Структурно-механічні властивості харчових мас. Колоїдно-хімічні властивості високомолекулярних сполук.
Мета роботи: ознайомитись із структурно-механічними властивостями харчових мас, із колоїдно-хімічними властивостями високомолекулярних сполук.
Завдання: ознайомитись із структурно-механічними властивостями харчових мас, із колоїдно-хімічними властивостями високомолекулярних сполук.
1. Структурно-механічні, Або Реологічні, властивості Харчових продуктів характеризують їх опірність впливу зовнішньої енергії, обумовлену будовою і структурою продукту, а також якість харчових продуктів і враховуються при виборі умов їх перевезення і зберігання.
Реологічні властивості багатьох продуктів (м’ясних, рибних й ін.) досліджуються у зв’язку з розробкою нових процесів обробки і створення нових видів продуктів.
Реологія — Наука про деформації і течії різних тіл — Дає можливість зрозуміти багато явищ, що відбуваються при виробництві, транспортуванні і зберіганні продуктів.
Реологічні властивості характеризують поведінку продуктів в умовах напруженого стану, основними показниками якого є напруга, величина і швидкість деформації.
Деформація — це процес, при якому під дією зовнішніх сил змінюється відстань між точками тіла. Використовується цей показник при визначенні пружності м’ясних, рибних виробів, клейковини борошняних виробів й ін.
Пластичність — здатність продукту до незворотних деформацій, тобто — це здатність текти при напрузі вище критичної, виявляючи залишкові деформації, що розвиваються в часі. В реології при зсувних деформаціях використовують поняття „гранична напруга зсуву", що позначається 60. При напрузі нижче критичної тіло поводиться, як пружне. Цей показник характеризує якість тіста, карамельної маси та ін.
Міцність — здатність продукту пручатися механічному руйнуванню. Це показник, зворотний крихкості, визначається при оцінці якості плодів, овочів, цукру-рафінаду та ін.
Адгезія (ра) — злипання різнорідних твердих або рідких тіл, що стикаються своїми поверхнями. Це явище поширено в природі й використовується в техніці. Розрізняють два види адгезії: Специфічна (власно адгезія) й 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.
Відрив може бути трьох видів: Адгезійний — По межі контакту, Когезійний — По шару продукту й Адгезійно-когезіний, Тобто 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 во лодіють: варена ковбаса, борошняне тісто, овочеві і м’ясні котлетні маси, сир, вершкове масло й ін. При розрізанні вони прилипають до леза ножа, кришаться або ламаються, при розжовуванні липнуть до зубів і піднебіння. 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 (пластичністю) продукту, товщиною його шару, тривалістю контактування, тиском притиснення, ступенем жорсткості твердої поверхні й ін.
До основних реологічних властивостей продуктів відносяться пружність, пластичність, в’язкість і щільність. У одного і того ж матеріалу в залежності від його стану та умов навантаження проявляються різні властивості. Наприклад, макаронне тісто при миттєвому впливі навантаження веде себе як пружне тіло, при інших умовах навантаження більше проявляються в’язкі і пластичні властивості. Звісно багато випадків, коли в процесі технологічної обробки один і той же продукт переходить із одного реологічного стану в інший, часто протилежний за властивостями першому.
В’язкість — Властивість рідини надавати опір переміщенню однієї її частини відносно другої під впливом дії зовнішньої сили. Вона реалізується в істинно-в’язких (нью-тонівських) рідинах при будь-яких як завгодно малих напругах зрушення (9) і описується рівнянням Ньютона. В’язкість виявляється в тому, що при будь-якій малій постійній напрузі деформація тіла безупинно зростає з перебігом часу (при цьому критичне напруження руйнування дорівнює нулеві). При підвищенні температури в’язкість зменшується. Визначають в’язкість рідких продуктів, рослинних олій, спиртів, напоїв, соків, меду й ін. Зворотна величина в’язкості — Плинність — Виражається в одиницях Па×с-1. В’язкість залежить від температури, тиску, вологості або жирності, концентрації, ступеню дисперсності і т. ін.
Щільність — Маса речовини, що міститься в одиниці об’єму. Величина щільності продукту обумовлюється концентрацією сухих речовин у ньому. Так, щільність несолоної яловичини 1-го сорту складає 1048 кг/м3, а яловичини солоної без води — 1054 кг/м3. Підвищення щільності яловичини солоної пояснюється ущільненням тканин при засолі в результаті виділення частини клітинного соку.
Щільність жирів обчислюють при визначених температурах: рослинних олій — при 10,15 і 20°С, тваринних жирів — при 50 і 100°С.
Для деяких харчових продуктів визначають Відносну Щільність — Це відношення щільності досліджуваного продукту До щііьності води при температурі 4"С 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°С).
Щільність характеризує якість харчових продуктів. За її величиною можна судити про кількість спирту в горілці, сахарози в розчині цукру, солі в розсолі; можна встановити склад продукту, його будову, уникаючи при цьому 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 і ін.) важливим показником є Насипна (об’ємна) Щільність. Під цим показником Розуміється маса продукту в Одиниці об’єму при вільному з пустотами вкладанні. Наприклад, насипна щільність картоплі 640, капусти — 430 кг/м3 і т. ін. 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. Так, шпаруватість картоплі, цибулі, буряку, баклажанів, моркви — 0,45, міжбульбові проміжки складають 40 % До об’єму насипу картоплі. При більшій шпаруватості овочі легше забезпечити повітрям і провентилювати.
Питомий об’єм (м3/кг) — Об’єм 1 кг продукту в кубічних Метрах — Показник, зворотний щільності, служить для визнаЧення якості продуктів. Наприклад, величина питомого об’єму хліба характеризує його пористість і т. 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 і ін.). Ця властивість продуктів має велике значення при транспортуванні плодів, овочів, хлібних і кондитерських виробів та інших продуктів.
Кожне тіло має свій Період релаксації, Що визначається як відношення в’язкості тіла до його модуля пружності на зрушення.
Стан тіла, що піддається впливові 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 у більшій мірі виявляються його пружні і високоеластичні властивості. Для твердих тіл період релаксації досить значний. Для звичайних легкотекучих рідин період релаксації дуже малий. Наприклад, для води він дорівнює 10" с.
Релаксаційні властивості відіграють важливу роль при механічній обробці продуктів щодо впливу на утворення форми, розвиток необхідного об’єму і структури.
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 приходиться рахуватися при їх обробці.
Тиксотропія — здатність деяких дисперсних систем миМовільно 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 обгрунтованих 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 фаршевиготовлеиня (від дозрівання м’яса до набивки фаршу в оболонку або форму), а також консистенцію готових виробів.
Для правильного ведення технологічних процесів, їх механізації і автоматизації необхідне глибоке знання структур-но-мехаиічних властивостей сировини, проміжних продуктів і готових виробів. Від цих властивостей в значній мірі залежить протікання різноманітних процесів — теплових, механічних, дифузійних. Вони часто визначають поводження продуктів у найрізноманітніших технологічних процесах і енергетичних полях, характеризують агрегативний стан, дисперсність, будову, структуру і вид взаємодій усередині продукту. Цим властивостями обумовлюються також смакові якості і засвоюваність їжі.
Таким чином, основна мета вивчення структурно-механічних властивостей продуктів харчування — розробка методів їх регулювання в напряму 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. Колоїдно-хімічні властивості високомолекулярних сполук.
Дисперсні системи (з рідким дисперсійним середовищем) можуть знаходитися у вільному стані — Золь, Коли окремі елементи не зв’язані або слабко зв’язані одні з одними (молоко) й у зв’язаному стані — Гель (кисляк, кефір), коли частки зв’язані одні з одними молекулярними силами й утворюють структуру, тобто просторовий каркас. У цих системах властивості залежать від об’ємного співвідношення дисперсної фази і дисперсійного середовища (звичайно води), характеру і міцності зв’язку між ними і від характеру і міцності зв’язку часток фази між собою.
В залежності від типу й енергії виникаючих зв’язків дисперсні структури поділяють на три типи: коагуляційні, конденсаційні і кристалізаційні, а також зустрічаються комбіновані, наприклад, конденсаційно-кристалізаційні структури.
Коагуляційні структури Утворюються в дисперсних системах шляхом взаємодії між частками і молекулами через прошарки дисперсійного середовища за рахунок сил зчеплення Ван-дер-Ваальса. Вони володіють здатністю до самоплинного відновлення після руйнувань, тобто здатністю до Тиксотропії; Під дією напруг виявляють властивості в’язко-пластичних тіл; при високій частці дисперсійного середовища проявляють здатність до течії (реологічні властивості), тобто з твердо подібної системи переходить у рідкоподібну. Типовим представником систем з коагуляційною структурою є сирий ковбасний фарш, фарш ліверних ковбас та інше.
При утворенні коагуляційних структур у харчових (м’ясних) продуктах істотну роль відіграють поверхнево активні речовини і розчинні у воді білки, що виступають у якості емульгаторів і стабілізаторів утворюваних систем.
Конденсаційні структури Утворюються з коагуляційних в міру видалення рідкої фази, супроводжуються виникненням більш міцних зв’язків між частками. В процесі утворення їхня міцність поступово збільшується, залишаючись потім постійною. Конденсаційні структури мають більшу міцність і після руйнування не відновлюються. Вони скоріше є тендітними, чим пластичними. До конденсаційних структур можна віднести, наприклад, фарш готових варених і сирокопчених ковбас.
Кристалізаційні структури Утворюються шляхом зрощення часток або молекул при активній участі хімічної взаємодії з розплаву при охолодженні і з розчину при підвищенні його концентрації або охолодженні. Вони характеризуються наявністю просторової кристалічної решітки, міцність якої залежить від форми кристалів. Конденсаційно-кристалізаційні Структури властиві натуральним продуктам, однак вони можуть утворюватися з ко-агуляційних при видаленні дисперсійного середовища або зрощенні часток дисперсної фази в розплавах або розчинах. В процесі утворення ці структури можуть мати ряд перехідних станів: коагуляційно-кристалізаційні, коагуляційно-конден-саційні при безперервному нарощуванні міцності. Основні відмінні ознаки цих структур: велика міцність у порівнянні з міцністю коагуляційних структур, що обумовлено високою міцністю контактів між частками; відсутність тиксотропії і не-зворотний характер руйнування; велика крихкість і пружність через жорсткість кістяка структури; наявність внутрішніх напружень, що виникають у процесі утворення фазових контактів і викликають надалі перекристалізацію і мимовільне зниження міцності, наприклад, розтріскування при сушінні.
Таким чином, вид структури продукту обумовлює його якісні і технологічні показники і поводження в процесах деформації. Для їхнього опису використовують криві течії (рео-грами), що зв’язують між собою напругу і швидкість дефор-маці, і дозволяють віднести продукт до того чи іншого виду реологічних тіл.
Наприклад, тваринні і рослинні тканини і деякі продукти тваринного і рослинного походження з клітинною будовою за своїми властивостями наближаються до конденсаційно-кристалізаційних структур. У цих системах тверді структурні елементи з’єднані досить міцними зв’язками.
У той же час тваринні і деякі рослинні тканини в межах міцності на зрушення поводяться подібно пружно-еластичним тканинам. За цією межею зруйнована тканина виявляє властивості в’язкопластичного тіла і здатна до течії без подальшого руйнування природного каркасу і без відновлення зруйнованих міцних зв’язків. Отримані продукти в результаті руйнування тваринних і рослинних тканин за структурою і реологічними властивостями наближаються до компактних коа- гуляційних структур. Подібні властивості проявляють фарші готових ковбасних виробів (крім ліверної).
Таким чином, твердоподібні м’ясо, риба та інші продукти за їх властивостями до деформацій можуть бути віднесені або до в’язкопластичних, або до пружнопластичних тіл.
3. Харчові суспензії: їх утворення та властивості
Суспензії Являють собою дисперсні системи з твердою дисперсною фазою і рідким дисперсійним середовищем з розмірами часток вище, ніж у колоїдних системах, тобто в діапазоні 105—1014. До них відносяться фруктові й овочеві пасти, помадні цукеркові маси, какао терте й ін.
Способи отримання і стабілізації суспензій багато в чому схожі з подібними для колоїдних розчинів — золів. Різка відмінність суспензій від колоїдів проявляється в молекулярно-кінетичних і оптичних властивостях. Явища дифузії і осмосу не властиві суспензіям, проходження світла через суспензії не викликає опалесценції, а проявляється у вигляді помутніння, тому що світлові проміні переломлюються і відображаються частками суспензії, а не розсіюються.
Седиментаційна стійкість суспензій дуже мала внаслідок крупних розмірів часток. У суспензіях тверді частки можуть знаходитися у завислому стані нетривалий час, осідаючи під дією сили тяжіння. Процесам агрегації часток в суспензіях сприяють сили притяжінпя різної природи (сили Ван-дер-Ва-альса, електростатичні сили, зв’язування часток макромолекулами довголанцюгових сполук).
Агрегатна стійкість суспензій є результатом дії сил різної природи. Стабілізацію суспензій можна проводити полімерами. При цьому не тільки підвищується агрегатна стійкість, а й уповільнюється седиментація, оскільки підвищується в’язкість дисперсійного середовища.
Підвищення концентрації дисперсної фази до максимально можливих висококонцентрованих суспензій приводить до утворення паст. Як і вихідні суспензії, насти агрегативно стійкі в присутності достатньої кількості сильних стабілізаторів, коли частки дисперсної (рази в них добре сольватовані і розділені тонкими плівками рідини, яка служить дисперсійним середовищем. Відсутність вільної рідкої (рази надає таким системам високу в’язкість і деяку механічну міцність. За рахунок багаточнслеііііих контактів між частками в пастах може йти утворення просторових структур і спостерігається явище тиксотропії.
Суспензії мають ряд спільних властивостей з порошками; ці системи подібні їм за дисперсністю. У харчовій промисловості суспензії утворюються при одержанні крохмалю, при осадженні осадів у виробництві цукру, пива, вина, у кондитерській промисловості іі ін.
Утворення паст. Як і вихідні суспензії, насти агрегативно стійкі в присутності достатньої кількості сильних стабілізаторів, коли частки дисперсної (рази в них добре сольватовані і розділені тонкими плівками рідини, яка служить дисперсійним середовищем. Відсутність вільної рідкої (рази надає таким системам високу в’язкість і деяку механічну міцність. За рахунок багаточнслеііііих контактів між частками в пастах може йти утворення просторових структур і спостерігається явище тиксотропії.
Суспензії мають ряд спільних властивостей з порошками; ці системи подібні їм за дисперсністю. У харчовій промисловості суспензії утворюються при одержанні крохмалю, при осадженні осадів у виробництві цукру, пива, вина, у кондитерській промисловості іі ін.
Контрольні питання
1. Що таке емульсія і які умови її утворення?
2. На які типи і групи поділяються емульсії?
3. Які властивості емульсій?
4. Що забезпечує стійкість емульсій?
5. Які виробництва використовують процеси емульгування?
6. Що являють собою суспензії і чим забезпечується їх агрегатна стійкість?
Реферати
Реферати :