CC BY
10УДК 664
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ, СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ ИХ СТРУКТУРНЫЕ КОМПОЗИЦИИ И СВОЙСТВА
Панков Юрий Владимирович, кандидат химических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: PankovV@yandex.ru)
Минухин Леонид Аронович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры пищевой инженерии аграрного производства ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 221-4110)
Рецензент:В.А.Тимкин, кандидат технических наук, доцент, профессор, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 912 240 70 50; , Е-mail: ural.membrana@yandex.ru )
Ключевые слова: биотехнологические массы, высокомолекулярная, структура, блочная, цепочная, пузыри, фаза, твердая, объем, свободный, свойства, пластичность, эластичность, разрыхление.
Аннотация:
Высокомолекулярный материал биотехнологической среды определяет физико-химические и механические свойства изделия. Структура материала изделия определяется твердой фазой, свободным объемом и исключенным объемом. Исключенный объем отвечает за набухание материала. Между объемом фаз существует определенное соотношение. Соотношение этих объемов определяет структуру материала и его физико-механические свойства. Структурные композиции изделия создаются рецептурой и технологией. Объективно учитывается существование в природе трех структурных композиций: блочной, цепочной и в форме пузыря. Каждая структура обладает своим реологическим свойством, которое создается технологическим процессом. Реологическоесвойствоопределяетоткликматериаланамеханическоевоздействие.
BIOTECHNOLOGICAL PRODUCTION OF FOOD WEDNESDAY, STRUCTURAL UNITS OF THE COMPOSITION AND THEIR STRUCTURAL PROPERTIES
Y.V. Pankov,candidate of chemistrysciences, associate professor, Ural State Agrarian University (620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: PankovV@yandex.ru)
L.A. Minukhin, doctor of technical sciences, professor, professor of food engineering of agrarian production, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. +7 (343) 221-41-10) Reviewer V. A. Timkin, candidate of technical sciences, associate professor, professor, Ural state agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. +7 912 240 70 50;, E-mail: ural.membrana@yandex.ru)
Keywords: biotechnological weight, high molecular weight, structure, block, chained, bubbles, phase solid, the volume of free properties, ductility, elasticity, loosening. Annotation:
The high material biotech environment determines the physical, chemical and mechanical properties of the product. The structure of the material is determined by a solid phase products, free volume and excluded volume. The excluded volume is responsible for the swelling of the material. Between phases volume there is a certain relationship. It determines the ratio of the volume of its material structure and physico-mechanical properties. The structural composition of product formulations and technologies are created. Objectively considered to exist in the nature of three structural compositions: block, chained and form a bubble. Each structure has its rheological properties, which process is created. The rheological property determines the response of the material to a mechanical action.
Технология переработки пищевых масс и технологии производства готовых продуктов питания должны учитывать образование и разрушение структурных композиций создающихся контактами между частицами веществ находящихся в соприкосновении при их движении в объеме технологического пространства. Каждый раз структурная композиция
биотехнологической среды меняется при изменении рецептурного состава применяемых веществ. При этом меняются химические, физические и механические контакты и связи между дисперсными частицами.
Как устроена биотехнологическая среда? Воспользуемся классификационными признаками дисперсных систем и составим общую модель структурной композиции. Различают три варианта
реологических систем: первая система - твердое тело + газ; вторая система - твердое тело + жидкость; третья система - твердое тело + жидкость + газ, [1].
На рисунке (1а) моделируется деление пространства системы двумя фигурами. Одна фигура круг (шар) вторая фигура ромб (ромбовидное тело - свободный объем) между кружками (шарами). Эксперимент показывает, что емкость заполненная шарами и водой, имеет 1/3 объема воды и 2/3 объема шаров.
а) б) в) г)
Рисунок 1 - Структурные композиции биотехнологических масс.а - модель заполнения объема дисперсными частицами; б - модель блочной структуры; в - модель цепочной структуры; г - модель структуры пузырей (полимерных оболочек).
Итак, мы имеем системы различных композиций из структурных единиц высокомолекулярного состава создаваемых из условия деления объема биотехнологической среды на свободный объем (1/3) и объем твердой фазы (2/3). Применяя инверсию можно создавать композицию наоборот 1/3 - твердой фазы и 2/3 свободного объема. Свободный объем заполняется низкомолекулярным веществом (газ, жидкость), а твердая фаза заполняет материал рецептурного состава веществ. Для продуктов питания твердая фаза создается из высокомолекулярного материала (полимера). Наличие рецептурных структурообразующих веществ материалов дисперсной системы придает ей своеобразные механические свойства (пластичность, вязкость, упругость),
Структурообразование в дисперсных системах, самопроизвольное соединение частиц дисперсной фазы и их агрегатов в пространственные структуры, срабатывает закон самоорганизации. В основе классификации структурированных дисперсных систем, разработанных представлений П.А. Ребиндером о структурах, лежит тип связей - контактов, возникающих между дисперсными частицами. Спонтанное образование пространственных коагуляционных структур - важнейшее свойство распространенных в природе и технологиях многообразных концентрированных дисперсных систем.
Например, молекулы аминокислот способны к полимеризации. Молекулы способные образовывать ковалентные связи содержат две разные химические группы. Это аминогруппа (-
ККН) и карбоксильная группа (-СООН). При взаимодействии КЫН и СООН - групп образуется пептидная (амидная) связь, в соответствии с рисунком (рис.2).
Рисунок 2 - Пептидная цепь белковых аминокислот
Коагуляционные структуры образуются частицами твердой фазы при наличии жидкой дисперсной среды и характеризуются сравнительно слабыми по силе взаимодействиями контактов между частицами. Прочность этих контактов определяется ван-дер-ваальсовыми силами сцепления по лиофобным участкам макромозаичной поверхности частиц через тончайшие прослойки дисперсной среды [1]. Технологические приемы и рецептура дисперсной системы позволяют создавать свойства биотехнологической среды и структурное строение материала изделия. Структурное строение высокомолекулярного вещества и материала реализуется через структурные единицы (элементы): агрегируемое (блочное) объединение дисперсных частиц, цепное объединение и оболочки (пленки) пузырей.
Пластичные свойства. Технологический прием добавления масла в тесто позволяет создавать пластичный материал, что является элементарным шагом управления механическими свойствами. Управление механическими свойствами коагуляционных структурированных дисперсных систем основано на представлении П.А. Ребиндера о фазовых контактах между твердыми дисперсными частицами и жидкой дисперсионной средой по двум основным причинам: молекулярным сцеплением частиц дисперсной фазы друг с другом в местах наименьшей толщины прослоек дисперсионной среды между ними;
наличием тончайшей пленки в местах контакта между частицами. П.А. Ребиндером было показано, что в коагуляционных структурах оболочки жидкой дисперсионной среды при сближении частиц полностью не вытесняются, а принимают минимальную толщину, близкую к бимолекулярному слою.
Так формируется блочная структура (рис.1б) агрегируемых частиц дисперсных систем. Именно в связи с наличием тончайших устойчивых прослоек жидкой среды в участках сцепления, препятствующих дальнейшему сближению частиц, коагуляционные структуры имеют большую пластичность, но пониженную прочность по сравнению с контактами жестких частиц или цепочных структур.
Эластично-упругие свойства биотехнологической среды. Динамическое поведение молекул тесно связано с их пространственной химической структурой. На рисунке (1в) цепная структура
высомолекулярного вещества. Мономерные звенья связаны в цепь. Это означает, что они не в состоянии двигаться независимо друг от друга. На языке физики это означает, что полимерные системы бедны энтропией. Полимерные цепи в основном гибкие. Длины полипептидных цепей молекул белков находятся в диапазоне от нескольких десятков до многих тысяч звеньев N. Переход из одной конформации в другую осуществляется за счет поворотов вокруг одинарных химических связей с преодолением потенциальных барьеров. Отличительным свойством некоторых пищевых белков является низкий уровень полярности функциональных групп. Молекулы воды, окружая частицы белков отталкиваются, а молекулы белков, наоборот, агрегируются с образованием комплексов с присущими им реологическими свойствами (вязкость, эластичность, упругость, пористость-непористость). Наиболее выраженным комплексом таких свойств обладают белки пшеничной клейковины, обуславливающие текстуру хлеба и создающие непрерывную фазу в изделиях с наполнителями (зерно, изюм и т.д.) За свойство упругости и эластичности несет глютениновая фракция белков.
Состояние высокомолекулярной системы сильно влияет на механические, химические, термические свойства и проницаемость при массообменных процессах. Свободный объем содержит дисперсионную среду. Физико-химическое состояние среды и физико-механическое состояние полимерных цепей влияет на модуль упругости полимерной системы. Часть объема клубка, занимаемая мономерными звеньями, очень мала. Внутри клубка очень много «дырок». По определению в идеальной полимерной цепи учитываются только взаимодействия между соседними по цепи звеньями. Взаимодействиями мономерных звеньев, расположенных по цепи далеко друг для друга, пренебрегают. Конформации идеальной цепи, далеки от вытянутой линейной конформации. Цепи клубков находится в запутанной конформации - это общее свойство идеальной полимерной цепи независимо от модели.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 3 -Схемы моделирующие гибкие цепочные связи. При хорошем растворителе клубок набухает (а).при плохом растворителе клубок сжимается (б), происходит переход клубок-глобула. На рисунке изображены модели полимерных клубков: линейного (а), сферического (в) и кубического (г).
Полимерные сетки состоят из длинных полимерных цепей сшитых друг с другом и образующих молекулярный каркас. Все гибкие полимерные сетки проявляют свойство высокоэластичности т.е. способность претерпевать большие обратимые деформации при относительно небольших прилагаемых напряжениях [2].
Рисунок 4 - На рисунке гибкие полимерные сетки проявляют свойства эластичности, при небольшом усилии большая деформация.
Для идеальных полимерных цепей следует учитывать объемные взаимодействия (взаимодействия не соседних по цепи мономерных звеньев). Проблему описания конформаций полимера можно решить теоретически только используя упрощенные модели полимерной цепи. В этих моделях случайные блуждания цепь не имеет права дважды попасть в одно и тоже место (так называемое условие исключенного объема). Исключенный объем, - это пространство, в пределах которого данная макромолекула не допускает присутствия других молекул. Дело в том, что удаленные друг от друга по цепи атомы, будучи сближенными в полимерном клубке, отталкиваются друг от друга. Отталкивание можно трактовать как наличие у атомов собственного объема и запрет их взаимопроникновения. В хороших растворителях исключенный объем возрастает, а в плохих - убывает.
Изменение плотности материала. Структурный элемент характерной оболочки пузырчатого строения активно изменяет объем изделия. При этом внутри материала изделия появляются поры с открытыми свободными поверхностями.
На рисунке (1г) оболочки пузырей пены и свободного объема материала. Для образования оболочки пузыря требуется высокомолекулярное вещество. Внутри этого свободного объема оболочки нет твердой фазы полимера, пузырь заполнен низкомолекулярным веществом газа или паров жидкости. Наличие пузырчатого структурного элемента показывает, что материал находится в слабо напряженном состоянии.
Применяя технологические приемы и создавая условия для структурных композиций биотехнологической среды можно получать материалы полуфабрикатов высокой готовности с нужными свойствами.
Список литературы
1. Н.Б. Урьев, М.А. Талейсник Физико-химическая механика и интенсификация образования пищевых масс М. Пищевая промышленность, 1976 г. 240 с.
2. А.Р. Хохлов, С.И. Кучанов. Лекции по физической химии полимеров - М., Мир 2000 г. 190 с.
3. Е.Д. Казаков, Г.П. Карпиленко. Биохимия зерна и хлебопродуктов (3-у переработанное и дополненное издание) - СПб: ГИОРД. 2005 - 512 с.
4. М. Дой, С. Эдварс, Динамическая теория полимеров. Пер. с англ. - М.: Мир, 1998. - 440 с. ил.
5. Кольман Я., Рём К.-Г., Наглядная биохимия: Пер. с нем. - М.: Мир. 2000. - 469 с., ил.
6. Г.М. Медведев, Технология макаронного производства, - М.: Колос, 2000. -272 с.: ил.
7. И.А. Рогов, А.Г. Забашта, Г.П. Казюдин, Общая технология мяса и мясопродуктов, - М.: Колос, 2000. - 367 с.: ил.
8. Н.Н. Липатов, Процессы и аппараты пищевых производствб Учеб. Для студ. Вузов, обуч. По спец 1011 «Технология и организация обществ.питания». - М.: Экономика, 1987. - 272 с.
9. Тимкин В.А., Новопашин Л.А., Котлюба Ю.Б.Осмотическое давление растворов пищевой промышленностиНаучно-технический вестник технические системы в АПК. 2018. № 2 (2). С. 88-101.
10. Тимкин В.А., Новопашин Л.А., Котлюба Ю.Б.Примеры эффективного применения баромембранных процессов в молочной промышленностиНаучно-технический вестник технические системы в АПК. 2018. № 2 (2). С. 109-119.
Bibliography
1. N.B. Uriev, MA Taleysnik Physicochemical mechanics and inten--Katsiya food education of the
masses M. Food Industry, 1976 240 p.
2. A.R. Khokhlov SI Kuchanov. Lectures in Physical Chemistry of Polymers - M, World in 2000 190.
3. E.D. Kazakov, GP Karpilenko. Biochemistry of grain and grain products (3-in revised and expanded
edition) - St. Petersburg: GIORD. 2005 - 512 p.
4. M. Doi, S. Edwards, Dynamical Theory of polymers.Trans. from English. - M .: Mir, 1998. - 440 p. yl.
5. J. Coleman, Rem K.-G., Transparent Biochemistry Hardcover.with it. - M .: Mir. 2000 - 469, il..
6. G.M. Medvedev, macaroni production technology, - M .: Kolos, 2000. -272 p .: silt.
7. I.A. Rogov, AG Zabashta, GP Kazyudin, total meat and meat products technology, - M .: Kolos, 2000.
- 367 p .: silt.
8. N.N. Lipatov, Processes and devices of food proizvodstv6 Proc.For stud.Universities, teaching.In 1011
the special "Technology and organization of societies.Power." - M .: Economics, 1987. - 272 p.
9. Timkin V.A., Novopashin L.A., Kotlyuba Y.B. Osmotic pressure of food industry solutions Scientific and Technical Bulletin technical systems in agriculture. 2018. No. 2 (2). Pp. 88-101.
10. TimkinV.A., NovopashinL.A., KotlyubaY.B.ExamplesofeffectiveapplicationofbaromembraneprocessesinthedairyindustryScientific andTechnicalBulletintechnicalsystemsinagriculture. 2018. No. 2 (2). Pp. 109-119.
