Сдвиговые характеристики жидкообразных продуктов

Характеристики этих систем описываются вязкостью или эффективной вязкостью (уравнения 1.16, 1.16, а и 1.39, а) и не имеют статического предельного напряжения сдвига, т.е. течение начинается при сколь угодно малых напряжениях сдвига. Обычно, за исключением истинно вязких жидкостей, эти продукты имеют слабую структурную сетку, которая разрушается при течении в рабочих органах машин с высокими значениями градиентов скорости или при изменении температуры и обладают аномалией течения. Один и тот же продукт в зависимости от интенсивности механического воздействия, влажности (концентрации) или температуры часто может переходить из одной группы тел в другую. Изучение реологических свойств жидкообразных продуктов имеет существенное самостоятельное значение для расчета машин и аппаратов и, кроме того, позволяет глубже оценить процессы, связанные с переработкой сырья и продуктов и оценкой их качества.

Вязкость – важное функциональное свойство молока и молочных продуктов, играющее большую роль в технологических процессах производства и в аппаратурном оформлении технологического процесса. Она характеризует консистенцию их и имеет большое значение при оценке качества. Величина вязкости связана со структурой вещества и при нарушении её изменяется, что создает трудности при пользовании различными методами определения. Вязкость зависит от содержания сухих веществ, активной кислотности, титруемой кислотности.

Вязкость ньютоновских жидкостей не зависит от градиента скорости, но уменьшается с увеличением температуры.

Вязкость структурированных систем зависит от градиента скорости, температуры и строения, поэтому ее называют эффективной или кажущейся для данных условий измерения. Структурные конформационные изменения белков при производстве кисломолочных продуктов вызывают существенные изменения вязкости. При этом вязкость не служит для структурированных систем исчерпывающей характеристикой, а в некоторых случаях является даже несущественной. Эти тела в большей мере следует характеризовать комплексом структурно-механических свойств.

Молоко представляет собой сложную полидисперсную систему, дисперсионной средой которой является вода (0,83-0,89 кг воды в 1 кг молока – 83-89 %), дисперсной фазой – жир, белки, газы и т.д. (17-11 %). Жир присутствует в молоке в форме капель величиной от 0,1 до 22 мкм и образует с жидкой фазой эмульсию. Белки содержатся в молоке в коллоидном состоянии, величина их частиц 10-200 мкм. Молекулы лактозы образуют истинный раствор. Свежевыдоенное молоко – это двухфазная эмульсия. После выдержки его в охлажденном виде часть жировых шариков выкристаллизовывается и образуется трех – и многофазная эмульсия.

Вязкость молока обусловливается, прежде всего, белковым и солевым составом, поскольку последний оказывает влияние на гидрофильность белков. Я.И. Френкель отмечает, что причина вязкости растворов заключается в уменьшении подвижности молекул воды вследствие их взаимодействия с растворенными веществами и образования больших агрегатов, имеющих низкую подвижность. С этой точки зрения причиной повышения вязкости молока при повышении его кислотности является развертывание макромолекул казеина (денатурация) и повышение степени их гидратации. Иными словами развернутые (денатурированные) макромолекулы казеина связывают значительно большее количество молекул воды, чем нативные. Этим и объясняется повышение вязкости.

У концентрированных белковых молочных продуктов, наоборот, структурная компонента вязкости настолько велика, что в сравнении с ней вязкостью дисперсионной среды можно пренебречь. При этом концентрированной белковой массе будут присущи предельное напряжение сдвига и аномалия вязкости.

Вязкость молока, замеренная на реовискозиметре Гепплера, уменьшается с повышением температуры.

Это явление наблюдается до тех пор, пока температура молока не перейдет предел, выше которого начинается денатурация белков молока, сопровождаемая реакцией меланоидинообразования, вследствие чего темп возрастания вязкости молока с увеличением температуры повышается.

Этот процесс необратим, поэтому после охлаждения молока до первоначальной температуры его вязкость будет выше прежнего значения.

Степень денатурационных изменений белков молока зависит не только от температуры, но и от продолжительности теплового воздействия.

Многие исследователи отмечают, что молоко и сливки обладают ярко выраженными структурно-вязкими свойствами, которые меняются в зависимости от степени разрушения структуры.

Изменение вязкости при повторной деформации характеризует тиксотропию системы. В молоке структурная вязкость обусловливается в первую очередь молочным белком, в сливках – молочным жиром и особенно образованием скоплений жировых шариков. Следует заметить, что и в сливках структурная вязкость обусловлена взаимодействием белка с водой. Отличие заключается в том, что основную роль в сливках играет не казеин, а оболочечный белок, имеющий большую поверхность контакта с водой.

Вязкость молока и сливок значительно изменяется при нагревании. С повышением температуры до 60 ⁰С вязкость заметно снижается, при нагревании до более высоких температур она повышается. Понижение вязкости при нагревании до 60 ⁰С объясняется на основании теории вязкости жидкости, т.е. вязкость воды, а следовательно, и молока при изменении температуры на 1 ⁰С изменяется на 2-3 %. Что касается повышения вязкости при дальнейшем нагревании молока (пастеризации и стерилизации), то оно вызывается вышеописанной денатурацией белковых веществ.

Добавление к молоку соли повышает его вязкость, которая становится еще больше после пастеризации молока при высокой температуре.

Добавление к молоку перекиси водорода также приводит к возрастанию его вязкости.

На формирование структуры молочного продукта в основном оказывает влияние молочный белок – казеин, денатурирующий вплоть до коагуляции при действии кислот (например, при нарастании кислотности), свертывающийся под действием протеолитических ферментов (например, сычужного). При больших концентрациях и высоких значениях рН казеин образует прочные структуры.

На основании классификации пространственных структурированных систем, данной П.А. Ребиндером, структуру, возникающую в системе казеин-вода, можно определить как коагуляционно-конденсационную (смешанный тип структуры).

Из-за наличия устойчивых прослоек жидкой среды в участках коагуляционного сцепления, препятствующих дальнейшему сближению частиц, коагуляционные структуры обладают характерными механическими свойствами. Это – структурная вязкость, а в более концентрированных дисперсиях (пастах) – явная пластичность. С наличием тонких адсорбционно - пластифицирующих прослоек среды в контактах между частицами связана и полная тиксотропия коагуляционных структур – их способность обратимо разрушаться при механических воздействиях, постепенно восстанавливаясь во времени до той же предельной прочности в результате броуновских соударений частиц по коагуляционным участкам.

Тиксотропия коагуляционных структур позволяет в условиях практически однородного сдвига (например, в ротационных вискозиметрах с коаксиальными цилиндрами с узким зазором) получать полные реологические кривые зависимости эффективной вязкости от напряжения сдвига, т.е. от равновесной степени разрушения структуры в стационарном потоке.

Такие зависимости были установлены А.А. Трапезниковым. Им исследованы образцы ацидофилина, простокваши и кефира. По своим реологическим характеристикам эти продукты различаются довольно сильно. Кефир по сравнению с другими молочными продуктами – наименее структурированная система. В такой системе имеет место прочностная тиксотропия. Неспособность структуры ацидофилина к тиксотропному восстановлению указывает на то, что она образуется в результате коагуляции и склонна к синерезису. Механическое воздействие ускоряет синерезис. Структура простокваши менее прочна, чем структура ацидофилина, но комплексы свойств простокваши и ацидофилина, в общем аналогичны.

Несмотря на некоторые расхождения в абсолютных значениях реологических величин, общие закономерности сохраняются для каждого вида кисломолочного продукта.

Вязкость молочных продуктов можно представить как сумму вязкости дисперсионной среды и дисперсной фазы (по формулам (1.48) и (1.52), а также приращение вязкости вследствие образования структуры:

η = 0,69 10 ^-3 exp (19000 Т^*/R)·

· , (2.1)

где Т^* - избыточная обратная абсолютная температура, 1/К; R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль К); ύ_{д ф} - объемная концентрация дисперсной фазы, м³/ м³.

Член, стоящий перед фигурной скобкой, характеризует изменение вязкости воды в зависимости от температуры; 4,5 ύ_{д ф} - поправка на дисперсную фазу; второй комплекс в фигурных скобках учитывает приращение вязкости за счет структуры.

И. Кайрюкштене (Вильнюс) были исследованы структурно- механические свойства кислотных и сычужных сгустков пахты, полученной при разных способах производства масла.

При сравнении структурно-механических свойств кислотных сгустков пахты и обезжиренного молока установлено, что пахта образует кислотный сгусток, значительно отличающийся от сгустка обезжиренного молока.

Начальная вязкость сгустка в зависимости от типа пахты в 6-17 раз меньше вязкости сгустка обезжиренного молока. Эти сгустки значительно меньше разрушались и восстанавливали больше структурных связей.

Вязкость разрушенной структуры после механического воздействия (η_Р) и вязкость после восстановления (η_В) сгустков разных типов мало различаются.

Вязкость кислотных сгустков пахты при попадании воды уменьшается на 24 %, вязкость сгустка после механического воздействия – на 20 %.

При добавлении 20 % воды эти показатели уменьшаются соответственно на 50 % и 36 %. При увеличении количества воды коэффициент потери вязкости сгустка становится меньше, а коэффициент восстановления структуры увеличивается. При попадании 20 % воды сгусток получается слабый, с ярко выраженными тиксотропными свойствами. Из пахты, разбавленной водой, образуется более слабый сычужный сгусток. Тромбоэластограммы показывают, что, хотя первая стадия свертывания (r) проходит более быстро, сгусток образуется слабый. Структурно-механические показатели подтверждаются данными о синеретических свойствах сгустков. При температуре 35 ⁰С и 42 ⁰С из кислотных сгустков сыворотка вообще не выделяется. При повышении температуры синерезиса сыворотка выделяется, но в 5-8 раз меньше, чем из обезжиренного молока. Из сычужных сгустков пахты при температуре 35 ⁰С и 42 ⁰С сыворотка выделяется очень слабо, в 8-15 раз меньше, чем из обезжиренного молока. Синерезис как кислотных, так и сычужных сгустков пахты можно улучшить повышением температуры или добавлением натурального или сухого (СОМ) обезжиренного молока.

Если добавить СОМ к пахте, то образующийся кислотный сгусток имеет более высокую вязкость, при добавлении 1% СОМ начальная вязкость увеличивается примерно в 2 раза, при добавлении 2% СОМ – примерно в 3 раза. Наибольшему увеличению подвержена начальная вязкость (η_Н) сгустка, коэффициент потери вязкости увеличивается, а коэффициент восстановления вязкости уменьшается, то есть этот сгусток по своим свойствам приближается к сгустку обезжиренного молока.

Таким образом, добавка обезжиренного молока в количестве 20% или сухого обезжиренного молока в количестве 2% повышает упругость и вязкость сгустков, усиливает выделение сыворотки.

При попадании воды в пахту упругость и вязкость сгустков уменьшается, а синерезис сокращается.

Подробно описана кислотная коагуляция казеина Н.И. Дунченко. Кислотная коагуляция основана на изоэлектрическом осаждении казеина путем введения в молоко органических (молочной, уксусной) или минеральных (соляной, серной) кислот, или под действием молочной кислоты, образующейся в результате жизнедеятельности микрофлоры закваски, вносимой в молоко. Установлено, что характер сгустков зависит от способа и температуры введения кислот.

При быстром введении с одновременным нагреванием сгустки имеют рыхлую, вязкую, зернистую структуры. При медленном введении или образовании и при условии отсутствия перемешивания происходит образование плотной, ровной структуры. Кислотные сгустки относятся к коагуляционно-конденсационным структурам, содержащим как необратимо разрушающиеся, так и тиксотропно-обратимые связи. От соотношения этих связей зависят структурно-механические свойства структур: вязкость, прочность, упругость, эластичность.

Процесс кислотной коагуляции, также как и сычужной – является двухстадийным:

I – нарушение стабильности системы и структурные изменения казеиновых частиц;

II – образование трехмерной структуры (коагуляционная стадия).

В доступной литературе имеются математические и физические модели изучения процесса структурообразования при сычужной коагуляции, особенно первой стадии.

Н.Н. Липатовым на базе компьютерного моделирования казеина при непрерывном производстве творога предложены формулы для расчета геометрических характеристик пространственного каркаса кислотных молочно-белково-жировых сгустков.

Исследования Л.А. Забодаловой, А.М. Маслова, Г.М. Паткуль показали, что кинетика структурообразования при кислотной коагуляции аналогична кинетике сычужной коагуляции, предложенной и исследованной В.П. Табачниковым и предполагает наличие трех стадий: индукционного периода, стадии флокуляции и метастабильного равновесия.

В индукционный период вязкость молока практически не меняется, на стадии флокуляции происходит образование агрегатов из белковых частиц (субмицелл), обуславливающее резкое повышение агрегатов до (гель-точки). Скорость образования белковых агрегатов условно можно характеризовать величиной тангенса угла наклона кривой к оси абсцисс (рис. 2.1). После точки Г повышение вязкости прекращается, так как происходит упрочнение образующейся структуры сгустка.

Рис. 2.1 – Кинетика образования кислотного сгустка

Гель-точка наступает при рН 4,76-4,85, в это время структура кислотного сгустка непрочна и необратимо разрушается при механическом воздействии. Поэтому при резервуарном способе производства кисломолочных напитков для получения готового продукта хорошей консистенции без отстоя сыворотки авторы рекомендуют перемешивать сгусток при рН не выше 4,65.

Экспериментально доказано, что независимо от условий свертывания молока отношение промежутка времени от момента заквашивания до гель-точки к продолжительности индукционного периода практически постоянно и равно в среднем 1,1-1,2. Таким образом, по легко фиксируемой продолжительности индукционного периода можно предсказать продолжительность второй и третьей стадий процесса коагуляции.

Установлено, что скорость кислотной коагуляции и структурно-механические свойства зависят от массовой доли белка, жира и сухих веществ, от температуры свертывания, дозы и состава бактериальной закваски, технологических режимов тепловой обработки и гомогенизации. Так, повышение температуры в интервале от 30 до 46 ⁰С способствует значительному сокращению длительности индукционного периода, продолжительность двух других стадий при этом снижается менее интенсивно, так как увеличение температуры интенсифицируется образованием агрегатов белковых частиц, вследствие чего увеличивается вязкость и прочность сгустков.

Установлено, что от количества и вида закваски зависит кислотность молока, следовательно, это оказывает влияние на скорость коагуляции.

Агрегативная устойчивость и неустойчивость определяется способностью частиц вступать в контакт, т.е. сблизиться до определенного расстояния. Контакт между частицами – это необходимое условие коагуляции.

М. Смолуховский разработал теорию коагуляции частиц при условии, что контакт между частицами – не только необходимая предпосылка, но и достаточное условие коагуляции. Коагуляция происходит во времени и характеризуется определенной скоростью

υ_с = -d υ_ч/ dτ, (2.2)

Скорость коагуляции описывается формулой и определяется как изменение по времени τ численной концентрации υ_ч дисперсной фазы. Скорость коагуляции всегда положительна, а величина υ_ч /dτ – отрицательна.

Концентрация частиц в данное время υ_ч зависит от начальной концентрации υ_ч⁰ и времени коагуляции τ:

υ^τ_ч = f(υ⁰_чτ), (2.3)

М. Смолуховскому удалось найти вид функции при следующих допущениях: частицы монодисперсны и имеют сферическую форму; сила взаимодействия между частицами не учитывается. Предполагается, как уже отмечалось, что для коагуляции частицам достаточно сблизиться до определенного расстояния; частицы дисперсной фазы имеют коллоидные размеры и перемещаются за счет броуновского движения; учитывается только взаимодействие двух частиц; одновременно взаимодействие трех и более частиц считается маловероятным. Несмотря на такие существенные допущения, теория М. Смолуховского дает возможность с достаточной для практики точностью рассчитывать численную концентрацию.

Слипание частиц и кинетика коагуляции рассматриваются с точки зрения химической кинетики как реакции второго порядка:

d υ_ч/dt = - k υ_ч² , (2.4)

где k – константа скорости коагуляции.

Согласно теории Смолуховского, константа скорости коагуляции зависит от коэффициента диффузии D и расстояния между частицами h:

k = 4 hD, (2.5)

На расстоянии h осуществляется взаимодействие между частицами. Это расстояние, согласно теории, равно сумме радиусов частиц: h = 2 r.

Коэффициент диффузии рассчитывается по уравнению:

k = 4 RT/(3ηN_А), (2.6)

где η – вязкость дисперсной среды.

Константа скорости коагуляции, как это следует из формулы 2.6, не зависит от начальной концентрации частиц дисперсной фазы и размеров частиц. Она остается неизменной в течение всего процесса коагуляции.

Найденная расчетным путем из уравнения 2.5 константа k_ТЕОР характеризует быструю коагуляцию. Экспериментальные значения константы k_ЭКС могут не совпадать с теоретическими. Если соблюдается условие k_ЭКС< k_ТЕОР, то имеет место медленная коагуляция.

Теория Смолуховского получила дальнейшее развитие: сняты некоторые ее ограничения и допущения, в частности в отношении монодисперсности частиц; более четко определен смысл вероятности слипания. Однако эта теория абстрагируется от свойств самих дисперсных систем. Между тем эти свойства в определенных условиях оказывают решающее влияние на коагуляцию.

Вязкость сливок. Сливки, являющиеся дисперсной коллоидной системой, обладают пространственной структурой, которую могут характеризовать такие показатели, как вязкость, предельное напряжение сдвига и др. Во время сравнительно длительной подготовки сливок к сбиванию на их свойства оказывают влияние технологические факторы, особенно температура. В результате этого изменяется агрегатное состояние жировой фазы, что создает необходимые условия для последующей ее дестабилизации и агрегации жировых частиц при сбивании в маслоизготовителях. В отношении жировой фазы сливки являются эмульсией (дисперсией) жировых шариков со средним диаметром 2,5 мк в плазме. В ней также распределены и другие компоненты: белки, углеводы, соли органических и неорганических кислот, витамины, ферменты, микроэлементы и др. В результате дестабилизации в сливках происходит образование скоплений цепочек жировых шариков микрозерен, что является одной из важных причин образования структурных связей.

Структурные связи сливок выражены в вязкости, которая характеризует консистенцию сливок, их физическое состояние во время подготовки к сбиванию в маслоизготовителях периодического и непрерывного действия. Под вязкостью сливок мы подразумеваем их способность сопротивляться смещению частей или слоев относительно друг друга. Вязкость сливок, поскольку определение ее связано с их течением, а также разрушением и восстановлением структурных связей, можно выразить произведением предела текучести и деформирующей силы, например, крутящего момента, нагрузки на шарик и т.п.

Вязкость может быть повышена выдержкой сливок при температуре от 2,2 ⁰С до 3,3 ⁰С, причем практически все увеличение вязкости достигается в первые два часа.

В зависимости от концентрации жира, сливки могут быть отнесены как к ньютоновским, так и к неньютоновским жидкостям. Сливки с содержанием жира до 30 % незначительно проявляют аномалию вязкости, и при инженерных расчетах их можно отнести к ньютоновским жидкостям. К ньютоновским жидкостям относятся также сливки и с более высоким содержанием жира, если жир находится в расплавленном состоянии.

Температура приведения для сливок линейно возрастает с увеличением в них содержания жира:

Т_ПР = 293 + 51,6 φ, (2.7)

где φ – содержание жира, кг жира на 1 кг сливок.

Вязкость сливок с содержанием жира 0,3 – 0,5 кг/кг может быть определена по формуле В.А. Ересько:

η = 0,07 φ ^{4, 22}γ^{* -0, 6} exp , (2.8)

Для сливок с содержанием жира 0,6 – 0,83 кг/кг:

η = 0,9 φ ^5,9 γ^{* -1, 0} exp , (2.9)

Формула справедлива при значениях γ^* = 30 1300 с^-1; Т = 293 363 К; R = 8,314 Дж/(моль К).

Относительная погрешность формулы 2.8 составляет 5 %, формулы 2.9 – 7 %.

Энергия активации сливок, проявляющих неньютоновское течение, зависит как от концентрации в них жира, так и от величины градиента скорости.

Вязкость сливок во многом определяется соотношением фракций жира с высокой и низкой температурой плавления, продолжительностью и условиями их хранения. Сливки после созревания перед сбиванием их в масло имеют большую вязкость, чем сливки, полученные из свежего молока и не подвергавшиеся созреванию.

Сливочное масло – сложное реологическое тело типа гелей. Как и другие животные жиры, оно содержит различные жирные кислоты, каждая из которых имеет свои конкретные значения температур фазовых переходов из жидкого в кристаллическое состояние и обратно из кристаллического – в жидкое. При производстве сливочного масла большое значение имеют правильно выбранные режимы охлаждения и кристаллизации жира в процессе его производства, т.к. изменяются его структурно-механические свойства. Сливочное масло под действием напряжений становится текучим. Однако это происходит, если тангенциальное усилие сдвига достигает некоторого минимального критического значения и начинается непрерывная деформация, или когда напряжение сдвига превысит определенное критическое значение, необходимое для разрушения структуры. Такое течение Бингам называет пластическим, а критическое (предельное) напряжение сдвига – пределом текучести. Следовательно, сливочное масло будет характеризоваться свойствами твердого тела, находящегося в упругом состоянии до тех пор, пока напряжение меньше предела текучести, а после превышения этого предела – свойствами тела, находящегося в состоянии пластического течения.

В системах типа гелей деформация может происходить как мгновенно, так и во времени (запаздывающая упругость). Чем менее однородна структура твердого тела, тем больше промежуток времени, после которого деформация достигает предельного значения, отвечающего заданному напряжению, так как в данном случае преобладает запаздывающая упругость.

В случае незначительной деформации гели сходны с идеально упругими телами. При напряжении, ведущим к разрушению структуры, течение масла напоминает течение вязких жидкостей: упругая деформация, запаздывающая упругость и течение накладывается друг на друга и дают суммарную деформацию.

При любой скорости течения в коагуляционной структуре протекают два противоположных процесса – разрушение и восстановление, а равновесие между этими процессами в установившемся потоке характеризуется эффективной или кажущейся вязкостью. В отличие от истинной вязкости эффективная вязкость зависит от условий определения (особенно от градиента скорости). Поэтому можно сопоставлять только результаты, полученные в идентичных условиях, которые характеризуются одинаковыми значениями критерия Рейнольдса.

Для полной реологической характеристики системы необходимо эффективную вязкость определять при различных напряжениях, чтобы получить кривые зависимости градиента скорости от усилия.

Сливочное масло обладает предельным напряжением сдвига и пластичностью, которая связана с тиксотропностью. Большой практический и теоретический интерес представляют методы измерения величины сил, возникающих в результате вязкостного момента сопротивления потоку в исследуемом теле. При определении реологических свойств масла очень важно получить данные о выраженности свойства тиксотропии для структуры масла. Коэффициент тиксотропности масла связывает тиксотропное разрушение и тиксотропное восстановление структуры. Физический смысл этого коэффициента заключается в сравнении работы, идущей на разрушение исходной структуры, с работой, эквивалентной тиксотропному восстановлению нарушенных связей. Целесообразно рассматривать масло как тело Бингама в виду того, что оно в некоторой степени обладает упруго-эластичными свойствами.

Деформация при постоянном напряжении зависит от времени. Это связано с тем, что структурные элементы масла обладают некоторой подвижностью и способны перемещаться относительно друг друга. В результате деформации создавшиеся напряжения с течением времени ослабевают (релаксируют).

Период релаксации, который характеризует в масле период перехода от упруго-пластических деформаций к деформациям пластическим, переходящим впоследствии в остаточные, вычисляется как отношение эффективной вязкости к общему модулю упругости. Для вычисления используется кривая релаксации напряжений, где касательная к кривой релаксации отсекает на оси абсцисс общий отрезок, составляющий период релаксации. Для жидкостей период релаксации возрастает с увеличением вязкости, так как уменьшается подвижность их молекул.

Определение реологических характеристик сливочного масла сходно с определениями подобных свойств пластических материалов, структурированных коллоидных систем при большом объеме содержания дисперсной фазы.

В процессе определения реологических свойств пищевых продуктов, в том числе и масла, необходимо знать характер течения при малых напряжениях сдвига.

На практике применяют методы исследования и приборы, позволяющие дать условные характеристики для сравнения различных образцов масла.

В Европе определяли товарное свойство масла – намазываемость. Это свойство может быть определено в условных единицах сопротивления резанию, напряжению сдвига, пластичности, эластичности. Для определения намазываемости применяют различные методы и приборы, в том числе и сложные, например, метод трехосного сжатия. С его помощью измеряют прочность на сдвиг и характер течения масла.

Для того чтобы не контролировать сразу три основных самостоятельных напряжения, лучше применять способ, при котором образец масла цилиндрической формы нагружается с возрастающим основным напряжением и боковым постоянным напряжением.

Б.А. Николаев предлагает различное и произвольное толкование консистенции пищевых жиров по признакам «плотная», «крепкая», «мажущаяся», «липкая» свести к объективным характеристикам: упругости по величине модулей: пластичности (вязкости), прочности (напряжение разрушения), липкости (напряжение отрыва).

Для сливочного масла характерно свойство прилипать к другим твердым поверхностям (деталям маслоизготовителя и расфасовочных автоматов, гомогенизаторам). Это свойство в некоторой степени можно охарактеризовать адгезионным давлением (давление прилипания) и аутогезионным давлением, исследование которых занимает особое место, так как адгезия масла является одним из показателей, характеризующих его технологический процесс и качество.

Для измерения давления прилипания масла имеются устройства и аппараты, принцип действия которых основан на приложении вертикальной тяги.

При исследовании образцов масла, изготовленных на маслоизготовителях периодического и непрерывного действия, было установлено, что максимум аутогезионного давления получают при температуре, близкой той, при которой происходит образование масляного зерна в маслоизготовителях.

По мнению многих авторов, реологические свойства масла необходимо определять не раньше чем через 72-96 ч после изготовления. Во время выдержки в масле устанавливается равновесие между твердой и жидкой фракциями. Не рекомендуется проводить измерения при температуре масла выше 20 ⁰С.

Н. Кинг (Австралия) предполагает, что в формировании консистенции масла большое значение имеет жидкий жир, обладающий связывающими свойствами, поэтому связность структуры относят к важным показателям масла.

Вязкость расплавленного масла практически соответствует вязкости сливок при одинаковой температуре и таком же содержании жира.

Вязкость масла η_эф (в Па·с), полученная на вискозиметре «Реотест RV» при температуре ниже температуры фазовых переходов большинства фракций жира, может быть определена по формуле:

η_эф = К γ* ^n-1, (2.10)

Вязкость масла, полученного методом непрерывного сбивания, можно также вычислить по формуле:

η_эф = А γ^{* n-1} exp (- а t), (2.11)

Вязкость В при γ^* = 0,5 с ^-1 при других значениях температуры можно вычислить по зависимости (1.52, а), определив по формуле:

а_Т = exp (0,1094 – 0,0343 ), (2.12)

Вязкость кисломолочных продуктов. Кисломолочные продукты являются структурированными системами, частицы дисперсной фазы которых взаимодействуют друг с другом, образуя сетчатую структуру, и придают системе более или менее ярко выраженные свойства твердого тела. Образующийся сгусток (гель) обладает определенными механическими свойствами: вязкостью, пластичностью, упругостью и прочностью.

Характерно, что повышение температуры ускоряет процесс структурообразования.

Вязкость кисломолочных продуктов во многом определяется видом вносимой в молоко закваски, а также видом и количеством применяемого стабилизатора.

Добавление к сливкам казеината натрия способствует упрочнению структуры сгустка и способствует лучшему восстановлению структуры.

Применение казеината натрия не только увеличивает вязкость сметаны, но и замедляет выделение из нее сыворотки во время хранения при комнатной температуре 18-20 ⁰С.

Помимо заквасок основными структурообразователями при производстве сметаны являются белки, такие как казеин, сывороточные, а также молочный жир, которому отводится самая весомая роль, поскольку именно он в значительной степени влияет на вязкость и структуру продукта. При гомогенизации сливок (10 МПа) конгломераты жировых шариков приводятся в дисперсное состояние, покрываясь при этом мицеллами казеина. Белковые частицы образуют на поверхности жировых шариков оболочку, результатом чего является высокая вязкость продукта, отсутствие синерезиса.

Не менее важна для технологического процесса производства сметаны температурная обработка сливок. Оптимальной является температура 95 ⁰С с выдержкой в течении 20 с и более. При таких условиях происходит разрушение липозы (что способствует увеличению сроков годности готового продукта), а также увеличивается вязкость и появляется специфический привкус пастеризации. После сквашивания сметану выдерживают для созревания при температуре 1-8 ⁰С, в результате чего наряду с отвердением жира происходит дальнейшее набухание белковых частиц и образование внутренней структуры, что делает продукт более густым.

Вязкость кефира. В процессе производства кефира реологические методы исследования можно применять как для контроля качества продукта в процессе его приготовления, так и для оценки качества готового продукта.

Установлено, что с изменением рН среды, накоплением продуктов брожения, характеризующих вкус кефира, изменяются структурно-механические свойства продукта. При изменении рН от 4 до 5,2 вязкость (Па·с), измеренная с помощью реовискозиетра Гепплера при напряжении сдвига 2 Па, уменьшается по экспоненциальному закону:

η = 2000 exp (-2,5 рН), (2.13)

При рН больше 5,6 вязкость практически составляет 3,5·10 ^-3 Па·с.

Качество продукта во многом определяется своевременным прекращением процессов сквашивания и перемешивания. Для получения кефира хорошего вкуса и нужной консистенции его надо перемешивать при рН 4,4-4,5, когда продукт имеет структуру высокой прочности, которая сохраняет свои свойства при последующем механическом воздействии и в процессе хранения.

Вязкость хорошего кефира должна быть 2,9-3,2 Па с при касательном напряжении 980 Па или 1,6-1,9 Па с при касательном напряжении 1960 Па. В процессе хранения при пониженных температурах в кефире может происходить отделение сыворотки. Однако если вязкость кефира выше 2,4 Па с при касательном напряжении 980 Па, то сыворотка отделяться не будет.

Таким образом, контролируя в процессе производства кефира только рН и вязкость, можно получить продукт высокого качества.

Вязкость сгущенных молочных продуктов. Вязкость уменьшается с повышением температуры, увеличивается с повышением концентрации сухих веществ. Высокотемпературная обработка также приводит к повышению вязкости.

Сгущенное цельное молоко и обезжиренное молоко без сахара при концентрации сухих веществ до 0,45 кг на 1 кг сгущенного молока (45%) проявляет малую аномалию вязкости.

Температура приведения и соответствующее ей значение вязкости сгущенного обезжиренного молока зависят от содержания СОМО:

Т_ПР = 293 + 267 (СОМО)², (2.14)

lg (ν _{п р} 10 ⁶) = 2,34 СОМО – 0,168, (2.15)

Вязкость обезжиренного молока, сгущенного посредством ультрафильтрации, может быть вычислена по формуле:

η 10³ = 660 с ^2,24 + 1,71, (2.16)

где с – концентрация белка, кг белка на 1 кг продукта.

Формула 2.16 действительна при с < 0,15 и t = 20 ⁰С.

Формирование реологических свойств молока цельного сгущенного с сахаром происходит в ходе технологического процесса производства продукта.

Сгущенные молочные продукты с сахаром являются псевдоэластичными неньютоновскими жидкостями.

Для всех наименований сгущенных молочных продуктов с сахаром, существует единая температурно-инвариантная характеристика вязкости (η/ η₀) – (τ_Рγ^*), Для сгущенных молочных продуктов с сахаром осредненное значение периода релаксации равно 2,5 10 ^-5 с.

Известно, что поведение текучих систем при сдвиговом течении характеризуют с помощью реологических диаграмм или кривых течения, показывающих зависимость касательного напряжения и скорости сдвига.

В интервале изменения (τ_Р γ^*) от 2·10^-2 до 3 безразмерная вязкость сгущенных молочных продуктов с сахаром может быть вычислена по формуле:

η/η₀ = 1 / [3 (τ_Р γ^*)^{0, 85} + 1, (2.17)

Значения наибольшей ньютоновской вязкости сгущенных молочных продуктов с сахаром сразу же после сгущения должны находиться в пределах от 2 до 5 Па·с.

Вследствие развития структурообразования вязкость таких продуктов быстро увеличивается, особенно в течение первых суток. Заметное увеличение вязкости продолжается на протяжении первых трех месяцев, после чего темп прироста вязкости резко снижается и значение вязкости асимптотически приближается к некоторой предельной величине. На вязкость сгущенных молочных продуктов существенное влияние оказывает применяемый способ сгущения. Так, например, вследствие длительного пребывания молока в вакуумных выпарных аппаратах циркуляционного типа (без принудительной циркуляции) его вязкость оказывается выше, чем у молока, сгущенного в пленочных выпарных аппаратах (с падающей пленкой) при одинаковых значениях концентрации сухих вещств.

Вязкость сгущенных молочных продуктов с сахаром зависит также и от способа внесения сахара в молоко.

Изучение реологических свойств молока цельного сгущенного с сахаром Л.В. Голубевой., Л.В. Чекулаевой и К.К. Полянским показало, что характер течения продукта можно описать формулой Кессона:

(2.18)

где S, б – эмпирические величины, зависящие от температуры.

Параметр S, возведенный в квадрат, имеет размерность динамического коэффициента вязкости, а параметр в в квадрате характеризует предельное напряжение сдвига.

В процессе хранения сгущенных молочных консервов происходит образование более прочной структуры, что подтверждается величинами предельного напряжения сдвига. Возникающие структуры тем прочнее, чем выше температура хранения. Для продукта, хранившегося при 37 ⁰С, предельное напряжение сдвига равно 98,5 Па, что объясняется относительно низкой вязкостью дисперсионной среды при этой температуре (294·10 ^-3 Па·с). Ускорение процесса повышения вязкости молока цельного сгущенного с сахаром в процессе хранения при высоких температурах установлено за счет возрастания вероятности столкновения частиц и их взаимодействия с образованием сетчатой структуры.

Одной из причин повышения вязкости сгущенных молочных консервов является нарушение солевого равновесия.

При слишком высоких концентрациях ионов кальция солевое равновесие не устойчиво. Значение имеет и соотношение количества органического и неорганического фосфора. Увеличение неорганической его формы способствует повышению стабильности структуры.

Кислотность молока также влияет на консистенцию сгущенных молочных консервов, нарушая солевой баланс и, следовательно, структуру белкового комплекса. Установлено, что уменьшение кислотности с 21-22 ⁰Т до 17-18 ⁰Т снижает вязкость готового продукта с 4,0-4,1 Па с до 2,9-3,0 Па с. Однако, сложно установить явную зависимость между составом исходного сырья и консистенцией полученного продукта, так как определенное влияние на нее оказывают и технологические процессы производства.

Консистенция молока цельного сгущенного с сахаром зависит от массовой доли влаги в нем. При влажности 24,3 % вязкость продукта через 2 месяца хранения была 18,4 Па.с, а через 6 месяцев – 25,4 Па·с, то есть наблюдалось быстрое его загустевание. Тогда как при массовой доле влаги 26,5 % через 6 месяцев вязкость достигла только 7,1 Па с и заметного загустевания не отмечалось.

Имеются математические зависимости для молока цельного сгущенного с сахаром:

сразу после выработки ;

после трех месяцев хранения ;

после 12 месяцев хранения .

Для сохранения однородности состава и свойств молока цельного сгущенного с сахаром при хранении одним из необходимых условий является исходная вязкость не менее 3,5-4,0 Па с и увеличение ее при хранении в течение года не более, чем в 1,8-2,0 раза.

На процесс загустевания оказывает влияние не только сезон выработки, но и температура хранения.

Структурообразование, в первые 3 месяца хранения при 37 ⁰С происходит наиболее интенсивно.

Исследователи сообщают, что уже через 4-6 недель при 37 ⁰С молоко цельное сгущенное с сахаром по вязкости оценивается нестандартным (более 15 Па·с) и при этом в продукте отсутствовали дрожжи, плесени и кишечная палочка. Изменения вязкости были неферментативной природы.

Таким образом, учитывая значение реологических свойств продуктов консервирования молока и молочного сырья для их хранимоспособности, предупреждению загустевания и расслоения продуктов следует уделять особое внимание.

Вязкость мороженого. Различают два вида вязкости: 1) истинная, или основная вязкость и 2) условная, или структурная, вязкость. Первая является функцией растворенных веществ смеси и основной структуры эмульсии смеси и при механическом перемешивании не снижается в значительной степени.

Условная, или структурная, вязкость, как показывают сами термины, существуют благодаря гидратизированным белковым структурам, или агрегатам, образованным в смеси, а также вследствие слипания гомогенизированных частиц жира, если не практикуется двухступенчатая гомогенизация. Структурная вязкость быстро разрушается при сильном механическом перемешивании. В основном она исчезает в течение минуты или двух в смеси, которая попадает в современный фризер периодического действия. С другой стороны, основная вязкость возрастает во время замораживания благодаря прогрессирующей концентрации смеси в результате выделения ледяных кристаллов. В противоположность ранее существовавшему мнению, нет связи между структурной вязкостью смеси и однородностью структуры в замороженном продукте. Смеси с высокой структурной вязкостью могут взбиваться с трудом, особенно в результате послегомогенизационного слипания жировых частиц. Это нежелательное явление полностью исключается двухступенчатой гомогенизацией. Вязкость смеси может быть определена в трубке для определения вязкости Оствальда.

Увеличение содержания сахара, а также концентрации жира приводит к повышению вязкости смеси мороженого. Вместе с этим увеличение размеров жировых частиц, а следовательно, и уменьшение их общего числа способствует снижению вязкости смеси мороженого.

Смеси для мороженого проявляют незначительную аномалию вязкости – с увеличением градиента скорости она несколько снижается. При положительных температурах смесям для мороженого присущи весьма малые значения предельного напряжения сдвига.

Вязкость при промежуточных значениях температуры можно вычислить по формуле:

В , (2.19)

Зависимость В от температуры описывается формулой 1.52 при Т_ПР = 310 К и В (при γ^* = 100) + 0,222 Па.с.

Вязкость других смесей для приготовления мороженого можно вычислить по формуле:

В = f ₁ (В , (2.20)

где f₁ и f₂ – соответственно функции параметров приведения и градиента скорости.

Для смесей сливочное, сливочное крем-брюле, молочно-шоколадное, пломбир земляничный, пломбир кофейный, пломбир крем-брюле значения функций определяются по формулам:

f = (В , (2.21)

f₂ = 1,631 – 0,096 ln γ^*, (2.22)

Для смеси пломбир шоколадный

f₂ = 2,365 – 0,0204 ln γ^*, (2.23)

При изготовлении пищевых продуктов их состав или состав исходной смеси, температура, время выдержки и прочие факторы могут отличаться от обусловленных стандартом. Поэтому важно рассмотреть влияние некоторых основных технологических факторов на величины сдвиговых характеристик. Кроме того, эти данные позволяют обосновать параметры оптимального процесса и, основываясь на них, разработать предпосылки для автоматического управления технологическими процессами, а также выполнить реологические расчеты рабочих узлов машин и аппаратов.

Сдвиговые характеристики жидкообразных мясных продуктов. К жидкообразным продуктам (телам) относятся ньютовские жидкости и структурированные системы, не имеющие статического предельного напряжения сдвига.

Характеристики этих систем описываются вязкостью или эффективной вязкостью и не имеют статического предельного напряжения сдвига. Жидкообразные системы обладают слабой структурной сеткой, которая разрушается при течении в рабочих органах машин с высокими значениями градиентов скорости при изменении температуры. К жидкообразным продуктам относятся: кровь, животные жиры, мясокостный бульон, клеевые и желатиновые бульоны и др.

Вязкость крови. Вязкость крови измеряют с помощью вискозиметра Гепплера и реовискозиметра Ротовиско.

Вязкость крови убойных животных зависит от концентрации сухих веществ и температуры. При этом, как при снижении концентрации сухих веществ, так и при повышении температуры вязкость крови значительно уменьшается.

Вязкость топленых животных жиров.

С увеличением температуры от 0 до 100 ºС, вязкость всех видов топленых жиров уменьшается и имеет свое максимальное значение при температуре, близкой к температуре затвердевания причем, для говяжьего и бараньего она не определена, так как жиры переходят в другое аномальное состояние, переставая быть как таковыми жидкостями. Среди жиров наибольшей вязкостью при одном значении температуры имеет жир бараний.

При повышении температуры вязкость мясокостного бульона уменьшается, а также отмечается резкое снижение вязкости при уменьшении сухого остатка.