Основные технические свойства пищевого сырья и продуктов

Переработка, хранение и приготовление пищевых продуктов связаны с желательными или нежелательными изменениями их свойств. В качественном отношении свойства пищевых продуктов выражаются в виде вкуса, запаха, цвета, в количественном – в виде значений физических параметров.

Различают термодинамические, теплофизические, физико-химические, электрические и другие технические параметры пищевых продуктов, которые используются для конкретных целей расчета кухонных машин и приборов.

Из термодинамики известно, что состояние чистого химически однородного вещества характеризуется тремя термодинамическими параметрами, связанными уравнением состояния:

,

где – давление; – удельный объем, ; – абсолютная температура.

Для растворов параметры состояния дополняются концентрацией растворенных веществ, которая выражается процентным отношением растворенного сухого вещества к массе всего раствора или отношением массы к объему раствора.

Многие пищевые продукты представляют собой неоднородные системы: суспензии - смесь твердой раздробленной фазы с жидкостью (например, кристаллов сахара с патокой), эмульсии – смесь раздробленного жира с жидкостью (например, молоко) и др. Для неоднородных систем в качестве параметра вводят дополнительно объемную или массовую долю дисперсной фазы.

Пищевые продукты вследствие влияния многих факторов (почвы, климата, питания, хранения и т.д.) отличаются непостоянством состава и свойств. Так, например, колебание содержания влаги в свинине составляет от 35 до 77 %, в говядине – от 62 до 79 % и как следствие, вызывает колебание теплоемкости соответственно на 24 и 21 %. В связи с этим в справочниках приводятся данные о физических параметрах продуктов для определенного, стандартного состава, а учет отклонений параметров проводится введением поправочных функций.

Рассмотрим особенности некоторых технических свойств продуктов, важных для расчетов.

Плотность. Плотность жидких растворов чистых веществ зависит от концентрации растворенного сухого вещества (СВ) и температуры раствора:

Вид функции индивидуален для каждой пары веществ: растворителя и растворенного вещества. Обычно эта функция не линейна и задается в виде таблиц или эмпирических формул. Это же относится и к многокомпонентным смесям.

Плотность неоднородной бинарной системы, состоящей из двух компонентов и :

где – массовая доля компонента в смеси; – массовая доля компонента ; и – соответственно плотности компонентов и .

Если неоднородная бинарная система состоит из твердых частиц плотностью и жидкой среды плотностью , то плотность системы определяется по формуле при замене на и на :

,

где – массовая доля частиц в смеси.

Доля общего объема системы, занятая жидкостью:

.

Для сыпучих пищевых продуктов (кофе, сахара-песка и т.п.) характерна «насыпная», кажущаяся плотность, зависящая от действительной плотности материала частиц и объема пустот между ними. Она определяется по формуле:

,

где – насыпная плотность сыпучего продукта; – действительная плотность материала частиц; – порозность (пористость) сыпучего материала; – объем пустот свободно насыпанного (без «утруски») материала; – объем свободно насыпанного материала.

Рекомендуется принимать .

Плотность сложных многокомпонентных пищевых продуктов рекомендуется принимать по опытным данным или по справочнику.

Вязкость. Вязкостью называется свойство газов и жидкостей сопротивляться действию внешних сил, вызывающих их течение. Количественно вязкость выражается законом внутреннего трения Ньютона:

,

где – напряжение внутреннего трения (касательное напряжение сдвига) слоев жидкости с градиентом скорости по нормали (рис. 5) . (Знак (набла) означает дифференциальный оператор первого порядка); - постоянный для данного состояния жидкости коэффициент пропорциональности, называемый динамической вязкостью.

Рис. 5. К определению вязкости жидкости

Рис. 2.1.

Жидкости, подчиняющиеся закону внутреннего трения Ньютона, называются нормальными или ньютоновскими. Многие жидкости и пищевые продукты (густые суспензии, пасты, тесто и др.) отклоняются от закона Ньютона и потому называются неньютоновскими. Их свойства изучает физико-химическая механика и реодинамика – область науки о течении различных сред.

По характеру отклонений от закона внутреннего трения Ньютона выделяют три группы неньютоновских жидкостей (рис. 6).

1. Вязкие стационарные неньютоновские жидкости, для которых зависимость не изменяется во времени. К ним относятся:

а) бингамовские пластические жидкости (пасты, густые суспензии), течение которых начинается после достижения напряжением сдвига предела текучести в соответствии с уравнением , где – пластическая вязкость;

б) псевдопластические жидкости (например, яичный белок), течение которых начинается при самых малых напряжениях внутреннего трения по нелинейному закону

,

где и – опытные константы, причем возрастает с увеличением вязкости и является мерой консистенции жидкости, а изменяется от 0 до 1;

в) дилатантные жидкости (суспензии с большим содержанием твердой фазы), течение которых следует уравнению , но при >1.

 

Рис. 6. Кривые течения жидкостей: 1 – ньютоновской;

2 – бингамовской; 3 – псевдопластической; 4 – дилатантной

 

2. Нестационарные неньютоновские жидкости, для которых справедлива зависимость , где - время течения:

а) тиксотропные жидкости (простокваша, кефир), структура которых под действием постоянного напряжения постепенно разрушается с падением вязкости;

б) реопектантные жидкости (сливки, сметана), вязкость которых возрастает по мере действия постоянного напряжения.

3. Вязкоупругие максвелловские жидкости (тесто и др.), которые текут под воздействием напряжения сдвига, а после снятия напряжения частично восстанавливают свою форму, подобно упругим твердым телам.

Таким образом, вязкость неньютоновских жидкостей является кажущейся. Это обстоятельство затрудняет гидродинамические расчеты аппаратов для неньютоновских сред.

Теплопроводность. Теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры. Теплопроводность описывается первым законом Фурье, согласно которому плотность теплового потока прямо пропорциональна градиенту температуры , где – плотность теплового потока по нормали к изотермической поверхности, проведенной в направлении уменьшения температуры; – градиент температуры; - теплопроводность. Числовое значение зависит от температуры, давления и вида вещества. Для пищевых продуктов определяется эмпирическими формулами. Например, теплопроводность фруктовых соков, сиропов, молока с сахаром при температуре , определяется по формуле , где – теплопроводность при ; – массовая доля (%) твердых веществ в смеси.

Теплоемкость. Теплоемкость – это отношение количества теплоты, подводимой к веществу, к изменению его температуры. Теплоемкость единицы вещества называют удельной теплоемкостью. В расчетах используют массовую, объемную и мольную удельные теплоемкости.

Удельная теплоемкость зависит от типа процесса теплообмена. Различают удельные теплоемкости: изобарную ; изохорную ; адиабатную ; изотермную .

Удельная теплоемкость пищевых продуктов зависит от вида вещества, температуры, содержания влаги или сухих веществ. Удельная теплоемкость неоднородных систем определяется из уравнения:

где - массовые удельные теплоемкости компонентов; – массовые доли соответствующих веществ в смеси.

Поверхностное натяжение жидкости. Представляет собой работу образования единицы площади поверхности раздела фаз или тел при постоянной температуре. При создании новой поверхности требуется затрата энергии для преодоления сил давления.

Значение поверхностного натяжения существенно для расчета процессов образования капель при конденсации пара, паровых пузырей при кипении жидкости и др. С увеличением температуры поверхностное натяжение уменьшается, снижаясь до нуля в критической точке. Поверхностное натяжение в растворах ослабевает при добавлении в них поверхностно-активных веществ (ПАВ): органических кислот, спиртов, альдегидов, кетонов и др. Снижение поверхностного натяжения облегчает образование новых поверхностей и является причиной появления пены при обработке продуктов.