Методология, классификация методов и приборов для измерения структурно-механических свойств пищевых масс

Методология, классификация  методов и приборов для  измерения  структурно-механических свойств пищевых  масс

 

Для экспериментального определения  реологических параметров продуктов  или текстурных показателей консистенции существует множество методов, которые  различаются по области применения (лабораторные и производственные), виду измеряемой величины (например, реологические  характеристики продукта и показатели его консистенции), принципам нагружения, степени автоматизации и др.

Для практического выбора метода измерения учитывают необходимое  количество проб, точность и продолжительность  измерений и другие факторы, которые  зависят от конкретных конструктивных решений измерительного прибора.

Большое число реологических  методов измерений предназначено  для лабораторных исследований. Кроме  лабораторных методов измерений  для фундаментальных научных  исследований реологических характеристик  материалов (в том числе и специальных) с высокой точностью, для многократно  повторяющихся исследований предпочтение отдается тем методам и приборам, которые позволяют провести измерения  и обработку их результатов быстро и с минимальной зависимостью от субъективных факторов. Промышленностью  ряда зарубежных стран выпускаются  такие приборы, измерения на которых  полностью автоматизированы с помощью  компьютера, одновременно математически  обрабатывающего исходные данные измерений  в  соответствии с выбранными моделями и уравнениями деформации и течения  исследуемых продуктов, а также  комплексные реологические лаборатории  под названием «автоматизированное  рабочее место реолога».

Эффективное и качественное управление процессами производства пищевых  продуктов часто требует контроля реологических показателей в  производственных условиях. Использование  лабораторных методов при этом сопряжено  с большими затратами времени  и труда и возможно только для  очень длительных процессов.

Методы измерений в  производственном процессе требуют  использования большей частью несложных  принципов одномерного нагружения продукта (простой сдвиг, одноосное растяжение-сжатие и т.д.), охватывающих измерение конкретных показателей консистенции или характерных величин, которые связаны с выбранными реологическими свойствами.

Одномерное стационарное сдвиговое течение может быть реализовано при капиллярном, плоскопараллельном, цилиндрическом и торсионном течении. Измерение одномерного сдвига лежит  в основе принципа действия стандартных реометров (табл. 3).

Таблица 3.

Реометры  одномерного сдвигового течения

Реометр	Вид течения	Область применения, требования к количеству исследуемого материала
Капиллярный вискозиметр:	Капиллярное
постоянного давления		Для ньютоновских жидкос-тей при малых градиентах сдвига; малое количество материала
переменного давления		Для неньютоновских жидкостей в технологических  процессах; большое количество материала
высокого давления		Для высоковязких и пластичных сред, а  также при высоких градиентах сдвига
Вискозиметр с каналом в виде щели широкой  или кольцевой	Между параллельными плоскостями	Для неньютоновских жидкостей в технологических  процессах; большое количество материала
Ротационный вискозиметр:
с соосными цилиндрами	Цилиндрическое  Куэтта	Для ньютоновских и неньютоновских жидкостей в качестве лабораторных приборов; малое количество материала
с параллельными  плоскостями:	Торсионное
типа конус-плоскость	Торсионное между конусом и пластиной	Для ньютоновских и неньютоновских жидкостей при постоянном градиенте сдвига в измерительном зазоре; очень малое количество материала
типа сфера-сфера		Для ньютоновских и неньютоновских жидкостей в качестве лабораторных приборов; малое количество материала

 

Способы измерения структурно-механических характеристик пищевых продуктов  во многом аналогичны способам и измерениям различных пластических материалов, структурированных дисперсных коллоидных систем и растворов полимеров.

Однако отождествлять  эти способы нецелесообразно, так  как структуры пищевых продуктов  специфичны по своему деформационному  поведению. Кроме того, при испытании  молочных продуктов используют, как  правило, малые рабочие напряжения. Обычно пользуются размерностью г·см^-2. Многие продукты обладают не только упругими, но и пластическими свойствами, поэтому необходимо использовать методы измерений упругих и пластических деформаций.

Приборы, используемые в  молочной промышленности в настоящее  время являются результатом непрерывной исследовательской работы. Основное требование, предъявляемое к приборам для измерения структурно-механических свойств, заключается в том, что они должны быть теоретически обоснованы, и давать показания в абсолютной системе единиц. Последнее особенно важно, если учесть, что исследованные свойства могут быть использованы не только для контроля качества, но и для расчета различных процессов. Желательно также пользоваться первичными приборами, не требующими предварительной тарировки на эталонном материале.

Приборы для измерения  значений каждой группы свойств (сдвиговых, компрессионных и поверхностных) имеют  свою специфику. Однако общими будут  следующие, не считая температуры и  технологических характеристик, четыре переменные: сила, момент или напряжение; расстояние, деформация, площадь или объем; время, скорость деформации или линейная скорость; энергия. В соответствии с этим механические измерительные приборы содержат устройства для регистрации усилий, деформаций, времени; энергия вычисляется по этим показателям либо измеряется специальными приборами.

Таблица 4.

Классификация методов измерения реологических  показателей

Измеряемая величина	Постоянные величины	Пример прибора
Динамическая (сила, момент, напряжение)	Геометрические,                кинематические	Вискозиметр «Реотест»; универсальный прибор ВНИИМПа, сдвиомер Симоняна
Кинематическая (время, скорость)	Динамические,                     геометрические	Висозиметры: РВ-8, Оствальда, Уббелоде, Гепплера
Геометрическая (длина, площадь, объем)	Динамические, кинематические (время)	Пенетрометры (конический пластометр КП-3 и др.)
Энергия (мощность)	Геометрические,  кинематические	Фаринограф Брабендера, прибор Большакова-Фомина; приборы, дающие диаграмму сила-расстояние

 

Методы  определения консистенции и реологических  характеристик

    материалов на основе комплексного нагружения (по М. Боурну)

Принцип нагружения	Измеряемая  величина	Область применения
1	2	3
Внедрение индентора определенной формы и размеров при заданном усилии и времени внедрения; типичные формы инденторов – конус, шар, полусфера, цилиндрический штифт, игла	Глубина внедрения по истечении определенного  времени, глубина внедрения в  равновесном состоянии, кинетика внедрения в течение всего времени измерений	Для пластичных и упругопластичных материалов – творог, творожные изделия, сыры, сливочное масло и т.д. в статическом состоянии
Перемешивание жидкости при определенных траекториях  движения, геометрии сосуда, количестве и температуре материала и  определенной частоте вращения	Крутящий  момент	Для жидких и вязких суспензий, эмульсий, пенообразных масс с малым пределом текучести или при его отсутствии – творожный и сырный сгустки, йогурт, кефир, ряженка, сметана и  т.д.
Замес вязких масс в определенном месильном  устройстве при определенных траекториях  движения, геометрии месильной камеры, количестве и температуре материала, частоте вращения	То  же	Для вязких и вязкопластичных масс (мороженого, глазури творожных изделий и т.д.); для контроля процессов их структурообразования и исследования изменений в структуре смеси рецептурных компонентов при механической ее обработке, а также введении добавок для достижения определенной консистенции продуктов
Продолжение таблицы 3.3
1	2	3
Экструдирование пластичных масс через узкие отверстия определенной геометрии при постоянной скорости экструдирования и температуре	Давление  при определенной скорости экструдирования; количество экструдируемого материала	Для пластичных и упругопластичных масс в динамическом состоянии – глазированных сырков и колбасного сыра в процессе формования
Колебательное нагружение с определенной амплитудой и частотой	Затухание колебаний, резонансная частота	Для вязких растворов или суспензий  с частицами грубодисперсных  компонентов – джемов, конфитюров, йогуртов и молочных десертов с фруктовыми наполнителями
Растекание  вязкой или вязкоупругой массы определенного  количества и первоначальной формы  при постоянной температуре под  действием силы тяжести	Уменьшение  высоты, увеличение площади	Для малого количества вязких и вязкоупругих масс – творожных кремов, сливочного сыра, мягкого мороженого

 

Методы испытаний структурно-механических свойств - измерений величин действующих  напряжений, получаемых деформаций и  их скорости, могут быть сведены  к трем разновидностям. В каждом из них один из перечисленных трех показателей остается постоянным, второй показатель измеряется как функция третьего показателя. Таким образом, возможны следующие методы измерений структурно-механических свойств: измерение деформации γ  во время деформирования τ при постоянном напряжении θ = const; измерение напряжения структуры θ в зависимости от величины деформации γ при постоянной ее скорости u = const; измерение напряжения структуры θ в зависимости от времени ее выдержки τ при постоянной деформации γ = const.

        Наиболее  важное значение для всестороннего исследования неразрушенных или слабо разрушенных структур пищевых продуктов придается первому методу. Для уточнения основных условий измерений по данному методу рассмотрим из рис. 2., б кривую зависимости деформации от времени действия напряжения при его постоянстве.

 

а)       б) 

Рис. 2. –  Кривые зависимости деформации сдвига γ от продолжительности деформирован при постоянном напряжении  (θ = const)

         а – при отсутствии течения; б – при наличии течения

 

Второй метод измерений  структурно-механических свойств структуры  заключается в её деформировании с постоянной скоростью U = const и в измерении величины создаваемых напряжений θ в зависимости от величины деформации γ. Этот метод при наличии  у измерительного прибора возможности изменения скоростей деформации, от опыта к опыту в широких пределах позволяет исследовать зависимость вязкости от скорости деформации, определять наличие упругости у жидкообразных коллоидных структур.

На рис. 3. приведены две кривые указанной зависимости θ(γ).

Рис. 3. Кривая зависимости напряжения структуры θ от деформации

γ при постоянной ее скорости (U = const)

 

 

У первой кривой а развитие напряжений протекает монотонно до максимума θ_П, который далее уже не изменяется. Вторая кривая б имеет на начальной ветви максимум θ_М в виде «горба», понижающегося далее до неизменного в последующем напряжения θ_П.

Величина θ_М является пределом прочности и соответствует деформации разрушения структуры γ_Р. Напряжение  θ_П соответствует деформации γ_П, разрушенной до известного предела структуры. Учитывая релаксационные свойства продукта, легко понять, что напряжение θ_М и соответствующая ему деформация структуры будут зависеть от скорости деформирования. С понижением скорости θ_М понижается, и напряжение частично разрушенной структуры θ_П может быть достигнуто без наличия «горба», вследствие перераспределения напряжений с коротких разрушающихся элементов структуры на более длинные и гибкие элементы.