Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1. Структура и консистенция молочных продуктов - показатель качества 9
1.2. Изменения консистенции молочных продуктов при технологической обработке 15
1.2.1. Классификация реологических молочных продуктов и их основные структурно-механические свойства 16
1.2.2. Жидкие слабоструктурированные ньютоновские (условно) молочные продукты 19
1.2.3. Жидкие неньютоновские молочные продукты 25
1.2.4. Вязко-пластичные молочные продукты 31
1.2.5. Упруго-эластичные молочные продукты 38
1.3. Влияние добавок на консистенцию молочных продуктов 41
1.4. Приборы и устройства для измерения реологических характеристик молочных продуктов на различных этапах производства 48
1.5. Характеристики плодово-ягодных добавок, используемых при создании молочных продуктов с лечебно-профилактическими свойствами 58
Заключение по главе 1. Цель и задачи настоящего исследования 61
Глава 2. Организация эксперимента, объекты, методы и приборы для исследований 64
2.1. Объекты исследований и схема проведения эксперимента 64
2.2. Методы исследования химико-технологических характеристик молока и молочных продуктов 64
2.2.1. Определение содержания влаги (влажности) и сухого вещества 64
2.2.2. Определение массовой доли жира 68
2.2.3. Определение массовой доли белка 68
2.2.4. Определение массовой доли сахара (сахароза), общего сахара (сахароза, лактоза, глюкоза и фруктоза) 69
2.2.5. Определение массовой доли золы 71
2.2.6. Определение наличия фруктов в смесях 71
2.2.7. Определение рН молочных продуктов 71
2.2.8. Определение плотности 72
2.3. Приборы и методики по определению структурно механических ха
рактеристик молока и молочных продуктов 74
2.3.1. Методика определения сдвиговых характеристик слабоструктурированных жидкообразных и ньютоновских систем 74
2.3.2. Приборы и методики для определения СМХ слабоструктурированных и вязкопластичных молочных продуктов 76
2.3.3. Определение текучести нетомогенньїх продуктов 86
2.3.4. Приборы и методики для определения структурно-механических характеристик вязкопластичных и упруго эластичных молочных продуктов 87
2.3.4.1. Универсальная испытательная машина "Инстрон" и методика определения пенетрационных характеристик молочных продуктов 87
2.3.4.2. Емкостной пенетрометр 88
2.3.4.3. Пенетрометр для определения статического ПНС марки ПМДП 90
2.3.4.4. Пенетрометр для определения ПНС марки ППМ- 4М 94
Глава 3. Разработка математических моделей для прогнозирования физико-химических свойств молока и сливок 99
3.1. Физико-химические характеристики молока 99
3.1.1. Определение вязкости натурального и восстановленного молока при различном содержании жира 99
3.1.2. Определение химического состава молока и влияние его на вязкость ЮЗ
3.1.3. Комплексные исследования по изучению влияния температуры и химического состава молока на его вязкость 106
3.1.4. Разработка математической модели для прогнозирования вязкости молока в зависимости от содержания в нем белка и жира при различной температуре 112
3.1.5. Изучение влияния химического состава на плотность молока 113
3.1.6. Комплексное влияние на плотность молока температуры и его химического состава 121
3.2. Физико-химические характеристики сливок 127
3.2.1. Разработка математической модели для прогнозирования вязкости сливок в зависимости от их жирности 127
3.2.2. Разработка упрощенной математической модели прогнозирования эффективной вязкости сливок в зависимости от температуры и их жирности 131
3.2.3. Разработка уточненной математической модели прогнозирования эффективной вязкости сливок в зависимости от температуры и их жирности 141
Слабоструктурированные жидкообразные сливки 141
Вязкопластичные сливки 153
3.2.4. Прогнозирование физико-химических характеристик сливок 160
Глава 4. Реологические и реометрические исследования по определению консистенции слабоструктурированных, вязкопластичных и пластич- ных молочных систем методом пенетрации 169
4.1. Реологические и реометрические исследования сливок в зависимости от их структуры 170
4.2. Реологические и реометрические исследования белковой обезжиренной массы в зависимости от ее структуры 177
4.3. Реологические исследования белковой обезжиренной массы в зависимости от содержания в ней сахара ...183
Глава 5. Создание компьютерной информационно справочной программы для составления рецептур многокомпонентных молочных продуктов 187
5.1. Разработка банка данных физико-химических характеристик молочных продуктов 187
5.2. Разработка компьютерной программы для создания рецептур молочных продуктов .196
5.3. Практическое применение функционирования компьютерной информационно-справочной системы по составлению рецептур продуктов для
предприятий молочной промышленности 199
Выводы 203
Библиографический список
- Классификация реологических молочных продуктов и их основные структурно-механические свойства
- Определение содержания влаги (влажности) и сухого вещества
- Определение вязкости натурального и восстановленного молока при различном содержании жира
- Реологические и реометрические исследования белковой обезжиренной массы в зависимости от ее структуры
Введение к работе
Совершенствование методов расчета процессов и модернизация аппаратов с точки зрения обеспечения рациональных режимов при производстве молочных продуктов немыслимо без знаний их физико-химических и реологических характеристик, а также кинетики их изменения под воздействием градиента скорости, температуры, которые могут найти широкое использование в механических, гидромеханических, тепловых и др. процессах. Оценка перспективности разрабатываемых процессов и аппаратов в первую очередь зависит от качества вырабатываемой продукции. Поэтому в «, области производства молочных продуктов приоритетными являются работы, связанные с созданием процессов выработки продуктов с заданными свойствами, комплексным и рациональным использованием сырья. и материалов. Важной качественной характеристикой является консистенцияТ Современная молочная индустрия требует не только метрологического контроля консистенции готового продукта, но и необходимой информации о сырье, наборе компонентов рецептуры, параметрах технологических процессов, позволяющих целенаправленно воздействовать в процессе обработки сырья на реологические характеристики.
В настоящее время в литературе имеются разрозненные данные по физическим и реологическим характеристикам молока и сливок, полученные авторами на различных приборах, без указания условий их измерения и отличающихся но абсолютным величинам в 2-3 раза и более.
Для получения достоверных данных и создания банка физико-химических и реологических характеристик молочных продуктов с различной структурой от жидкого до пластичного состояния, необходим единый комплексный методологический подход. Для решения поставленной задачи в первую очередь нужны реологические исследования, которые позволяют определить рациональные условия измерения структурно-механических характеристик (СМХ) молочных продуктов, что позволит получить достоверные данные и создать предпосылки для разработки
стандартов по контролю их консистенции методами инженерной реологии.
Кроме этого значения физических и реологических характеристик, такие как
вязкость, предельное напряжение сдвига и плотность основных компонентов
молочных продуктов в зависимости от их химического состава ^температуры
и градиента скорости в рабочих органах машин и аппаратов, необходимы при
конструировании современного оборудования и создания
автоматизированных линий с замкнутой трубопроводной системой.
При прогнозировании вновь разрабатываемых молочных продуктов с заданными лечебно-профилактическими ^ свойствами, химическим, минеральным и витаминным составом и консистенцией необходима методика и компьютерная программа. О важности этой проблемы говорится в одобренной правительством РФ "Концепции государственной политики в области здорового питаншГнаселения России на период до 2005 г".
В этой связи совершенствование и использование методов инженерной реологии для прогнозирования и контроля физико-химических характеристик молочных продуктов в процессе их разработки и производства является актуальной.
Классификация реологических молочных продуктов и их основные структурно-механические свойства
Принадлежность молочного продукта к тому или иному виду «идеального» реологического тела, определенная на основе предварительных экспериментов, позволяет обосновать выбор прибора для исследований и определить свойства.
Если взять упругое и истинно вязкое тела в качестве крайних, то все остальные тела будут располагаться между ними. Наиболее простая классификация реальных тел предложена Шищенко Р.И. по величине отношения Go / pg, показывающего меру способности веществ сохранять свою форму: структурные жидкости ( 0,005); жидкие тела (0,005-0,02); твердого тела ( 0,15).
Проф. Николаев Б. А. предлагает обобщенную классификацию от жидкого до истинно вязкого состояния по величине механических свойств. К первой группе он относит твердые и твердообразные тела (твердый жир, целые ткани мяса, сыры, сухари и др.), ко второй - твердо-жидкие (творог, мясной фарш, мучное тесто и др.), к третьей - жидкообразные и жидкости (бульоны, молоко, вода и др.) [18]. На рис. 1 представлены типичные кривые течения, которые могут быть использованы для реологической характеристики молочных продуктов, представляющие собой ньютоновские жидкости (рис. 1, а); аномально вязкие жидкости (рис. 1, б); вязкопластичные жидкости (рис. 1,в).
Реологические характеристики для таких жидкостей имеют вид: а) ньютоновскую вязкость: M/f,=Qz/h , . где Qf и 0% - напряжение сдвига при У/ и К і ) - коэффициент динамической вязкости, Па-с б) эффективную (структурную) вязкость, которая вычисляется по предыдущей зависимости только для фиксированных значений Є и У . при этом 2$1ф в) пластическую (бингамовскую вязкость): и предельное динамическое напряжение сдвига О - с/ - (ЄІ " & I %, \ і / при условии - //
Из анализа кривых, представленных исследователями [77] на рис. 2, видно, такие молочные продукты, как кефир Таллинский (жир - I %) и сметана (жир - 18 %) тиксотропны и что при одной и той же интенсивности механического воздействия (при у- const) глубина разрушения их структуры различна.
Кривые течения молочных продуктов приведены на рис. 3.
Авторами [76, 77] исследовано влияние температуры в диапазоне 5-35 С на реологические свойства молочных продуктов, в результате чего было установлено, что значения реологических параметров при повышении температуры уменьшаются, но тип кривых течения не изменяется.
На реологические свойства молочных продуктов существенно влияет длительность механического воздействия во время технологического про цесса. Установлено [77], что наибольшее разрушение структуры молочных продуктов происходит за первые 60 с деформирования.
В качестве контролируемого реологического параметра всех молочных продуктов может быть принята величина эффективной вязкости Гэ (при jf- const). Для молочных продуктов, имеющих вязкопластичный характер течения, необходимо контролировать предельное напряжение сдвига $о и пластическую вязкость ГІпл [77].
Таким образом, для получения инвариантных значений контролируемых реологических параметров молочных продуктов необходима разработка стандартных методик и приборов на основе широких реологических исследований молочных продуктов.
В целях системного рассмотрения тенденций формирования ассортимента молочных продуктов необходимо в качестве исходной предпосылки использовать научно-обоснованную классификацию, которая упростит конструирование молочных продуктов с заданной консистенцией и химическим составом, оцениваемым комплексной химической характеристикой.
В основу этой классификации нами положена консистенция молочных продуктов, которая представляет собой совокупность реологических свойств слабоструктурированных жидкостей, вязко-пластичного и упруго-эластичного продукта.
Первая группа включает в себя слабоструктурированные (условно ньютоновские и ньютоновские) жидкости, к которым относятся: молоко, сливки, концентрированное молоко без сахара и т.д. Слабоструктурированные жидкости практически не проявляют аномалии вязкости и могут быть отнесены к ньютоновским жидкостям, течение которых описывается уравнением л)ґ= Т" Q , где Dr - скорость сдвига, Г - вязкость, 9 - напряжение сдвига.
Определение содержания влаги (влажности) и сухого вещества
Качество результатов зависит от подготовки исследуемого образца и правильного выбора основных параметров процесса: количества образца, температуры и времени сушки.
Решающим фактором при определении влагосодержания являются скорость нагрева образца. По сравнению с обычным инфракрасным нагреванием или сушкой в печи, галогенный нагреватель прибора достигает максимальной мощности теплового излучения гораздо быстрее и позволяет использовать высокие температуры, что существенно сокращает время анализа.
Для определения содержания влаги и сухих веществ в пастеризованном, стерилизованном молоке, твороге и творожных изделиях мы в своих исследованиях помимо галогенного анализатора влажности использовали гос-тированный метод (ГОСТ 3626-73). Для этого в стеклянную бюксу, выдержанную при 102±2 С в течение 30-40 мин в сушильном шкафу и охлажденную пипеткой вносили 10 см3 молока или 3-5 г творога, творожных изделий. Содержимое перемешивали стеклянной палочкой, нагревали на водяной бане, помещали в сушильный шкаф с температурой (102±2) С, охлаждали в эксикаторе 40 мин и взвешивали с погрешностью не более 0,001 г.
Массовую долю сухого вещества (С) в % вычисляли по формуле C=[(m,-mo 100] / (nrmo) у (2-1) где то- масса бюксы с песком и стеклянной палочкой, г; m - масса бюксы с песком, стеклянной палочкой и навеской исследуемого продукта до высушивания, г; mi - масса бюксы с песком, стеклянной палочкой и навеской исследуемого продукта после высушивания, г. Массовую долю влаги в продукте (W) в % вычисляли по формуле W=100-C, (2-2) где С - массовая доля сухого вещества, %. Массовую долю сухого обезжиренного вещества (Со) в % вычисляли по формуле Co=C-a, (2-3) где С - массовая доля сухого вещества, %, а - массовая доля жира, %. Ускоренный метод определения влаги и сухого вещества в твороге и творожных изделиях.
Определение влаги на приборе Чижовой. При определении массовой доли влаги в твороге и творожных изделиях пакет вкладывали в листок пергамента, высушивали в приборе Чижовой в течение 3 мин, охлаждали, взвешивали с погрешностью не более 0,01 г, далее взвешивали в него 5 г исследуемого продукта с погрешностью не более 0,01 г, который распределяли равномерно по всей внутренней поверхности пакета.
Пакет с навеской закрывали, помещали в прибор между плитами, нагретыми до 150-152С и выдерживали 5 мин. Пакеты с высушенными пробами охлаждали и взвешивали. Массовую долю влаги в продукте (W) в % вычисляли по формуле W=[(m-m,)-100] / 5 , (2-4) где m - масса пакета с навеской до высушивания, г; mi - масса пакета с навеской после высушивания, г; 5 - навеска продукта, г. Массовую долю сухого вещества в продукте (С) вычисляли по формуле C=100-W, (2-5) где W - массовая доля влаги, %. Определение влаги путем нагревания и высушивания в обезвоженном топленом масле или парафине.
В сухой алюминиевый стакан помещали кружок пергамента, закрывающий дно стакана. Взвешивали в стакане 5-8 г обезвоженного топленого масла или парафина и 5 г испытуемого продукта погрешностью не более 0,01 г. Нагревание производили до прекращения отпотевания холодного зеркала или часового стекла, поддерживаемого над стаканом. После высушива ния стакана охлаждали на чистом, гладком, металлическом листе и взвешивали.
Массовую долю влаги (W) в процентах вычисляли по формуле W=[(mrmo)100]/(mmo) , (2-6) где то - масса алюминиевого стакана с обезвоженным топленым маслом или парафином, пергаментом, г; m - масса алюминиевого стакана с обезвоженным топленым маслом или парафином, пергаментом и навеской продукта до нагревания, г; mi - масса алюминиевого стакана с обезвоженным топленым маслом или парафином, пергаментом и навеской продукта после удаления влаги, г.
Расхождение между параллельными определениями должно быть не более 0,5 %. За окончательный результат принимали среднее арифметическое двух параллельных определений. Массовую долю сухого вещества в продукте вычисляли по формуле C=100-W, (2-7) где W - массовая доля влаги, %
Определение вязкости натурального и восстановленного молока при различном содержании жира
Ввиду того, что площадь кольца незначительна и при измерении вязкопластичных объектов оно проваливалось в продукт, не обеспечивая регистрацию внедрения в него индентора. Для ликвидации этого недостатка и расширения возможности использования прибора ППМ-4, Малышевым А. Д. проведена его модернизация. Им рекомендовано для увеличения поверхности опоры прибора использовать дополнительно шайбу, изготовленную из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм с наружным диаметром, равным 80 мм, который можно изменять в зависимости от размера измерительной емкости, в которой находится продукт. Опорное устройство, связано с подвижной штангой, соединенной с помощью зубчатой рейки с редуктором, на выходном валу которого имеется перфорированный диск. После измерения глубины внедрения индентора в продукт, подвижная штанга возвращается в исходное положение пружиной, находящейся в редукторе. Электронно-оптическая система состоит из преобразователя, включающего в себя перфорированный диск и шторку, расположенную между светоизлучающим и светоприемным элементом, а также трехразрядного цифрового индикатора.
Блок фиксирующего усилия состоит из барабана, четырех гильз фиксированного усилия и светового индикатора. Гильзы вставляются в барабан, с помощью которого устанавливается выбранная гильза в рабочее положение, фиксируемое шариковым штопором и контролируемое через окно по величине усилия, нанесенного на барабан. При достижении заданного усилия сопротивления продукта, соответствующего выбранной гильзы одновременно срабатывает механизм формирования линейного сигнала и световой индикатор, показывающий окончание процесса измерения. В нашем случае изготовлены гильзы со следующими величинами фиксированного усилия: 0,3; 0,5; 1,0; 2,0 кг.
На корпусе прибора, в виде револьвера, установлены: включатель цепи питания, светоцифровые индикаторы и световой индикатор, сигнализирую щии достижение заданного усилия и окончания процесса измерения. В рукоятке прибора находится электронная плата и источник питания напряжения 9В.
Прибор работает следующим образом. Устанавливаем требуемый ин-дентор и выбираем положение барабана, соответствующее заданному усилию. Включаем питание прибора с помощью выключателя, установленного на тыльной стороне, вызывая свечение трехразрядного цифрового индикатора с нулевыми цифрами. Устанавливаем опору непосредственно на объект исследования или на шайбу, находящуюся на нем и нажимая на рукоятку прибора внедряем индентор в продукт. Опора, упираясь на поверхность объекта или шайбу, перемещается относительно индентора. Поступательное перемещение опорного устройства, соединенного со штангой с зубчатой рейкой через редуктор преобразуется в вращательное движение перфорированного диска электронно- оптического преобразователя, импульсы с которого поступают в счетчик и фиксируются на трехразрядном цифровом индикаторе. При внедрении индентора в продукт растет величина его сопротивления, которая через шток передается на стержень гильзы. При достижении заданного усилия сопротивления, стержень гильзы начинает перемещаться и через кинематическое звено открывает шторку, формируя сигнал в электронно-оптическом преобразователе. Одновременно фиксируется результат измерения на цифровом индикаторе и окончание измерения - на световом. После чего извлекаем прибор вместе с индентором из измерительного объекта, регистрируем полученные результаты и выключаем его. Затем операции при следующем эксперименте повторяются. Для оценки качества молока технологу требуется знать его вязкость. Кроме этого вязкость молока необходима для проведения гидравлических расчетов по определению потерь напора по длине трубопровода и в местных сопротивлениях.
Зная общие потери напора в трубопроводе, можно определить его рациональный диаметр и обосновать выбор типа и марки насоса для конкретного технологического процесса. Ввиду того, что вязкость молока в первую очередь зависит от его химического состава были проведены комплексные исследования. Объектом исследования было выбрано молоко с содержанием жира: 0,5; 1,5; 2,5; 3,2; 3,5 и 6,0 %. Химический состав включал в себя помимо жирности, содержание влаги, белка, углеводов, СОМО, золы и органических кислот, которые определяли по общепринятым Гостовским методикам. Вязкость определяли с четырех кратной повторностью при температуре 20 С на вискозиметре Брукфельда типа LVDW, основанном на погружном методе измерения. При этом использовали цилиндрический шпиндель № 61 (LV).
Реологические и реометрические исследования белковой обезжиренной массы в зависимости от ее структуры
Для уточнения характера изменения плотности молока от температуры были проведены исследования на производственных образцах различных видов продукции.
Выбранный ассортимент объекта исследований молока натурального и восстановленного и его химический состав приведен в табл. 23. Величины плотности соответствующих объектов при различной температуре приведены в табл. 24. Характер изменения плотности молока с различной жирностью от температуры показан на рис. 18. Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что темп изменения (т), равный tga=Ap/At, ПЛОТНОСТИ молока с различной жирностью имеет два периода: первый период от 5 до 40 С имеет темп изменения плотности молока (т) равный 0,35, а второй период от 40 до 80 С - 0,51. Величина m практически не зависит от жирности молока как в первом периоде, так и во втором. Критическая температурная точка, равная 40 С, по всей видимости связана с коагуляцией молочного белка.
Для более точного определения плотности молока с различным химическим составом от температуры были проведены комплексные исследования на модельных молочных средах с содержанием жира от 0,5 до 6 % и белка - от 2,8 до 4,5 %.
Экспериментальные величины плотности модельных сред при различной температуре под соответствующим номером приведены в табл. 25. Химический состав модельных сред приведен в табл. 22. Обработка экспериментальных данных позволила получить следующие упрощенные зависимости: при t = t/ ti от 5 до 40 С, где f - относительная безразмерная температура, U=lC. P=(885-CV-1385CCOMO+998CW) - 0,51 (Ґ-40) (3-146) при Ґ от 40 до 80 С. Для более точного расчета плотности молока в зависимости от его хи мического состава и температуры предлагаются следующие уравнения: р=(885-Сф+1400СБ+1380Суз+ 998CW) - 0,35 (Ґ-20) (3-15а) при Ґ от 5 до 40 С. р=(885-Сф+1400СБ+1380Суз+ 998CW) - 0,51 (Ґ-40) (3-156) при Ґ от 40 до 80 С.
Расчетные значения плотности по зависимости (3-15а) (3-156) и их погрешность А = (р яс - р р) 100 / р эк приведены в табл. 25, где р эк, р Р- в градусах А, для перевода которых в систему СИ необходимо прибавить или отнять (при р 1000) коэффициент равный 1000, т.е. р = 30,9 А, что соответствует 1030,9 кг/м3. Погрешность расчета в основном не превышает 2 %, что вполне приемлемо для решения практических инженерных задач. Выводы по разделу 3.1 1. Получены математические зависимости по определению динамической вязкости натурального стерилизованного и восстановленного молока в зависимости от содержания в нем жира при среднем содержании белка, пригодные для приближенных инженерных расчетов. 2. Получена обобщенная математическая модель изменения динамической вязкости восстановленного и натурального молока от двух переменных химического состава, а именно содержание жира и белка при постоянной температуре 20 С. 3. Определен характер и критическая температурная точка, равная 40 С, изменения динамической вязкости молока с учетом содержания в нем жира и белка в широком интервале температур от 5 до 80 С, имеющий две зоны, подчиняющие экспоненциальной зависимости. 126 4. Получена усредненная математическая зависимость для определению динамической вязкости от трех переменных: содержания жира и белка и температуры. 5. Разработана математическая модель прогнозирования динамической вязкости молока в зависимости от содержания в нем белка и жира для двух температурных зон: 1 - от 5 до 40 С; 2 - от 40 до 80 С. 6. Установлена корреляция значений динамической вязкости определенных на вискозиметрах Брукфильда и Гепплера и получен коэффициент корреляции равный 2,21. 7. Определен химический состав, включающий в себя содержание жира, белка, влаги, сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО), углеводов, золы, органических кислот и плотность молока. 8. Получены математические уравмення - по определению плотности молока в зависимости от его химического состава для практических инженерных и научных целей при температуре 20 С. 9. Определен характер и критическая температурная точка (равная 40 С) изменения плотности молока с учетом его химического состава в широком интервале температур от 5 до 80 С, имеющий 2 зоны, отличающиеся между собой темпом изменения p=f(t).
