СВЯЗЬ СТРУКТУРНО – МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ

Оценка качества продуктов пищевых производств может осуществляться двумя способами. Первый способ – приборное измерение структурно-механических характеристик, выражаемых в определенных физических единицах. Второй способ – сенсорная (органолептическая) оценка качества, т.е. субъективная чувственная оценка сопротивляемости, деформации и консистенции продукта. Развитие реологии позволило обосновать показатели качества продуктов и разработать некоторые математические принципы построения обобщенных показателей качества.

Шерманом предложена классификация структурных характеристик продуктов, которая может быть использована для установления соотношения реологических характеристик продукта с органолептической оценкой (консистенцией). Характеристики разделены на три класса:

– первичные, связанные с аналитическими и геометрическими свойствами (содержание воздуха, влаги, жира и других компонентов; размер и форма частиц);

– вторичные, связанные с основными реологическими свойствами (упругость, вязкость, адгезия);

– третичные, связанные с механическими процессами измельчения и жевания продукта.

Третичные характеристики имеют термины, наиболее часто применяемые потребителями при оценке различных пищевых продуктов. Различают следующие разновидности третичных характеристик: для твердых продуктов – рассыпчатые, хрупкие, порошкообразные, влажные, липкие, сухие, мягкие, твердые, пористые, нежные, грубые (шоколад, печенье, овощи, фрукты, мясо, сыр, хлеб, масло); для полутвердых продуктов – тестообразные, крошащиеся, прилипающие, влажные, сухие, комковые, нежные (плавленый сыр, пасты, фарш, сливки, джем); для жидких продуктов – жидкие, водянистые, густые, жирные, липкие (растаявшее мороженное, майонез, соусы, супы).

Установлено, что сенсорная оценка вязкости продукта может быть дана при напряжении сдвига, развиваемом при скорости сдвига до 50 с^–1. Зависимость сенсорной оценки продуктов ψ (установленной вязкости) от напряжения сдвига (возбудителя) τ при = 50 с^–1 имеет вид:

, (3.1)

где: К_S, n_В – эмпирические коэффициенты.

В зависимости от вида продукта n_В находится в предела от 0,5 ÷ 2,0. Например, по данным Вуда для супов-пюре n_В = 1,28.

Таким образом, по вискозиметрическим данным при определенной скорости сдвига можно прогнозировать адекватную реакцию человека при сенсорной оценке вязкости. Однако выводы, основанные на изучении только соотношений приборной и сенсорной оценок, не могут быть просто механически использованы для широких обобщений о качестве продукта. При этом должны быть учтены: значения коэффициентов корреляции; характеристики, измеряемые данным прибором, и условия опытов; однородность образцов продуктов, подвергнутых дегустации; методы расшифровки сенсорных оценок. таким образом для оценки качества каждого продукта необходимо проведение серии реологических измерений с параллельным дегустированием специалистами для выявления практических диапазонов связи измеряемых реологических характеристик с консистенцией продукта.

3. 
   УПРАВЛЯЮЩАЯ РЕОЛОГИЯ
   

При создании механизированных поточных линий необходимо предусматривать непрерывный контроль качества полуфабрикатов. Существующие химические и органолептические методы оценки не позволяют определить качественное состояние хлебопекарного теста непосредственно в процессе технологической обработки. Наиболее перспективными являются реологические методы, поскольку могут быть установлены зависимости между качеством теста и его свойствами, например вязкостью, которые можно использовать не только для контроля качества, но и для его регулирования в процессе производства.

При этом следует учитывать, пищевые материалы представляют собой сложные органические многокомпонентные системы, и для контроля их состояния недостаточно измерения какого-либо одного параметра. Поэтому целесообразно применять многопараметрический вычислительный метод.

Определение обобщённого показателя качества многокомпонентного продукта может быть сведено к измерению небольшого числа интегральных параметров (плотности, вязкости, рН, электропроводности и т.п.) и решению уравнения регрессии. Измерение отдельных параметров осуществляется с помощью соответствующих датчиков, информация от которых в аналоговой или дискретной форме поступает на устройство для решения уравнения регрессии – счётно-решающее устройство. Результат решения выдаётся в аналоговой или дискретной форме для дальнейшего использования в системах автоматического контроля и регулирования. Например, для хлебопекарного теста в качестве параметров могут быть выбраны следующие: вязкость, кислотность и температура.

Зависимость между обобщённым показателем качества теста Х_1,2,3 и отдельными его показателями: Х₁ (активная кислотность), Х₂ (вязкость) и Х₃ (температура) – можно записать в виде:

Х_1,2,3 = А + ВХ₁ + СХ₂ + DХ₃, (4.1)

где: А, В, С, D – эмпирические коэффициенты, определённые в предварительных испытаниях.

Зависимость (4.1) позволяет предложить систему автоматического контроля качества, структурная схема которой представлена на рис. 4.1. Датчики кислотности DХ₁, вязкости DХ₂ и температуры DХ₃ передают сигналы измерительной информации о текущих значениях основных параметров теста во вторичные приборы ВП₁, ВП₂ и ВП₃. Затем сигналы поступают в счётно-решающее устройство (СРУ). Так как автоматический датчик вязкости DХ₂ вырабатывает пневматические сигналы, то за вторичным прибором ВП₂ установлен пневмоэлектрический преобразователь Пр, который преобразует получаемые сигналы и затем посылает их в счётно-решающее устройство, выдающее результат в удобной для непосредственного восприятия форме.

Рис. 4.1. Структурная схема автоматизированного

контроля качества теста
Реологические свойства полуфабрикатов могут быть с успехом использованы для оценки проведения отдельных процессов. Технологические машины различных конструкций, предназначенные для осуществления одного и того же процесса, различаются степенью воздействия на перерабатываемую массу, что приводит к получению конечных продуктов, обладающих неодинаковыми структурно-механическими свойствами, и получению готовой продукции разного качества. Исследование влияния отдельных машин на свойства полуфабрикатов позволяет выбирать наиболее целесообразные конструкции для выработки данного сорта хлеба и подбирать оптимальные режимы переработки.

Одной из наиболее актуальных задач повышения эффективности хлебопекарного производства является автоматизация замеса теста. Процесс непрерывного замеса теста осуществляется на тестомесильных агрегатах, включающих тестомесильную машину непрерывного действия, дозаторы муки и жидких компонентов, контрольно-измерительную аппаратуру.

В процессе работы на тестомесильную машину воздействуют различные возмущения, под действием которых регулируемая величина давления принимает значение, отличное от заданного, поэтому задача автоматического регулирования состоит в том, чтобы вернуть величину регулируемого параметра на стабилизируемое значение. Для этого регулятор производит на объект регулирования управляющее воздействие определённой величины до тех пор, пока давление не будет равно заданному. Регулирующим параметром может быть величина дозирования одного из компонентов, поступающих из дозаторов. Для правильного выбора регулирующего компонента необходимо учесть условия его дозирования и изменение реологических свойств теста в зависимости от различного процентного содержания этого компонента при условии постоянства дозирования остальных компонентов, требуемых по рецептуре.

Исследования показывают, что на консистенцию теста в большей степени влияет соотношение дозировки муки и дрожжевого раствора. Целесообразно выбрать дрожжевой раствор как регулирующий компонент, так как он может дозироваться автоматической дозировочной станцией.

Для осуществления процесса регулирования консистенции замешенного теста необходимо знать функцию:

∆р = ∆р (∆η), (4.2)

где: ∆р – отклонение выходного давления от стабилизируемого значения, соответствующего заданному значению выходного давления, %;

∆η – отклонение вязкости от значения, соответствующего заданному значению выходного давления, %.

В свою очередь ∆η можно связать с требуемым управляющим воздействием – изменением дозирования дрожжевого раствора ∆G_ДР, т.е. найти зависимость:

∆η = ∆η(∆G_ДР). (4.3)

Для выявления последней зависимости необходимо провести соответствующие эксперименты. Для ряда хлебопродуктов результаты есть в соответствующей литературе.

Используя методику расчёта течения в каналах сложной формы, можно, задаваясь различным содержанием дрожжевого раствора, определить соответствующие им величины рабочего давления в месте установки датчика системы автоматического регулирования.

По результатам расчёта построен график ∆η = ∆η(∆G_ДР) (рис. 4.2). Полученная линейная зависимость применительно к тестомесильной машине как к объекту регулирования является статической характеристикой системы регулирования. Тангенс угла наклона полученной прямой определяет коэффициент передачи объекта К_ОБ. Для рассматриваемого случая К_ОБ = 2,6. Величина давления при нормальном дозировании всех компонентов отличалась от среднего значения, полученного экспериментальным путём, на 12%.

К протеканию процесса автоматического регулирования во времени, т.е. к динамике регулирования, предъявляется определённые требования. При выборе регулятора и его настройке необходимо учитывать свойства объекта регулирования, характеризуемые отношением t/T (t – время транспортного запаздывания, с; Т – постоянная времени объекта, с).

Величину t определяют по кривым разгона путём измерения отрезка времени от момента нанесения возмущения до момента реакции датчика консистенции на это возмущение. Время транспортного запаздывания обуславливается средней скоростью перемещения теста по месильной емкости. Постоянную времени, характеризующую интенсивность изменения консистенции, также определяют по кривым разгона.

Для данного объекта регулирования, состоящего из тестомесильной машины и дозировочной станции, применим изодромный закон регулирования. Изодромный, или пропорционально-интегральный (ПИ), регулятор имеет два параметра настройки: коэффициент передачи регулятора К_Р и время изодрома Т_ИЗ.

Коэффициент передачи регулятора равен:

К_Р = К_С / К_ОБ, (4.3)

где: К_С – коэффициент передачи системы регулирования;

К_ОБ – коэффициент передачи объекта.

Структурная схема автоматического регулирования приведена на рис. 4.3. Сигнал с датчика Д, пропорциональный величине рабочего давления в выходном патрубке машины, поступает в электронный регулятор. В измерительном блоке регулятора ИБ, схема которого зависит от типа датчика, электронный сигнал умножается на постоянный коэффициент и сравнивается с заданным. Установка заданного значения регулируемого параметра осуществляется задатчиком (обычно проволочный потенциометр). Измерительный блок представляет собой мост переменного тока, выход которого подключён к фазочувствительному усилителю.

При отклонении от заданного значения сигнал разбаланса поступает на электронный блок ЭБ, который усиливает сигнал разбаланса, формирует соответствующий закон регулирования и воздействует посредством выходного элемента ВЭ на пусковое устройство ПУ (обычно магнитный пускатель) исполнительного механизма ИМ. Кроме того, в электронный блок поступают сигналы от бесконтактного датчика положения, что обеспечивает обратную связь (ОС) по положению регулирующего органа.

Основными элементами электрического исполнительного механизма, монтируемого на дозировочной станции ВНИИХПа, являются электродвигатель, редуктор, выходное устройство для механического соединения с регулирующим органом РО и дополнительные устройства, обеспечивающие самоторможение при отключении электродвигателя, остановку механизма в крайних положениях и т.д. Регулирующий орган – поршень, который занимает определённый уровень в стакане дрожжевого дозатора в зависимости от величины рабочего давления в выходном патрубке машины. В схеме также предусматривается указатель положения регулирующего органа УП.

3. 
   ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИНЦИПОВ
   

ИНЖЕНЕРНОЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ

МЕХАНИКИ
5.1 Расчёт трубопроводного транспорта
При переработке пищевых материалов как в молочной, так и в хлебопекарной, кондитерской и макаронной промышленности в качестве межоперационного транспорта применяется трубопроводный транспорт.

Перед проектированием трубопроводного транспорта необходимо определить следующие параметры: диаметр трубопровода, давление продукта на входе в трубу и мощность для выполнения прочностных расчётов и для подбора двигателя.

1. 
   Исходные параметры.
   

1. 
   Рецептура.
   
2. 
   Производительность трубопровода М_С, кг/с:
   

, (5.1)

где: М_СМ – выработка за смену, кг;

t_Р – эффективное время работы в смену, ч.

3. 
   Общая длина трубопровода l, м, с учётом поворотов (отношение радиуса закругления к диаметру трубы должно быть больше шести, с тем чтобы не учитывать потери в местных сопротивлениях).
   

2. 
   Выбираемые параметры.
   

Скорость движения продукта по трубопроводу w₀, м/с, (чем больше вязкость продукта, тем меньше скорость).

3. 
   Расчётные параметры.
   

1. 
   Объёмный расход V_С, м³/с:
   

. (5.2)

2. 
   Диаметр трубопровода d₀, м:
   

. (5.3)

По значению диаметра d₀ по ГОСТу выбирают ближайшую величину d, м. Действительную среднюю скорость w, м/с, вычисляют по формуле:

. (5.4)

3. 
   Консистентную переменную (градиент скорости) , 1/с, вычисляют по формуле:
   

. (5.5)

Безразмерная консистентная переменная:

, (5.6)

где: = 1, т.е. градиент скорости, равный единице его измерения.

4. 
   Консистентную переменную (напряжение сдвига) τ, Па, определяют по формуле:
   

, (5.7)

или

, (5.8)

где: А₁ – напряжение сдвига при единичном значении градиента скорости, Па;

n – индекс течения;

р – потери давления или давление на выходе из насоса, Па.

Величины А₁ и n выбирают по таблицам или определяют по формулам:

, (5.9)

n = 1 – m, (5.10)

где: – эффективная вязкость, Па·с, при единичном значении градиента скорости;

m – темп разрушения структуры соответственно.

5. 
   Потери давления р, Па – давление продукта на выходе из насоса, определяют по формуле:
   

. (5.11)

Полезная мощность насоса N, кВт:

N = pV_С·10^–3. (5.12)

4. 
   Выбор оборудования.
   

1. 
   Насос выбирают по требуемой производительности трубопровода М_С или М_Ч = 3600 М_С, принимая во внимание, что объёмный к.п.д. составляет 0,5 ÷ 0,6.
   
2. 
   Мощность электродвигателя N_ЭД, кВт:
   

, (5.13)

где α – коэффициент запаса мощности (для коротких трубопроводов до 5 м α = 1,2; для длинных α = 1,5);

К_П, К_Н, К_Ш – к.п.д. соответственно механических передач от электродвигателя к насосу, насоса и шнеков (питателей);

N ,N_Ш – полезная мощность, развиваемая насосом и шнеком соответственно, кВт.

Электродвигатель выбирают по каталогу.

5.2 Расчёты процессов дозирования
Процессы дозирования по назначению чрезвычайно многообразны. Одной из основных задач дозирования является создание базы для механизации и автоматизации производственных процессов при одновременном обеспечении точности и соблюдения рецептуры. Наиболее типичными функциями дозирования являются отмеривание продукта по заданному объёму, массе, длине и поддержке заданного объёмного или массового расхода.

Различают два метода дозирования: по объёму и по массе. При объёмном дозировании реологические свойства продукта и способ заполнения формы определяют процесс и конструкцию машины, при массовом – имеют второстепенное значение. Поэтому рассмотрим только первый способ на примере дозирования пластично-вязких масс. Схематически метод объёмного дозирования можно представить как отмеривание определённого объёма продукта и заполнение тары. В одну тару можно дозировать несколько компонентов. Поскольку продукты являются труднотекучими, то их подачу в рабочие органы следует осуществлять принудительно: с помощью напорных шнеков или лопастей, насосов или поршневых шприцев.

При конструировании дозирующих устройств обычно исходят из кинематики питающих устройств, не увязывая кинетические расчёты с динамикой течения продукта и его реологическими свойствами. Заполнение формы пластично-вязким продуктом представляет собой нестационарный процесс. Продукт, подходя к форме, деформируется и движется в ней, имея выпуклую верхнюю поверхность. При подходе к крышке ил дну формы скорость продукта замедляется и начинается заполнение углового пространства. Процесс считается законченным, когда весь объём формы занят продуктом. Необходимое для этого давление складывается из следующих составляющих: потери в местных сопротивлениях – внезапное сужение на входе в форму р_М; потери при движении по длине формы р_ДЛ и давление, необходимое для окончательного заполнения формы р_СЖ (его величину определяют в центре крышки, когда угловые пространства заполнены продуктом).

Продолжительность заполнения формы обычно известна. Поэтому в качестве основной расчётной величины можно принять полное давление, которое необходимо создать перед формой для её заполнения в заданный промежуток времени. Если давление превышает необходимое, то продукт сжимается, плотность его увеличивается, что приводит к увеличению массы дозы. При недостаточном давлении масса дозы получается меньше установленной.

Таким образом, полное оптимальное давление р, Па, перед входом в форму составит:

р = р_М + р_ДЛ + р_СЖ. (5.14)

Составляющие общего давления вычисляют по зависимостям:

; (5.15)

; (5.16)

, (5.17)

где: А₂, С₁, D – эмпирические коэффициенты;

l, d_Э – длина дозатора и эквивалентный диаметр поперечного сечения;

w – средняя скорость заполнения дозатора, м/с;

w^* – кинематический коэффициент, зависящий от средней скорости движения продукта в дозаторе;

а – геометрический коэффициент, зависящий от площади сечения дозатора F, м, его формы и специфики заполнения углового пространства у дна, последнее отражается величиной а^*.

w^* = w + 0,004, (5.18)

a = 56 (F · 10²)^2,5 + a^*. (5.19)

Предельное напряжение сдвига и эффективную вязкость берут из таблиц или рассчитывают на основе экспериментальных данных.

3. 
   РЕОМЕТРИЯ В МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
   

1. 
   Сдвиговые, компрессионные и поверхностные
   

характеристики молочных продуктов
По виду приложения усилия или напряжения к продукту реологические свойства можно разделить на три связанные между собой группы. Сдвиговые свойства характеризуют поведение объёма продукта при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений. Изучение их занимает основное место в реологии. Компрессионные свойства характеризуют поведение объёма продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутом объёме, между двумя пластинами или при каком-либо другом способе растяжения – сжатия образца продукта. Поверхностные свойства характеризуют поведение поверхности продукта на границе раздела с другим, твёрдым материалом при воздействии нормальных (адгезия, липкость) и касательных (внешнее трение) напряжений.
6.1.1 Сдвиговые характеристики жидкообразных систем
Коровье молоко представляет собой сложную полидисперсную систему, дисперсионной средой которой является вода (83 – 89 %), дисперсной фазой – жир, белки, газы т.д. (17 – 11%).

Вязкость молочных продуктов можно представить как сумму вязкости дисперсионной среды и дисперсной фазы, а так же приращение вязкости вследствие образования структуры:

(6.1)

где: Т^* – избыточная обратная абсолютная температура, 1/К;

R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль∙К);

v_ДФ – объёмная концентрация дисперсной фазы, м³/м³.

Член, стоящий пред фигурной скобкой, характеризует изменение вязкости от температуры; 4,5v_ДФ – поправка на дисперсную фазу; второй комплекс в фигурных скобках учитывает приращение вязкости за счёт структуры.

Структурная составляющая вязкости молока исчезает после механического воздействия на молоко (например, многократное пропускание одной и той же порции молока через капиллярную трубку), что приводит к снижению вязкости.

У концентрированных белковых молочных продуктов, наоборот, структурная компонента вязкости настолько велика, что в сравнении с ней вязкостью дисперсионной среды можно пренебречь. При этом концентрированной белковой массе будут присущи предельное напряжение сдвига и аномалия вязкости.

Вязкость молока, замеренная на вискозиметре Гепплера, уменьшается с повышением температуры (рис. 6.1). Это явление наблюдается до тех пор, пока температура молока не перейдёт предел, выше которого начинается денатурация белков молока, сопровождаемая реакцией меланоидинообразования, вследствие чего темп возрастания вязкости молока с увеличением температуры повышается. Этот процесс необратим, поэтому после охлаждения молока до первоначальной температуры его вязкость будет выше прежнего значения.

Добавление к молоку соли повышает его вязкость, которая становится ещё больше после пастеризации молока при высокой температуре, добавление к молоку перекиси водорода также приводит к возрастанию его вязкости.

Вязкость сгущенных молочных продуктов уменьшается с повышением температуры, но увеличивается с повышением концентрации сухих веществ. Высокотемпературная обработка также приводит к повышению вязкости.

Сгущенное цельное молоко и обезжиренное молоко без сахара при концентрации сухих веществ 45% проявляют малую аномалию вязкости.

Сгущённые молочные продукты с сахаром являются псевдоэластичными неньютоновскими жидкостями. Для всех наименований сгущённых молочных продуктов с сахаром, выпускаемых отечественной пищевой промышленностью, разработана единая температурно-инвариантная характеристика вязкости, график которой показан на рис. 6.2:

, (6.2)

где: η – вязкость при градиенте скорости (с^–1), Па∙с;

η₀ – наибольшая ньютоновская вязкость, Па∙с;

τ_Р – осреднённый период релаксации, с.

Для сгущённых молочных продуктов с сахаром осреднённое значение периода релаксации равно 2,5∙10^–5 с. В интервале изменения от 2∙10^–2 до 3 безразмерная вязкость сгущённых молочных продуктов с сахаром может быть выражена по формуле:

. (6.3)

Значения наибольшей ньютоновской вязкости сгущённых молочных продуктов с сахаром сразу же после сгущения должны находиться в пределах от 2 до 5 Па∙с.

Вследствие развития структурообразования вязкость таких продуктов быстро увеличивается, особенно в течение первых суток. Заметное увеличение вязкости продолжается на протяжении первых трёх месяцев, после чего темп прироста вязкости резко снижается и значение вязкости асимптотически приближается к некоторой предельной величине. На вязкость сгущённых молочных продуктов существенное влияние оказывает применяемый способ сгущения. Так, например, вследствие длительного пребывания молока в вакуумных выпарных аппаратах циркуляционного типа (без принудительной циркуляции) его вязкость оказывается выше, чем у молока, сгущённого в плёночных выпарных аппаратах (с падающей плёнкой) при одинаковых значениях концентрации сухих веществ. Вязкость сгущённых молочных продуктов с сахаром зависит также и от способа внесения сахара в молоко.

Вязкость кисломолочных продуктов во много определяется видом вносимой в молоко закваски, а также видом и количеством применяемого стабилизатора. Добавление к сливкам казеината натрия способствует упрочнению структуры сгустка и способствует лучшему восстановлению структуры. Так, например, достаточно к сливкам жирностью 20% добавить 1,2% казеината натрия, чтобы полученная из них сметана обладала такой же консистенцией, как и с 30%-ной жирностью.

Вязкость сливок коровьего молока. В зависимости от концентрации жира сливки могут быть отнесены как к ньютоновским, так и к неньютоновским жидкостям. Сливки с содержанием жира до 30% незначительно проявляют аномалию вязкости, и при инженерных расчётах их можно отнести к ньютоновским жидкостям. К ньютоновским жидкостям относятся также сливки и с более высоким содержанием жира, если жир находится в расплавленном состоянии.

Вязкость сливок с содержанием жира 0,3 – 0,5 кг/кг может быть определена по формуле В.А. Ересько:

. (6.4)

Для сливок с содержанием жира 0,6 – 0,83 кг/кг

. (6.5)

Формула справедлива при значениях ; ; R = 8,314 Дж/(моль∙К).

Энергия активации сливок, проявляющих неньютоновское течение, зависит от концентрации в них жира, так и от величины градиента скорости.

Вязкость сливок во многом определяется фракцией жира с высокой и низкой температурой плавления, продолжительностью и условиями их хранения. Сливки после созревания перед сбиванием их в масло имеют большую вязкость, чем сливки, полученные из свежего молока и не подвергавшиеся созреванию.

Вязкость сливочного масла. Вязкость расплавленного масла практически соответствует вязкости сливок при одинаковой температуре и таком же содержании жира. Вязкость масла η_ЭФ (Па∙с), полученная на вискозиметре "Reotest" при температуре ниже температуры фазовых переходов большинства фракций жира, может быть определена по формуле:

. (6.6)

Вязкость масла, полученного методом непрерывного сбивания, можно также определить по формуле:

. (6.7)
<предыдущая страница | следующая страница>