Особливості харчових продуктів та їх виробництва

                                              τ = τ_о + η_пл·γ

де   τ_о – гранична напруга, Па;

        η_пл – пластична в’язкість, Па·с.

Прикладом до систем, що близькі до рівняння Бінгама, можуть служити маргарин, шоколадні суміші, сиркові і цукеркові  маси.

Пластична течія, при якій не спостерігається пропорційної залежності між швидкістю зрушення і напругою, називається неідеально пластичною.

Ділатантна  течія – коли при збільшенні швидкості зрушення зростає в’язкість, описується рівнянням Банклі-Гершеля τ = τ_о + k·γⁿ   при n < 1. При дуже великих напругах в’язкість може стати нескінченно великою, що призведе до руйнування речовини. Прикладом таких матеріалів можуть служити згущене молоко, деякі розчини цукру, крохмалю та ін.

Матеріал  вважається тиксотропним, коли його структура після визначеного часу спокою повертається до первісного стану. Термін тиксотропного руйнування для різних структур змінюється в дуже широких межах.

Матеріали, стан течії яких у часі є протилежним тому, яке  дають тиксотропні системи, називають антитиксотропними.

Речовини, структура яких у часі змінюється, володіють властивостями реопексії.

Істино пластичні  тіла характеризуються наявністю істинної межі текучості, що співпадає з межею пружності, тобто такою максимальною напругою зрушення, нижче якої експериментально ніякі течії не виявляються.

Найбільш важливим реологічним  показником властивостей матеріалу є залежність швидкості деформації від напруги. Для більшості харчових мас ця залежність має складний характер. У цих випадках реологічні властивості характеризуються кривою залежності швидкості деформації від напруги, яка називається кривою течії, або реограмою.

Випробовування в’язкопластичних і псевдопластичних харчових мас  показали, що з підвищенням тиску всі реологічні характеристики збільшуються. Тому при розрахунках того чи іншого процесу і проектування обладнання – подрібнення, перемішування, формування, пресування, транспортування неньютонівських матеріалів по трубопроводах, нарізанні та ін. необхідно прагнути до того, щоб обробка харчових матеріалів відбувалася при оптимальному тиску.

3. Теплофізичні властивості

Теплофізичні  властивості змінюють характер і швидкість протікання процесу нагрівання або охолодження продукту. До них відноситься питома теплоємність, коефіцієнти теплопровідності і температуропровідності.

Теплоємність характеризує інтенсивність змін температури або охолодження. Питомою теплоємністю називається кількість тепла необхідного для нагрівання одиниці маси речовини на 1 ^оС. Питома теплоємність визначається за формулою

С =

де   С – питома теплоємність, Дж/(кг·К);

        Q – кількість теплової енергії, Дж;

        M – маса тіла, кг;

        Δt – перепад температур, ^оС.

На питому теплоємність значно впливають вологість, хімічний склад, структура продукту, характер зв’язку води в ньому та ін.. фактори.

Залежність між теплоємністю матеріалу і його вологістю має  лінійний характер. З підвищенням температури теплоємність харчових продуктів збільшується.

Чим більше в продукті води, тим вища його питома теплоємність. Наприклад, теплоємність огірків, які містять 97 % води, близька до теплоємності води. Теплоємність використовують у розрахунках сушильних установок.

Теплопровідність – перенесення енергії від більш нагрітих ділянок про-

дукту до менш нагрітих в  результаті теплового руху і взаємодії мікрочасточок.

Теплопровідність приводить  до вирівнювання температури продукту. Кількість теплоти, що переноситься при цьому способі, описується законом теплопровідності Фур’є: кількість теплоти  ΔQ, що передається за допомогою теплопровідності через елемент поверхні ΔF, перпендикулярний до теплового потоку, за час Δτ, прямо пропорційна температурному градієнту , площі  поверхні ΔF і часу Δτ

                                         dQ = - λ  

Знак мінус у рівнянні показує, що теплота переноситься в сторону зменшення температури. Коефіцієнт λ  в рівнянні Фур’є називається коефіцієнтом теплопровідності [Вт/(м·К)]

λ =

Коефіцієнт  теплопровідності  λ – це кількість теплової енергії, що проходить через масу продукту товщиною в 1 м на площі 1 м² за 1 годину при різниці температур у протилежних частинах в 1 ^оС.

Теплопровідність  залежить від температури і вмісту вологи в продукті. При підвищенні температури, цей показник зростає. Теплопровідність багатьох харчових продуктів з високим вмістом вологи (м’яса, риби, плодів, соків та ін.) близька до теплопровідності води. Меншу теплопровідність мають рослинні олії і сипучі продукти.

Перенесення тепла у вологих матеріалах суттєво відрізняються від передачі тепла у сухих матеріалах, тому що волога впливає на теплопровідність матеріалу, у порах якого вона знаходиться, а також тісно пов’язано з безпосереднім перенесенням вологи усередині матеріалу.

Температуропровідність характеризує швидкість зміни температури продукту.

Коефіцієнт  температуропровідності дорівнює кількості теплової енергії, що проходить в одиницю часу через одиницю поверхні при одиничному градієнті внутрішньої енергії. Він характеризує швидкість вирівнювання температури в різних точках температурного поля і залежить від теплоємності, теплопровідності і щільності продукту. Він визначається дослідним шляхом, або за формулою

                                                               α =

де:    α – коефіцієнт температуропровідності, м²/с;

         λ – коефіцієнт теплопровідності,Вт/(м·К);

         С – питома теплоємність, Дж/(кг-К);

          Ρ – щільність продукту, кг/м³.

Коефіцієнт температуропровідності   α  визначає теплоінерційні властивості матеріалу і не залежить від вологості продукту, але на теплоємність вологість впливає дуже значно.

Теплопровідність і температуропровідність харчових продуктів значною мірою залежать від ступеня їх пористості, тобто від кількості внутрішньотканинних газів, знижують коефіцієнти тепло- і температуропровідності.

Знання теплофізичних  характеристик необхідні для  розрахунку кількості теплової енергії  для охолодження або заморожування  харчових продуктів при перевезенні, зберіганні, переробці, для розрахунку зміни температури усередині сировини, тривалості термічної обробки, тобто нагрівання або охолодження.

Сорбційні властивості характеризують здатність харчових продуктів поглинати з навколишнього середовища пари води і летючі речовини.

Розрізняють 4 види сорбції:

– адсорбцію – поглинання речовин поверхнею продукту;

– абсорбцію – поглинання речовин всією масою продукту;

– хемосорбцію – хімічна взаємодія між речовиною і продуктом;

– капілярну конденсацію – утворення рідкої фази в мікро- і макрокапілярах твердих продуктів.

– десорбція – процес зворотній сорбції, визначає перехід речовин із поверхневого шару в навколишнє середовище.

Сорбція і десорбція пари і газів  призводять до змін якості продукту, який може усохнути при нестачі вологи у навколишньому середовищі, набути неприємного запаху або втратити аромат при порушенні умов зберігання.

У харчових виробництвах процеси абсорбції та адсорбції спостерігаються при виробництві спирту, насиченні мінеральної води та інших безалкогольних напоїв двоокисом вуглецю, при очищенні водно-спиртової суміші в лікеро-горілчаному виробництві, при очищенні та стабілізації вин, соків та ін. напоїв.

Гігроскопічність – властивість продуктів поглинати вологу з навколишнього середовища і утримувати її капілярами і всією поверхнею, а здатність до не поглинання вологи – гідрофобність.

Гігроскопічність харчових продуктів  залежить від їх структури і складу, а також від температури і  вологості навколишнього середовища. Наприклад, високу гігроскопічність мають порошкоподібні харчові продукти, чай, сушені фрукти і овочі, цукор, сіль. Вміст гігроскопічної вологи в продукті залежить від відносної вологості повітря, що характеризує ступінь насичення його водяними парами.

Відносна  вологість повітря – це відношення абсолютної кількості вологи в повітрі до тієї кількості, яка необхідна для його насичення при даній температурі.

                                                 W = %

де   W – відносна вологість, %;

        m_абс – абсолютна кількість вологи в повітрі, г/м³;

        m_макс – максимальна кількість вологи в повітрі при тих же температурі і тиску,  г/м³.

Колоїдно-хімічні  властивості високомолекулярних сполук (ВМС)

      1. Класифікація та характеристика видів високомолекулярних сполук

Дисперсні системи є  гетерогенними і складаються з двох фаз. Одна з них є суцільною і називається дисперсійним середовищем (ВМС), інша роздроблена і розподілена в першій фазі і називається дисперсною фазою.

Дисперсними системами  є більшість продуктів харчування, сировина і напівфабрикати – сири, сухе молоко, соки, шампанське, цукерки, хліб, шоколад та ін. Частки речовин дисперсної фази можуть мати різні розміри і форму – сферичну, циліндричну, прямокутну або неправильну.

Дисперсійні системи  класифікують за ступенем дисперсності: грубодисперсні, мікро гетерогенні, колоїдні.

Грубодисперсні системи – це системи з частками, розмір яких перевищує 10^-3 см. Їх можна бачити візуально, коли вони в рідині осідають або підіймаються.  Мікрогетерогенні системи мають розмір часточок у межах від 10^-5 до 10^-3 см, тобто від 0,1 до 10 мкм. Часточки такого розміру можна бачити тільки під мікроскопом. Гетерогенні системи мають розмір часточок від 10^-7 до  
10^-5 см, тобто від 1 до 100 нм, і їх відносять до ультрамікрогетерогенних. Такі системи називають колоїдними. Часточки в колоїдних системах настільки малі, що речовина, з якої вони складається, майже цілком знаходиться у колоїдному стані, тобто практично містить тільки поверхневі атоми і молекули. Такі часточки у порівнянні з молекулою мають визначений агрегатний стан, якого не має молекула.

Речовини, що мають молекулярну  масу від 10000 до декількох мільйонів, називають високомолекулярними сполуками. Розміри макромолекул цих сполук у вилученому стані, у порівнянні з розмірами часток ультрамікрогетерогенних  (колоїдних) дисперсних систем, можуть досягати 1000 нм і більше.

За агрегатним станом дисперсної фази і дисперсійного середовища, дисперсні системи класифікують, в залежності від трьох агрегатних станів, на тверді, рідкі і газоподібні.

Колоїдний стан характеризується визначеними розмірами часточок  
(10^-7 – 10^-5 см), гетерогенністю і багатокомпонентністю.

Дисперсні системи з  часточками колоїдів розмірів прийнято називати  
золями,  якщо в газовому дисперсійному середовищі – аерозолями, якщо у рідкому дисперсійному середовищі – ліозолями.

За розміром часточок золі займають проміжне місце між  природними розчинами і грубодисперсними системами – порошками, суспензіями  і емульсіями. Колоїдні системи утворюються двома шляхами: диспергуванням, тобто подрібненням великих часточок грубодисперсних систем до колоїдної дисперсності, і конденсацією – з’єднанням атомів, іонів або молекул у більш великі частки колоїдних розмірів. Диспергування використовують у консервній промисловості при гомогенізації плодово-ягідних пюре, при подрібнені зерна до борошна, какао-бобів – какао терте і какао-порошок, цукрі – у цукрову пудру та ін.  Конденсація виникає в ректифікаційних апаратах при одержанні спирту, кристалізації цукру, випарюванні розчинів, оклеюванні вин та ін.

До мікрогетерогенних систем з розмірами часточок 10^-5 – 10^-3 см відносять суспензії, емульсії, піни, аерозолі і порошки.

Суспензії – це дисперсні системи з твердою дисперсною фазою і рідким дисперсійним середовищем. До них відносяться фруктові і овочеві пасти, помадні конфетки, какао терте та ін. Суспензії утворюються в процесі виробництва крохмалю, пива, вина та ін.

Емульсії – це системи, що складаються з двох рідких фаз, одна з яких диспергована в іншій у вигляді крапель. Звичайно емульсії отримують методом механічного диспергування. Для цього використовують різні мішалки. гомогенізатори, колоїдні млини, ультразвук. Для  отримання стійкої емульсії. необхідно щоб рідини. які утворюють емульсію, були нерозчинні. Розмір часточок дисперсної фази емульсії коливається в межах від 10^-7 до 10^-5 м. Характерною рисою емульсії є те, що в залежності від умов і спрямованості отримання емульсії, дисперсійна фаза може перетворюватися в дисперсну. Наприклад, отримання вершкового масла з вершків.

Аерозолі  і порошки – це дисперсні системи, дисперсійним середовищем яких є газ (повітря), а дисперсною фазою можуть бути тверді часточки або крапельки рідини. Аерозолі за агрегатним станом поділяються на два види. Якщо аерозоль з рідкою дисперсною фазою, то її називають туманом, якщо з твердою – димом і пилом. Пил має розміри часточок у межах від 10^-5 до 10^-2 см. До типових аерозолів відносяться водяний туман, топковий дим, борошняний і цукровий пил.

2. Характеристика властивостей ВМС та їх зміни при технологічній  
обробці

Внаслідок великої молекулярної маси і гнучкості ланцюгів, макромолекули високомолекулярних сполук (ВМС)  і їх розчини володіють специфічними властивостями – здатністю утворювати волокна і плівки, еластичністю, набряканням, структуроутворенням. До найважливіших природних полімерів відносяться білки і полісахариди.