Методика графоаналитического расчета реологических характеристик пищевых продуктов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ІТЇТа А.І., 1аёй0ёеТа А.А. ТЭаТаоЭапёеё аТпоааЭпоааПиё оТёааЭпёоао

1А01АЁЁА АВАО1АГАЁЁ0ЁхЛмЁ1А1ВАМхА0А ВА]Ё1АЁхАмЁЁО ОАвАЁ0АвЁ1\ЮЁЁ ТЁиААОО ТвТАОЁОТА

Га аада yёm'aбёТaТ6аëймaТ еппёааТааТеу '|'бааёаааа6пу ТаоТаеёа бап^аоа баТёТае^апёеб ба-5аёоа5ёпоёё Їейаайб '|'бТа6ё6Та е ТаТбоаТааТеа аёу ааТ ТпбйапбаёаТёу. АаТТау ТабТаёёа ТТжа6 айбй етТёй^ТааТа аёу бап^аба ЇбТбаппТа, ёТ6Тбйа ТаТабТаеТТ ЇбТедаТаебй Їбе пТдааТее ТТайб ёТТп6б6ёбеё Та0ёТ е баёТТпбббёбее пбйап6аб^йеб, а 6аёжа аёу айаТба ТаеаТёаа бабеТТаёйТйб бажеТТа бааТ6й ТаТббаТааТеу е Тï6ёТаëйТйб 6aбТТëТaё^anёёб пбаТ ЇбТедаТап6аа.

Для создания современных технологических процессов, позволяющих получить продукт высокого качества, необходимо практически в каждом конкретном случае изучить комплекс реологических свойств, которые характеризуют поведение пищевых масс под действием механических нагрузок со стороны рабочих органов машин. Реологические свойства могут быть использованы в качестве контролируемых параметров при создании автоматизированных систем управления оборудованием, а также при автоматизированном контроле качества продукции. Знание реологических характеристик пищевых материалов позволяет управлять структурой и качеством готового продукта путем изменения режимов работы и способов механической и технологической обработки [1].

Математическое описание протекания реологических преобразований в продуктах позволяет моделировать технологические процессы с целью их оптимизации и интенсификации. На практике получили широкое распространение экспериментальные методы построения математических моделей, которые, как правило, сводятся к способам параметрической идентификации, т. е. к способам определения параметров модели заданной структуры по данным эксперимента.

В тех случаях, когда исследуемый материал обладает упруго-вязко-пластичными свойствами, целесообразно определять его структурно-механические свойства при растяжении. Определение реологических характеристик продукта может быть произведено путем установления аналитических зависимостей между изменением

реологических свойств продукта и его линейной деформацией при растяжении.

Для исследования растяжения проводились испытания на макаронных полуфабрикатах, изготовленных путем прессования различных видов сырья на пресс-экструдере ПЭШ-30/40. Полуфабрикаты подвергались гигротермической обработке, затем высушивались конвективным способом. Образцы макарон (внешний диаметр 8 мм, внутренний - 5 мм, длина 150 мм) подвергали испытанию через определенные интервалы времени в течении всего процесса сушки при постоянной скорости растягивания образцов е = 0,167с_1.

Растяжение макаронных полуфабрикатов производилось при помощи специально изготовленной насадки и разработанного во МТИППе прибора ПМ, показанного на рис. 1.

Растягивали макаронные полуфабрикаты при помощи насадки (рис.2), которая представляет собой прищепку с прорезиненными захватами. Прищепка крепится к крючку прибора ПМ.

5

4

Рисунок 1. Схема прибора ПМ:

1 - крючок; 2 - нить; 3 - барабан; 4 - электродвигатель; 5 - измерительный цилиндр; 6 - стрелка

Прибор работает следующим образом: при включении двигателя 4 прибора нить 2 наматывается на барабан 3 и поднимает планку с прищепкой. Макаронные полуфабрикаты сначала растягиваются, затем рвутся, и усилие, необходимое для этого, отмечается стрелкой 6 на шкале, нанесенной на измерительный цилиндр 5.

Опыт повторяли не менее 3 раз, и за окончательный результат принимали среднее арифметическое (грубые промахи при этом

Рисунок 2. Схема насадки для растяжения:

1 - активный захват; 2 - образец макаронных полуфабрикатов; 3 - пассивный захват

Рисунок 3. Устройство для испытания пищевых материалов на растяжение:

1 - пассивный захват, 2 - активный захват, 3 - нагружатель,

4 - тензодатчики, 5 - аналого-цифровой преобразователь,

6 - компьютер, 7 - редуктор, 8 - вариатор, 9 - электродвигатель 10 - металлическая пластина, 11 - испытательный образец.

выбраковывали), причем для уменьшения погрешности прибор тарировался каждый раз на каждую серию экспериментов (масса навесок для тарировки от 100 до 2000 г).

Для более точного получения информации о характере изменения деформации растяжение может быть произведено с помощью устройства для испытания пищевых материалов на растяжение, представленного на рис. 3.

Устройство работает следующим образом. Испытательный образец одним концом закрепляется в пассивном захвате, другим в активном захвате. В качестве испытательного образца могут использоваться макаронные изделия, полуфабрикаты вспученных экструдатов и другие коллоидные капиллярно-пористые пищевые материалы.

Подвод активного захвата в исходное положение осуществляется путем движения нагружателя в обратном направлении. В результате работы электродвигателя через вариатор и редуктор нагружатель приводит в движение и сообщает равномерную растягивающую нагрузку активному захвату. Сигнал, получаемый с тензодатчиков, регистрируется на аналого-цифровом преобразователе и передается в компьютер, где преобразуется в численные значения измеряемой величины, которые записываются в виде массива данных и графика зависимости от времени в файл.

Применение нагружателя, содержащего электродвигатель, вариатор и редуктор, позволяет равномерно сообщать растягивающую нагрузку образцу, при этом устанавливая зависимость не только между удлинением и реологическими свойствами продукта, как это делалось ранее на аналогичных приборах [2], но и зависимость изменения реологических свойств от времени нагружения, и как следствие, позволяет судить о качестве продукта по времени, за которое произошло определенное изменение образца.

Использование в предлагаемой конструкции тензометрии, компьютерной обработки сигналов, а

также зависимости качества продукта от времени нагружения испытательного образца, позволяет применять его для автоматизированного контроля и регулирования технологического процесса.

Диаграммы растяжения макаронных полуфабрикатов представляют собой типичные диаграммы для упруго-вязко-пластичных материалов: наблюдается нелинейная зависимость между напряжением и деформацией, процесс растяжения заканчивается при достижении максимального напряжения.

Такие зависимости получали при растяжении теста из пшеничной муки первого сорта для батонов, тестовых заготовок армянского матнакаша, плоской ленты из макаронного теста [3, 4]. По этим зависимостям определялись прочностные и упругие характеристики продуктов, а затем устанавливалась

степень механического воздействия при приготовлении.

В данном случае с помощью устройства для растяжения получается графическая зависимость нормального напряжения от удлинения, представленная на рис. 4 на примере макаронного полуфабриката с влажностью 22% и температурой 750 С, позволяющая определить предел прочности и относительное удлинение.

Из рисунка 4 видно, что кривая, символизирующая экспериментальную зависимость, пересекает ось ординат при значении 30 кПа, что соответствует пределу текучести материала и определяется реологической моделью Бингама. При ее продолжении в сторону увеличения удлинения кривая стремится к достижению предельного (максимально возможного) напряжения оП =525,47 кПа.

Удлинение

^^^“Экспериментальная зависимость ■ Рассчетная зависимость ■А— Линия предельного значения

Экспоненциальный (Рассчетная зависимость)

Рисунок 4. Зависимость нормального напряжения от удлинения при влажности высушиваемого образца 22% и

температуре 750 С

Ординаты кривой расчетной зависимости получены по формуле:

У = У - Д. -от , (1)

где у1( - ординаты линии предельного напряжения (о П =525,47 кПа);

У2. - ординаты экспериментальной зависимости.

Расчетная зависимость аппроксимирована путем построения линии тренда и получена экспоненциальная зависимость вида у = А■ е-Вх. В данном случае, А = 485,75; В = 41,57.

При постоянной скорости сушки макаронного полуфабриката внутренние напряжения, возникающие в продукте, описываются следующей зависимостью [5]:

/ ч / гЛ

о =

є% + от

1 - е

(2)

где о є

нормальное напряжение, Па; скорость продольного течения, с-1; % - вязкость при продольном течении, с-1; сТ - предел текучести при растяжении, Па; Е - модуль упругости ; е - удлинение изделий.

Учитывая, что реологические свойства макаронного полуфабриката описываются уравнением (2) имеем: А = є ■ пТ, отсюда получаем вязкость при продольном течении А 485 47

ПТ = — = 0167 = 2907 кПа-с. А модуль упругости при линейной деформации получаем исЕ

поэтому

ходя из того, что В=-

Пт

Е = В • пТ • е = 41, 57 • 2907 • 0,167 = 194,41 кПа.

У макаронных полуфабрикатов по мере уменьшения влажности снижаются свойства пластичности и возрастают прочностные и упругие характеристики. Величина внутренних напряжений в изделиях тем больше, чем интенсивнее удаляется влага с поверхности изделий, чем больше отстает темп подвода влаги из внутренних слоев. По мере сушки реологические свойства макаронных полуфабрикатов отражаются в модели Максвелла и описываются зависимостью вида [5]:

/ _ _&! Л

1 _

о = єпТ

(3)

Аналогично вышеуказанному примеру определяются реологические характеристи-

Удлинение

ф Расчетная зависимость ^^^“Экспериментальная зависимость -ж— Линия предельного значения

Экспоненциальный (Расчетная зависимость)

Рисунок 5. Зависимость нормального напряжения от удлинения при влажности высушиваемого образца 16%

и температуре 750 С

ки полуфабриката из зависимостей нормального напряжения от удлинения при влажности изделий 16% и их температуре 750 С. Зависимости представлены на рис. 5.

Из рисунка 5 видно, что линия предельного (максимально возможного) напряжения не зависит от увеличения удлинения, о П =722,63 кПа. По экспоненциальной зависимости А = 722,63; В = 1,0203. Отсюда, учитывая, что реологические свойства макаронного полуфабриката описываются формулой (3) получаем вязкость при продольном тече-

А 722,63 „

нии пТ = — =-----= 4327 кПа-с и модуль уп-

Т є 0,167 ругости при линейной деформации

Е = В■ цТ ■ є = 1,0203 ■4327 ■ 0,167 = 737,2 кПа. Полученные значения вязкости и модуля упругости позволяет достаточно полно охарак-

теризовать реологические свойства макаронных полуфабрикатов.

Таким образом, путем измерения линейной деформации при растяжении коллоидных капиллярно-пористых пищевых материалов можно определять их реологические характеристики. Результаты методики графоаналитического расчета реологических характеристик пищевых продуктов, основанной на экспериментальном исследовании структурно-механических свойств макаронных полуфабрикатов при растяжении, могут быть использованы при контроле, управлении, совершенствовании и интенсификации технологических процессов пищевых производств, разработке научно-обоснованных методов расчета и создании принципиально нового оборудования.

Список использованной литературы:

1. Мачихин Ю.А., Мачихин С. А. Инженерная реология пищевых материалов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.- 216 с.

2. Азаров Б.М., Хромеенков В.М. Автоматизированная система непрерывного съема и обработки данных капиллярной вискозиметрии // Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1996. №5. - С. 33-34.

3. Бронштейн Э.А., Бурляй Ю.В., Сухой Л.А. Экспериментальное определение упруго-пластических и прочностных характеристик хлеба // Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1975. №2. - С.10-11.

4. Назаров Н.И., Калинина М.А. Об улучшении структурно-механических свойств макаронного теста // Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1971. № 4. - С. 26-27.

5. Малышкина В. А., Попов В.П., Ханин В.П. Изменение реологических свойств макаронных изделий как фактор, влияющий на прохождение процесса их сушки // Вестник Оренбургск. гос. ун-та, 2005. №5. - С. 149-152.

05.06.06 г.