2015-03-08
8763
Объектом исследований в пищевой реологии являются пищевые материалы. Если за основные простейшие (по агрегатному состоянию) материалы принять газы, жидкости и твердые тела, то подавляющее большинство пищевых материалов представляет собой, так называемые, дисперсные системы. Именно для последних особенно характерны существенные отклонения от классических законов деформации и течения.
Дисперсные системы состоят из двух или более компонентов или фаз. Обычно одну из фаз рассматривают как сплошную и называют дисперсионной средой, другую, несплошную – дисперсной фазой. Такое разделение является условным и более или менее очевидным в большинстве случаев. Формально, и в некоторой степени условно, дисперсные среды могут быть разделены на восемь типов: 1) двухфазные системы из твердой и газовой фаз; 2) двухфазные системы из твердой и жидкой фаз; 3) двухфазные системы из жидкой и газовой фаз; 4) двухфазные системы из двух твердых фаз; 5) двухфазные системы из двух жидких фаз; 6) двухфазные системы из двух газовых фаз; 7) трехфазные системы из твердой, жидкой и газовой фаз; 8) многофазные системы.
Пищевые продукты, включая сырье и полуфабрикаты, в зависимости от состава, дисперсного строения и структуры обладают различными реологическими свойствами. Наиболее сложными реологическими свойствами обладают высококонцентрированные дисперсные системы с пространственными структурами. Если рассматривать классификацию дисперсных сред в более широком плане, как часть классификации состояний сред, с которыми приходится сталкиваться в пищевой промышленности, то в нее (в эту классификацию) необходимо включить представления о магнитных и электрических полях, потоках электромагнитных излучений, радиоактивном излучении, ультразвуке и т. п.
Реология как наука изучает закономерности процессов структурообразования и структурно-механические свойства дисперсных систем, в частности структурированных молочных продуктов. Структурированные системы имеют сплошной пространственный каркас, который образуется при определенной концентрации дисперсных частиц в результате их соприкосновения. Последнее вызывает проявление сил взаимодействия, которые определяют механическую прочность каркаса и его строение. Пищевые продукты в процессе технологической обработки в большинстве случаев измельчаются и переходят в дисперсные системы. Ими называются физико-механические тела, состоящие не менее, чем из двух фаз. В них дисперсионной средой является непрерывная фаза, дисперсной фазой – раздробленная фаза, состоящая из частиц, не контактирующих друг с другом. При этом под фазой понимается совокупность гомогенных частей системы, ограниченных от других частей физическими поверхностями раздела. Дисперсионная или непрерывная среда окружает частицы дисперсной фазы. Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Упрощенная классификация дисперсных пищевых продуктов, не учитывающая дисперсности и типа контактов между фазами, приведена в табл. 1.1. При определении реологического поведения продукта, приведенные в таблице данные позволяют отнести его к той или иной группе: сыпучим, жидко- и твердообразным (в зависимости от концентрации дисперсной фазы) или твердым.
Таблица 1.1
Классификация пищевых дисперсных систем
| Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Система | Примеры систем |
| Газ | Твердая | Пыль, дым, аэрозоли | Сухой порошок (молоко) в воздухе, коптильный дым, пыль |
| Жидкая | Туман | Дисперсия крови, молока в распылительной сушилке | |
| Газообразная | Атмосфера | Атмосфера земли | |
| Жидкость | Твердая | Суспензия | Сырковая масса, колбасный фарш, плодоовощные соки с мякотью, бульон, расплавленный жир с белковыми частицами, паштеты |
| Жидкая | Эмульсия | Масло в воде, молоко при высоких температурах, кровь | |
| Газообразная | Пена | Крем, взбитые сливки, взбитый белок | |
| Твердое тело | Твердая | Твердая суспензия, сплав | Замороженная мышечная ткань - |
| Жидкая | Твердая эмульсия, капиллярные системы | Сливочное масло, нативная мышечная ткань, жидкость в пористых телах | |
| Газообразная | Пористое тело, твердые пены | Сыр, взбитый и коагулированный меланж, кость, изоляционный материал |
Примечание: 1. В учебном пособии рассмотрены системы с жидкой и твердой дисперсионной средой.
2. В качестве примеров приведены только некоторые продукты, причем продукт к той или иной системе отнесен по главным признакам. Например, один и тот же продукт (сливочное масло, животный жир) в зависимости от температуры можно отнести к разным системам. Механическое воздействие (резание, сбивание, перемешивание) способно вызывать переход из одного вида дисперсий в другой.
Дисперсные системы (с жидкой дисперсионной средой) могут находиться в свободном состоянии – золь, когда отдельные элементы не связаны или слабо связаны друг с другом (молоко), и в связанном состоянии – гель (простокваша, кефир), когда частицы связаны друг с другом молекулярными силами. В золях сплошная фаза, или дисперсионная среда, является жидкостью; дисперсная фаза может быть жидкой в случае эмульсии или твердой в случае суспензии. В геле преобладает твердая фаза, которая не всегда имеет однородную структуру во всем объеме тела.
При большой концентрации частиц дисперсной фазы система не является легкотекучей и имеет упруго-пластические свойства, ее можно охарактеризовать как твердообразную. При малой концентрации – система является легко-текучей, жидкообразной и не имеет выраженных упруго-пластических свойств. Таким образом, пищевые продукты в натуральном виде и в виде дисперсий имеют определенное строение, т.е. структуру. Под структурой тел обычно понимают пространственное взаимное расположение составных частей тела. Структура, т.е. внутреннее строение продукта и характер взаимодействия между отдельными ее элементами (частицами), определяются химическим составом, биохимическими показателями, температурой, дисперсностью, агрегатным состоянием и рядом технологических факторов.
Для научного обоснования задач технологической обработки пищевых материалов большое значение имеет изучение процессов структурообразования систем. Строение или структуру пищевых продуктов на разных уровнях восприятия можно рассматривать как макроструктуру (видимую невооруженным глазом), микроструктуру (определяемую с использованием оптического микроскопа) и ультраструктуру (видимую в электронном микроскопе).
Анализ многообразных свойств структур в дисперсных системах позволил П.А. Ребиндеру разделить их на два основных типа, различающихся по видам взаимодействия частиц дисперсной фазы. Исходя из того, что коагуляция соответствует первичному и вторичному минимуму потенциальной кривой взаимодействия частиц, он предложил различать коагуляционные (тиксотропнообратимые) и конденсационно-кристаллизационные (необратимо разрушающиеся) структуры.
Коагуляционные структуры образуются в дисперсных системах путем взаимодействия между частицами и молекулами через прослойки дисперсионной среды за счет Ван-дер-ваальсовых сил сцепления. Термодинамически стабильны системы, у которых с поверхностью частиц прочно связаны фрагменты молекул, способные без утраты этой связи растворяться в дисперсионной среде. В свою очередь дисперсионная среда находится в связанном состоянии. Обычно эти структуры обладают тиксотропными свойствами, т.е. способностью к самопроизвольному восстановлению после механического разрушения (тиксотропия). Нарастание прочности после разрушения происходит постепенно, обычно до первоначальной прочности (рис. 1.3). Толщина прослоек в определенной мере зависит от содержания дисперсионной среды. При увеличении содержания воды значения сдвиговых свойств обычно уменьшаются, а система из твердообразной переходит в жидкообразную. В связи с этим оптимальные технологические характеристики продукта определяются степенью его дисперсности, при которой наблюдается наибольшая водосвязывающая способность. При обезвоживании коагуляционных структур прочность их повышается, но после определенного предела они перестают быть обратимо тиксотропными. При этом степень дисперсности, т.е. преобладающий размер частиц, даже при постоянной концентрации фазы оказывает влияние на состояние системы и ее прочность.
Рис. 1.3 Зависимости развития прочности структур во времени:
1 – коагуляционная, 1* - она же после разрушения, 2 – кристаллизационная, 3 – конденсационная
Восстанавливаемость структуры сохраняется в пластично-вязкой среде, когда разрушение пространственного каркаса происходит без нарушения сплошности.
При наибольшей степени уплотнения структуры и наименьшей толщине прослоек жидкой среды восстанавливаемость и пластичность исчезают, кривая прочности в зависимости от влажности дает излом.
Структурно-механические свойства коагуляционной системы (ее прочность, упругость, пластичность, вязкость и пр.) определяются размерами и особенностями строения дисперсных частиц, величиной сил их взаимодействия с молекулами дисперсионной среды, степенью развития и однородностью структуры во всем объеме системы и особенностями теплового движения частиц. При прочих равных условиях решающее значение имеет доля дисперсионной среды в общем объеме системы и характер взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой.
Особенность коагуляционных структур – сравнительно небольшая прочность связи между частицами и способность к восстановлению после разрушения, т.е. склонность к тиксотропии. Таким образом, коагуляционные структуры вполне обратимы и тиксотропны. Под действием напряжений они проявляют свойства вязкопластических тел. При достаточно высокой доле дисперсионной среды коагуляционные системы проявляют способность к течению, обнаруживая свойства, называемые реологическими. Эти свойства имеют большое практическое значение для оценки важнейших технологических характеристик сырья, полуфабрикатов, готовых продуктов, для выбора наиболее целесообразных приемов технологической обработки, режимов и оптимальных условий их осуществления, для разработки способа автоматического регулирования технологических процессов и т.д.
Конденсационно-кристализационные структуры характерны для натуральных продуктов, однако они могут образовываться из коагуляционных при удалении дисперсионной среды или при срастании частиц дисперсной фазы в расплавах или растворах. В процессе образования их прочность увеличивается; после разрушения эти структуры не восстанавливаются и являются скорее хрупкими, чем пластичными. В процессе образования эти структуры могут иметь ряд переходных состояний: коагуляционно-кристализационные, коагуляционно-конденсационные при непрерывном нарастании прочности.
Основные отличительные признаки структур такого типа следующие: большая прочность, что обусловлено высокой прочностью контактов между частицами; отсутствие тиксотропии и необратимый характер разрушения; высокая хрупкость и упругость из-за жесткости скелета структуры; наличие внутренних напряжений, возникающих в процессе образования фазовых контактов, приводящих к перекристаллизации, самопроизвольному понижению прочности до нарушения сплошности. Скелетом структуры служат белковые частицы и молекулы, при этом интересно, что нагревание способствует развертыванию глобулярных молекул: образовавшиеся фибриллярные молекулы более полно по сравнению с глобулярными пронизывают весь объем.
Простейшей и наиболее распространенной дисперсной структурой является коагуляционная, которая образуется сцеплением частиц Ван-дер-ваальсовых сил не в компактные агрегаты, а в цепочки и неупорядоченные пространственные сетки – рыхлые каркасы из первичных частиц.
Коагуляционная структура образуется в результате броуновского соударения частиц, когда между ними остается весьма тонкая прослойка жидкой дисперсионной среды (в масле – свободный жидкий жир), толщина которой соответствует минимуму свободной энергии системы.
При повышении плотности коагуляционных структур контакты частиц переходят в точечные, т.е. соответствующие площадкам в один или несколько атомов или одну ячейку кристаллической решетки.
Точечные контакты могут переходить в фазовые – с развитием кристаллизационной структуры. К ним относятся и конденсационные структуры, возникающие в процессе образования новой дисперсной фазы из переохлажденных расплавов.
Все дисперсные системы по кинетическим свойствам дисперсной фазы разделяются на два класса свободно-дисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна и связнодисперсные системы – системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться.
Дисперсные системы, содержащие твердую фазу, находят широкое применение в производстве продуктов питания, технология которых связана с использованием растительного и животного сырья. Многообразие и важное прикладное значение дисперсных систем предопределяют необходимость изучения их свойств и разработки методов физико-химического управления ими на разных стадиях технологических процессов.
Технологический процесс получения материалов на основе дисперсных систем включает четыре стадии: приготовление исходной дисперсной смеси;
придание ей необходимой формы; перевод коагуляционной структуры изделий в конденсационную; перевод конденсационной структуры в конденсационно-кристаллизационную.
Поэтому процесс трансформации структур является основой технологии получения самых разнообразных материалов и изделий на основе дисперсных систем.
Большинство пищевых масс представляют собой высококонцентрированные микрогетерогенные дисперсные системы из набора продуктов с различными физико-химическими и механическими свойствами.
Актуальной задачей современной науки и техники является получение дисперсных систем с определенными свойствами для приготовления продуктов заданного качества, в том числе получение быстрорастворимых гранулированных продуктов питания. Мелкодисперсные продукты в результате особой обработки или создания агрегатов – гранул заданной пористой структуры, быстро растворяются или диспергируются в жидкости, но сохраняют свои нативные свойства.
Гранулы характеризуются: повышенной способностью адсорбировать воду, погружаться в нее после увлажнения, диспергироваться в жидкости, растворяться или набухать в воде.
Большинство технологий получения быстрорастворимых гранулированных продуктов питания или сформованных изделий связаны с необходимостью перевода коагуляционных структур в конденсационные и далее в конденсационно-кристаллизационные или в кристаллизационные. Итогом такого перевода является получение максимально плотных и прочных материалов, либо материалов с заданным уровнем пористости, со сравнительно небольшой прочностью, но обладающих рядом других ценных свойств.
Таким образом, вид структуры продукта обусловливает его качественные и технологические показатели и поведение в процессах деформирования. Для их описания используют кривые течения (реограммы), которые связывают между собой напряжение и скорость деформации (деформацию), т.е. θ(γ*). При малых деформациях кривые строят в осях θ(γ), θ(τ) (здесь γ - относительная деформация, γ*- скорость деформации, τ - время, θ - напряжение сдвига). Характер реограмм, как правило, позволяет отнести данный реальный продукт к тому или иному виду реологических тел.
По своему агрегатному состоянию продукты питания являются твердыми телами или жидкостями. Повышение температуры твердых тел, если оно не сопровождается химическими реакциями или специфической ориентацией молекул (как, например, при денатурации белков), снижает прочность и упругие свойства их структуры. При повышении температуры до известных пределов связи между молекулами могут разрушаться, определяя энергию их диссоциации.
Охлаждение твердых тел обычно повышает их прочность. Жидкости при понижении температуры повышают свою вязкость, которая становится при замерзании неизмеримо большой и даже практически неизмеримой вследствие появления хрупкости. Кроме того, имеется также большое число продуктов промежуточного типа – твердо-жидких. Как известно, твердые тела характеризуются постоянством формы, упругостью, прочностью. Жидкости характеризуются способностью к течению. В известных условиях и в той или иной степени твердо-жидкие тела обладают одновременно свойствами твердого тела и жидкости. Во многих продуктах содержится также некоторое количество газообразных веществ – воздуха, углекислоты и различных ароматических летучих соединений. Они играют значительную роль в образовании пористых и пенообразных структур, влияют на структурно-механические и другие свойства продуктов. Структурированные продукты можно отнести к дисперсным системам, в которых отдельные пузырьки газа (чаще всего воздуха) свободно распределены в дисперсионной среде или связаны друг с другом разделяющими их пленками этой среды. Обычно газ рассматривается как дисперсная фаза, а жидкость (или твердое вещество) – как непрерывная дисперсионная среда. Жидкие или твердые пленки, разделяющие пузырьки газа, образуют в совокупности пенный каркас, являющийся основой структурированного продукта.
Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из пузырьков газа, разделенных прослойками жидкости, которая образуется при смешивании жидкости с газом во время ее переработки, транспортировки или при внедрении в нее газа. Дисперсия газа в жидкости, в которой концентрация газа мала, а толщина жидких прослоек соспоставима с размером газовых пузырьков, называется газовой эмульсией, или шаровой пеной.
Жидкости способны образовывать пены, состоящие как из пузырьков шарообразной формы (дисперсия воздушных пузырьков), так и из пузырьков, имеющих форму многоугольника и разделенных прослойками жидкости (ячеисто-пленочная пена). После прекращения насыщения жидкости газом во время нахождения системы в покое на поверхности жидкости постепенно формируется слой ячеисто-пленочной пены. Она образуется в результате отстаивания воздушных пузырьков и их соединения друг с другом, то есть коалесценции.
При малой вязкости дисперсионной среды пены являются короткоживущими дисперсными системами. Вследствие большой разности плотностей газа и жидкости они быстро расслаиваются на чистую дисперсионную среду и более концентрированную пену, которая в зависимости от условий (типа и концентрации поверхностно-активного вещества (ПАВ), температуры и т.д.) в пенообразующем растворе либо быстро разрушается, либо превращается в полиэдрическую пену. Как исключение, долгоживущие шаровые пены получают из высоковязких жидкостей.
По мнению П.А. Ребиндера, существование элементов дисперсной системы при соприкосновении поверхностей раздела фаз является мерой элементарной устойчивости дисперсии (пены).
Для образования и стабилизации высокоустойчивых дисперсных систем необходима прочность сольватной оболочки (достаточная вязкость, механическая прочность и упругость). Именно эта группа факторов оказывает одно из решающих значений на элементарную устойчивость пен.
Важной характеристикой пенообразных масс является их дисперсность, так как она определяет большинство свойств и процессов, протекающих в них, поскольку кинетика изменения дисперсности отражает скорость внутреннего разрушения в результате коалесценции и диффузии газа.
Для оценки дисперсности используют: средний радиус пузырька (а также наибольший и наименьший размер) максимальное расстояние между противолежащими «стенками» пузырька (условный диаметр) и удельную поверхность раздела жидкость-газ. Наиболее полно дисперсность пен характеризуется распределением пузырьков по размерам, например, по радиусу эквивалентной сферы.
Большинство продуктов с пенной структурой являются многофазными гетерогенными системами, состоящими из различных типов дисперсных систем: суспензии (например, частички плодово-овощных наполнителей, кристаллы льда), эмульсии (жировая фаза сливок), пены (дисперсия воздушных пузырьков), а также адсорбционных слоев (межфазные пленки) молекулярнодисперсные растворов (соли, мицеллы ПАВ).
Пена, как и многокомпонентные структурированные продукты, обнаруживает сложное реологическое поведение при воздействии механических нагрузок.
По характеру структуры пены относят к неньютоновским жидкостям, то есть к системам, вязкость которых при заданных параметрах зависит от напряжения сдвига или градиента скорости. Уравнение Гершеля-Балкли деформационного поведения пен достоверно описывает нелинейные кривые течения:
θ = θ0 + k γ* n, (1.17)
где θ – напряжение сдвига, Па; θ0 – предельное напряжение сдвига, Па·с; k – коэффициент консистенции, Па с; n – индекс течения; γ* – скорость сдвиговой деформации, с-1.
Эффективная вязкость является итоговой характеристикой, которая описывает равновесное состояние между процессами восстановления и разрушения структуры в установившемся потоке. Предельное напряжение сдвига характеризует прочность образующейся пространственной структуры и растет с увеличением концентрации частиц дисперсной фазы и межчастичного взаимодействия.
По П.А. Ребиндеру, при изучении реологических свойств пены обнаружены коагуляционные и фазовые контакты. В коагуляционном контакте сцепление частиц ограничено простым их взаимодействием (соприкосновением) или через остаточную пленку дисперсной среды за счет Ван-дер-ваальсовых сил. Такой контакт является обратимым.
Фазовые контакты в пене включают непосредственный контакт частиц на площади, заметно превышающей молекулярные размеры, обусловленный теми же силами, которые действуют в объеме частиц. Эти контакты являются необратимыми.
Таким образом, на реологические свойства пены влияют изменения в характере взаимодействия на межфазных границах, определяемые, в свою очередь, характером дисперсионной среды, концентрацией ПАВ и другими факторами.
Пенообразные системы широко распространены в пищевой промышленности. Взбитость молочных десертов и стабильность их структуры в процессе хранения обеспечиваются пенообразователями, стабилизаторами и эмульгаторами, используемыми в зависимости от их природы в определенной концентрации. Пенообразователи обладают способностью ускорять формирование и обеспечивать гомогенное распределение пузырьков газа в жидкой фазе. Для стабилизации такой системы, увеличения срока ее стойкости до нескольких суток в смесь вводят один или несколько стабилизаторов. Пенообразователи и эмульгаторы выполняют аналогичные функции: они обладают одновременно как эмульгирующими, так и пенообразующими свойствами. Это поверхностно-активные вещества, молекулы которых имеют одну или несколько гидрофильных групп и один или несколько гидрофильных радикалов, благодаря чему они концентрируются на поверхности фаз «воздух-вода» и «масло-вода» и снижают поверхностное натяжение, способствуя тем самым образованию стойких дисперсий воздуха и жира в воде.
Теоретические аспекты пенообразования молока и молочных продуктов нашли свое отражение в трудах П.А. Ребиндера, Н.Н. Липатова, А.П. Белоусова, Г.В. Твердохлеб, Ф.А. Вышемирского, А.Д. Грищенко, А.Г. Храмцова, А.Ю. Просекова и других видных ученых.
Золи и суспензии, а также их производные – гели и пасты – являются разновидностью одного и того же типа дисперсных систем – твердые в жидком., которые различаются размерами и концентрацией частиц дисперсной фазы. Значительная часть молочной продукции представляет собой как гели и пасты, так и золи и суспензии.
Золи – это седиментационно-устойчивая система, размеры частиц дисперсионной среды которой составляют 1-100 нм. Мицеллы образуют растворы коллоидных поверхностно-активных веществ. При увеличении концентрации частиц дисперсной фазы система из свободнодисперсной превращается в связнодисперсную. Золи переходят в гели и образуют трехмерную пространственную структуру, обладающую тиксотропией.
Эмульсии – особый вид дисперсных систем, дисперсная фаза и дисперсионная среда, которой являются плохо растворимыми жидкостями. Это обстоятельство обусловливает специфические свойства эмульсий и их способность к обращению фаз. Эмульгаторы уменьшают поверхностное натяжение и способны образовывать адсорбционные слои на границе раздела фаз. Эмульгаторы можно условно разделить на две группы:
1) вещества, которые способствуют эмульгированию, образуют адсорбционные слои, но не формируют структурные сетки геля или хотя бы ее элементы, т.е. не обладают эффектом сгущения (лецитин, жирные кислоты и их соли и др.); при использовании таких веществ в пищевой технологии часто возникает потребность введения в состав продукта специальных загустителей;
2) эмульгаторы – высокомолекулярные поверхностно-активные вещества, способные на внешней поверхности капелек жира образовывать коллоидные адсорбционные слои, а в непрерывной фазе формировать структурную сетку геля. Поэтому эмульгаторы высокомолекулярных поверхностно-активных веществ одновременно являются и загустителями (желатин, яичный белок, альгинат и др.). Однако высокомолекулярные соединения, образующие гели, но не являющиеся поверхностно-активными веществами, стабилизировать эмульсии не могут.
Особую группу составляют высокомолекулярные соединения, сами вещества и их растворы обладают рядом свойств, характерных для дисперсных систем. К ним относятся: белки, крахмал, целлюлоза и др. Высокомолекулярным соединениям присущи специфические свойства, к которым относится способность к набуханию и студнеобразованию. Эти свойства очень важны для производства продуктов питания, так как для улучшения функциональных свойств продукта применяют загустители и студнеобразователи.
Структурообразователи вносят в состав создаваемых продуктов с очень разнообразными технологическими целями, в частности, для загущения, эмульгирования, водоудержания, пенообразования, предотвращения гистерезиса, ингибирования, кристаллизации и черствления, дегазации и т.д.
Структурообразование – одно из самых важных функциональных свойств молока. Оно характеризуется способностью белков и белковых препаратов образовывать при взаимодействии белок-белок гели, связывающие большое количество воды.
Основная роль в образовании геля отводится глобулинам сыворотки. Имеются сведения, что растворы сывороточных белков образуют гели при концентрации сухих веществ 5 % и выше.
Вопрос гелеобразования в системе белок-полисахарид является фундаментальной проблемой современных методов переработки пищевого сырья.
Структурообразователи должны образовывать при определенных рН, концентрации и температуре водные растворы, обладающие структурной вязкостью, а также проявлять способность к гелеобразованию: при определенных условиях формировать трехмерную, объемную структурную сетку. Они должны обладать адгезией по отношению к поверхности компонентов, входящих в состав продуктов. Эмульгаторы, связующие вещества, пленкообразователи должны проявлять поверхностную активность.
Механизм образования структуры продукта зависит от вида структурообразователя, состава той пищевой массы, в которую он вводится, и технологических условий обработки.
При использовании белков в пищевых продуктах имеет место переход системы в гелеобразное состояние, т.е. процесс структурообразования следует рассматривать как формирование пространственной сетки геля. Гели могут содержать до 99,9 % воды и в то же время проявлять свойства, характерные для твердого состояния, в частности обладать эластичностью и жесткостью, сохранять определенное пространственное положение (форму). Их свойства являются следствием трехмерного переплетения макромолекул белков или полисахаридов, заполняющих объем, занятый гелем.
Пространственные структуры, образующиеся при коагуляции коллоидных растворов казеина, относятся к коагуляционно-конденсационным. Механизм их образования сводится к следующему:
1) нарушается стабильность казеиновых мицелл: под действием сычужного фермента вызывающего протеолиз казеина; за счет изменения рН молока при кислотной коагуляции; за счет конформационных изменений при тепловой коагуляции; за счет введения структурообразователей;
2) появляются нестабильные ассиметричные частицы мозаичного строения, имеющие на поверхности гидрофильные и гидрофобные участки;
3)возникают агрегаты макромолекул казеина, которые являются элементами формирующейся структуры, прочность структуры практически равна нулю;
4) прочность структуры увеличивается во времени, в результате образуется коагуляционно-конденсационная белковая структура твердообразного тела.
Тиксотропный характер этих структур определяется именно гидрофобными взаимодействиями между неполярными участками агрегатов казеина. В качестве структурных элементов в молочных структурах могут выступать денатурированные сывороточные белки, продукты реакции Майяра, относящиеся к пищевым волокнам, жировая фаза, цепочки клеток молочнокислых микроорганизмов.
Классической систематизации структур пищевых продуктов Ребиндера сопутствуют и многочисленные другие, основанные на разных принципах классификации. Например, такой классификации – по физическим параметрам: жидкости (напитки, молоко и др.), плотные жидкости (масла, плодовые концентраты, бульоны), пластичные продукты (сливочное масло, маргарин, творог, колбасные фарши), пластичные продукты гелевой структуры (мармелад, желе, пудинг, сыры), плотные продукты фибриллярной структуры (мясо, рыба). Эта классификация объединяет продукты как с нативной, природной структурой (плоды, овощи, молоко, мясо, рыба и др.), так и структурой, образовавшейся в результате обработки (фарши, желе, пудинги и др.). Различают и следующие типы микро- и макроструктуры: гомогенные, пористые, волокнистые, игольчатые, слоистые и смешанные.
Из множества разновидностей новых пищевых продуктов заданной структуры можно выделить в основном три типа: аналоги натуральных продуктов, формирование изделия и эмульсионные системы.
Продукты первого типа получают в основном путем перевода изолированных белков из раствора в пористый гель (текстурированный белок или текстурат). Полученный белковый текстурат облагораживают жировыми, вкусоароматическими и красящими веществами, соответствующим образом кулинарно обрабатывают.
Эмульсионные продукты представляют собой тонкодисперсные, вязкие, устойчивые системы, включающие водную и жировую фазы, причем одна из них остается непрерывной. Кроме перечисленных обязательных компонентов, в эмульсионные продукты включают белки, углеводы, минеральные вещества, красители, витамины. Как правило, эти системы имеют коагуляционную структуру и обладают тиксотропией.
Вопросам теории и практики структурообразования в различных дисперсных системах (белковых системах и в частности молока), наряду с изучением их свойств, посвящены исследования многих ученых: П.А. Ребиндера, В.Н. Измайловой, И.Н. Влодавца, П.Ф. Дьяченко, Е.А. Ждановой, М.Н. Панкратовой, Р. Раманаускаса, В.П. Табачникова, И.А. Рогова, А.В. Горбатова, В.Д. Косого, В.Я. Свинцова, А.Д. Зимона, Н.Н. Липатова (ст.), Н.Н. Липатова (мл.) Р. Fox, D. Dalgleish, Jreen и др.
Среди многих дисперсных систем, используемых в технологии пищевых производств, наиболее распространены системы, в которых в качестве дисперсной фазы используется вода. Физико-химические и физико-механические свойства этих дисперсных систем зависят от содержания и свойств удерживаемой ими воды, которая вступает в сложнейшее взаимодействие с поверхностью частиц твердой фазы, что, в первую очередь, обусловлено спецификой структуры воды, высокой полярностью ее молекул и наличием водородной связи между ними. Особенности структуры воды, обусловленные наличием водородной связи между молекулами, являются главной причиной аномальности свойств воды – высокой теплоемкости, поверхностного натяжения, адгезионных и диэлектрических свойств. Вода является очень сильным полярным растворителем, что вызвано аномально высоким среди жидкостей значением диэлектрической проницаемости (ε = 78,5 при t = 15 0С). Как растворитель вода значительно (примерно в 80 раз) ослабляет силы взаимного притяжения между противоположно заряженными ионами растворенных в ней веществ. Поскольку она участвует в гидролитических процессах, ее удаление либо связывание за счет сахара или солей тормозит многие реакции и ингибирует рост микроорганизмов, удлиняя сроки хранения продуктов питания.
Большинство продуктов пищевой промышленности в тех или иных количествах содержат воду. Она, являясь в большинстве систем дисперсионной средой, в значительной мере определяет структуру пищевого продукта. Поэтому вид или форма связи влаги с продуктом определяют технологические показатели продукта и его структурно-механические характеристики.
Поэтому вполне понятно стремление многих исследователей, занимавшихся дисперсными системами, классифицировать влагу дисперсных систем в виде отдельных ее форм или категорий. При этом в качестве основополагающего принципа классификации они использовали различные критерии: природу воздействующих на воду сил и агрегатное состояние влаги. Основываясь на классификациях А.А. Роде, П.А. Ребиндера и Е.М. Сергеева, А.К. Ларионов с соавторами предлагают упрощенную классификацию видов влаги, в которой выделяются группы воды: по агрегатному состоянию, и подгруппы – по соотношению молекулярных (Fм) и гравитационных (Fгр) сил (табл. 1.2). Представленная классификация форм влаги является возможно, несколько условной, но в то же время простой и ясной классификацией, которую, наряду с классификацией П.А. Ребиндера, можно использовать в исследовательской практике для терминологического обозначения различных форм воды.
Таблица 1.2
