Инструментальные методы исследования реологических свойств пищевых продуктов
При оценке качества пищевых продуктов большое значение уделяется их консистенции. Наряду с условными, субъективными методами оценки консистенции все чаще применяются структурно-механические, или реологические, методы.
Реология – сравнительно молодая наука, сформировавшаяся как самостоятельная часть физико-химической механики. Она изучает течение и деформации различных веществ и материалов, широко используя при этом многие положения механики и теории упругости. Все реальные тела способны деформироваться под воздействием внешних сил, т. е. изменять свою форму и размеры. Под деформацией понимают относительное смещение частиц тела, при котором не нарушается его непрерывность. Деформация называется упругой, если она исчезает после снятия нагрузки, и остаточной, если после снятия нагрузки она сохраняется. Величина и характер деформации обусловлены свойствами материала тела, его формой и способом приложения внешних сил.
При деформировании тела возникают внутренние силы взаимодействия его отдельных частичек. Меру интенсивности этих внутренних сил называют напряжением. После прекращения воздействия на тело внешних сил напряжения частично или полностью рассасываются вследствие теплового движения молекул и других элементов структуры. Процесс убывания напряжений во времени называется релаксацией. Время релаксации – важная структурно-механическая характеристика тела. К реологическим свойствам тела относятся вязкость, упругость, эластичность и прочность.
|
|
|
Вязкость, или внутреннее трение, – свойство газов, жидкостей и твердых тел, обусловливающее сопротивление относительному перемещению слоев (течению под действием внешних сил). Для твердых тел – это сопротивление развитию остаточных деформаций.
Упругость – способность тел сопротивляться изменению их объема и формы под действием внешних сил, т. е. способность тела восстанавливать свою форму после снятия нагрузки.
Эластичность – способность материала при незначительных усилиях испытывать более или менее значительные упругие обратимые деформации без разрушения его структуры. Различие эластичности и упругости состоит в том, что упругость проявляется мгновенно, а эластичность – во времени.
Прочность – способность тела сопротивляться разрушению.
Твердость– это комплексное свойство тел оказывать сопротивление проникновению другого тела вследствие необратимых (упругой и вязкой) деформаций. При негомогенном структурном строении тел микротвердость в различных точках неодинакова. Вследствие этого прямой зависимости между твердостью и прочностью не существует.
|
|
|
Твердость нельзя выразить как физическую величину с однозначной размерностью. Она является некоторым техническим параметром, который выражается в относительных величинах в зависимости от метода определения.
Твердость определяется следующими методами: нанесение царапин (шкала твердости по Мосу); внедрение в исследуемое тело более твердого тела, например шара (твердость по Бринелю), конуса (твердость по Роквеллу), пирамиды (твердость по Викерсу).
Мягкость – свойство, противоположное твердости.
Хрупкость– свойство твердых тел достигать разрушения без пластической деформации.
Когезия– сопротивление тела разрушению, связанному с преодолением сил взаимодействия между атомами и молекулами на поверхности раздела.
Адгезия– свойство, которое основывается на взаимодействии двух различных тел на границе раздела фаз и вызывает сцепление тел. При разделении тел необходимо преодолеть силы сцепления. Прочность соединения двух тел из различных материалов зависит от площади и состояния поверхности контакта между телами.
Липкость– свойство пограничного слоя вязких или пластичных материалов оказывать сопротивление разделению находящихся в контакте поверхностей. Оно основывается на адгезии материалов на поверхности раздела и когезии самого испытуемого материала. Если силы когезии больше чем силы адгезии, разделение происходит в результате преодоления сил адгезии, и наоборот. Если обе силы приблизительно равны, разделение происходит благодар частичному преодолению сил когезии и адгезии.
|
|
|
Внешнее трение– сопротивление относительному перемещению двух находящихся в соприкосновении поверхностей твердого тела. Для начала скольжения необходимо приложить нагрузку, превышающую силы трения покоя.
Пластичность – свойство тел необратимо деформироваться под воздействием нагрузки
Ползучесть – частный случай пластической деформации под действием постоянной нагрузки.
У одного и того же материала в зависимости от его состояния и условий нагружения проявляются в разной степени те или иные реологические свойства.
Например, макаронное тесто при мгновенном воздействии нагрузки ведет себя в основном как упругое тело. При других условиях нагружения больше проявляются вязкие и пластические свойства. Поэтому в первую очередь необходимо выяснять, какие свойства исследуемого материала при заданных условиях деформирования являются основными, определяющими.
|
|
|
Среди пищевых масс встречаются материалы, весьма разнообразные по своим реологическим свойствам. Известно много случаев, когда в процессе технологической обработки один и тот же продукт переходит из одного реологического состояния в другое, часто противоположное по свойствам первому.
Например, шоколад при отливке в форму с последующим охлаждением переходит из вязкого (текучего) в твердое (хрупкое) состояние, такая же картина и при производстве конфет.
Все законы реологии разработаны для идеальных тел.
Известны три основные модели идеальных тел: идеально упругое тело; идеально пластичное тело; идеально вязкая, или ньютоновская, жидкость. Однако ни один из реальных пищевых материалов не может быть полностью уподоблен ни одному из указанных идеальных тел. Чаще всего пищевые материалы соответствуют сложным моделям, представляющим собой комбинацию простых, т.е. являются или упругопластичными, или упруговязкими, или вязкопластичными телами. Причем в зависимости от условий (температуры, влажности, давления, способа и скорости приложения нагрузки) то одни, то другие свойства проявляются в большей или меньшей степени. Поэтому при изучении реологических свойств обязательно должны быть четко указаны условия испытаний, в противном случае полученные результаты будут несопоставимы. Многие пищевые массы, помимо твердого и жидкого состояний, образуют структуры, которые по физическим свойствам занимают промежуточное положение. К ним относятся белковые и углеводные студни, суспензии разной концентрации (вплоть до паст), эмульсии и пены.
Наличие внутренней структуры придает таким системам определенные механические свойства – упругость, пластичность, вязкость, прочность, которые объективно характеризуют их консистенцию. Механические свойства зависят от природы входящих веществ и их соотношения, а также от сил взаимодействия между ними. В соответствии с представлениями академика П.А. Ребиндера и его школы принято различать два основных типа дисперсных структур – коагуляционную и конденсационно-кристаллизационную. Коагуляционные структуры удерживаются вандерваальсовыми силами, действующими через жидкие прослойки. Основными условиями их образования являются неоднородность поверхности соприкосновения частиц и наличие гидрофобных участков, на которых возникают точечные контакты – начальные звенья будущей структуры. Конденсационно-кристаллизационные структуры образуются в процессе конденсации полимеров или кристаллизации из растворов и расплавов; их существование определяется прочными химическими связями, отдельные частицы срастаются, жидкие прослойки между ними отсутствуют. Системы с такой структурой обладают большей прочностью, хрупкостью и необратимостью при разрушении.
Коагуляционные структуры могут переходить в конденсационно-кристаллизационные в процессе обработки продукта, когда создаются условия для удаления жидких прослоек между частицами, например при сушке или прессовании. Так как механические свойства любой системы теснейшим образом связаны с ее структурой, их часто называют структурно-механическими. При изучении структурно-механических свойств пищевых материалов исследуется развитие деформаций во времени. В основном изучают два вида деформации – сжатие (растяжение) и сдвиг. В первом случае напряжение действует перпендикулярно поверхности образца, во втором – по касательной (тангенциально). Результаты исследования структурно-механических свойств обычно выражают графически в виде кривых кинетики деформации. Совокупность методов измерения вязкости жидкостей и газов называется вискозиметрией.
Согласно своему вязкостному поведению, жидкости делятся на ньютоновские (вода, растворители, растворы) – вязкость, пропорциональная концентрации, если частицы в растворе не взаимо-действуют и неньютоновские (растворы полимеров, дисперсии, воски, гели). Обе группы могут быть далее подразделены. В связи с тем что значение вязкости зависит от температуры, измерение вязкости проводят в условиях термостатирования. При обычных измерениях поддерживают постоянную температуру с точностью ±0,1 °С. При увеличении температуры на 1° в области 20 °С значение вязкости уменьшается приблизительно на 2%. В зависимости от принципа измерения различают три типа вискозиметров: капиллярный вискозиметр (течение жидкости через капилляр); вискозиметр, основанный на измерении скорости падающего шарика (движение твердого тела в исследуемой среде); ротационный вискозиметр (вращение тела). В настоящее время метод падающего шарика практически не применяется. Главным образом используют различные типы капиллярных и ротационных вискозиметров. При измерении вязкости с помощью капиллярных вискозиметров определяют время истечения равных объектов раствора и растворителя.
Капиллярные вискозиметры применяются для определения вязкости мясокостного бульона и топленого жира, крови, подсолнечных и соевых мисцелл, растворов мыла, миндального и арахисового масла, кондитерского жира, растительных масел. Как показывает перечень, капиллярные вискозиметры применяются в основном для измерения характеристик материалов, обладающих относительно небольшой вязкостью.
Вискозиметр Гепплера; в нем жидкость помещается в наклонную трубку, в которой перемещается шарик; между ними остается лишь небольшая щель. Исследуемые характеристики определяются по длительности прохождения шариком определенного пути. Недостатком данного прибора является невозможность воспроизведения результатов в двух последовательных опытах из-за разрушения структуры.
Методы капиллярной вискозиметрии нашли широкое применение и при исследовании реологических свойств высоковязких веществ (различные пластмассы, конфетные массы и т.п.).
Капиллярные вискозиметры не имеют недостатка, присущего ротационным вискозиметрам: в капилляре непрерывно подвергается сдвигу вновь поступающая жидкость, и тепловыделения уносятся с материалом, тогда как в ротационных вискозиметрах один и тот же испытуемый материал находится в зазоре вискозиметра в течение всего опыта. Теория капиллярных вискозиметров была разработана несколько позднее, чем теория ротационных вискозиметров.
Одно время отрицали применимость капиллярных вискозиметров для определения реологических свойств материалов при сдвиге, ибо в капилляре происходит неоднородный или менее однородный, чем в ротационных вискозиметрах, сдвиг материала. В капиллярных вискозиметрах задаются либо постоянным во всех опытах расходом исследуемой жидкости, либо постоянным перепадом давления в капиллярах. В вискозиметрах с постоянным расходом измеряется перепад давления между концами капилляра, в приборе с постоянным давлением – расход материала.
Каждый вискозиметр состоит из следующих частей: емкости для исследуемого материала, калиброванного капилляра, приспособлений для определения и регулирования давления, определения скорости течения (или истечения) материала, определения температуры.
Принцип действия капиллярных вискозиметров основан на непрерывном сдвиге в капилляре вновь поступающей жидкости и постоянном уносе с материалом выделяющейся теплоты.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 27; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!