Содержание к диссертации
Введение
1. Пищевые дисперсные системы: основные принципы и методы 13
1.1. Пищевые материалы как дисперсные системы 13
1.2. Поверхностные явления 16
1.2.1. Поверхностное натяжение и адсорбция 16
1.2.2. Поверхностно-активные вещества 18
1.2.3. Белки как стабилизаторы пищевых дисперсных систем 22
1.3. Коллоидные взаимодействия в пищевых дисперсных системах 29
1.3.1. Силы Ван-дер-Ваальса 30
1.3.2. Электростатические взаимодействия 32
1.3.3. Полимерные стерические взаимодействия 34
1.3.4. Гидратационные взаимодействия 36
1.3.5. Гидрофобные взаимодействия 37
1.3.6. Суммарная энергия взаимодействия 39
1.4. Современные проблемы в исследовании и производстве пищевых дисперсных систем 40
1.4.1. Пенообразные пищевые дисперсные системы 41
1.4.2. Эмульсии 45
1.4.3. Гели 49
1.5. Методы исследования пищевых дисперсных систем 54
1.5.1. Реологические методы 55
1.5.2. Ультразвуковая спектрометрия 56
1.5.3. Метод рассеивания света 59
1.5.4. Электрофоретический метод 62
1.5.5. Фронтально-поверхностная флуоресцентная спектроскопия 65
1.6. Выводы и задачи исследований 69
2. Структурообразование в процессах производства пищевых продуктов 73
2.1. Роль структурообразования в формировании свойств пищевых продуктов 73
2.2. Структурообразование как составляющая технологической системы ..88
2.3. Контроль и управление процессами структурообразования 96
2.4. Выводы 99
3. Совершенствование процесса производства и исследование свойств пенообразных пищевых систем 102
3.1. Цель и задачи исследований 102
3.2. Способ и устройство для аэрирования многокомпонентных пищевых масс 103
3.2.1. Теоретическое исследование винтового течения вязкой жидкости 106
3.2.2. Анализ результатов решения задачи 123
3.3. Исследование реологических свойств пенообразных пищевых систем. 128
3.3.1. Цель и задачи исследований 128
3.3.2. Устройство для исследования вязкостных свойств 131
3.3.3. Методика экспериментов 134
3.3.4. Результаты экспериментов 137
3.4. Исследование объемных свойств пенообразных пищевых масс 146
3.4.1. Цель и задачи исследований 146
3.4.2. Устройство для исследования объемных свойств пенообразных пищевых материалов 147
3.4.3. Методика экспериментов 152
3.4.4. Результаты экспериментов 154
3.5. Определение оптимальных режимов аэрирования сбивных конфетных масс 161
3.5.1. Методика проведения эксперимента 162
3.5.2. Результаты экспериментов 163
3.5.3. Оптимизация процесса аэрирования сбивной конфетной массы. 167
3.6. Выводы 170
4. Формирование и стабильность структуры пищевых эмульсий 173
4.1. Общая характеристика пищевых эмульсий 173
4.2. Минералы в организме человека и их функции 176
4.3. Стабильность дисперсных систем в присутствии электролитов 178
4.4. Цель и задачи исследований 183
4.5. Исследование влияния одновалентных ионов на стабильность эмульсий 187
4.5.1. Материалы и методы 187
4.5.2. Влияние рН и содержания КС1 на величину ^-потенциала 189
4.5.3. Влияние КС1 на агрегацию частиц 193
4.5.4. Влияние рН и КС1 на устойчивость эмульсии к расслоению...200
4.5.5. Коллоидные взаимодействия 202
4.6. Исследование влияния двухвалентных ионов на стабильность разбавленных эмульсий 209
4.6.1. Материалы и методы 210
4.6.2. Влияние рН и хлорида кальция на ^-потенциал 212
4.6.3. Влияние рН и СаСЬ на агрегацию частиц эмульсии 217
4.6.4. Влияние рН и СаСЬ на устойчивость эмульсии к расслоению. 220
4.6.5. Потенциальная энергия взаимодействия частиц 220
4.7. Исследование влияния двухвалентных ионов на стабильность концентрированных эмульсий 223
4.7.1. Материалы и методы 225
4.7.2. Влияние рН на агрегатирование частиц 226
4.7.3. Влияние СаСЬ на процесс агрегации частиц 228
4.7.4. Влияние СаСЬ на расслоение эмульсий 230
4.7.5. Влияние СаСЬ на вязкостные свойства эмульсий 232
4.8. Влияние поливалентных минералов на стабильность эмульсий 236
4.8.1. Материалы и методы 238
4.8.2. Влияние поливалентных электролитов на поверхностный заряд дисперсных частиц эмульсий 240
4.8.3. Влияние поливалентных электролитов на агрегацию дисперсных частиц эмульсий 257
4.9. Выводы 268
5. Структурообразование гелеобразных пищевых дисперсных систем 271
5.1. Общая характеристика пищевых гелей 271
5.2. Физико-химические аспекты гелеобразования 273
5.3. Влияние сахарозы на функциональные свойства белков молочной сыворотки 275
5.3.1. Материалы и методы 277
5.3.2. Влияние сахарозы на температурную денатурацию белков 280
5.3.3. Влияние сахарозы на гелеобразование 282
5.3.4. Влияние сахарозы на стабильность эмульсий 286
5.4. Влияние сахарозы на низкотемпературное гелеобразование денатурированных белков молочной сыворотки 289
5.4.1. Материалы и методы 291
5.4.2. Влияние СаС12 на гелеобразование 293
5.4.3. Влияние сахарозы на гелеобразование 296
5.5. Выводы 302
6. Разработка новых методов исследования пищевых дисперсных систем 304
6.1. Современные методы анализа пищевых дисперсных систем 304
6.2. Цель и задачи исследований 306
6.3. Исследование аэрированных пищевых продуктов методом ультразвуковой спектроскопии 307
6.3.1. Материалы и методы 310
6.3.2. Принципы исследования аэрированных сред методом ультразвуковой спектроскопии 314
6.3.3. Результаты и обсуждение 318
6.4. Ультразвуковой метод исследования реологических свойств вязких материалов 325
6.4.1. Распространение упругих поперечных волн в вязко-эластическом теле 327
6.4.2. Материалы и методы 330
6.4.3. Результаты и обсуждение 333
6.5. Определение степени термической обработки молока методом флуоресцентной спектроскопии 342
6.5.1. Материалы и методы 347
6.5.2. Анализ результатов измерения содержания фурозина и лактулозы стандартными методами 351
6.5.3. Исследование фронтально-поверхностной флуоресценции молока 353
6.5.4. Многовариационный анализ спектров флуоресценции 360
6.6. Исследование термической денатурации белков флуоресцентной спектроскопией 366
6.6.1. Материалы и методы 368
6.6.2. Определение остаточных нативных белков и активности фосфатазы 371
6.6.3. Флуоресцентные свойства молока 373
6.6.4. Многовариационный анализ флуоресцентных спектров 379
6.6.5. Прогнозирование степени термической денатурации белков молока 382
6.7. Выводы 386
7. Практическое применение результатов исследований 390
7.1. Методика расчета рабочего органа устройства для перемешивания и аэрирования пищевых масс 390
7.2. Опытная установка для аэрации и способ производства сбивных конфетных масс 392
7.3. Метод стабилизации пенообразных пищевых систем 393
7.4. Технология производства эмульгированных продуктов питания, обогащенных минералами 396
7.5. Устройство для контроля дисперсных свойств пенообразных и измерения реологических характеристик вязких жидкостей 399
7.6. Устройство для исследования физико-химических свойств молочных продуктов флуоресцентной спектроскопией 402
Заключение 405
Список использованной литературы
- Поверхностное натяжение и адсорбция
- Структурообразование как составляющая технологической системы
- Способ и устройство для аэрирования многокомпонентных пищевых масс
- Исследование влияния одновалентных ионов на стабильность эмульсий
Введение к работе
Современная наука о пище вышла далеко за рамки тех представлений, которые существовали в недавнем прошлом. Это произошло благодаря достигнутому за последние пятьдесят лет прогрессу в естественных науках, особенно, физике, биологии, химии, биохимии, а также новым достижениям в познании человека и социальных процессов. Прогрессу пищевой науки в значительной степени способствовали новые информационне технологии, которые подняли исследовательскую и производственную деятельность на новый качественный уровень. Сегодня пищевая наука охватывает широкий спектр научных дисциплин от социально-экономических и психологических до фундаментальных, изучающих явления на микро- и наноуровнях. Разнообразие научных дисциплин, вовлеченных в изучение пищи человека, предполагает самый широкий перечень исследовательских методов и инструментов, который можно представить сегодня. В их числе самые современные исследовательские технологии, применяемые в экономике, общественных науках, психологии, медицине, естествознании, информатике.
Многогранность современной пищевой науки главным образом определяется чрезвычайной сложностью пищевых материалов как с точки зрения композиционного состава и явлений, происходящих в них, так и взаимодействия пищи с окружающей средой. Пищевой продукт представляет собой квазистабильную комплексную систему, свойства которого определяются течением внутренних процессов в зависимости от состояния окружающей среды. Коренное усовершенствование и интенсификация пищевых производств невозможны без установления закономерностей этих процессов с целью управления этими процессами.
Большинство пищевых материалов представляют собой многокомпонентные микрогетерогенные дисперсные системы, что позволяет
рассматривать их как объекты физико-химии дисперсных систем и ее раздела - физико-химической механики. В качестве объектов исследований в настоящей работе рассматриваются дисперсные системы, называемые пенами, эмульсиями и гелями, в форме которых представлено значительное большинство пищевого сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов. В этих дисперсных системах, как правило, непрерывную среду представляет жидкость. Для таких систем характерны как термодинамические, так и кинетические факторы устойчивости, поскольку только в жидких средах возможна диссоциация электролитов с образованием двойных электрических слоев и сольватация, в результате которой резко снижается межфазное натяжение. Для дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой возможно регулирование и кинетических факторов устойчивости к. коагуляции и седиментации. Проблема стабилизации заданных в процессе технологической обработки свойств пищевых продуктов в форме пен, эмульсий и гелей на длительный период времени становится важной проблемой, с которой сталкиваются производственники. Многие задачи, связанные с формированием структуры и стабилизации таких пищевых продуктов, требуют решения.
Перечень функциональных пищевых ингредиентов все время пополняется новыми наименованиями. К ним относятся вещества, регулирующие вязкость, вкусовые добавки, обогатитетели (протеины, минералы и витамины) и многие другие. Открытыми остаются вопросы о влиянии многих из этих ингредиентов на структуру и физико-химические свойства пищевых продуктов. В результате многие технологические операции осуществляются интуитивно, а не по научно обоснованной системе. Вместе с этим в производстве пищевых продуктов, есть ключевые технологические операции, которые из-за применения устаревших способов обработки и оборудования, стали препятствием на пути создания
высокопроизводительных поточных линий. Например, в производстве пенообразных пищевых продуктов до сих пор применяются сбивальные машины периодического действия для аэрирования массы. Практика показывает на низкую эффективность этих машин, особенно в производствах большой мощности с непрерывным технологическим циклом. В научном и практическом плане представляют большой интерес закономерности формирования структуры эмульгированных и гелеобразных пищевых продуктов. Эмульгирование и гелеобразование приобретает широкое применение в современных пищевых производствах. Это обусловлено рядом ценных потребительских и функциональных свойств эмульгированных и гелеобразных продуктов питания.
Успешное развитие современной пищевой науки и промышленности немыслимо без применения эффективных методов и инструментов для исследования и контроля свойств пищевого сырья и продуктов. В научных исследованиях они способствуют глубокому и адекватному пониманию процессов, формирующих свойства пищевых продуктов, а в производстве — оперативному и точному анализу и контролю технологических процессов и управлению качеством изделий. В настоящее время, несмотря на появление высокотехнологичных аналитических методов и инструментов, существует недостаток аналитических средств, которые отвечали бы таким требованиям, как одинаковая адаптируемость к производственным и лабораторным условиям, быстрота и простота получения результата, не разрушающее воздействие по отношению к объекту исследования. Разработка таких методик и инструментов позволило бы поднять на более высокий уровень контроль пищевых процессов и управление качеством продукции.
В данной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов производства стабильных многокомпонентных пищевых систем на примере пенообразных,
эмульгированных и гелеобразных пищевых дисперсий и физико-химических явлений, обуславливающих формирование их структуры и свойств. На основе теоретических и экспериментальных исследований обоснованы и разработаны новые методы исследования физико-химических и структурно-механических свойств пищевых дисперсных систем.
Целью работы является совершенствование процессов производства пищевых дисперсных систем (пены, эмульсии, гели) на базе разработки основ процессов структурообразования и новых методов инструментальных исследований.
Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей структурообразования пищевых дисперсных систем и определении режимов процессов производства пищевых дисперсий, а также закономерностей влияния функциональных ингредиентов на их качественные показатели.
Создан и теоретически обоснован новый способ непрерывного производства пенообразных пищевых масс с винтовой траекторией потока перемешиваемых компонентов, позволяющий значительно сократить продолжительность технологического процесса.
Разработан и научно обоснован новый процесс производства пищевых эмульсий, обогащенных ингредиентами, восполняющими недостаток жизненно важных минералов и аминокислот в организме человека. Теоретически и экспериментально установлены закономерности микропроцессов, определяющих агрегативную устойчивость и качественные показатели пищевых эмульсий в присутствии минералов, а также разработана методология управления этими микропроцессами.
Установлены закономерности процесса структурообразования белковых гелей в присутствии сахарозы и в зависимости от режима процесса термической обработки.
Разработаны и теоретически обоснованы новые эффективные инструментальные методы, основанные на применении ультразвука и явления флуоресценции, для контроля процессов производства многокомпонентных пищевых дисперсных систем и оценки их свойств и качественных показателей.
Практическая ценность работы заключается в разработке устройства для непрерывного производства пенообразных пищевых систем в закрученном потоке и методики его инженерного расчета; создании устройства для исследования реологических показателей и устройства для исследования объемных свойств пенообразных пищевых систем; разработке технологического процесса производства стабильных эмульгированных пищевых продуктов, обогащенных белками и минералами, а также технологического процесса производства пенообразных продуктов со структурой, стабилизированной методом низкотемпературного гелеобразования; разработке методики автоматизированного контроля качественных показателей пенообразных пищевых систем и реологических характеристик вязких пищевых материалов, основанное на применении ультразвука; разработке методики контроля процесса термической обработки содержащих белки пищевых дисперсных систем, основанной на явлении флуоресценции.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Расчет и конструирование машин» Московского государственного университета пищевых производств.
1. ПИЩЕВЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ: ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ.
Поверхностное натяжение и адсорбция
Фактором интенсивности поверхностной энергии является поверхностное натяжение, обусловленное нескомпенсированным полем межмолекулярных сил на межфазной поверхности. Наиболее общее и четкое по физическому смыслу представление о поверхностном натяжении как о работе образования единицы поверхности, т.е. поверхностное натяжение есть количество энергии, необходимое для образования единицы поверхности. Поверхностная энергия равна произведению поверхностного натяжения на площадь поверхности и, следовательно, она уменьшаться как за счет сокращения поверхности, так и за счет снижения поверхностного натяжения. К явлениям, происходящим вследствие стремления к самопроизвольному снижению поверхностного натяжения, относится адсорбция. Адсорбция представляет собой процесс самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой [109]. В многокомпонентных системах, например, пищевых дисперсных системах, в поверхностный слой предпочтительнее переходит тот компонент, который сильнее уменьшает поверхностное или межфазное натяжение.
Субстанции, которые снижают межфазное натяжение при адсорбции на границе раздела фаз, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ) [335]. Количество адсорбированного вещества выражается как избыток вещества в поверхностном слое определенной толщины и обозначается буквой Г. Согласно Гиббсу для некоторого адсорбирующегося компонента в одной из фаз при равновесных условиях dY = -RTTd{\na), (1.1) где R — универсальная газовая постоянная, Т- абсолютная температура, а -активность адсорбирующегося вещества.
Уравнение Гиббса (1.1) показывает, что межфазное натяжение у уменьшается при увеличении концентрации адсорбируемого вещества. Когда достигается постоянная величина Г, межфазная поверхность более или менее насыщается адсорбируемым веществом. Для большинства ПАВ эти значения / измеряются несколькими миллиграммами на квадратный метр поверхности.
Адсорбция требует некоторого времени, поскольку адсорбируемые молекулы диффундируют из объема фазы к поверхности. Если концентрация вещества в фазе равна с, то толщина поверхностного слоя с адсорбированным веществом определяется величиной (г/с). При этом время, требуемое для адсорбции, приблизительно равно [335] =5(Г/с)2// , (1.2) где D - коэффициент диффузии. Это означает, что время, необходимое для адсорбции, будет меньше 1 сек для ПАВ с концентрацией 0,1%. ПАВ делятся на две группы - полимеры и низкомолекулярные мылоподобные вещества. Низкомолекулярные ПАВ представляют собой довольно маленькие амфифилические молекулы, гидрофобная (липофильная) часть которых обычно есть алифатическая цепь. Тип гидрофильной части молекул очень разнообразен в зависимости от вида ПАВ. В классическом ПАВ, мыле, эта часть молекулы представляет собой ионизируемую карбоксильную группу. Большинство амфифилических субстанций отличаются довольно низкой растворимостью как в воде, так и в масле. Поэтому эти субстанции претерпевают наименьшие силы отталкивания от этих растворов, когда они частично находятся в гидрофильной (вода, гидрофильные вещества) и частично в гидрофобной (масло, воздух, гидрофобные вещества) окружающей среде, то есть в межфазной поверхности.
Структурообразование как составляющая технологической системы
Структура технологических схем, обсужденных выше, показывает, что процесс структурообразования многокомпонентных пищевых масс может начаться и завершиться в течение одной технологической операции или, в большинстве случаев, структурообразование охватывает несколько операций. В последнем случае структура обрабатываемой массы приобретает новое качество от операции к операции. Например, на стадии сбивания сахаро-паточного сиропа с яичным белком и другими компонентами образуется пенообразная структура сбивной конфетной массы, которая затем приобретает твердообразные свойства в результате застудневания агара на стадии выстойки (рис. 2.5). В производстве пралиновых конфетных масс структурообразование имеет место при смешивании жировых и сыпучих компонентов и пластикации смеси, в то время как в производстве маргарина оно осуществляется в процессе эмульгирования жировой и водно-молочной фаз, охлаждения и кристаллизации полученной эмульсии (рис. 2.3).
Таким образом, структурообразование является центральным процессом в технологической схеме производства многокомпонентных пищевых продуктов (рис. 2.6), объединяя те операции, которые непосредственно формируют необходимые структурно-механические, физико-химические и органолептические свойства конечных продуктов.
Роль и место структурообразования в иерархии технологической системы четко определяются при использовании принципов системного анализа [56]. Согласно исследованиям Панфилова В.А. функциональный анализ технологических операций пищевых производств дает основание делить оборудование в линиях на три группы: А - оборудование для изготовления готового продукта из окончательного полуфабриката; В -оборудование для получения конечного полуфабриката из промежуточных полуфабрикатов; С - оборудование для образования промежуточных полуфабрикатов из исходного сырья. Из указанных трех групп совокупность операций В определена как наиболее ответственная подсистема технологической линии. В результате реализации операций этого комплекса формируется окончательный полуфабрикат, свойства и состав которого в дальнейшем не подвергаются изменению. Принимая во внимание цели процессов структурообразования и их многостадийность, можно предположить, что их пространственные и временные границы в технологической линии практически совпадают с границами группы операций В.
Таким образом, структурообразование есть комплекс единичных технологических операций, каждая из которых в свою очередь представляет совокупность протекающих в них явлений на макро- и микроуровнях. На
Технологическая схема производства пищевых продуктов на основе многокомпонентных дисперсных систем. макроуровне имеют место эффекты в масштабе аппарата или машины, связанные с потоками масс, тепловыми и диффузионными явлениями крупномасштабного характера. Эти эффекты и явления определяются конструктивными характеристиками аппаратов и машин, способом подвода энергии, типом перемешивающих устройств и т.п. На микроуровне имеют место явления на атомарно-молекулярном уровне и в локальном объеме обрабатываемой массы. Из изложенного вытекает, что эффективность и качество процессов структурообразования многокомпонентных пищевых масс главным образом связаны с явлениями на макро- и микроуровне. Эти явления могут иметь самую разнообразную природу (химическую, биохимическую, физико-химическую, микробиологическую) в зависимости от природы рецептурных компонентов, свойств и качественных показателей конечного продукта. Следовательно, правильная организация процессов структурообразования и эффективное управление ими могут быть достигнуты только при условии знания и возможности управления явлениями на микро- и макроуровне.
Пищевые массы представляют собой сложную смесь компонентов разной природы. Для эффективного осуществления структурообразования, компоненты смеси взаимно диспергируются с образованием гетерогенной системы с равномерным полем концентраций компонентов. Отсюда вытекает один из важных качественных результатов структурообразования - высокая дисперсность и равномерность распределения компонентов массы. На практике часто возникает ситуация, когда в составе смеси присутствуют взаимно несмешивающиеся ингредиенты, например, воздух и жидкость при получении пены или масло и вода в производстве эмульсии. В этом случае встает проблема стабилизации или обеспечения кинетической устойчивости тонкодисперсной структуры к агрегатированию (укрупнению) отдельных компонентов, которое ведет к потере системой свойств, приобретенных в результате структурообразования. Фактор агрегативной устойчивости приобретает существенную значимость в дисперсных системах с размерами частиц распределенных компонентов, близких к размерам частиц микрогетерогенных систем (0,1 -10 мкм) [ 109]. Для обеспечения устойчивости структуры таких систем используются стабилизирующие ПАВ, действие которых подробно изложено в разделе 1.2.2. На возможность образования стабильных высокодисперсных пищевых систем и их устойчивость также влияют их компоненты. Так, некоторые из них способствуют процессам формирования заданной структуры и свойств массы, другие - тормозят их. Известны компоненты, которые, в зависимости от окружающих условий, могут как способствовать структурообразованию, так и тормозить его. В настоящее время влияние многих композиционных ингредиентов, особенно новых, на процессы структурообразования изучены недостаточно. Например, пищевую ценность тех же напитков из молочной сыворотки (рис. 2.2) и пахты (рис. 2.4) или маргарина (рис. 2.3) можно значительно повысить введением в их состав минералов, необходимых организму человека. Однако влияние минералов на структурообразование этих продуктов не исследовано, что не позволяет разработать технологию производства качественно новых продуктов питания.
Способ и устройство для аэрирования многокомпонентных пищевых масс
Исходная рецептурная смесь предварительно перемешивается в смесителе и подается через тангенциальный патрубок 7 в рабочий орган 5. В результате тангенциального подвода смесь приобретает винтовую траекторию движения сверху вниз. По мере течения по каналу рабочего органа смесь насыщается сжатым воздухом, подаваемым через отверстия концентричного инжектора 6. Отверстия расположены равномерно по всей длине инжектора для обеспечения равномерного аэрирования.
Течение массы по закрученной винтовой траектории способствует интенсивному перемешиванию ее компонентов и активному дроблению воздушных пузырьков. В винтовом потоке имеет место сложное поле сдвиговых напряжений, которое деформирует и разрывает частицы воздуха на более мелкие, а также ускоряет взаимную диффузию компонентов системы.
При выходе из рабочего органа 5 скорость потока уменьшается и аэрация продолжает осуществляется в менее интенсивном гидродинамическом режиме в кольцевом пространстве стакана 8. В этой части устройства пенообразная структура смеси стабилизируется и попадает в нижнюю часть 2, переливаясь через верхний срез стакана 8. Аэрированная масса термостатируется в нижней части и выводится под действием давления воздуха из устройства. При выходе из замкнутого пространства с избыточным давлением наружу происходит расширение массы, в результате чего снижается ее плотность.
Одним из особенностей описанного способа является закрученная (винтовая) траектория движения массы в канале. Закрученные течения широко используются для интенсификации процессов тепло- и массообмена. Применение таких методов организации потоков фаз способствует резкому увеличению коэффициентов тепло- и массоотдачи, что способствует существенному сокращению продолжительности процессов и уменьшению размеров аппаратов.
Отдельную задачу представляет собой исследование закрученного течения массы в цилиндрическом канале. Аналитическое решение задачи гидродинамики такого течения позволит получить зависимости, определяющие характеристики потока (профили составляющих вектора скорости, потери давления и др.). Знание характеристик потока необходимо для расчета процесса в целом, а также размеров узлов разработанного устройства. В связи с этим теоретическому исследованию закрученного потока вязкой жидкости в цилиндрической трубе посвящен нижеследующий раздел. Отметим, что аналитическое исследование закрученного потока, а также последующие исследования и испытания экспериментального образца разработанного устройства выполнены на примере сбивных конфетных масс, представляющих собой сложную аэрированную дисперсную систему. Исследованию гидродинамики течения вязкой жидкости посвящено большое число работ, результаты которых обобщены во многих известных монографиях. Среди них наиболее часто упоминаются труды Бэтчелора Дж. [18], Васильева О.Ф. [20], Гольдштика М.А. [32], Кочина Н.Е., Кибеля И.А. и Розе Н.В. [62], Ламба Г. [66], Ландау Л.Д. и Лившица Е.М. [67], Лойцянского Л.Г. [69], Слезкина Н.А. [92], Тадмора 3. [99], Тарга СМ. [100] и Шлихтинга Г. [111].
В отличие от простых осевых потоков винтовые потоки характеризуются наличием трехмерного поля скоростей. В связи с этим возникают сложности математического характера при решении полных уравнений винтового движения жидкости и получение аналитического решения задачи в данной постановке невозможно. Несмотря на это обстоятельство, аналитическое решение задач вихревых потоков вполне успешно осуществляется путем упрощения исходных уравнений за счет исключения факторов не столь важных для конкретных практических случаев.
Задача течения вязкой жидкости формулируется уравнениями Навье-Стокса, которые в векторной форме имеют вид —+(V,V)K = --Vp + vAV, divV = 0. (3.1) dt p
Здесь V-fvj, V2, V3} - вектор скорости, компоненты которого относятся к декартовой системе координат (xj, Х2, x$);t- время; р- плотность; р давление; v- коэффициент кинематической вязкости. Действие массовых сил пренебрегается. Уравнения Навье-Стокса легко интегрируются для одномерных или плоских течений как ньютоновских, так и аномально-вязких тел. Так Воларовичем М.П. и Гуткиным A.M. [25,26,38,113] получены соотношения, характеризующие параметры потока вязко-пластичного тела в кольцевом зазоре между двумя концентричными цилиндрами, и в пространстве между двумя параллельными бесконечными стенками. Козел В.И. [58] предложил решение для цилиндрического канала. Исчерпывающий обзор примеров решения уравнений Навье-Стокса для различных случаев приведен Беркером Р., Уилкинсоном У.Л. [105], Астарита Д. И Марруччи Д. [8] и Мирзаджанзаде А.Х. [73].
Для винтового потока характерно наличие трех компонент вектора скорости. В частности, в цилиндрической системе координат следует рассматривать осевую, тангенциальную и радиальную составляющие скорости. Если дополнительно к этому учитывать также неньютоновский характер течения, что свойственно большинству пищевых продуктов, то аналитическое решение полных уравнений движения, в данной постановке, становится невозможным. Однако, пренебрегая нелинейными эффектами и исключая из условия задачи те характеристики потока, которые не столь важны для конкретного случая, исходные уравнения можно привести к виду удобному для интегрирования, т.е. линеаризовать их.
При интегрировании уравнений Навье-Стокса наиболее часто используются два способа линеаризации [13]. При очень малом числе Рейнольдса (отношение порядка конвективных сил инерции к порядку сил вязкости пренебрежительно мало) из уравнении (3.1) можно исключить нелинейный член (V, V)V. Другой способ линеаризации предложен Озееном [280] применительно к задачам обтекания твердого тела потоком жидкости, имеющим источник и сток в бесконечной точке пространства. Вдали от обтекаемого тела линеаризация Озеена имеет несомненное преимущество -там она достаточно хорошо учитывает влияние конвективных сил инерции.
Упомянутые методы упрощения положены в основу решения многочисленных прикладных задач гидродинамики, в том числе закрученных течений вязкой жидкости [38,79,98,141,243,245,250]. Приведем здесь ряд из них, которые представляют наибольший интерес в контексте настоящей работы.
Исследование влияния одновалентных ионов на стабильность эмульсий
Эксперименты по исследованию вязкостных свойств пенообразных конфетных масс выполняли на Московском кондитерском комбинате «Рот Фронт». Для экспериментов использовалась конфетная масса «Птичье молоко», приготовленная в производственных условиях по общепринятой технологии.
Конфетная масса «Птичье молоко» после сбивания имеет температуру не ниже 50 С [54,61,77,101,102]. При этой температуре она имеет текучую консистенцию, что дает возможность формовать ее или транспортировать по трубопроводам. При температуре ниже 50 С вязкость конфетной массы возрастает, а при достижении 37 С, температуры застывания агара, начинается формирование трехмерной структуры, придающей конфетной массе твердообразные свойства. При дальнейшем снижении температуры масса упрочняется [61]. В связи с таким широким диапазоном изменения реологических свойств конфетной массы в зависимости от температуры мы приняли решения исследовать вязкостные свойства от 28 до 60 С. Реологические свойства конфетной массы были также исследованы при давлении 0-0.37 МПа. Знание изменения вязкости под действием давления представляет интерес, в частности, для расчета разработанного нами процесса пенообразования в закрученном потоке.
Кроме вискозиметра (рис. 3.6) экспериментальный стенд состоял из компрессорной установки УК 40-2М с системой регулирования давления и ресивером и термостата 1ТЖ-003, обеспечивающего заданную температуру с точностью ±0,1 С. Частота вращения ротора вискозиметра измерялась с помощью фотоэлектрического датчика. Сигнал с датчика записывался на быстродействующем одноканальном самописце типа НЗОЗО-1 с отметчиком времени. В экспериментах определялась скорость сдвига при заданном напряжении. Напряжение сдвига создавалось подвешиванием грузов, приводящих измерительный ротор во вращение. Величина напряжения сдвига рассчитывалась по зависимости (3.45) где г- напряжение сдвига, Па, т - масса одного груза без учета сопротивления трения в подшипниковых узлах и торцевого эффекта, кг, R — радиус приводного шкива, м, г - радиус измерительного ротора, м, h - высота измерительного ротора.
В наших экспериментах использовался ротор с радиусом 0,015 м и высотой 0,05 м. Радиус приводного шкива был равен 0,035 м. Скорость сдвига определяли по зависимости t- — . (3.46) а где со - угловая скорость вращения ротора, с"1, а - ширина кольцевого зазора между измерительным ротором и внутренней стенкой неподвижного цилиндра, м. Зная напряжение и скорость сдвига, рассчитывали эффективную вязкость пробы массы по выражению где Рэф - эффективная вязкость, Па-с.
Перед проведением экспериментов определяли величину груза, необходимую для преодоления сил трения в подшипниковых узлах, а также силу трения торца измерительного ротора с исследуемой массой. Для этого, как предлагает С.А. Мачихин [74], устанавливали в рабочем цилиндре заглушку такого же радиуса, что у измерительного ротора, загружали в рабочий цилиндр порцию массы и термостатировали. После достижения необходимой температуры подвешивали грузы и постепенно увеличивали их до начала медленного вращения измерительного ротора. Установленная таким образом масса груза вычиталась от той массы, которая использовалась в экспериментах с измерительным ротором.
