CC BY
8УДК 640.2+39,3+
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ СТРУКТУР БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАСС ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ, В ПОНЯТИЯХФИЗИКО-
ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ
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) 371-33-63, E-mail: [email protected])
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) 221-41-10) Рецензент:В.А.Тимкин - кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 912 240 70 50; , E-mail: [email protected] )
Ключевые слова: биотехнологические массы, объем, свободный, исключенный, высокомолекулярная структура,блочная, цепочная, пузыри, фаза, твердая, среда газ, жидкая, физико-механические свойства, пластичность, эластичность, разрыхление. Аннотация
С позиции физико-химической механики дисперсных систем возможно регулирование структурно-механических свойств биотехнологических масс пищевых производств. Применение знаний заключается в направленном составлении добавок рецептурных компонентов специфически изменяющих объемное расположение контактов коагуляционных процессов. Направленное изменение процесса структурообразования из компонентов пищевых производств, проявлением которого является характер развития деформационного процесса и реологических свойств. Количественные соотношения объемов всех участников биотехнологической массы определяет влажность, текучесть, процесс каогуляции по всему объему технологической емкости, изменение формуемости и эластичности, пластичности и периода истинной релаксации и получения новых свойств. Структурообразование в дисперсных системах - это самопроизвольное соединение частиц дисперсной фазы и их агрегатов в пространственные структуры, когда срабатывает закон самоорганизации. Спонтанное образование пространственных коагуляционных структур -важнейшее свойство, распространенное в природе и применяемое в технологиях создающих многообразие концентрированных дисперсных систем биотехнологических масс. Различают три
варианта реологических систем: первая система - твердое тело + газ; вторая система - твердое тело + жидкость; третья система - твердое тело + жидкость + газ. Одним из элементов процесса формирования структуры становится определение понятия объем. Любая система реальных материалов в пищевых производствах, требует технологического объема веществ со специфическим структурным строением и связями между компонентами. Анализ системы второго рода (твердое + жидкость), показывает, что система дисперсных частиц имеет между дисперсными зернами пустотность - порозность в пределах 0,3...0,4 для насыпных систем и 0,25...0,3 для виброукладки частиц, когда возникают контакты коагуляции.
IMITATION MODELING OF VOLUME STRUCTURES OF BIOTECHNOLOGICAL MASSES OF FOOD PRODUCTION IN THE CONCEPTS OF PHYSICAL AND CHEMICAL MECHANICS Y.V. Pankov - candidate of chemistry sciences, associate professor, Ural State Agrarian University (620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, E-mail: [email protected])
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, Ural state agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. +7 912 240 70 50;, E-mail: [email protected])
Keywords: biotechnological masses, volume, free, excluded, high molecular weight structure, block, chain, bubbles, phase, solid, gas medium, liquid, physical and mechanical properties, plasticity, elasticity, loosening. Annotation
From the standpoint of the physicochemical mechanics of disperse systems, it is possible to regulate the structural and mechanical properties of biotechnological masses in food production. The application of knowledge consists in the directed compilation of additives of prescription components that specifically change the volumetric arrangement of contacts of coagulation processes. A directed change in the process of structure formation from the components of food production, the manifestation of which is the nature of the development of the deformation process and rheological properties. The quantitative ratio of the volumes of all participants in the biotechnological mass is determined by humidity, fluidity, the process of coagulation throughout the entire volume of the technological capacity, the change in formability and elasticity, plasticity and the period of true relaxation and new properties. Structuring in dispersed systems is a spontaneous connection of particles of a dispersed phase and their aggregates into spatial structures when the law of self-organization is triggered. The spontaneous formation of spatial coagulation structures
is the most important property common in nature and used in technologies that create a variety of concentrated dispersed systems of biotechnological masses. There are three types of rheological systems: the first system is a solid + gas; the second system is solid + liquid; the third system is solid + liquid + gas. One of the elements of the structure formation process is the definition of the concept of volume. Any system of real materials in food production requires a technological volume of substances with a specific structural structure and bonds between components. The analysis of the second kind system (solid + liquid) shows that the dispersed particle system has voidness between the dispersed grains - porosity in the range of 0.3 ... 0.4 for bulk systems and 0.25 ... 0.3 for particle vibration when contacts occur coagulation.
Наиболее полное представление о некоторых существенных аспектах качества продукта может дать группа физических свойств, которая проявляет зависимость от биологического и химического состава (рецептуры) и внутреннегоструктурного строения продукта. Структурообразование в дисперсных системах - это самопроизвольное соединение частиц дисперсной фазы и их агрегатов в пространственные структуры, когда срабатывает закон самоорганизации. В основе классификации структурированных дисперсных систем, берутся за основу разработанные представления П.А. Ребиндера о структурах, принимается организация и тип связей - контактов, возникающих между дисперсными частицами. Однородные частицы объединяются в цепи (рис.1) по закону коагуляции, созревает пространственная структура.
Рисунок 1 - Направленность связей создает цепной остов высокомолекулярной структурной
созревающей полимерной системы.
Спонтанное образование пространственных коагуляционных структур - важнейшее свойство, распространенное в природе и применяемое в технологиях создающих многообразие концентрированных дисперсных систем биотехнологических масс.Биотехнологические массы характеризуются набором технологических параметров в зависимости от распределения объемов рецептурных добавок. К одной из групп таких показателей относятся структурно-механические (реологические) свойства которые определяются понятиями физико-химической механики. Физико-химическая механика - это наука о способах и закономерностях формирования структур дисперсных систем с заранее заданными свойствами. Цель физико-химической механики -установление закономерностей образования пространственных структур в дисперсных системах, а также процессов деформации и разрушения таких структур в зависимости от физико-химических и
механических факторов; установлениефункциональности образования и разрушения структур в дисперсных нативных системах в зависимости от совокупности физико-химических, биохимических, механических и других факторов.Объемные компоненты рецептурного состава и их соотношения определяют терминологию систем биотехнологических масс. Исследования - это обоснование и оптимизация путей получения структур с заранее заданными реологическими (в самом широком смысле этого слова) свойствами.Разработка способов приложения установленных закономерностей для расчёта машин и аппаратов и оперативного контроля основных показателей качества по значениям величин структурно-механических характеристик. Используя классификационные признаки дисперсных систем, составляется общая модель структурной композиции с заранее заданными реологическими свойствами.В основе разработок поверхностных явлениях и образования структурных композиций лежат представления П.А. Ребиндера о процессах их формирования. Небольшие изменения количества добавленного рецептурного объема с известнымисвойствами добавленного вещества должны вызывать значительные изменения реологических свойств, свойства подвижности, которые регистрируются приборами. При этом реологические характеристики сырья предопределяют технологические и основные показатели полуфабрикатов и готовых продуктов. Возникает вопрос: Как устроена биотехнологическая среда в состоянии требуемой подвижности при силовом воздействии на реологические тела? Различают три варианта реологических систем: первая система - твердое тело + газ; вторая система - твердое тело + жидкость; третья система - твердое тело + жидкость + газ.Исследуя объемные соотношения твердой фазы и дисперсионной среды, выстраивается картина распределения структурных компонентов и их активности в объемах системы. Реализация исследований биотехнологических масс методами физико-химической механики позволяет научно обосновать понятие технологического качества исходного сырья продуктов,стабилизировать требуемые свойства изделий, «конструировать» те или иные виды изделий пищевых производств, получать готовую продукцию заранее заданного качества, рассчитывать, совершенствовать и интенсифицировать технологические процессы, и т.д.
Физико-химическая механика рецептурной системы компонентов используетсякак активная система знаний и превращается в производительную силу, позволяющую активно вмешиваться в производственные процессы с целью разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов.Одним из элементов процесса формирования структуры становится определение понятия объем, рис 1. Любая система реальных материалов в пищевых производствах, требует технологического объема веществ со специфическим структурным строением и связями между компонентами.
Рисунок 2 - Форма модели бусинокклубка из двух элементов: твердая субстанция высокомолекулярного вещества и свободного объема дисперсионной среды заполненного жидкостью или газом, где а - рыхлая цепочная структура; б - рыхлая пузырчатая структура.
На рисунке 2 моделируется деление единого пространства объема клубка биотехнологической массы понятиями объемом дисперсной твердой фазы и объемом низкомолекулярной дисперсионной среды жидкости или газа заполняющего внутреннюю полость свободного объема. Дисперсные системы состоят из двух или более компонентов или фаз. Обычно одну из фаз рассматривают как сплошную и называют дисперсионной средой, другуюнесплошную фазу, - дисперсной фазой. Самая простая система твердая фаза + газ или твердая фаза + жидкость характеризуется двумя объемами рецептурного материала. Объем дисперсионной среды называется свободным объемом.Например, молекулы аминокислот способны к полимеризации и создают высокомолекулярные цепи и клубки дисперсных систем. Молекулы способные образовывать ковалентные связи содержат две разные химические группы. Это аминогруппа (- КН) и карбоксильная группа (-СООН). При взаимодействии КН и СООН - групп образуется пептидная (амидная) связь, в соответствии с рис.2.
н я, н о
I I I II I
Н —N — С —С — N — С — С —N —С —С
I II I I I
НО я2 н н
Яп О
I II
N —С —С
I I
н он
Рисунок 3 - Цепной остов связей высокомолекулярного вещества (белка) определяет элемент матрицы объемов из рецептурных добавок.
Высокомолекулярные вещества распределяются в объемах большого размера. Низкомолекулярные вещества дисперсионной среды могут занимать большие объемы и межмолекулярные малыеисключенныеобъемы. Объемы с технологическим соотношением компонентов характеризуются соответствующим определением и термином. Например, от 0.. ..30%
смесь сахара и 70% воды называется раствором, от 30% ...70% смесь сахара и воды называют сиропом, от 70% .100% смесь сахара и 30%...0% воды называют карамелью. Во всех системах высокомолекулярного материала имеется объем межмолекулярного исключенного объема проявляющийся при набухании дисперсных клубков веществ характеризующих структуру.Одна фигураобъема (рис.1) - это клубки полимерных цепей закрученных естественными (природными) состояниями высокомолекулярных связей биотехнологического вещества (например, белка). Вторая фигура цельного объема дисперсионной среды (рис.1)свободного объемаи исключенного объема, заполненного низкомолекулярным веществом дисперсионной среды (например, вода и воздух).Структура биотехнологического вещества, есть внутреннее распределениеобъемов рецептурных компонентов системы и характер взаимодействия между отдельными ее элементами на молекулярном уровне.Определяются связиисходным составом, температурой, дисперсностью, агрегатным состоянием и рядом технологических факторов. Определяющее влияние на формирование структуры вещества оказывает природа связей дисперсной системы. Рецептурные композиции компонентов исходного материала создают биотехнологическую массу с совокупностью физико-механических свойств. Рецептурные добавки занимают свою долю объема,как структурные компоненты, вносят изменения в состав материала и меняют реологические свойства биотехнологической массы изделия. Одни добавки создают свойства эластичности или пластичности, другие кристалличности, третьи текучести, а количество объема рецептурной добавки,должно отвечать количеству достаточно полного заполнения свободного объема системы.В этих объемах могут размещаться низкомолекулярное состояние добавок вкусовых свойств или вещества, меняющие структурные связи. На примере ячеечной модели бусинок единичных объемов при условии достаточности полного объемного заполнения и распределения компонентов дисперсионной системы при хорошем перемешивании видно,как и когда образуются коагуляционныеконтакты внутри системы, при этом возникают новые свойства.При концентрации рецептурной добавки до 20%...25%, расстояния между примесными дисперсными частицами при перемешивании велики, таким образом, контакты исключаются и в материале локализуются обособленные частицы, реологические свойства не изменяются.
• • о о о О • о • о о о
• • о о о о о о о о • о
• • о о о о о • о о о о
• • о о о о о о о • о о
о о о о о о • о о о о •
о о о о о о о о • о о о
Рисунок 4 - Схема ячеечной моделиобъемов бусинок, компонентов рецептурной смеси,биотехнологических масс дополненная внесенными частицами до 25% при хорошем перемешивании. Система рецептурной смеси при этих условиях имеет большие расстояния между частицами добавки и реологические свойства не изменяются.
Различие свойств чистых веществ и тех же веществ, содержащих структурирующие добавки при малых концентрациях, не сказываются на структурно - механические свойства изделия.Когда концентрация добавок достаточно высока, т. е. частицы структурирующих компонентов сближены и взаимодействуют друг с другом, то примесные дисперсные частицы слипаются (сшиваются) и размещаются в свободных объемах (пустотностях) создавая матрицу,влияющую на реологические свойства системы.
Рисунок 5 - Схема ячеечной моделиобъемов бусинок, компонентов рецептурной смеси,биотехнологических масс пищевых производств при хорошем перемешивании, реологические свойства системы изменяются:а - 40% состояние - точечные контакты и коагуляционные цепи увеличивающие вязкость; б - 50% состояние смеси - образование коагуляционных цепей, увеличивающие вязкость системы.
При концентрациях рецептурной добавки в пределах 36% .40%, или 50% расстояния между примесными дисперсными частицами уменьшаются, реализуется объемная коагуляция, образуется новый более сложный состав создаваемой системы, которая возникает в результате изменения рецептурного состава вещества и меняются реологические свойства. Вместе с тем здесь действуют и другие факторы: природа структурных единиц - их состав, строение, формы, размеры - и такой важный фактор, как энергетическое состояние вещества. Структура - это та форма, в которой может существовать вещество данного состава, находясь в данном энергетическом состоянии реализуя закон самоорганизации всех природных веществ и отвечающей потребительским свойствамизделия..Реологическая структура определяет подвижность (течение) рецептурного материала пищевых производств как реакцию на механическое воздействие.
Рисунок 6 - Структурное строение хлебного изделия при соотношении 40% твердой фазы
объемная каркасная сетка и 60% дисперсионной среды воздуха.
Сдвиговые (реологические) свойства представляют собой основную группу свойств, которые широко используются как для расчёта различных процессов движения в рабочих органах
машин, так и для оценки качества пищевых продуктов. В связи с этим наибольшее распространение получили способы классификации системпищевых производств и других реологических тел по сдвиговым характеристикам.Классификация реологических тел, предложенная А.В. Горбатовым,по величине отношения предельного напряжения сдвига к их плотности и ускорению свободного падения [во/(р\§)], которое представляет собой меру способности вещества сохранять свою форму.Структурное строениеможно моделировать двумякомпонентами - это компонент твердой фазы и компонент окружающей среды воды или воздуха. Например, система имеет ограниченный объем, в котором находятся зернистый материал (твердая фаза) и воздух (определяющий свободный объем) между дисперсными частицами. Такая система характеризуется физико-механическим понятием порозность. Локальная порозность, как заполняемость свободного объема между частицами дисперсионной средой, определяет содержание биотехнологической среды в свободном объеме при получении композиционно-рецептурного строения материала изделия и определяет свойства текучести.
Рисунок 7 - Схематическое определение порозности (свободного объема) дисперсной
зернистой системы в модели объемов бусинок твердой фазы; а - однофазная система; б -двухфазная; в - модель распределения.
Анализ системы второго рода (твердое + жидкость), например, сколько нужно муки и воды при получении блина или булочного изделия? Известно, что система дисперсных частиц имеет порозность(свободного объема) в пределах 0,3.0,4 для насып-ных систем и 0,25.0,3 для виброукладки частиц, когда возникает коагуляция. Для теста блинов нужно объем муки 25%...30% и 75%...70% воды с жидким яйцом. Для булочного теста иверсионно используется 60% муки и 40% воды.По аналогии с пористостью, пустота между зернами определяется как порозность и характеризуется коэффициентами в или кв. Первый, в - называют порозность, а второй, кв-коэффициентом порозности. При расчетах дисперсной зернистой сыпучей среды возникает необходимость делать замены параметров. Найдем связь между параметрами этих определений одного через другое:
в . ^ , кв= — , в .-Ъ-, кв = в
, в_ - , в--, кв ■
V + У2 У2 1 + к£ 1 -в
где VI -объём занимаемый дисперсионной средой;
У2 - объём занимаемый зернами, твердых частиц. Известный объем порозности позволяет моделировать систему биотехнологической среды с заполнением и определением количества (объема) компонента которого нужно иметь для
равномерного распределения по всему технологическому объему с рождением структурного строения в форме контактов или коагуляционныхцепей.Объем «пустотности»,как объем заполняемый дисперсионной средой, может быть определен экспериментально. Для проведения эксперимента по определению объема порозности как доли пустотности и коэффициента порозности применялись частицы гороха и пшеницы, как частицы разного объемного размера и отличающиеся формойи способностью к набуханию (заполнением исключенного объема)(рис. 3).Твердые частицы гороха засыпаны в мерный стакан фиксированного объема. Объем гороха и объем воздуха (газа или жидкости) в стакане определяет полный мерный объем системы.
Рисунок 8 - Моделирование объемов системы твердой фазы различных размеров и форм с
объемамиводы в изолированном пространстве мерного стакана: а - горох; б- пшеница.
При определении свободного объема «пустотности» между зернами добавлением жидкости (воды) по верхнему уровню объема твердых частиц вытесняя газ (воздух) без выдержки во времени определяется количество жидкости заполняющей свободный объем (пустотность) системы. При выдержке часть воды уходит в исключенный объем и происходит набухание. Исключенный объем может заполняться частицами низкомолекулярного вещества (например, газ, вода для гороха или пшеницы), это внутренние объемы межмолекулярного пространства.Исключенный объем можно определить взвешиванием набухающих дисперсных частиц.
Эксперимент насыпного состояния твердого дисперсного материала показывает, что емкость объемной матрицы просветов между зерновыми клубками, как свободный объем имеет 1/3 объема соответственно 36% (минимум 24%) биотехнологической среды и 2/3 объема соответственно 64% основного твердого материала или инверсионно объемы меняются местами. У стенки порозность (свободный объем) принимается равной 1 (единице) и только на расстоянии (3...4) d частиц зернистых слоев от стенки становится равной 0.38...0.39.Дополнительно в объеме зерен системы имеется исключенный объем твердой фазы, проявляющийся в набухании частиц системы.
Библиографический список
1. Урьев Н.Б., Талейсник М.А. Физико-химическая механика и интенсификация образования пищевых масс./ М. Пищевая промышленность, 1976 г. 240 с.
2. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия / М. Наука 1978 г. с. 386.
3. Малкин А.Я., Исаев А.Н. Реология: концепции, методы, приложения/ Пер. с англ. - СПб.; Профессия, 2007. - 560 стр, ил.
4. Щукин Е.Д., Савенко В.И., Малкин А.И. Лекции по физико-химической механике (эффект Ребиндера); /М. Нобель Пресс 2015 г. 250 с.
5. ХохловА.Р., КучановС.И. Лекции по физической химии полимеров - М., Мир 2000 г. 190 с.
6. Е.Д. Казаков, Г.П. Карпиленко. Биохимия зерна и хлебопродуктов (3-у переработанное и дополненное издание) - СПб: ГИОРД. 2005 - 512 с.
7. М. Дой, С. Эдварс, Динамическая теория полимеров. Пер. с англ. - М.: Мир, 1998. - 440 с. ил.
8. Кольман Я., Рём К.-Г., Наглядная биохимия: Пер. с нем. - М.: Мир. 2000. - 469 с., ил.
9. Г.М. Медведев, Технология макаронного производства, - М.: Колос, 2000. -272 с.: ил.
Bibliographic list
1. Uryev N.B., Talysnik M.A. Physical and chemical mechanics and intensification of the formation of food masses / M. Food industry, 1976, 240 p.
2. Rebinder P.A. Surface phenomena in disperse systems. Colloid chemistry / M. Science 1978 p. 386.
3. Malkin A.Ya., Isaev A.N. Rheology: concepts, methods, applications / Transl. from English - SPb .; Profession, 2007 .-- 560 pp., Ill.
4. Schukin E.D., Savenko V.I., Malkin A.I. Lectures on physical and chemical mechanics (Rebinder effect); / M. Nobel Press 2015. 250 p.
5. Khokhlov A.R., Kuchanov S.I. Lectures on the physical chemistry of polymers - M., World 2000, 190 p.
6. E.D. Kazakov, G.P. Karpilenko. Biochemistry of grain and bakery products (3rd revised and supplemented edition) - St. Petersburg: GIORD. 2005 - 512 s.
7. M. Doy, S. Edwards, Dynamic Theory of Polymers. Per. from English - M .: Mir, 1998 .-- 440 p. silt
8. Colman, Y., Ryom K.-G., Visual Biochemistry: Per. with him. - M .: World. 2000 .-- 469 p., Ill.
9. G.M. Medvedev, Technology of pasta production, - M .: Kolos, 2000. -272 pp., Ill.
