Реологические методы исследования.

Реология как наука о течении и деформации реальных тел изучает их поведение при механическом нагружении. По виду механических нагружений и вызываемых ими деформаций можно классифицировать основные реологические свойства: сдвиговые свойства, проявляющиеся при воздействии касательных напряжений (коэффициентами динамической (ньютоновской), эффективной и пластической вязкости); компрессионные — при воздействии нормальных напряжений (модулями упругости и пластичности, различными прочностными характеристиками и параметрами текстуры) и поверхностные — при сдвиге или отрыве продукта от твердой поверхности (адгезионными и когезионными характеристиками и коэффициентами внешнего трения).

Структурно-механические характеристики (СМХ) используют для оценки консистенции продукта как одного из основных показателей его качества путем измерения на специальных приборах (реометрах), либо путем сенсорной (органолептической) оценки, т. е. субъективной оценки сопротивляемости и деформации продукта.

Оценку консистенции продукта инструментальными методами (измеряя его СМХ) проводят следующим образом.

1. В зависимости от видов и интенсивности механического воздействия (нагружения во времени) определяют различные СМХ, из которых выбирают наиболее чувствительную к изменению структуры продукта при его деформации. Выбранная СМХ является реологическим показателем консистенции (измеряемой величиной) для данного продукта.

2. Предварительно проводят определение «эталонного» значения СМХ для каждого вида продукта по существующим методикам оценки качества продукта. При этом в качестве «эталонного» принимают значение СМХ продукта высшего качества.

3. Сравнивают величину выбранного.реологического показателя для исследуемого образца продукта с «эталонным» для него значением СМХ и по их разности судят о консистенции продукта.

В зависимости от поставленной задачи полученные результаты могут быть использованы для определения качества готового продукта, регулирования параметров технологического процесса производства, служить исходными данными при конструировании технологического оборудования и т. п.

Пищевые продукты как реологические тела.

В пищевой промышленности вырабатывают широкий ассортимент продуктов, которые по своей структуре представляют собой различные реологические тела - от упруго-пластичных твердых тел до истинно-вязких (ньютоновских) жидкостей. Продукты, включая сырье и полуфабрикаты, в зависимости от состава, дисперсного строения и структуры обладают различными реологическими свойствами и текстурными отличи тельными признаками. Для полной количественной оценки реологических свойств тела необходимо применять различные методы нагружения.

Под действием внешней нагрузки в теле возникают деформации и напряжения, являющиеся мерой сил внутреннего взаимодействия между элементами тела, взаимосвязь между которыми описывается посредством реологических констант (коэффициентов уравнений деформации и течения) — различных структурно-механических характеристик.

Свойства упругих изотропных тел (сливочное масло при отрицательных температурах, карамель, печенье, ядра орехов). Для них характерны следующие реологические константы: модуль сдвига — G (Па); модуль объемной упругости — E (Па); модуль Юнга, или модуль продольной упругости, — Е(Па); коэффициент Пуассона — .

Свойства жидких и жидкообразных продуктов. К жидкостям относятся такие вещества, у которых при постоянном напряжении сдвига наблюдается течение, т. е. деформация с постоянной или переменной скоростью. Свойства жидкостей проявляются и у пластичных тел после повышения предела текучести. Отношение напряжения сдвига к скорости деформации является реологической константой жидкости и называется ньютоновской (динамической) вязкостью:

Для неньютоновских жидкостей (кисломолочные продукты: кефир, творог, творожные изделия, сметана и др.) вязкость — функция скорости сдвига, поэтому ее называют кажущейся или эффективной вязкостью (Па с).

Для характеристики жидкостей используют кривые течения — реограммы, которые представляют собой зависимость напряжения сдвига от скорости сдвиговой деформации в условиях простого сдвига.

Для ньютоновских и неньютоновских жидкостей применяют математические модели, которые достаточно точно описывают поведение в интересующей области напряжений, при этом модели неньютоновских жидкостей содержат по крайней мере две реологические характеристики материала.

Свойства твердообразных продуктов. Твердые тела в зависимости от упругости бывают гуковскими и негуковскими. Гуковское тело — это идеально упругое тело, состояние которого описывается уравнением Гука. После снятия нагрузки, отдавая накопленную энергию, гуковское тело без запаздывания возвращается в исходное состояние. Поведение негуковских тел не соответствует поведению идеально упругого тела. Для негуковского твердого тела с нелинейной упругостью полагают

При этом модуль сдвига является функцией деформации, что характерно, например, для пористых пенообразных пищевых продуктов, в частности, натуральных сыров, мороженого. По аналогии с неньютоновскими жидкостями вводят понятие эффективного модуля упругости Gэф.

Течение реальных твердых тел наблюдается после превышения критического напряжения - предела текучести. При дальнейшем нагружении достигается предел прочности, при превышении которого твердое тело разрушается. Это явление наблюдается в таких процессах, как дробление или резание, и поэтому имеет технологическое значение. Если разрушение происходит без существенного изменения формы — говорят о хрупком разрушении. Если разрушению предшествует значительное изменение формы — говорят о вязком разрушении.

Некоторые физико-механические свойства материалов.

Твердость — это комплексное свойство негуковских тел оказывать сопротивление проникновению другого, более твердого тела вследствие необратимых (упругой и вязкой) деформаций. Твердость нельзя выразить как физическую величину с однозначной размерностью. Она представляет собой некоторый технический параметр, который выражается в относительных величинах в зависимости от метода измерений. Твердость определяется следующими методами за счет внедрения шара (твердость по Бриннелю), конуса (твердость по Роквеллу), пирамиды (твердость по Викерсу). Коэффициент твердости рассчитывают по величине силы и геометрическим параметрам остаточной деформации (площади шарового сегмента и т. п., глубине внедрения).

Мягкость — свойство, противоположное твердости.

Хрупкость — свойство твердых тел достигать разрушения без пластичной деформации. У негуковых тел хрупкое разрушение наступает только при высоких скоростях деформации или низких температурах, когда теряют действие вязкостные свойства.

Когезия — сопротивление тела разрушению, связанному с преодолением сил взаимодействия между атомами и молекулами на поверхности раздела.

Адгезия — свойство, которое основывается на взаимодействии двух различных тел на границе раздела фаз и вызывает сцепление тел. При разделении тел необходимо преодолеть силы сцепления. Прочность соединения двух тел из различных материалов зависит от площади и состояния поверхности контакта между ними.

Липкость — свойство пограничного слоя вязких или пластичных материалов оказывать сопротивление разделению находящихся в контакте поверхностей. Оно основывается на адгезии материалов на поверхности раздела и когезии самого материала.

Внешнее трение — сопротивление относительному перемещению двух находящихся в соприкосновении поверхностей твердых тел. Для начала скольжения необходимо приложить нагрузку, превышающую силы трения покоя.

Консистенция — степень плотности (твердости) продукта. В зависимости от консистенции продукты по-разному деформируются при избранных видах нагрузки и скорости. Результаты измерений обычно дают в относительных единицах, характерных для применяемых наиболее часто приборов (консистометров), имеющих упрощенную конструкцию.

Воспроизводимость показателей консистенции гарантирована только в том случае, если все условия измерений постоянны, особенно форма образца и его размеры, вид нагружения и его скорость.

Текстура, по определению проф. М. Боурна, — физико-структурные свойства вещества, в частности продукта, воспринимаемы органами слуха, зрения и осязания и вызывающие у человека определенные ощущения при потреблении (откусывания, разжевывании, проглатывании). Комплекс ощущений при потреблении пищи, который называется органолептическим, приводит потребителя к предпочтению одних или отказу от других пищевых продуктов. Для создания высококачественных пищевых продуктов необходимо целенаправленно влиять на их органолептические свойства. Консистенция и вязкость относятся к текстуре и представляю собой два из множества возможных ее отличительных признаков.

При анализе текстуры определяют кинестетические признаки продукта, связанные с мышечными ощущениями. Инструментальные измерительные методы для определения удельных кинестетических признаков можно разделить на три группы:

методы точного измерения реологических величин — коэффициента вязкости, предела текучести, модуля упругости, прочности на растяжение и др.;

эмпирические методы, при которых продукты подвергают воспроизводимой деформации или нагрузке при помощи измерительных приборов, не позволяющих точно определить реологические свойства. Результаты измерений представляют собой параметры консистенции. Они хорошо коррелируют с признаками текстуры, полученными при органолептической оценке;

иммитационные методы, при которых пищевые продукты в специальных измерительных приборах подвергают испытаниям, имитирующим реальные нагрузки при приеме пищи, например с помощью циклических нагрузок имитируется процесс разжевывания пробы. Цель такого анализа текстуры — измерение параметров, которые соответствуют признакам текстуры продукта, полученным сенсорными методами.