CC BY
15
УДК 665.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-155-160
АНАЛИЗ ПЛОТНОСТИ И РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР
Н.Л. Клейменова, М.А. Болгова, М.В. Копылов, И.Н. Болгова
Настоящая работа посвящена изучению реологических свойств растительных масел с акцентом на льняное, расторопши и горчичное масла, полученных методом холодного отжима. Знание реологических свойств является основным условием для описания поведения пищевого продукта в процессе обработки. Физические свойства - динамическая и кинематическая вязкость, плотность изменяются в зависимости от температуры. Все эксперименты проводились в температурном диапазоне от 20 °С до 120 °С. Плотность масла определяли на плотномере ВИП-2МР при различных температурах. Полученные результаты представлены в виде графических зависимостей реологических параметров и плотности от температуры. Зависимости плотности образцов от температуры характеризовались убывающей линейной функцией в пределах заданного диапазона температур. Динамическую вязкость измеряли с помощью ротационного вискозиметра Brookfield DV-II+PRO при изменяющейся температуре. Результаты по динамической вязкости для льняного масла показали значения более низкие по сравнению с маслами расторопши и горчичного: от 64,75 Па с до 5,49 Па с при температурах 20 оС до 120 оС Кинематическую вязкость растительных масел определяли расчетным путем. Зависимости динамической и кинематической вязкости растительных масел от температуры имели убывающую экспоненциальную форму, что соответствует уравнению Аррениуса. На основании измеренных значений видно, что кинематическая вязкость льняного масла ниже по сравнению с вязкостью масел горчичного и расторопши. Также получены уравнения регрессии и коэффициенты детерминации для растительных масел. Изучение реологических свойств растительных масел имеет важное значение для улучшения некоторых аспектов процессов переработки масличного сырья. Поэтому информация, содержащаяся в этой работе, важна для проектирования оборудования (отстойников и резервуаров для хранения, центрифуг и т. п.).
Ключевые слова: реологические свойства, плотность, температура, растительные масла.
В технологических процессах производства, хранения и переработки необходимо знать для оценки качества реологические свойства пищевых продуктов [1, 2]. Реологические свойства являются очень сложными характеристиками. Они были измерены для различных пищевых материалов: клубничного пюре [3], смесь яблочного жмыха и пшеничной муки [4], виски [5], сырого и ультрапастеризован-ного молока [6] и т. п.
Arash Koocheki и соавторы [7] провели исследование реологических свойств кетчупа при различных концентрациях стабилизаторов. Min Zhang и другие [8] исследовали реологические свойства белка рыбной кожи. Реологическое поведение шоколада при разных температурах изучалось авторами [9] с помощью вискозиметра с концентрическим цилиндром с прецизионным адаптером для небольших образцов, датчиком температуры и стандартным шпинделем. Авторы установили, что температурная зависимость вязкости уменьшалась в диапазоне температур от 35 °C до 62 °C. Это снижение было рассчитано с использованием степенного уравнения. Лисин П.А. и соавторы [10] проводили реологические измерения с целью оценки структуры йогурта, обогащенного инулином и курагой, для разработки нормативного документа контроля параметров. Авторами [11] исследовано изменение эффективной вязкости и касательных напряжений майонеза провансаль «Колибри» в зависимости от градиента скорости и температуры продукта. Остриков А.Н. и другие [12] изучали теплофизические и реологические свойства сливочно-растительного спреда при перемешивании и кристаллизации для выбора оборудования при проектировании. Ермолаев и другие [13] исследовали вязкостные свойства растворов крахмалов. Авторы выяснили, что через 900 с вязкость увеличилась, а свойства растворов стали псевдопластичными при набухании продукта.
Вязкость - важное реологическое свойство многих жидких продуктов. Влияние температуры на вязкость жидкостей связано с различием их молекулярной структуры. По теории Эйринга молекулы жидкостей непрерывно перемещаются в вакансии и вязкость представлена уравнением Аррениуса:
_ Еа.
Ч = Че RT , (1)
где Ч0 - эталонное значение динамической вязкости, Па-с; ЕА - энергия активации, кДж/моль; R - газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т - абсолютная температура, оС.
Температурную зависимость вязкости также можно объяснить силами сцепления между молекулами [14]. При повышении температуры эти когезионные силы между молекулами уменьшаются, и поток становится более свободным. В результате вязкость жидкостей уменьшается с повышением температуры. В жидкостях межмолекулярные (когезионные) силы играют важную роль. Вязкость жидкостей мало зависит от плотности, скорости молекул или длины свободного пробега.
Свойства различных растительных масел исследовали многие авторы. Moser и другие [15] проанализировали состав и физические свойства выбранных растительных масел (кресс-салат, полевой пенникресс и соя).
ЕтЬе^ег и соавторы [16] изучили химический состав и физические свойства десяти растительных масел (кокосовое, пальмовое, высокоолеиновое подсолнечное, рапсовое, подсолнечное, рыжиковое, льняное, соевое, кукурузное, ятрофа). Они также исследовали его воспламенение и поведение при горении после впрыска в камеру сгорания постоянного объема.
Растительные масла содержат смеси жирных кислот в пропорциях, которые зависят от исходного сырья. Состав жирных кислот оказывает большое влияние на свойства масла и качество пищевых продуктов. Знание этого воздействия должно облегчить процесс выбора источников масла с целью производства продуктов питания с необходимыми характеристиками [17, 18].
Все химические анализы проводили в трехкратной повторности. Данные выражены как средние значения ± или 2с стандартное отклонение. Полученные результаты оценивали с помощью программы Statistica 10.
Измерения проводились в ФБУ «Ростест-Москва» Орехово-Зуевского филиала при температуре 20 °С, атмосферном давлении 101,3 кПа и относительной влажности воздуха 50 % на трех образцах растительных масел (льняного, горчичного и расторопши), полученных методом холодного отжима на маслопрессе. Образцы растительных масел охлаждали до температуры 3 °С и измеряли динамическую вязкость при заданных температурах. В ходе экспериментов были проанализированы следующие параметры: динамическая вязкость, кинематическая вязкость и плотность. Выбранные параметры измерялись в диапазоне от 20 °С до 120 °С. Технологические операции с растительными маслами осуществляются в диапазоне температур примерно до 120 °С. Этим обусловлен выбранный интервал температур для исследования свойств масел.
Реологические измерения растительных масел осуществляли ротационным вискозиметром ВшокйеИ DV-П+PRO в заданном диапазоне температур.
Плотность растительных масел определяли плотномером ВИП-2МР при тех же температурах. Кинематическую вязкость определяли, как отношение динамической вязкости п к плотности растительного масла р при заданных температурах:
, (2)
Р
где р - плотность растительного масла, кг/м3.
Цель исследования - сравнение реологических свойств масел горчичного, льняного и расто-ропши (плотности, динамической и кинематической вязкости), измеренных в технологическом диапазоне температур от 20 до 120 °С.
На рис. 1 представлены температурные зависимости динамической вязкости растительных масел.
-& „
о !
80 60 40 20 0
-е- 6
й о
5,49
80 60 40 20 0
67,98
У = 36,79е"0, Э23х
30,49 4
10,6 9,72
20 40 60 80 100 Температура, °С
120
Льняное масло
Экспоненциальная (Льняное масло)
а
20 40 60 80 100 120
Температура, оС ^^^"Горчичное масло
-Экспоненциальная (Горчичное
масло)
б
100 50 0
У 69,33 У = R2 76,963е" = 0,902 ,02х 3
10,79 > 9,91
■ -&
СП
о
20 40 60 80 100 Температура, оС
120
О Масло расторопши
-Экспоненциальная (Масло расторопши)
в
Рис. 1 Температурные зависимости динамической вязкости для растительных масел: а - льняное; б - горчичное; в - расторопши
156
Представленные зависимости можно описать убывающей экспоненциальной функцией, которая согласуется с уравнением Аррениуса (1). Подобные выводы были сделаны авторами Diamante и Lan [19].
Для льняного масла получены более низкие значения динамической вязкости в сравнении с маслами расторопши, горчичным: от 64, 75 Па-с при температуре 20 оС до 5,49 Па-с при 120 оС.
На рис. 2 представлены зависимости плотности исследуемых масел в диапазоне температур от 20 до 120 °C.
Льняное масло Масло расторопши Горчичное масло
Рис. 2. Зависимости плотности растительных масел в диапазоне температур от 20 до 120 °С
Анализ рис. 2 показал, что значения плотности снижаются с увеличением температуры для образцов масел при одном и том же наклоне. В исследуемом диапазоне температур использовалась линейная убывающая функция. Такой же тип зависимости использовался авторами [20]. Более высокие значения плотности имеет льняное масло: 932,6 кг/м3 при температуре 20 °С и 876,3 кг/м3 и 120 °С.
На рис. 3 представлены температурные зависимости кинематической вязкости полученных образцов.
Рис. 3. Температурные зависимости кинематической вязкости растительным масел
Значения кинематической вязкости льняного масла также были ниже по сравнению с другими. Зависимости кинематической вязкости от температуры можно описать также функцией уменьшения для исследуемых образцов масла. Уравнения регрессии и коэффициенты детерминации для растительных масел показаны в табл.
Уравнения регрессии^ и коэффициенты детерминации для растительных масел
Образцы Уравнения Коэффициенты детерминации
Льняное масло у = -0,5663х+942 R2 = 0,9936
Горчичное масло у = -0,528х+930,13 R2 = 0,9949
Масло расторопши у = -0,5653х+925,12 R2 = 0,9966
Уравнения, представленные в ходе исследования, могут быть полезны для проектирования или оценки систем и оборудования, которые используются для хранения, обработки и других технологических операций, а также применения растительных масел.
Растительные масла, полученные методом холодного отжима очень сложны по своему составу, физическим и реологическим свойствам. Эти свойства зависят от внешних условий и других факторов, определяющих их поведение. В этой статье были измерены и проанализированы реологические свойства и плотность выбранных растительных масел. Исследовано влияние температуры на показатели образцов растительных масел и проведено их сравнение. Температурные зависимости динамической и кинемати-
ческой вязкости растительных масел имели убывающий вид. Получены линейные убывающие функции при температурных зависимостях плотности исследуемых масел в заданном диапазоне температур. Было замечено, что значения динамической и кинематической вязкости для льняного масла первого отжима были ниже, чем для масел горчичного и расторопши, что могло быть вызвано различным составом масел. Плотность масла расторопши первого отжима имеет более низкие показатели, скорее всего, по той же причине.
Исследование реологических свойств растительных масел является важным аспектом для улучшения процесса переработки масличного сырья. Полученные результаты необходимы для проектирования оборудования (отстойников и резервуаров для хранения, центрифуг и т. п.).
Список литературы
1. Rubalya V.S., Mukesh Kumar V. & Devasena T. Selected Rheological Characteristics and Physi-cochemical Properties of Vegetable Oil Affected by Heating International // Journal of Food Properties. 2016. V. 19 (8). P. 1852-1862.
2. Волков С.М., Новоселов А.Г., Федоров А.В., Кулишов Б.А., Федоров А.А. Моделирование структурно-реологических свойств пищевых растительных масел // Ползуновский вестник. 2017. №. 3. С. 19-26.
3. Bukurov M., Bikic S., Babic M., Pavkov I., Radojcin M. Rheological behavior of Senga Sengana strawberry mash // Journal on Processing and Energy in Agriculture. 2012. V. 16(4). P. 142-146.
4. Diosi G., More M., Sipos P. Rheological properties of the mixture product of apple pomace and wheat flour // Journal on Processing and Energy in Agriculture. 2014. V. 18(4). P. 151-153.
5. Hlavac P., Bozikova M., Cviklovic V. Dynamic viscosity and activation energy of wort during fermentation and storing // Acta Technologica Agriculturae. 2016. V. 19(1). P. 6-9.
6. Kumbar V., Nedomova S. Viscosity and analytical differences between raw milk and UHT milk of Czech cows // Scientia Agriculturae Bohemica. 2015. V. 46. P. 78-83.
7. ArashKoocheki, Amir Ghandi, Seyed M.A. Razavi, Seyed Ali Mortazavi, Todor Vasiljevic. The rheological properties of ketchup as a function of different hydrocolloids and temperature // International Journal of Food Science and Technology. 2009. V. 44. P. 596-602.
8. Min Zhang and others, Rheological properties of fish skin collagen solution Effects of temperature and concentration // Korea-Australia Rheology Journal. 2010. V. 22(2). P. 119-127.
9. Kumbar V., Nedomova S., Ondrusikova S., Polcar A. Rheological behaviour of chocolate at different temperatures // Potravinarstvo. 2018. V. 12(1). P. 123-128.
10. Лисин П.А., Пасько О.В., Есипова М.С. Реологическая оценка структуры йогурта обогащенного // Вестник ОмГАУ. 2017. №2 (26). URL: https://cyberleninka.ru/article/n7reologicheskaya-otsenka-struktury-yogurta-obogaschennogo (дата обращения: 23.03.2023). С. 111- 120.
11. Николаев Б.Л., Николаев Л.К., Денисенко А.Ф., Круподёров А.Ю. Влияние температуры продукта, градиента скорости и касательных напряжений на реологические характеристики майонеза провансаль «Колибри» // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2013. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/nvhyanie-temperatey-produkta-gradienta-skorosti-i-kasatelnyh-napryazheniy-na-reologicheskie-harakteristiki-mayoneza-provansal (дата обращения: 23.03.2023).
12. Остриков А.Н., Горбатова А.В., Филипцов П.В. Исследования теплофизических и реологических свойств сливочно-растительного спреда // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2016. № 2 (68). С. 22-27.
13. Ермолаев Я.Ю., Попов А.М. и др. Исследования растворов модифицированных гречневого и ячменного крахмалов // Хранение и переработка сельхоз сырья. 2012. №3. С.33 - 35.
14. Валентас К.Дж., Ротштейн Э., Сингх Р.П. Пищевая инженерия: справочник с примерами расчетов / Пер. с англ. под общ. науч. ред. А. Л. Ишевского. - СПб.: Профессия, 2004. - 848 с., ил., табл., сх. - (Серия: Справочник).
15. Moser B.R., Shah S.N., Winkler-Moser J.K., Vaughn S.F., Evangelista R.L. Composition and physical properties of cress (Lepidium sativum L.) and field pennycress (Thlaspi arvense L.) oils // Industrial Crops and Products. 2009. V. 30. P. 199-205.
16. Emberger P., Hebecker D., Pickel P., Remmele E., Thuneke K.. Ignition and combustion behaviour of vegetable oils after injection in a constant volume combustion chamber // Biomass and Bioenergy. 2015. V. 78. P. 48-61.
17. Копылов М.В., Болгова И.Н., Клейменова Н.Л., Терёхина А.В., Желтоухова Е.Ю. Разработка ресурсосберегающей технологии комплексной переработки масличных культур на сырьевые компоненты // Ползуновский вестник. 2019. № 2. С. 7-11.
18. Саранов И.А., Рудаков О.Б., Полянский К.К., Клейменова Н.Л., Ветров А.В. Дифференциальная сканирующая калориметрия жидких растительных масел // Химия растительного сырья. 2020. № 4. С. 157-164.
19. Diamante L.M., Lan T. Absolute viscosities of vegetable oils at different temperatures and shear rate range of 64.5 to 4835 s-1 // Journal of Food Processing. 2014. Article ID 234583. Р. 6. doi:10.1155/2014/234583.
20. Thomas M.J., Bramblett K.A., Green B.D., West K.N. Thermophysical and absorption properties of brominated vegetable oil // Journal of Molecular Liquids. 2015. V. 211. P. 647-655.
Клейменова Наталья Леонидовна, канд. техн. наук, доцент, klesha78@list.ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный университет инженерных технологий,
Болгова Маория Анатольевна, студентка, bolgova21@yandex.ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный университет инженерных технологий,
Копылов Максим Васильевич, канд. техн. наук, доцент, kopylov-maks@yandex.ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный университет инженерных технологий,
Болгова Инэсса Николаевна, канд. техн. наук, доцент, bolgovainessa@yandex. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный университет инженерных технологий
ANALYSIS OF THE DENSITY AND RHEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF VEGETABLE OILS IN THE TECHNOLOGICAL TEMPERATURE RANGE
N.L. Kleymenova, M.A. Bolgova, M.V. Kopylov, I.N. Bolgova
This work is devoted to the study of the rheological properties of vegetable oils particularly linseed, milk thistle and mustard oils obtained by cold pressing. Knowledge of rheological properties of a food product is basic during its processing. Physical properties - dynamic and kinematic viscosity, density change depending on temperature. All experiments were carried out in the temperature range from 20°C to 120°C. The oil density was determined on a VIP-2MR density meter at various temperatures. The results obtained are presented in the form of graphic dependences of rheological parameters and density on temperature. The dependences of sample density on temperature were characterized by a decreasing linear function within a given temperature range. Dynamic viscosity was measured by Brookfield DV-II+PRO rotational viscometer at changing temperature. The results of dynamic viscosity for linseed oil showed lower values compared to milk thistle and mustard oils: from 64.75 Pas to 5.49 Pas at temperatures from 20 °C to 120 °C. The kinematic viscosity of vegetable oils was determined by calculation. The dependences of the dynamic and kinematic viscosity of vegetable oils on temperature had a decreasing exponential form, which corresponds to the Arrhenius equation. On the based of the measured values, it can be seen that the kinematic viscosity of linseed oil is lower compared to the viscosity of mustard and milk thistle oils. Regression equations and coefficients of determination for vegetable oils are also obtained. The study of the rheological properties of vegetable oils is important for improving some aspects of the processing of oilseed raw materials. Therefore, the information presented in this work is important for suitable equipment designing (settlers and storage tanks, centrifuges, etc.).
Key words: rheological properties, density, temperature, vegetable oils.
Kleymenova Natalia Leonidovna, candidate of technical sciences, docent, klesha 78@list. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State University of Engineering Technologies,
Bolgova Maria Anatolyevna, student, bolgova21@yandex.ru, Russia, Voronezh, Voronezh State University of Engineering Technologies,
Kopylov Maxim Vasilyevic, candidate of technical sciences, docent, kopylov-maks@yandex.ru, Russia, Voronezh State University of Engineering Technologies,
Bolgova Inessa Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, bolgovainessa@yandex. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State University of Engineering Technologies
