Научное обеспечение процесса смешивания пищевых сред

Смешивание – механический процесс равномерного распределения частиц отдельных компонентов во всем объеме смеси под действием внешних сил.

Оборудование для смешивания пищевых сред – ведущее в технологических линиях производства пищевых продуктов путем сборки из исходных компонентов сельскохозяйственного сырья. Процессы смешивания в этом оборудовании во многом определяют эффективность последующих процессов и формируют качество готового продукта.

Оборудование для смешивания предназначено для получения однородных смесей двух или нескольких компонентов, обеспечения однородной консистенции при хранении, а также ускорения тепло- и массообмена в процессе производства продуктов.

Смешивание осуществляется сжатым воздухом или паром; во вращающемся резервуаре смесителя; быстро вращающимися рабочими органами (лопасти, винты, ножи, шнеки); пропусканием массы под давлением через сопла и щели; ультразвуком или гидродинамическим эффектом и др.

Для смесителя конфигурацию и форму лопастей выбирают, учитывая состояние перемешиваемой массы, ее объем, толщину слоя, производительность, соотношение смешиваемых компонентов, степень однородности, способ загрузки и выгрузки продукта, требования технологии.

Эффективность смешивания оценивают таким показателем, как однородность полученной смеси, а для количественной оценки используют коэффициент неоднородности. Практически однородной считается смесь, в которой содержание компонентов в любом ее объеме не отличается от заданного содержания для всей смеси.

На эффективность смешивания влияют плотность исходных компонентов, гранулометрический состав (форма, размеры, дисперсионное распределение по степени крупности для неоднородных компонентов) частиц компонентов смеси, влажность компонентов, состояние поверхности частиц, силы трения и адгезии поверхностей частиц и т.д.

Для определения степени однородности полученной смеси выделяют один основной компонент, а остальные объединяют в другой условный компонент. При этом полагают, что если основной компонент смеси распределен равномерно, то и все остальные компоненты распределены также удовлетворительно.

Коэффициент неоднородности смеси k_c (%) представляет собой отношение содержания основного компонента к его средней массовой доле смеси

где σ_с – среднее квадратичное отклонение содержания основного компонента, %; с_ср – средняя массовая доля основного компонента в смеси, %; c_i – массовая доля основного компонента в i-пробе, %; n – число проб.

Чем меньше k_c, тем равномернее смесь, что характеризует эффективность работы смесителей, при k_c < 10 % эффективность смеси считается хорошей.

При большой разнице в плотности и гранулометрическом составе компонентов достижение необходимой степени смешивания затруднено и требует значительного времени.

Процесс смешивания для вращающихся смесителей описывается с помощью двухпараметрической диффузионной модели

где v – линейная скорость потока материала; В_L – коэффициент продольного перемешивания; В_R – коэффициент поперечного перемешивания; R – радиус поперечного сечения смесителя.

Анализ показывает, что смешивание условно состоит из трех элементарных процессов:

– конвективного смешивания – это перемещение групп частиц из одного объема смеси в другой внедрением и скольжением слоев;

– диффузионного смешивания – это постепенное перемещение частиц различных компонентов через вновь образованные границы их раздела;

– сегрегации – это сосредоточение близких по форме, массе и размерам частиц в разных местах смесителя.

Если разделить по времени смешивание на три интервала, то в первом преобладает конвективное смешивание, во втором – диффузионное, в третьем – сегрегация. Первые два процесса способствуют равномерному распределению частиц в смеси, последний препятствует этому. Поэтому целесообразно заканчивать процесс в конце второго интервала смешивания.

Режим замеса теста зависит от свойств муки, рецептуры, технологических особенностей ассортимента и конструкции тестомесильной машины. При замесе происходит насыщение теста воздухом. При этом белки муки интенсивно поглощают влагу, их нерастворимые в воде фракции – глютенин и глиадин – образуют клейковину. При образовании клейковинного скелета теста возникают поперечные связи между смежными цепями белков. Эти связи упрочняют структуру теста и снижают его липкость.

Различают три стадии замеса:

– смешивание сухих и жидких компонентов теста – должно проводиться как можно быстрее;

– замес – сопровождается диффузией влаги мучнистых частиц, набуханием белков. Водорастворимые фракции муки переходят в раствор. При набухании большую часть влаги забирают белковые вещества: глютенин и глиадин. Набухшие белки образуют гель. На скорость замеса оказывают влияние свойства муки, степень измельчения крахмальных зерен, температура и рецептурные добавки. При поглощении влаги белки сильно увеличиваются в объеме, создавая клейковинный скелет. Замес требует значительных энергозатрат на привод тестомесильной машины вследствие возрастания усилия сдвига теста и может протекать при невысоких скоростях перемешивания;

– пластификация – сопровождается структурными изменениями крахмальных зерен и образованием клейковинной решетки, смазывающей крахмальные зерна. При этом крахмальные зерна частично измельчаются и обволакиваются белковыми пленками. Спиралевидные молекулы полипептидов раскалываются и разрыхляют структуру белков, при этом возникают клейковинные пленки. Эти соединения образуются у полипептидов за счет водородных и гидрофобных связей. Пластификация требует усиленного механического воздействия, т. к. происходит разрушение  молекул  клейковины, а также выравнивание структуры теста и ее измельчение.