ДОСЛІДЖЕННЯ РЕОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ
ПАСТОПОДІБНИХ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ ЗА ДОПОМОГОЮ
РОТАЦІЙНИХ ВІСКОЗИМЕТРІВ
Мета роботи: знайомство з структурно-механічними властивостями пастоподібних харчових продуктів, приладами та методами, які застосовуються для визначення їх реологічних властивостей. Вміти визначити і оцінити вплив технологічних факторів на реологічні властивості пастоподібних харчових систем.
Матеріали і обладнання: консистометр Боствіка, томатна паста або пюре, скляні циліндри на 250 см3, скляні стакани на 250 см3, секундомір.
Загальні теоретичні положення:
Харчова сировина рослинного і тваринного походження при переробці у продукти харчування піддаються механічній (змішування, різання, подрібнення, протирання, замішування тіста, формування заготовок та ін.) і термічній (розварювання, бланшування, обсмажування) обробці. При цьому виробничі процеси повинні бути організовані таким чином, щоб забезпечити максимально високий рівень якості готової продукції.
Серед харчових мас зустрічаються матеріали, які дуже різняться за своїми реологічними властивостями. Харчові продукти, сировина і напівфабрикати в залежності від складу, дисперсної будови і структури володіють різними реологічними властивостями і текстурними ознаками. Структурно-механічні властивості часто визначають поведінку продуктів в різних процесах і енергетичних полях. Вони є зовнішнім виразом сутності об’єктів, тобто характеризують агрегатний стан, дисперсність, структуру і вид взаємодії усередині продукту.
Дисперсійна система складається з двох або більше фаз, а саме: дисперсійного середовища, яке є безперервною фазою, і роздробленої дисперсної фази. Найбільш складними реологічними властивостями володіють висококонцентровані дисперсні системи з просторовими структурами. Утворення і зміна структур, обумовлені фізико-хімічними, біохімічними або чисто фізичними процесами і завжди приводять до зміни реологічних властивостей харчових систем. Різниця властивостей харчових продуктів обумовлена великим різноманіттям структур і хімічного складу. Харчові продукти бувають тверді, напівтверді або напівжирні і рідкі. Тверді тіла мають кристалічну структуру (кухонна сіль, цукор, тверді жири). Хліб, крупа, макаронні вироби, печиво, м'ясо, риба, плоди і овочі характеризуються капілярно-пористо-колоїдною структурою. Кусковий цукор є капілярно-пористим, а крохмаль, мармелад, желатин – концентрованими драглями.
Харчова сировина, напівфабрикати і вироблені з них продукти є реальними тілами, які володіють пружністю, пластичністю, в’язкістю і плинністю. В’язкість або консистенція являються найбільш важливими характеристиками, які визначають стан речовини. Вони характеризують опір, який оказує речовина при переміщенні одних шарів речовини відносно других.
В’язкість – це показник якості багатьох харчових продуктів, таких як сироп, майонез тощо. Вона активно впливає на технологічні процеси, такі як перемішування, фільтрування тощо. В’язкість характеризується коефіцієнтом динамічної в’язкості (Па·с) і коефіцієнтом кінематичної в’язкості. Значення динамічних і кінематичних коефіцієнтів в’язкості для кожного продукту індивідуальні і залежать від температури, тиску, вологості або жирності, концентрації сухих речовин. В’язкість харчових продуктів зменшується при підвищенні вологості, температури, жирності і зростає з підвищенням концентрації розчинів та ступеню їх дисперсності.
Зсув– це дуже важливий вид деформації в реології. Простий зсув розглядається як плоска деформація, яка паралельна нерухомій плоскості, внаслідок дії на гранях паралелепіпеду дотичних напружень. Простий зсув представляє собою особливий випадок ламінарного потоку, при якому можна вважати, що тіло складається із безперервних тонких шарів. Ці шари не деформуються, а тільки ковзають один по одному. Плинність – це здатність продукту безперервно деформуватися під дією постійного навантаження.
Напруження зсуву – це опір продукту дії дотичної складової прикладеної сили. Воно дорівнює відношенню цієї сили до поверхні зсуву. Мінімальна сила, яка необхідна для проведення зсуву (переміщення шарів на площі зсуву), визначається величиною граничного напруження зсуву.
Ротаційні віскозиметри широко використовують майже у всіх галузях харчової промисловості. Вони більш універсальні порівняно з капілярними, тому що поряд з в’язкістю і граничним напруженням зсуву дозволяють визначити інші реологічні характеристики. Для малов’язких рідин ротаційні віскозиметри застосовуються рідко, але широко використовуються для вимірювання реологічних характеристик високов’язких, високопластичних систем. За їх допомогою контролюють якість вихідної сировини і готової продукції, а також технологічні процеси виробництва. Віскозиметри ротаційного типу використовують для роботи з сиропами, молоком, кремами, шоколадом, м’ясними і рибними фаршами, сирними кисломолочними масами та ін.
Ротаційні віскозиметри – теоретично обґрунтовані прилади, які дозволяють отримати практично однорідні поля напруги і деформацій при дуже малих і великих деформаціях зсуву.
Теорія ротаційної реометрії використовує принципово ті ж допущення і обмеження, які діють в теорії капілярної віскозиметрії. Для коаксіального зазору ротаційного віскозиметра, вважаючи, що лінійна швидкість и елементарного шару і кутова швидкість ω на відстані r (в м) від осі обертання пов’язані співвідношенням и = ω r, критерій Рейнольдса Re набуває наступного вигляду:
Re = ρΩR2 / η = ΩR2 / ν
де ρ – густина дослідної речовини, кг/м3;
Ω – кутова швидкість, с-1;
R – радіус циліндру, що обертається, м;
η – динамічна в’язкість, Па·с;
ν = η / ρ – кінематична в’язкість, м2/с.
В загальному випадку, коли математична модель деформаційної поведінки продукту невідома, ефективну в’язкість можна виразити через окружну швидкість ω (м/с) обертання ротора:
η еф = В (ω/ ω1)n-1 = B· ω 
де В – ефективна в’язкість, Па·с, при відносній окружній швидкості ω*= 1;
ω1 – одиничне значення окружної швидкості, м/с (аналогічно одиничному значенню градієнта швидкості γ1;
n - 1 = m – темп руйнування структури.
Модулі пружності при зсуві G (Па·с) визначають за законом Гука і графічним залежностям відносної деформації від часу дії постійного напруження
θ = γ·G або G = (γ/θ)-1
де θ – напруження зсуву, Па;
γ –відносна деформація продукту;
γ/θ – відносна деформація, приведена до одиниці напруження зсуву, 1/Па;
γ = 
де δ – відхилення стрілки приладу, м;
ΔR = Rн – RВ – товщина шару продукту між стаканом і ротором, м;
RВ, Rн – радіуси відповідно ротора і стакана;
l – довжина стрілки, м.
Найбільшу ефективну в’язкість 
(Па·с), яка відповідає початку в’язко-
пластичної течії, знаходять по рівнянню Ньютона:
= 
або = 
де Δτ – інтервал часу, с;
Δγ/Δτ – швидкість деформації для прямолінійного відрізку кривої.
Існує велика кількість віскозиметрів, які знайшли використання при дослідженні реологічних властивостей харчових матеріалів.
Слід відзначити, що всі ці прилади громіздкі, потребують певних умов використання, що дуже важко забезпечити під час роботи приладів, та часу для проведення реологічних досліджень харчових продуктів. Їх неможливо використовувати під час контролю технологічних процесів, пов’язаних з концентруванням, випаровуванням, уварюванням. Тому в умовах виробництва користуються експресними методами контролю консистенції, зокрема плинності, харчових продуктів або напівфабрикатів.
Для цієї мети використовують компактні прилади, які дозволяють швидко визначити консистенцію продукту під час технологічного процесу і які легко можна перенести з місця на місце.
Методика виконання роботи:
До приладів, які легко використовувати для дослідження технологічних процесів і якості готової продукції відноситься консистометр Боствіка, призначений для контролю плинності пюреподібних, густих і в’язких продуктів. Прилад застосовують для визначення консистенції пюреподібних, густих і в’язких продуктів, шляхом вимірювання швидкості плинності матеріалу під впливом власної ваги у певний відрізок часу. Прилад має прямокутний лоток із нержавіючої сталі, нахил якого регулюється, і резервуар певного об’єму з затвором. На початку роботи прилад встановлюють у чітке горизонтальне положення за допомогою рівня, використовуючи урівнюючи гвинти. Після заповнення резервуару дослідним продуктом, затвор підіймається і продукт починає пливти по мірному жолобу під дією власної ваги протягом 30 с. Контролюється шлях, який пройшов дослідний продукт протягом визначеного часу.
Для проведення досліджень використати томатну пасту з вмістом сухих розчинних речовин 28 % і приготувати з неї пюре з різною концентрацією сухих розчинних речовин – 25, 20, 15 %. За отриманими даними будуються 2 графіки залежності розтікання томатопродуктів від концентрації сухих розчинних речовин і від температури дослідних продуктів розчинів від температури.
Таблиця 1
| Томатопродукти | Плинність продуктів протягом 30 с | Плинність томатопродуктів | ||
| Х1 | Х2 | Х3 | Х сер. | |
| При температурі 20 оС | ||||
| Томатна паста, 28 % | ||||
| Томатне пюре: | ||||
| 25 % | ||||
| 20 % | ||||
| 15 % | ||||
| При температурі 25 оС | ||||
| Томатна паста, 28 % | ||||
| Томатне пюре: | ||||
| 25 % | ||||
| 20 % | ||||
| 15 % |
Звіт про лабораторну роботу:
Протокол повинен містити вступ, короткий огляд літератури, мету дослідження, методику проведення роботи, результати дослідів у вигляді таблиць і
графіків. Будуються графіки залежності розтікання томатопродуктів від концентрації сухих розчинних речовин і залежність розтікання від концентрації і температури. Наприкінці робиться короткий висновок відносно залежності консистенції ньютонівських рідин від концентрації сухих розчинних речовин у томатопродуктах і температури.
Питання для самоконтролю:
1. Що таке в’язкість? Дати визначення.
2. Які рідини відносяться до неньютонівських?
3. Які фактори впливають на в’язкість?
4. Наведіть рівняння Ньютона?
5. Які прилади можна використовувати для визначення в’язкості неньютонівських продуктів?
6. Що таке зсув і напруга зсуву?
7. Що таке деформація?
Література:
1. Кравченко М.Ф. Теоретичні основи харчових технологій: навч. посіб. / М.Ф. Кравченко, А.В. Антоненко. –К.: Київ. нац. торг.-екон. ун-т, 2011. –516 с.
2. Пивоваров П.П. Теоретичні основи харчових технологій: навч. посіб./ П.П. Пивоваров. – Х.: ДУХТ, 2010. – 410 с.
3. Плахотін В.Я. Теоретичні основи технологій харчових виробництв: навч. посіб./ В.Я. Плахотін, Г.П. Хоміч. – К.: Центр навч. літ., 2006. – 640 с.
Лабораторна робота № 8