Технологические свойства пищевых сред

Условия переработки сельскохозяйственного сырья и получения продуктов питания, конструкции рабочих органов машин и аппаратов, оптимальные режимы их функционирования определяются совокупностью физико-химических и биохимических свойств пищевых сред. Можно выделить две группы свойств, общих для пищевых сред: показатели качества продуктов питания и показатели технологических свойств сырья и полуфабрикатов на всех стадиях технологического процесса.

Показатели качества продуктов питания. Эти показатели характеризуют потребительские свойства продуктов, основные из которых – пищевая ценность, доброкачественность и благоприятное воздействие на органы чувств человека.

Пищевая ценность определяется калорийностью и биологической полезностью продукта питания и зависит от содержания в нем полезных веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, микроэлементов и др.

Доброкачественность пищевой продукции – это безусловная безвредность ее при употреблении в пищу. Доброкачественность обеспечивается либо путем отбраковки негодной продукции, либо очисткой сырья и полуфабрикатов от посторонних примесей. Если по результатам лабораторных анализов установлено, что в сырье или продукции содержатся вредные вещества, например ядовитые химические соединения, болезнетворные микроорганизмы и т.п., то такое сырье или продукция подлежат отбраковке.

В любом пищевом производстве значительная часть технологических операций связана с отделением полезных веществ обрабатываемой среды от посторонних примесей, например неорганических частиц почвы, остатков скелетных структур растений и животных. Продукция признается годной, если содержание в ней посторонних примесей не превышает установленных норм.

Во время потребления пищевой продукт оказывает воздействие на основные внешние чувства человека: зрение, обоняние, осязание, слух, а также может вызывать боль.

Эстетика пищевых продуктов – это красота формы и цвета изделий, а также их художественная отделка. При визуальном восприятии жидких пищевых продуктов особое внимание обращается на их цвет и прозрачность, а продукция в виде твердых тел характеризуется геометрическими размерами, формой, блеском, эстетичностью внешнего вида и др.

Вкусовые качества продуктов питания определяются органолептическими свойствами: сладостью, свежестью, запахом, консистенцией и др. При потреблении пищевой продукт вызывает у человека следующие ощущения: мягкость и твердость, нежность и прочность, шероховатость и зернистость, сочность и хруст и т. п. Комплекс этих ощущений и обусловливает предпочтение потребителем данного пищевого продукта или отказ от него.

Показатели технологических свойств сырья и полуфабрикатов. При функционировании линии осуществляется последовательное выполнение технологических операций, направленных на преобразование потребительских свойств исходного сырья в потребительские свойства готовой продукции. Однако в процессе преобразования этих потребительских свойств на первый план выступают показатели технологических свойств сырья и полуфабрикатов, которые определяют условия проведения каждой конкретной технологической операции. Технологические показатели свойств пищевых сред формируются под влиянием особенностей сельскохозяйственного производства сырья растительного и животного происхождения. Такими показателями, прежде всего, являются структурно-механические и теплофизические, а также биохимические характеристики этих пищевых сред.

Структурно-механические свойства пищевых сред. Эти свойства можно классифицировать по характеру приложения к продукту внешних усилий и вызываемым ими деформациям: сдвиговые свойства проявляются при воздействии касательных усилий, компрессионные – при воздействии нормальных усилий и поверхностные – при сдвиге или отрыве продукта от твердой поверхности. При этом поверхностные явления, возникающие в межфазных разделах дисперсных гетерогенных систем и характеризующие внутреннюю структуру продукта, в последней группе свойств рассматриваются только частично. В каждой группе свойств может существовать множество показателей: вязкость, пределы текучести, периоды релаксации, модули упругости, коэффициенты внешнего трения и т.п.

Рассмотрим основные признаки пищевых сред (сырья, полуфабрикатов и продукта), которые могут быть положены в основу их классификации, учитывающей в первую очередь главный фактор – реакцию объектов переработки на внешние механические воздействия.

Большинство пищевых сред представляют собой дисперсные системы. При всем разнообразии пищевых продуктов на разных стадиях их технологий они, как правило, гетерогенны, т.е. характеризуются наличием поверхности раздела между различными фазами (твердыми, жидкими и газообразными).

Преимущественное значение среди дисперсных систем, нашедших применение в пищевой промышленности, имеют системы, содержащие твердые фазы. Однако в пищевой промышленности находят применение также и дисперсные системы, образуемые сочетанием в различных соотношениях жидких и газообразных фаз. Сюда относятся, в частности, все виды эмульсий, пен, газированных жидкостей и т.п.

Особый интерес представляют такие пищевые дисперсные системы, межфазная поверхность которых сильно развита, а концентрация твердой фазы в жидкой или газовой среде достаточно велика. Такие системы находят очень широкое применение в пищевой промышленности, а процессы, связанные с их преобразованием, занимают значительное место в современных технологиях продуктов питания. К числу таких систем относятся все виды высокодисперсных порошков (сахарная пудра, мука, крахмал, порошок какао, сода, сухая патока и т.п.), высококонцетрированные двух- и трехфазные системы (пасты и суспензии, мучное тесто, шоколадные и конфетные массы, мясные фарши, сбивные кондитерские массы и тому подобные пищевые среды).

Вместе с тем большинство сырьевых пищевых материалов, полуфабрикатов и готовых продуктов также являются высококонцетрированными дисперсными системами с сильно развитой межфазной поверхностью (микрогетерогенность). Сильно развитая межфазная поверхность и высокая концентрация дисперсной фазы характерна, например, для таких резко различающихся по своим потребительским свойствам продуктов, как сыры и творожные массы, все виды овощей, мясные продукты, хлеб и мучные кондитерские изделия и т.п.

Свойства высококонцетрированных микрогетерогенных дисперсных систем определяются свойствами образующихся в них структур. Возникновение таких структур в дисперсных системах есть результат сильно развитой межфазной поверхности и высокой концентрации дисперсных фаз. Вследствие увеличения концентрации и дисперсности твердых фаз в жидких и газовых дисперсионных средах соответственно возрастает величина активной межфазной поверхности, а вместе с тем растет и свободная поверхностная энергия на границе раздела фаз и, следовательно, увеличивается роль молекулярных сил сцепления между частицами. В результате проявления молекулярных сил сцепления частиц друг с другом в высококонцентрированных микрогетерогенных системах самопроизвольно возникают агрегаты из частиц и пространственные трехмерные структуры.

Главный фактор, определяющий поведение таких структур в условиях воздействия на них внешних сил, есть соотношение между сцеплением частиц дисперсных фаз в структуре и интенсивностью внешних механических воздействий на дисперсные системы. Отсюда следует, что прочность (или энергия) связей, характеризующая величину сил сцепления между частицами, и число таких связей в единице объема структуры, с одной стороны, и интенсивность (мощность) механического воздействия на структуру, образованную сцепление частиц дисперсных фаз в жидких или газовых дисперсионных средах, с другой стороны, есть фактор, составляющий основу для строгого физического подхода к определению параметров внешних механических воздействий на структурированные пищевые дисперсные системы, обрабатываемые в машинах и аппаратах с внешним подводом механической энергии.

Прочность связей (контактов) между частицами твердых фаз зависит от физико-химической природы поверхности частиц и дисперсионной среды. В соответствии с представлениями физико-химической механики и физико-химии дисперсных систем в дисперсных системах возникают в основном структуры трех типов в зависимости от вида контактов между частицами твердых фаз:

I тип – структуры с непосредственными точечными (атомными) контактами, образующимися в высокодисперсных порошках;

II тип – структуры с так называемыми коагуляционными контактами. Они образуются между частицами твердых фаз, разделенными прослойками жидкой дисперсионной среды, равновесная фиксированная толщина которых соответствует минимуму свободной поверхностной энергии;

III тип – структуры конденсационные (кристаллизационные) с истинными фазовыми контактами, образующимися после отверждения прослойки между частицами твердых фаз (в результате кристаллизации или полимеризации), при спекании или пластической деформации частиц (при прессовании порошков).

Контакты I и II типа характеризуются полной обратимостью, т.е. восстанавливаются после разрушения практически до первоначального уровня по прочности. Структуры с контактами III типа разрушаются необратимо под действием внешних сил и возникающих от них напряжений. Обратимые по прочности структуры с контактами «точечного» и коагуляционного типа играют важнейшую роль в массообменных процессах в пищевых дисперсных системах. Дело в том, что процесс структурообразования протекает, как правило, в несколько периодов, причем начальный период характеризуется преобладанием структур с обратимыми по прочности контактами I или II типа, а завершается формирование структуры возникновением необратимо разрушающихся истинных фазовых контактов (контакты III типа). В процессах механической обработки пищевых дисперсных систем приходится иметь дело с необходимостью разрушения дисперсных структур, образуемых практически всеми типами контактов между частицами дисперсных фаз.

Таким образом, при всем огромном разнообразии пищевых сред условия их переработки с применением различных механических воздействий зависят от того, какой тип структуры является преобладающим, какова энергия (прочность) связей между частицами, каковы деформативные свойства частиц и контактов между ними, а также число связей между частицами, т.е. контактов в единице объема структуры.

Основными физическими характеристиками, определяющими реакцию пищевых дисперсных систем на механические воздействия, являются реологические свойства сырья, полуфабрикатов и готовых изделий.

При обработке (течении) неньютоновских (аномально-вязких) жидкостей, к которым относится большинство пищевых масс, преимущественно проявляются сдвиговые свойства, их вязкость не остается величиной постоянной; она зависит от напряжения сдвига и градиента скорости. Тогда пользуются понятием «эффективная вязкость», которая вычисляется для фиксированных значений напряжения и градиента скорости:

,

где m_эф – эффективная вязкость, т.е. мера сопротивления течению жидкости, Па×с;

θ – напряжение сдвига, т.е. сопротивление тела действию приложенной силы, Па,

– скорость сдвиговой деформации, т.е. первая производная от относительной деформации слоев тела при сдвиге, с ^{– 1}.

Эффективная вязкость является итоговой характеристикой среды, которая описывает равновесное состояние между процессами разрушения и восстановления структуры в установившемся потоке.

Компрессионные свойства пищевых сред проявляются в замкнутом объеме при воздействии на них нормальных усилий. При этом основное внимание следует уделить упруго-пластическим, прочностным свойствам, закономерностям изменения плотности среды от давления, процессам релаксации напряжений в среде и ее ползучести.

К этой группе технологических свойств пищевых сред следует также отнести адгезию, или прилипание. Это явление возникает при контакте двух разнородных тел, которое происходит на границе раздела фаз. Адгезия относится к поверхностным явлениям и обусловлена свойствами границы раздела фаз, в частности поверхностной энергией. Она характеризует связь между двумя телами. Адгезия возникает при контакте двух твердых тел, а также при контакте жидкостей с твердыми телами. Она определяет связь пищевых сред с поверхностями технологического оборудования (рабочие органы машин, стенки емкостей машин и аппаратов, поверхности конвейеров, входящие в контакт с пищевой средой, внутренние поверхности трубопроводов и т.д.) и выступает как сопутствующее явление по отношению практически ко всем пищевым средам (сырью, полуфабрикатам, готовому продукту).

Величина адгезии зависит от площади контакта между двумя телами и величиной связи между ними, приходящейся на единицу площади контакта.

В подавляющем большинстве (но не во всех) технологических процессов адгезия рассматривается как отрицательное явление, и инженеры разрабатывают пути снижения адгезии пищевых сред.

Пищевые среды (включая сырье, полуфабрикаты и продукт) в зависимости от состава, дисперсного строения и структуры обладают различными реологическими свойствами и текстурными отличительными признаками (табл. 5.1).

Образование и изменение структур пищевых сред, обусловленное технологическими процессами, приводит к формированию высококонцентрированных дисперсных систем, обладающих наиболее сложными реологическими свойствами (табл.5.2 и 5.3).

Теплофизические свойства пищевых сред. Пищевые среды имеют свойства коллоидных капиллярно-пористых тел (тесто, хлеб, зерно, кондитерские изделия и др.), свойства коллоидных тел, гидрофильных в виде растворов, гелей и студней, и свойства кристаллических тел (сахар, соль).

Исходное сырье при переработке в конечные продукты подвергается процессам охлаждения и нагревания, сушки и увлажнения, воздействию сильных электрических полей и различных излучений: инфракрасного, полей СВЧ, ультрафиолетового.

Теплофизические свойства пищевых сред обусловлены молекулярными взаимодействиями с окружающей средой по внешней и внутренней поверхности раздела фаз и процессами коагуляции и желирования (например, мармелад).

По величине молекулярных сил сцепления все тела делят на две группы: тела, обладающие малой молекулярной концентрацией – малыми молекулярными силами сцепления (пары и газы), и тела, обладающие значительными силами молекулярного сцепления (жидкости и твердые тела). Часто жидкости называют предельно сгущенными газами.

У жидких и твердых тел силы молекулярного сцепления примерно одинаковы, и различие между твердым телом и жидкостью определяется дальним или ближним порядком расположения структурных ячеек (атомов, ионов, молекул).

Таблица 5.1. Классификация пищевых сред по реологическим свойствам
и текстурным признакам

Пищевая среда (сырье, полуфабрикат, продукт)	Дисперсная система	Типичные реологические свойства	Типичные текстурные признаки
Вода, спирт, масло растительное	Чистая жидкость	Ньютоновская вязкость	Водянистый, жидкий
Расплавленные жиры (какао-масло)	Чистый расплав	Преимущественно ньютоновская вязкость	Жидкий, густой, маслянистый
Солевые и сахарные растворы, экстракты, пиво, напитки	Истинный раствор	То же	Жидкий, густой, слизистый
Белковые растворы, мутные фруктовые и ягодные соки	Коллоидный раствор	Ньютоновская вязкость, возможны вязкоупругость, тиксотропия	Жидкий, густой, слизистый
Суспензии (какао, фруктовые и овощные соки, супы), эмульсии (молоко, сливки, майонез)	Жидкообразная	Ньютоновская и неньютоновская вязкость, тиксотропия, вязкоупругость	Жидкий, густой, кремообразный, тягучий, клейкий
Фруктовое пюре (яблочный мусс, ореховый мусс), творог, фарш	Пастообразная	Неньютоновская вязкость, тиксотропия, реопексия, вязкоупругость	Густой, клейкий, кашеобразный, резинообразный, слизистый, тягучий
Масло животное, пенная масса, желе, тесто, йогурт, паштет, картофельное пюре	Связанная мягкая	Пластичная вязкость, обратимая и необратимая тиксотропия, упругость, вязкоупругость	Мягкий, мажущийся, скользкий, кремообразный, пастообразный, клейкий, эластичный
Мягкий хлеб, вареная колбаса, вареный картофель	Связанная полутвердая	Упругость, пластичная вязкость, вязкоупругость	Мягкий, крепкий, резинообразный, вязкий
Свежие яблоки, груши, картофель, огурцы, мясо, хлебобулочные из- делия длительного хранения, шоколад, конфеты	Прочная	Упругость, пластичная вязкость, вязкоупругость	Мягкий, прочный, хрупкий, ломкий, вязкий
Карамель, зерно, ядра орехов, макаронные изделия, морковь	Твердая	Упругость, твердость, высокая текучесть и прочность, хрупкость	Крепкий, твердый, хрупкий, ломкий, стекловидный

 

Таблица 5.2. Типы дисперсных систем пищевых сред

Пищевая среда (сырье, полуфабрикат, продукт)	Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Дисперсная система
Экстракт кофе при распылительной сушке	Газ	Жидкость	Жидкий аэрозоль
Мука при пневмотранспортировании		Твердое тело	Твердый аэрозоль
Белковая пена	Жидкость	Газ	Пена
Молоко, майонез		Жидкость Твердое тело	Эмульсия
Какао-масло			Золь
Фруктовый сок			Суспензия
Мороженое, безе, сухари	Твердое тело	Газ	Твердая пена, пористое твердое тело
Масло, маргарин, овощи, фрукты		Жидкость	Твердая эмульсия Пористое твердое тело, заполненное жидкостью
Макаронные изделия, шоколад		Твердое тело	Твердая суспензия

Таблица 5.3. Сложные дисперсные системы пищевых сред

Пищевая среда (сырье, полуфабрикат, продукт)	Дисперсная фаза	Дисперсионная среда
Шоколад	Кристаллы сахара, твердые частицы какао, пузырьки воздуха	Кристаллическая форма какао-масла
Мороженое	Пузырьки воздуха, капельки жира, белковые макромолекулы	Кристаллическая водянистая фаза
Овощи, фрукты, картофель, зерно, масличные семена	Капельки жидкости, пузырьки воздуха, крахмальные зерна	Целлюлоза, белковая оболочка
Мякиш хлеба	Пузырьки воздуха, частично кристаллические молекулы крахмала, частицы отрубей	Крахмальный и белковый гель
Мясо	Капельки жидкостей, кости, капельки жира	Белковые макромолекулы

 

Деление пищевых сред на твердые и жидкие условно, так как процессы, протекающие в них, происходят с изменением агрегатного состояния всего тела или отдельных составляющих его (переход жидкости в пар, конденсация пара в жидкость, кристаллизация, сублимация и т.д.)

Для оценки тепловых свойств пищевых сред преимущественно используют следующие величины, называемые теплофизическими характеристиками:

с – удельная теплоемкость среды, которая характеризует интенсивность изменения температуры тела при его нагревании или охлаждении, Дж/ (кг×К);

λ – коэффициент теплопроводности, который характеризует способность тела проводить тепло, Вт/(м×К);

а – коэффициент температуропроводности, который характеризует теплоинерционные свойства пищевых сред или скорость выравнивания температуры (продвижения изотермы) в различных точках температурного поля, м²/с.

Эти теплофизические характеристики связывает зависимость

с = λ / (а∙ρ),

где ρ – плотность среды, кг/м³.

Закономерности перемещения тепла и влаги в коллоидных капиллярно-пористых телах (влажных средах) должны учитывать связи влаги с материалом, так как с изменением характера связи влаги изменяются физические свойства тела. Все влажные среды можно разделить на три типа:

I тип – коллоидные тела – это эластичные гели, которые при удалении влаги значительно изменяют свои размеры (сжимаются), но сохраняют свои эластичные свойства;

II тип – капиллярно-пористые тела или, как их часто называют, хрупкие гели – это такие среды, которые при удалении влаги становятся хрупкими, мало сжимаются и могут быть превращены в порошок;

III тип – коллоидные капиллярно-пористые тела – среды, обладающие свойствами двух первых тел; стенки их капилляров эластичны и при поглощении влаги изменяются (мука, крахмал, зерно и т.п.).

Коллоидные тела обладают огромной внутренней поверхностью, поэтому отличаются большой адсорбционной способностью: они адсорбируют на своей поверхности ионы электролитов, молекулы растворителя и т.д. Вследствие адсорбции ионов коллоидная частица имеет определенный заряд. Коллоидная частица с адсорбционным слоем и зарядом называется мицеллой. Жидкость может находиться на поверхности мицеллы, а также проникать внутрь ее.

Эластичные гели поглощают наиболее близкие по полярности жидкости, при этом они увеличивают свои размеры – набухают.

По классификации П.А. Ребиндера различают следующие формы связи влаги с материалом: химически связанную влагу, адсорбционную, капиллярную и влагу набухания.

Химически связанная – это влага, наиболее прочно связанная с материалом. Она не удаляется из материала при его тепловой сушке.

Адсорбционная влага – это жидкость, удерживаемая молекулярным силовым полем по лиофильным группам у поверхности раздела частиц (мицелл) с окружающей средой. Эта жидкость входит в общее количество влаги набухания. Адсорбционная влага прочно связана с материалом, ее иногда называют связанной влагой. Адсорбционная влага перемещается в виде пара, т.е. жидкость, адсорбированная на внутренних поверхностях, испаряется и затем диффундирует в виде пара.

Капиллярная влага – это влага, находящаяся в узких порах материала – капиллярах. Влага микрокапилляров заполняет капилляры, средний радиус которых меньше 10^–7 м. Жидкость может заполнять любые микрокапилляры не только при непосредственном соприкосновении с нею, но и путем сорбции из влажного воздуха. Влага макрокапилляров находится в капиллярах, средний радиус которых больше 10^–7 м. В капиллярно-пористых телах перемещение влаги происходит в виде жидкости и в виде пара. Для пищевых сред в процессах сушки, увлажнения, выпечки и др. следует учитывать характер связи влаги с материалом, так как с изменением вида связи могут изменяться физические свойства материала.

Влага набухания – структурная влага, поглощаемая сложно построенной мицеллой. Влага набухания состоит из влаги осмотической и иммобилизованной (захваченной при формировании структуры тела).

Теплофизические свойства определенной пищевой среды зависят от ее агрегатного состояния. В процессах сублимации, испарения, нагрева, кристаллизации пищевые среды имеют свойства жидких, твердых и газообразных тел, и переход из одного агрегатного состояния в другое может сопровождаться изменением теплофизических характеристик.

Биохимические свойства пищевых сред. Вся продукция растениеводства, животноводства, а также морепродукты есть живые организмы. При их развитии и формировании белки, жиры, углеводы и микроэлементы накапливаются и распределяются по анатомическим частям согласно индивидуальным природным особенностям того или иного организма.

Биохимические свойства пищевых сред определяются не только его химическим составом и распределением химических веществ по анатомическим частям, но и активностью ферментов. В процессах хранения и переработки биохимические свойства пищевых сред могут существенно изменяться благодаря воздействию тепла и влаги. Клетка растительного или животного сырья с термодинамической точки зрения является открытой системой. Поэтому обмен с окружающей средой ведет к распаду одних и синтезу других веществ. Эти процессы регулируются ферментной системой, их интенсивность зависит от влажности, температуры и кислотности пищевой среды.

Итак, реологические свойства, текстура, теплофизические и биохимические характеристики пищевых сред определяют закономерности взаимосвязи и взаимозависимости между совокупностью воздействий (механических, гидромеханических, термических, биохимических и др.) рабочих органов и рабочих сред машин и аппаратов, составляющих линию, и реакциями на эти воздействия сырья, полуфабрикатов и готовых изделий. Именно эти закономерности определяют параметры технологических процессов и конструкцию рабочих органов машин и аппаратов.

В заключение этого параграфа необходимо сказать, что исторически создание техники пищевых производств шло по пути адаптации конструкций машин и аппаратов к технологическим свойствам пищевых сред. Сегодня становится очевидным, что возможности такой адаптации во многом исчерпаны. Наступает период адаптации технологических свойств пищевых сред путем селекционной работы и методами генной инженерии к техническим возможностям пищевых технологий. Эта адаптация должна привести к значительному упрощению как машинных технологий в целом, так и конструкций отдельных машин и аппаратов.

Таким образом, если процесс создания новой, прогрессивной техники для пищевых производств рассматривать как процесс управления конструкциями машин и аппаратов и приспособления их к технологическим свойствам обрабатываемых пищевых сред, то создание новых сортов растений и пород животных, обладающих необходимыми технологическими свойствами, есть проблема управления этими свойствами.

В настоящее время эта проблема является важнейшей и останется таковой в обозрительном будущем. Вот почему инженеры-механики совместно с технологами и специалистами по автоматизации пищевых производств должны не только создавать новую технику, но и формулировать свои требования к технологическим свойствам пищевых сред и работать в тесном контакте со специалистами сельского хозяйства.