна сталість форми, вони володіють властивостями пружності та міцності.   

Твердо-рідкі  продукти характеризуються вираженими як пружними, так і пластичними властивостями.

Рідини продукти володіють плинністю – здатністю до незворотних пластичних деформацій під дією власної маси.

Твердість – це властивість тіла перешкоджати проникненню в нього іншого (більш твердого) тіла. Для визначення твердості на поверхню продукту діють твердим наконечником, який може мати форму кульки, конуса, піраміди або голки, яка використовується для більш м’яких продуктів – плодів, овочів та ін.

Пружність – здатність тіла після деформування цілком відновлювати свою первісну форму. Пружність тіл характеризується модулем пружності першого (Е_у), або другого (G) роду, відповідно, при тиску – розтягненні або зрушенні. Величина деформації визначається законом Гука

                              σ =                 θ =   ν · G

де: E_y – модуль пружності при стиску-розтягненні;

       G – модуль зрушення;

        σ – напруга стиску-розтягнення;

        θ – напруга зрушення.

Фізична модель тіла Гука як при розтягненні, так і при стиску являє собою пружину. Використовується цей показник при визначенні пружності м’ясних, рибних виробів, клейковини, борошняних виробів та ін.

Пластичність – здатність продукту до незворотних деформацій, тобто – це здатність текти при навантажені вище критичного, виявляючи залишкові деформації, що розвиваються у часі. В реології при зсувних деформаціях використовують поняття «гранична напруга зсуву», що позначається θ_о. Модель цього тіла (Сен-Венанова) у вигляді пари                             тертя-ковзан-

ня. При навантажені нижче критичного, тіло поводиться як пружне. Цей показник характеризує якість тіста, карамельної маси та ін.

Міцність – здатність продукту опиратися механічному руйнуванню. Цей показник, зворотний крихкості, визначається при оцінці якості плодів, овочів, цукру-рафінаду та ін. В залежності від характеру зусиль, реологічні властивості продуктів поділяються на зсувні, компресійні і поверхневі на межі поділу з іншим матеріалом:

– зсувні властивості, що визначають поводження об’єму продукту при впливі на нього зсувних або  дотичних напружень.

Зсувні реологічні властивості, такі як максимальна напруга зсуву, в’язкість ефективна і пластична, період релаксації – найбільш повно  відображають внутрішню сутність об’єкту. Тому їх прийнято вважати основними. За допомогою них розраховують течію продуктів по трубах, робочих органах машин і апаратів, визначають необхідні зусилля для переміщення продукту;

– компресійні властивості, що характеризують поводження об’єму продукту при дії на нього нормальних напруг у замкнутій формі між пластинами або при якому-небудь іншому одноосному розтягненні-стиску зразка продукту. До основних компресійних властивостей відноситься модуль пружності, рівноважний модуль, період релаксації деформації при постійній напрузі і відносній деформації. Ці параметри необхідні при розрахунку процесів шприцювання, формування, дозування і течії по трубопроводах пластично - в’язких продуктів. Ці властивості також можна використовувати для оцінки якості пластично – в’язких (фаршу) і пружно еластичних (ковбасних виробів) продуктів;

– поверхневі властивості, що характеризують поводження поверхні продукту на межі поділу з іншим, твердим матеріалом при впливі нормальних (адгезія або липкість) і дотичних (зовнішнє тертя) напруг. Поверхневі властивості (адгезія, коефіцієнт зовнішнього тертя та ін.) характеризують зусилля при взаємодії між поверхнями контакту при нормальному відриві або зсуві.

Адгезія (р_a) – злипання різнорідних твердих або рідких тіл, що стискаються своїми поверхнями. Це явище поширено в природі й використовується у техніці. Розрізняють 2 види адгезії: специфічна (власно адгезія) і механічна. Перша є результатом сил зчеплення між поверхнями матеріалу, друга – виникає при проникненні адгезива в пори матеріалу, що склеюється, і утриманні його внаслідок механічного заклинювання. Формально адгезію (липкість) визначають по рівнянню, як питому силу нормального відриву пластини від продукту:

                                            р_a =

де: Р_о – сила відриву, Н;

F_o – геометрична площина пластини, м².

Відрив може бути трьох видів: адгезійний – по межі контакту, когезійний – по шару продукту, адгезійно - когезійний – змішаний. При будь-якому виді відриву питому силу часто називають липкістю або тиском прилипання.

Липкість – здатність продукту проявляти більш або менш значні сили взаємодії з іншим продуктом або з поверхнею тари, в якій знаходиться продукт. Липкістю в значній мірі володіють – варена ковбаса, борошняне тісто, овочеві і м’ясні котлетні маси, сир, вершкове масло. При розрізанні вони прилипають до леза ножа, кришаться або ламаються, при розжовуванні липнуть до зубів. Липкість продуктів визначають з метою керування цією властивістю у процесі виробництва і зберігання товарів. Зайва липкість продуктів може порушувати роботу машин, апаратів у зв’язку з можливим прилипанням продуктів до робочих органів і поверхонь машин. Недостатня липкість може вплинути на технологічні процеси перемішування, штампування, формування виробів.

Прилипання обумовлюється зв’язками молекулярного характеру, що виникають між продуктом і твердою поверхнею. Кількість цих зв’язків залежить від площини дійсного молекулярного контакту, що, у свою чергу, визначається в’язкістю продукту, товщиною його шару, тривалістю контактування, тиском притиснення, ступенем жорсткості твердої поверхні та ін.

До основних реологічних властивостей продуктів  відносяться пружність, пластичність, в’язкість, щільність. В залежності від умов, у одного і того ж продукту можуться проявлятися різні властивості. Наприклад, макаронне тісто при миттєвому впливі навантаження веде себе як пружне тіло, при інших умовах навантаження більше проявляється в’язкі і пластичні властивості.