Особливості харчових продуктів та їх виробництва

В’язкість – властивість рідини надавати опір переміщенню однієї її частини відносно другої під впливом дії зовнішньої сили. Вона реалізується в істинно-в’язких (ньютонівських) рідинах при будь-яких як завгодно малих напругах зсуву (θ) і описується рівнянням Ньютона:

                               θ = = η · ε    або  Р = ± η

де:  η – коефіцієнт динамічної, або абсолютної,  в’язкості, Па.с, характеризує величину зусиль, що виникають між двома елементарними шарами рідини при їхньому відносному зусиллі;

Р – сила опору між двома елементарними шарами, Н;

F – площа поверхні опору шарів, м²;

ε – градієнт швидкості, тобто інтенсивність зміни швидкості по нормалі до її вектора, с^-1.

При підвищенні температури в’язкість  зменшується. Визначають в’язкість  рідких продуктів, рослинних олій, напоїв, соків, меду. Зворотна величина в’язкості – плинність – виражається в одиницях Па^-1· с^-1.

В’язкість залежить від  температури, тиску, вологості або  жирності, концентрації, ступеню дисперсності.

Щільність – маса речовини, що міститься в одиниці об’єму:

ρ =

де  ρ – щільність продукту, кг/м²;

      m – маса продукту, кг;

      V – об’єм продукту, м³.

Величина щільності продукту обумовлюється  концентрацією в ньому сухих речовин. Наприклад, щільність несолоної яловичини 1-го сорту складає 1048 кг/м³, а яловичини солоної без води – 1054 кг/м³. Підвищення щільності яловичини солоної пояснюється ущільненням тканини при засолі в результаті виділення частини клітинного соку. Щільність жирів обчислюють при визначених температурах: рослинних олій – при 10, 15 і 20 ^оС, тваринних жирів – при 50 і 100 ^оС.

Для деяких харчових продуктів визначають відносну щільність – це відношення щільності досліджуваного продукту до щільності води при температурі 4 ^оС і нормальному атмосферному тиску або відношення маси продукту до маси води, взятих в однакових об’ємах при одній і тій же температурі (при 20 або 15 ^оС).

Щільність характеризує якість харчових продуктів. За її величиною можна судити при кількість спирту в горілці, сахарози в розчині цукру, солі в розсолі; можна встановити склад продукту, його будову, уникаючи складних аналізів. Наприклад, чим вище щільність картоплі, тим більше утримується в ній крохмалю; яблука з більш високою щільністю містять у тканинах менше повітря; чим вище щільність зрілих томатів, тим більше вихід томатного пюре.

Для ряду харчових продуктів (зерна, крупи, овочів, плодів та ін.) важливим показником є насипна (об’ємна) щільність, яка є масою продукту в одиниці об’єму при вільному насипу (з пустотами). Наприклад, насипна щільність картоплі 640, капусти – 430 кг/м³. Показник насипної щільності продуктів використовується для розрахунку швидкості повітря при примусовому вентилюванні насипу овочів, зерна, а також для визначення необхідної кількості тари, ємності овоче- і зерносховищ для розміщення на зберігання визначеної маси продукції, потрібної кількості транспортних засобів.

Шпаруватість – показник, зворотний насипній щільності. Він вказує на щільність при завантаженні навалом плодів, овочів, картоплі та ін. Наприклад, шпаруватість картоплі, цибулі, буряку, баклажанів, моркви – 0,45, між бульбові проміжки складають 40 % до об’єму насипу картоплі. При більшій шпаруватості легше забезпечити вентилювання овочів.

Питомий об’єм (м³/кг) – об’єм 1 кг продукту в кубічних метрах – показник, зворотній щільності, служить для визначення якості продуктів. Наприклад, величина питомого об’єму хліба характеризує його пористість та ін.

Релаксація – властивість матеріалу, що характеризує швидкість (час) переходу пружних деформацій в пластичні при постійному навантаженні. Вона є результатом універсального теплового руху молекул тіла. Визначеною величиною релаксації характеризуються тільки продукти твердо-рідкої структури (м’язова тканина, м’ясний фарш, сир та ін.). Ця властивість продуктів має велике значення при транспортуванні плодів, овочів, хлібних і кондитерських виробів та ін. продуктів.

Кожне тіло має свій період релаксації, що визначається як відношення в’язкості тіла до його модуля пружності на зрушення:

                                                θ =

де  θ – час релаксації;

      η –  в’язкість;

      Е –  модуль пружності.

Стан тіла, що піддається впливу якої-небудь сили, визначається співвідношенням часу дії напруги, викликаної цією силою, до періоду релаксації. Якщо час впливу деформуючої сили значно менше періоду релаксації, то за цей час не встигає розвинутися залишкова деформація і тіло поводиться як тверде пружне. Чим більше період релаксації тіла, тим в більшій мірі виявляються його пружні і високо еластичні властивості. Для твердих тіл період релаксації досить значний. Для звичайних легко текучих рідин період релаксації дуже малий. Наприклад. для води, він дорівнює 10^-13 с. Релаксаційні властивості відіграють важливу роль при механічній обробці продуктів щодо впливу на утворення форми, розвиток необхідного об’єму і структури продукту.

Повзучість – властивість матеріалу безперервно деформуватися під

дією постійного навантаження. Це явище спостерігається у металах при високих температурах, у матеріалах органічного походження при нормальних температурах. У харчових матеріалах повзучість проявляється дуже швидко, з чим приходить рахуватися при їх обробці.

Тиксотропія – здатність деяких дисперсних систем відновлювати структуру зруйновану механічним впливом. Вона властива дисперсним системам і виявлена в багатьох напівфабрикатах і продуктах харчової промисловості.

Таким чином, структурно-механічні  властивості потрібні для визначення і контролю з точки зору якості продукту структурно-механічних характеристик, розробки технологій, які забезпечують отримання дисперсних систем із заздалегідь заданими властивостями; розробки науково обґрунтованих методів розрахунку машин і апаратів з урахуванням особливостей продукту, який обробляється; створення автоматизованих систем контролю і управління технологічними процесами.

У ковбасному виробництві, яке займає провідне місце в виробництві  
м’ясопродуктів, за допомогою структурно-механічних властивостей і приладів можна контролювати технологічні параметри сировини і фаршу, якість продукції на будь-якій стадії технологічного процесу фаршовиготовлення (від дозрівання м’яса до набивки фаршу в оболонку або форму), а також консистенцію готових виробів.

Основна мета вивчення структурно-механічних властивостей продуктів харчування – розробка методів регулювання в напрямку найбільш раціонального використання у виробництві. В залежності від результатів вимірів можна пред’являти визначені вимоги до технологічних властивостей сировини, методів її переробки та зберігання, якості готових продуктів.

2.Моделі  ідеальних тіл

Відомо три проміжні моделі ідеалізованих матеріалів – ідеально пружне тіло (за Гуком), ідеально пластичне тіло (за Сен-Венаном), ідеально в’язка рідина (за Ньютоном).

Ідеально  пружне тіло є системою, в якій енергія, яка витрачена на деформацію, накопичується в тілі і може бути повернена при розвантаженні.

Ідеально  пластичне тіло може бути представлене у вигляді елементу, який лежить на площині з постійним за величиною тертям, що не залежить від нормальної сили. Тіло за Сен-Венаном не почне рухатися до тих пір, доки напруга зрушення не перевищить критичного значення, тобто  граничної напруги, після чого елемент може рухатися з будь-якою швидкістю.

Ідеально  в’язка рідина характеризується тим, що в ній напруги пропорційні швидкості деформації

                                       τ = η·γ

де    η – коефіцієнт в’язкості;

        γ – швидкість зсуву.

В’язка течія відбувається під дією будь-яких сил, які б малі вони не були, однак швидкість деформації при зменшенні сил знижується, а при їх зникненні обертається в нуль.  Моделі складаються з двох елементів – пружини (тіло Гука) і поршня (тіло за Ньютоном). Вони можуть бути скомбіновані паралельно або послідовно.

Модель пружно-пластичного тіла виходить при послідовному з’єднанні пружного і пластичного елементів (за Гуком).

τ                                                              при    τ <  τ_о    пружний стан     τ = Gγ         

                                                               при    τ =  τ_о  пластична течія

  τ_о        

                            γ

Модель пружно - в’язкого релаксуючого тіла за Максвелом – це послідовно з’єднані гукивський і ньютонівський елементи. По Максвелу тіло поводиться як пружне або як в’язке в залежності від відношення часу релаксації до тривалості експерименту. Якщо під дією миттєвого зусилля пружина розтягується, а потім навантаження відразу знімається, то поршень не встигає рухатися, і система поводиться як пружне тіло. Однак, з іншого боку, якщо підтримувати розтягнення пружини постійно, вона поступово релаксує, переміщаючи поршень нагору, і система веде себе майже як ньютонівська рідина.

          τ                                                                

                                                                                        γ =

         τ_о                          τ_о / t

                      t_рен                                       

                      t

Модель в’язкого-пружного тіла за Кельвіним – паралельне з’єднання пружного і в’язкого елементів. При розтяганні пружини дія зусилля подовжується, а поршень рухається в рідині. Рух поршня піддається в’язкому опору рідини, тому повне розтягнення пружини настає не відразу, а коли навантаження усунуте і пружина стискається до первісної довжини.

 

 

          γ                                                      

                                                                         

 γ_о                                                                      τ = Gγ = η·γ

                                         γ/t

                t₁                                  t

               t = τ/G

                                           

Модель в’язко – пластичного тіла за Шведовим - Бінгамом характеризує матеріали, що у першому наближенні можна розглядати як тіла Сен-Венана. Вони починають текти, коли напруга зрушення досягає максимальної напруги. Якщо немає в’язкого опору, то швидкість течії матеріалу стане великою. У другому наближенні такі матеріали повинні мати ще і в’язкість.

      γ                                                      τ =  τ_о  = η_пл·γ

                                                              Модель тіла за Шведовим відрізняється  від

                                                          моделі за Бінгамом тим, що  паралельно тілу 

                             α                          за Сен-Венаном приєднане тіло  за Максвелом,

                                                         а паралельно по Бінгаму – тіло за Ньютоном.

            τ_о                               τ

 

В технології харчових виробництв багато матеріалів, які не підкоряються законові Ньютона. В’язкість їх при  заданих температурі і тиску  не залишається незмінною, а залежить від швидкості деформації і інших факторів, тому залежність напруги від швидкості зрушення має нелінійний характер. Ці матеріали одержали назву не ньютонівських речовин. Речовина в залежності від концентрації може проявляти різні види плину.

Рівняння  Освальда (степеневий закон) описує криву  τ =  k·γⁿ  ри   n < 1

де  k – залежність від природи матеріалу і геометричних розмірів вимірювальної апаратури;

      n – константа, яка є індексом течії.

 

 

 γ 

                                                    за Освальдом

 

                           τ 

Степеневий закон одержав широке поширення для опису в’язкості  різних неньютонівських харчових матеріалів – томатних паст, цукрових сиропів, абрикосового пюре, крохмальних суспензій, майонезу та ін.

Ідеально  пластична течія – починається після досягнення граничної напруги, коли спостерігається пропорційність між швидкістю і напругою зрушення. Для характеристики цього виду плину Бігам запропонував рівняння