CC BY
181
УДК 664.69.002.5
Н. Н. Артемьева, С. А. Давыдова Астраханский государственный технический университет
СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ - ОБЪЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ИХ КАЧЕСТВА
Для решения задач, поставленных перед пищевой промышленностью, необходимо создание нового оборудования и новой технологии [1]. Разработка рациональных конструкций и выбор оптимальных режимов переработки пищевых материалов могут быть обеспечены только на основе глубокого изучения производственных процессов с учетом физико-механических свойств перерабатываемого сырья.
Реология, как наука о деформации и течении различных тел, изучает способы определения структурно-механических свойств сырья, полуфабрикатов и функциональных продуктов, приборы для регулирования технологических процессов и контроля качества на всех стадиях производства. Реология включает в себя два раздела: первый посвящен изучению реологических или, в более общем смысле, структурно-механических свойств реальных тел, во втором рассматривается движение реальных тел в рабочих органах машин и аппаратов и разрабатываются инженерные способы их расчета.
Для проведения реологических исследований свойства тел выражают в виде математических (идеализированных) моделей или уравнений, которые с той или иной степенью точности характеризуют поведение реального тела в процессе деформирования. Недостаток теоретической реологии заключается в том, что простые и понятные модели непригодны для практического использования, а модели, приемлемые для практики, - чрезвычайно сложны. Это положение относится к белковым пищевым продуктам (в частности, к исследуемым макаронным изделиям с повышенной биологической ценностью, структура которых изменена добавками на основе животного и растительного сырья [1]), которые имеют сложное физико-химическое строение и чувствительны к изменению внешних факторов. Для точного описания процессов течения и деформирования этих продуктов необходимы составные комплексные модели теоретической реологии и соответствующие дифференциальные уравнения, что неприемлемо для практических целей. Вследствие этого приходится находить приближенные решения на основе различных гипотез и соображений.
В инженерной реологии обычно ориентируются на отыскание простых зависимостей, т. к. для практики требуются только некоторые средние, суммарные характеристики. С этой целью в теоретических и экспериментальных исследованиях используются различные реологические методы: дифференциальный и интегральный, методы анализа закономерностей и подобия. Разработка, проведение экспериментов и их обобщение в таком направлении позволяют получить физически обоснованные решения, применимые для практических целей.
Реологические или структурно-механические свойства характеризуют поведение продукта в условиях напряженного состояния и позволяют связать между собой напряжения деформации и скорости деформации в процессе приложения усилий. При этом исследование реологического поведения пищевых масс проводится на основе анализа кривых динамики и кинетики деформации, полученных экспериментальным путем. Целью этих исследований является определение наиболее существенных реологических характеристик и на их основе - получение механической и математической модели деформационного поведения реальных тел. Ниже представлены результаты анализа литературных данных об основных реологических характеристиках традиционных макаронных изделий.
Для макаронного теста основными структурно-механическими характеристиками являются вязкостные: модули упругости, эластичности, предельного напряжения сдвига, пластическая вязкость. Наиболее полное исследование вязкостных свойств традиционного макаронного теста в зависимости от изменения технологических параметров теста (влажность, температура) и давления (до 9,8 МПа) проведено Ю. В. Калининым [2] на ротационном вискозиметре. Анализ кривых течения макаронного теста показывает, что с ростом скорости сдвига вязкость макаронного теста уменьшается (модель Бингама). В процессе переработки макаронное тесто имеет температуру 40-45 °С, в связи с чем представляет практический интерес влияние температуры на свойства теста (рис. 1).
Скорость сдвига, с 1 ♦ температура 18 °С —■—температура 40 °С —*—температура 56 °С
Рис. 1. Зависимость пластической вязкости макаронного теста влажностью 30 % при давлении 4,9 МПа от температуры и скорости сдвига
Как видно из рис. 1, повышение температуры теста приводит к уменьшению его вязкости. Так, при увеличении температуры от 40 до 56 °С при скорости сдвига у = 0,3 с-1 вязкость увеличивается на 140 кПа. С повышением скорости сдвига влияние температуры ослабевает: при увеличении скорости сдвига в 4 раза (от 0,3 до 1,2 с-1) величина приращения вязкости снижается в 2,34 раза. При увеличении температуры происходит уменьшение предельного напряжения сдвига. Например, при температуре 18 °С предельное напряжение сдвига равно 18,3 кПа, при 40 °С - 5,6, при 56 °С - 2,1 кПа.
Не менее важно для практических целей знать зависимость реологических свойств теста от его влажности (рис. 2). Результаты исследования показывают, что у макаронного теста, так же как и у других видов мучного теста, повышение влажности приводит к уменьшению вязкости и предельного напряжения сдвига.
Скорость сдвига, с-1
влажность 28,5 % —■ влажность 30 %
— -а— ■ влажность 31 % — ♦ — влажность 32 %
• влажность 33 %
Рис. 2. Зависимость пластической вязкости макаронного теста из муки 1 сорта от скорости сдвига и влажности: температура - 40 °С, давление - 4,9 МПа
Реологические характеристики макаронного теста зависят также от сорта муки (рис. 3). В зависимости от сорта муки изменяется и предельное напряжение сдвига: при тех же значениях влажности, температуры и давления оно равно: для теста из муки высшего сорта - 3,28 кПа, 1 сорта - 5,6 кПа, полукрупки - 15,2 кПа.
Скорость сдвига, с-1
♦ высший сорт —■— 1 сорт —А—полукрупка
Рис. 3. Зависимость пластической вязкости макаронного теста из муки различных сортов от скорости сдвига: температура - 40 °С, влажность - 30 %, давление - 4,9 МПа
Характеристики, приведенные на рис. 1-3, используются при проектировании прессовальных установок. Например, в результате исследований по влиянию интенсивности и длительности замеса на структурно-механические свойства макаронного теста влажностью 30-31,5 % установлено, что предел прочности с увеличением длительности замеса от 10 до 20 мин сначала достигает максимального значения (примерно при длительности 12 мин), а затем снижается, показатели пластических свойств при этом непрерывно увеличиваются. С увеличением частоты вращения месильного органа от 90 до 180 об/мин пластичность теста уменьшается: если относительное удлинение теста при частоте вращения 90 об/мин составляет 248 %, то при 180 об/мин - 194 %. Предел прочности теста с увеличением частоты вращения несколько возрастает: при 90 об/мин он равен 59,8 кПа, при 180 об/мин - 68,5 кПа. Интенсивный замес способствует более компактной «упаковке» твердой фазы в микрообъеме клейковинного геля, что ведет к упрочнению структуры теста [3].
Процессы прессования и сушки неразрывно связаны в технологической цепочке и в конечном итоге определяют качество готового продукта. Как видно из рис. 4, физикомеханические свойства макаронных изделий существенно изменяются в процессе сушки. Диаграмма сжатия макаронных изделий представляет собой типичную диаграмму для упругопластических материалов: вначале наблюдается линейная зависимость между напряжением и деформацией (зона упругой деформации), затем зависимость становится нелинейной (зона упругопластической деформации), заканчивается процесс сжатия пластической деформацией при максимальном напряжении в условиях влажности изделий выше 34 %; при влажности ниже 33-34 % наблюдается явно выраженный предел прочности. При влажности 33,2 % и ниже происходит значительное уменьшение пластических деформаций, изделия обладают в основном упругими свойствами.
а
б
Рис. 4. Изменение структурно-механических характеристик макаронных изделий в процессе сушки: а - модуль предельного напряжения сдвига; б - модуль упругости
Таким образом, протекание разнородных процессов: механических, тепловых, диффузионных - в значительной степени определяется структурно-механическими свойствами, которые зависят от внутреннего строения и состава продукта, характера взаимодействия частиц или молекул между собой, физико-химического состояния влаги в материале, т. е. от типа структуры.
Анализ выявил отсутствие информации о структурно-механических характеристиках макаронных изделий с повышенной биологической ценностью. Целью дальнейшего исследования является получение набора структурно-механических характеристик для макаронного теста и готовых макаронных изделий, структура которых изменена добавками на основе животного и растительного сырья.
В рамках поставленной цели, при помощи инженерной реологии и на основе биохимических, биофизических и органолептических показателей, необходимо решить следующие задачи:
- изучить сущность процессов, участвующих в структурообразовании нетрадиционных макаронных изделий;
- определить нормативные структурно-механические свойства, характеризующие качество изделий, для их использования в технологической документации;
- получить данные для расчета и создания специализированного технологического оборудования.
Для вычисления величин структурно-механических свойств и обобщения данных наблюдений важен выбор исходной математической модели (теоретической или эмпирической), которая с наибольшим приближением описывает поведение продукта в реальном процессе. Для расчета рабочих органов машин и аппаратов следует пользоваться теоретическими или критериальными уравнениями с обязательной проверкой их при испытаниях на пилотных или натурных установках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Давыдова С. А., Артемьева Н. Н. Анализ структурно-механических и теплофизических характеристик макаронных изделий с повышенной биологической ценностью при исследовании процесса суш-
ки // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2006. - № 2(31). - С. 129-134.
2. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов / А. В. Горбатов, А. М. Маслов,
Ю. А. Мачихин и др.; Под ред. А. В. Горбатова. - М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1982. - 296 с.
3. Назаров Н. И. Общая технология пищевых производств. - М.: Пищ. пром-сть, 1981. - 360 с.
Статья поступила в редакцию 20.12.2006
STRUCTURAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF MACARONI PRODUCTS - OBJECTIVE INDICES OF THEIR QUALITY
N. N. Artemyeva, S. A. Davydova
The results of the analysis of literary data on the main rheological characteristics of traditional macaroni products are shown in the paper. The dependences of plastic viscosity of macaroni pastry on the shear rate are given. These dependences are used in designing of compression plants. The influence of temperature, moisture and class of flour on pastry quality is examined. The essential change of physical and mechanical properties of macaroni products in the process of baking is also shown. As a result of the analysis of the main structural and mechanical characteristics of traditional macaroni products, the absence of information of structural and mechanical characteristics of macaroni products with high biological value is revealed, and the main tasks for further investigation are set.
