CC BY
3Процессы и машины агроинженерных систем
УДК 631.3-51
Код ВАК 05.20.01 (новый код - 4.3.1)
СТРУКТУРНЫЙ КАРКАС УПРУГОСТИ, ДЕФОРМАЦИЯ И РЕЛАКСАЦИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Панков Ю.В1*, Минухин Л.А.1, Садов А.А.1, Новопашин Л.А.1 1ФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Россия, Екатеринбург *E-mail: [email protected]
Аннотация. Реальное биотехнологическое тело пищевых производств - это высокомолекулярное цепочно-клубочное, блочное или пузырчатое образование материала из природного сырья растительного или животного происхождения в форме дисперсных мономеров. Для выбора технологических процессов переработки сырья растительного или животного происхождения особую роль играет знание физико-механических свойств поведения исходного материала. Современные технологии изготовления изделий пищевых производств используют дисперсные системы высокомолекулярного строения из мономеров. Воздействие рабочих элементов машин вызывает разнообразные деформационные состояния материала полуфабриката или изделия. Все структурно деформационные события дисперсных систем происходят по законам физико-химической механики. Она сформировалась благодаря работам академика П.А. Ребиндера и его школы в середине ХХ века как новая область научного знания, пограничная коллоидной химии, молекулярной физики твердого тела, механике материалов и технологии их производства. В работе рассматривается влияние упругости макромолекул в дисперсной системе вода-мука при соотношении 40-60% соответственно. Учитывается, что тесто — это коллоид вязкоупругого состояния. Упругая часть теста - белковая сетка (клейковина). Наполнительная часть теста - это крахмал. Количественно мономеров белка 2 • 106 , а крахмала только 2 • 103 молекулярных частиц в цепочке. Основную упругость создают высокомолекулярные цепочки белка, в то время крахмал определяет или пластичность, или жесткость в зависимости от условий окружающей технологической среды. Когда макромолекула белка находится в окружении цепочных сеток крахмала и своих белковых соседей начинает проявлять упругие свойства с релаксацией. Картина релаксационных событий требует применять свои технологические приемы при изготовлении заготовок изделий.
Ключевые слова: структурный каркас, дисперсная система, биотехнологическое тело, цепь макромолекулы, пищевое производство, деформация, упругость, период релаксации,
STRUCTURAL ELASTIC FRAMEWORK, DEFORMATION AND RELAXATION OF A
BIOTECHNOLOGICAL SYSTEM Pankov Yu.V1*, Minukhin L.A.1, Sadov A.A.1, Novopashin L.A.1 1Ural State Agrarian University, Yekaterinburg, Russia
*E-mail: [email protected]
Abstract. The real biotechnological body of food production is a high-molecular chain-ball, block or bubble formation of material from natural raw materials of plant or animal origin in the form of dispersed monomers. For the choice of technological processes for the processing of raw materials of plant or animal origin, knowledge of the physical and mechanical properties of the behavior of the starting material plays a special role. Modern technologies for the manufacture of food products use disperse systems of a high molecular structure from monomers. The impact of the working elements of machines causes a variety of deformation states of the material of the semi-finished product or product. All structural deformation events of dispersed systems occur according to the laws of physical and chemical mechanics. It was formed thanks to the work of Academician P.A. Rehbinder and his school in the middle of the twentieth century as a new field of scientific knowledge, colloidal chemistry, molecular physics of solids, mechanics of materials and technology of their production. The paper considers the influence of the elasticity of macromolecules in a dispersed water-flour system at a ratio of 40-60%, respectively. It is taken into account that the dough is a colloid of a viscoelastic state. The elastic part of the dough is a protein mesh (gluten). The filling part of the dough is starch. The number of protein monomers is 2 • 106 , , and that of starch is only 2 • 103 molecular particles in the chain. The main elasticity is created by high-molecular protein chains, while starch determines either plasticity or rigidity, depending on the environmental conditions of the technological environment. When a protein macromolecule is surrounded by chain networks of starch and its protein neighbors, it begins to show elastic properties with relaxation. The pattern of relaxation events requires the use of one's own technological methods in the manufacture of product blanks.
Keywords: structural frame, dispersed system, biotechnological body, macromolecule chain, food production, deformation, elasticity, relaxation period,
Постановка проблемы (Introduction)
Реальное биотехнологическое тело - это высокомолекулярное цепочно-клубочное, блочное или пузырчатое образование материала из природного сырья растительного или животного происхождения в форме дисперсных мономеров. Системы пищевых производств обладают физико-химическими и механическими свойствами. Дисперсные мономерные звенья сложной биотехнологической системы связаны в цепь. Это означает, что они не в состоянии двигаться независимо друг от друга подобно низкомолекулярным газам или молекулам жидкости. Физически это означает, что цепные системы бедны энтропией. Процесс образования пространственного структурного каркаса в результате сцепления или срастания частиц дисперсной фазы, сопровождающийся увеличением прочности системы, называется структурообразованием. Структуры, то есть внутренние связи и строение материала изделия (продукта), имеющая характер взаимодействия между отдельными ее элементами (мономерами), определяются химическим составом, температурой,
Рисунок 1 - Строение остова вещества из дисперсно - молекулярных мономеров
дисперсностью, агрегативным состоянием, биохимическими показателями и рядом технологических факторов. Каждая структура имеет соответствующие ей степени свободы. Формирование структуры связано с изменением механических свойств системы - вязкости, пластичности, упругости, прочности, эластичности в силу чего эти свойства называют структурно-механическими или реологическии («рео» -поток). К специфическим свойствам реологического тела можно отнести: способность высокомолекулярного вещества (полимера) воспринимать механическое воздействие с возникновением у материала обратимых высокоэластичных деформаций и релаксации; способность образования анизотропных структур; способность образовывать высоковязкие растворы при взаимодействии с растворителями, способность резкого изменения свойств материала при добавлении ничтожно малых добавок низкомолекулярных веществ. В работе рассматривается влияние упругости макромолекул в дисперсной системе вода-мука при соотношении 40-60% соответственно. Учитывается, что тесто это коллоид вязко-упругого состояния. Упругая часть теста - белковая сетка (клейковина). Наполнительная часть теста - это крахмал. Количественно мономеров белка 2 • 106 , а крахмала только 2 • 103 молекулярных частиц в цепочке. Основную упругость создают высокомолекулярные цепочки белка, в то время крахмал определяет или пластичность или жесткость в зависимости от условий окружающей технологической среды. Когда макромолекула белка находится в окружении цепочных сеток крахмала и своих белковых соседей начинает проявлять упругие свойства с релаксацией. Характеризующим структурное строение высокомолекулярных тел свойством, является наличие длинных молекулярных цепей с резким различием характера связей вдоль цепи и между цепями. Молекулярные цепи-клубки вещества всегда находится во взаимодействии с окружающей средой. Может представлять собой твердообразное тело или состояние жидкости различной консистенции. Поэтому для характеристики высокомолекулярного вещества необходимо иметь сведения о природе межмолекулярных взаимодействий. При линейной структуре макромолекул каждое элементарное звено-мономер связано с двумя соседними звеньями. Поэтому каждая макромолекула представляет собой неразветвленную цепь, в которой чередуются звенья, составленные из вошедших в нее соединившихся между собой мономеров. Линейные макромолекулы системы представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки.
Рисунок 2 - Имитационное моделирование реакции линейных цепей высокомолекулярного строения в клубок и глобулу от внешнего химического или температурного воздействия
Гибкие макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и слабыми межцепными молекулярными связями обеспечивают эластичность материала системы, способность размягчаться при нагревании, а при охлаждении вновь затвердевать. На физико-механические и химические свойства линейного полимера влияет плотность упаковки молекул в единице объема. При плотной упаковке возникает более сильное межмолекулярное притяжение, что приводит к повышению плотности, прочности. Линейные полимеры являются наиболее подходящими для характеристики белковых материалов. Гибкие макромолекулы стремятся принять энергетически более выгодную сферическую форму, сворачиваясь в клубки, например, при нагревании, называемые глобулами. Такое глобулярное строение имеют, например, белки. Основные причины образования глобул - это то, что силы внутримолекулярного взаимодействия между группами атомов, входящих в молекулу, превосходит силы межмолекулярного цепного взаимодействия, и то, что макромолекулы обладают высокой гибкостью.
Рисунок 3 - Созревание сложной IV структуры белка (каркаса) высокомолекулярной системы
клубков определяющая упругость и эластичность коллоида капиллярно пористой системы теста
материала мука-вода с дрожжевой добавкой и хлебного мякиша изделия
Методология и методы исследования (Methods)
Полимер, состоящий из глобул, не проявляет специфических механических свойств - прочности
и высокой эластичности. Поэтому весь комплекс аномальных свойств материала из структурного каркаса
исходного сырьевого вещества определяется наличием линейно-цепных молекул с относительно
слабыми химическими межмолекулярными взаимодействиями между собой. Но сильными физико-
механическими взаимодействиями. Поэтому, полимерный каркас реального тела - химическое
соединение с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы 45
которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок мономерных звеньев. Атомы веществ, входящие в состав макромолекул (полимеров), соединены друг с другом силами главных координационных валентностей. Химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, гибкость макромолекул и стереорегулярность компонентов молекулярной цепи являются важнейшими характеристиками, влияющими на свойство полимерного материала. Состав высокомолекулярного материала весьма разнообразен и колеблется от почти индивидуальных мономеров до весьма сложных систем, включающих разнообразные компоненты, регулирующие технологические и потребительские свойства материала. К подобным компонентам относятся различные химически инертные или активные вещества модификаторы: растворители, загустители, красители, антиоксиданты, термо-стабилизаторы, структуро- и поро-образователи, пластификаторы,. Поэтому большинство полимерных материалов можно рассматривать как наполненные структуры. Область науки, изучающая физическую химию процессов образования материалов из дисперсных структур, деформирования и разрушения, называется физико-химической механикой твердых тел и дисперсных структур. Основной задачей физико-химической механики является создание материалов с заданными свойствами и оптимальной для целей их применение структурой
Она сформировалась благодаря работам академика П.А. Ребиндера и его школы в середине ХХ века как новая область научного знания, пограничная коллоидной химии, молекулярной физики твердого тела, механике материалов и технологии их производства.
Рисунок 4 - Характеристический деформационный отклик реальных тел при механического силового
воздействия дает название материалу
В недеформируемом высокомолекулярном биотехнологическом материале исходного полуфабриката пищевых производств существует внутреннее равновесие. Внутреннее расположение молекулярных клубков соответствует состоянию его теплового равновесия. При этом все части материала в реологическом состоянии высокомолекулярных клубков находятся друг с другом в механическом равновесии. Все внутренние потоки имеют нулевые перемещения.
Таблица 1 - Характеристика отклика реологического тела от действия механических сил и температуры по рис. 4
Напряжение пропорционально деформации. Линейная зависимость пропорциональности описывается законом Гука. Упругое тело обладает полной механической и термодинамической обратимостью
При достижении предельного напряжения сдвига начинаются пластические деформации. Пластичность - это необратимая деформация, отсутствует пропорциональность между воздействиями и деформациями. При напряжениях меньше предела текучести деформация не происходит
. Реологическое тело Для структурированных жидкостей характерны кривые типа III. При малых Р наблюдается медленное течение с линейной зависимостью Q(P) и очень малым наклоном (соответствующем весьма высокой ^ . Нелинейные зависимости свойств, требуют эмпирического определения параметров. Напряжение пропорционально градиенту скорости в первой степени в соответствии с уравнением Ньютона. Вязкость механически и термодинамически необратима, т.е. после прекращения воздействия напряжения сдвига исходная форма тела не восстанавливается. Повышение температуры нагрева биотехнологической системы снижает свойство высокоэластичности и реологическое вещество твердеет. Чем выше температура нагрева вещества, тем больше напряжение разрушения.
Если выделить внутри такого реологического тела какой-нибудь объём, то равнодействующая всех сил, действующих на этот объём со стороны других частей, равна нулю. При деформировании, от внешнего силового воздействия, расположение клубков из молекулярных цепей меняется, и реологическое тело выводится из состояния равновесия, в котором оно находилось первоначально. В результате в нём возникают силы стремящиеся вернуть тело в состояние равновесия. Эти внутренние силы, возникающие при деформировании, называются внутренними напряжениями. Можно сказать, что силы, обуславливающие внутренние напряжения, являются в теории упругости силами «близкодействующими» передающимися от каждой точки только к ближней с нею. Отсюда следует, что силы, оказываемые на какую-нибудь часть изделия со стороны окружающих её частей, действуют только непосредственно через поверхность контакта этой части системы, как окружающей среды. Внутреннее движение длинных цепей при деформационных событиях сопряжены ограничениями окружающей среды движения выделенной длинной цепи. Например, цепь, контактирующая с большим числом других цепей,
Закон Гука а =Еу.
0у = вщ у
Сен-Венаново тело
У = АВД
Бингамова жидкость к V
Ньютонова жидкость 0 = G•(dy/dt).
Закон высокоэластичности
перемещается в массиве биотехнологической массы при силовом воздействии деформации сдвига. Предположим, что окружающие ее другие цепи мгновенно «заморожены» (рис. ). Это приводит к образованию некоторого объема вокруг цепи на всю ее длину. Данная цепь не может двигаться свободно по прямой, а единственно доступный способ движения - это змееподобная форма движения вдоль оси трубки. Такой тип движения называется рептациями. Если другие цепи массива «разморозить», возникает конкурирующий механизм сопротивления движению как форма трения.
Рисунок 5 - Имитационное моделирование системы сетки структурных макромолекул и окружение любой цепи соседями, образующими «стенки» трубок создающих упругое и вязкое движение внутри
материала вещества
Соседние цепи, образующие «стенки» трубки, создают ограничение для движения рассматриваемой цепи и это воздействие аналогично сшивкам системы. Но эти «квазисшивки» имеют конечное время жизни; они релаксируют через некоторое время Тр, которое необходимо для цепи, чтобы покинуть исходную трубку.
Рисунок 6 - Имитация образования внутренней трубки для макромолекулы Через интервал времени Тр все соседние цепи вокруг рассматриваемой цепи заменяются новыми. Такой подход к свойству вязкоупругости можно дать такую молекулярную интерпретацию. Система высокомолекулярных цепей ведет себя как сетка «квазисшивок» и ее отклик упругий. «Квазисшивка» релаксирует и оклик становится вязким. Таким образом времени Тр можно дать
следующую молекулярную интерпретацию: это есть время , необходимое рептирующей цепи, чтобы покинуть исходную трубку.
Рисунок 7 - Имитационная модель продавливания макромолекул внутри структурных трубок вязко-упругой системы при сдвиговых деформациях.
Напряжение или внутренние силы - это приращение сил взаимодействия между частицами, возникающее в теле под действием внешней нагрузки. Интенсивность внутренних сил передающихся в точке контакта через выделенную площадку, называется напряжением на данной площадке. В общем случае на площадке могут возникать два вида напряжений: нормальное а и касательное 9. Нормальное напряжение а возникает в плоскости сечения перпендикулярном действию силы. Касательное напряжение 9 возникает в плоскости сечения параллельной действию силы. Силовые упругие и частично температурные деформации обратимы и зависят только от мгновенных значений параметров силового поля. При снятии сил внешнего воздействия силового поля внутренние напряжения исчезают, происходит релаксация (рис.8). Когда тело деформировано, то материал полуфабриката или изделия находится в состоянии покоя и внутренние напряжения в нём отсутствуют. Пластические и вязкие деформации являются остаточными и зависят от истории нагружения силового поля и воздействия температуры.
Рисунок 8 - Имитационное моделирование высокомолекулярного клубка при релаксации в трубке. При снятии внешнего воздействия сил, полимерный клубок возвращает свою форму с небольшой остаточной деформацией
Результаты исследований (The results of the research)
Моделирование деформационных процессов с учетом периода релаксации. Процесс медленного (в течении некоторого времени) исчезновения упругости в реальном теле после снятия силового (технологического) воздействия называется релаксацией.
Е ! //¡| ^^ У11 6Р _______] 6о
V \< 1 (о 2\
Ро р1 —-Р
Рисунок 9 - Диаграмма релаксации по П.А. Ребиндеру при Р> Р к появляется остаточная деформация после прекращения упругого последействия
Сущность релаксации заключается в переходе упругих деформаций в остаточные деформации. Упругая деформация переходит в пластическую деформацию, при этом меняется внутренняя энергия. Количественная характеристика явления релаксации дается на основе предположения, что скорость уменьшения напряжений 9 прямо пропорциональна величине напряжения и обратно пропорциональна некоторой величине, характеризующей свойства данного вещества и называемой временем или периодом релаксации Тр. Свойства упругости твердого тела моделируется уравнением Гука, а свойства потока жидко-образного тела моделируется уравнением Ньютона. Уравнение Гука Уравнение Ньютона
9 И = 9 = _ .
Приравнивая и преобразуя правые части уравнения Гука и Ньютона получим упруго-вязкое состояние реологического тела при равенстве деформации перемещения и:
~ £и откуда ц « трС. 1
Тр
На кривой деформации с течением времени происходит уменьшение упругой деформации и ослабление (релаксация) напряжения с переходом упругой деформации в остаточную, пластическую. Это время определяется по формуле для упруго- вязких тел при сдвиге:
_ Уэфф, 2
1 р = с ;
где ^эфф- эффективный коэффициент вязкости тела,
О- модуль упругости при сдвиге. Математическая модель релаксации реологического тела определяется в соответствии с уравнением:
9=е°Ч-|} 3
Эта формула показывает, что в упруго деформируемом теле касательное напряжение уменьшается вследствие релаксации в е=2.71828... раз через время равное Тр. За время релаксации Тр принимается период, в течение которого величина начальных напряжений уменьшается в 2.72 раза Релаксация протекает сначала по крутонисходящей (экспоненциальной) кривой, затем по кривой, приближающейся к своей горизонтальной асимптоте, в соответствии с рисунком 9.
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
1. Высокомолекулярные структуры биотехнологической среды создающие каркас из макромолекул проявляет упругие свойства.
2. Все свойства деформаций клубковых структур определяются законами физико-химической механики.
3. Биотехнологическая среда, имеющая цепочно-клубочную структуру, обладает свойством релаксации.
Библиографический список
1. Урьев Н.Б. Физико-химическая механика и интенсификация образования пищевых масс, М. Пищевая промышленность, 1976 г. 240 с.
2. Хохлов А.Р., Кучанов С.И. Лекции по физической химии полимеров, М., изд. Мир.; 2000 г. 190 с.
3. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов,
4. Горбатов А.В., Мачихин С.А., Маслов А.М. и др.; М., Лёгкая и пищевая промышленность, 1982 г. 296 с.
5. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии, Л., изд. Химия, 1974 г. 352 с.
6. Кольман Я., Рём К.- Г. Наглядная биохимия, М., изд.Мир, 2000 г. 470 с.
7. Ландау Л.Д. , Лифшиц Е.М. Теория упругости, М., изд. Наука 1965 г. 204 с.
8. Панков Юрий Владимирович, Минухин Леонид Аронович имитационное моделирование объемных структур биотехнологических масс пищевых производств, в понятиях физико-химической механики // НТВТСвАПК. 2019. №4 (4). URL: https://cyberieninka.m/artide/n/imitatsionnoe-modelirovanie-obemnyh-struktur-biotehnologicheskih-mass-pischevyh-proizvodstv-v-ponyatiyahfiziko-himicheskoy-mehaniki (дата обращения: 16.12.2021).
9. Аксенова Лариса Михайловна, Савенкова Татьяна Валентиновна, Святославова Ирина Михайловна Биохимические аспекты формирования упруго-пластично-вязких кондитерских систем // ТППП АПК. 2015. №4 (8). URL: https://cyberleninka.m/artide/n/biohimicheskie-aspekty-formirovaniya-uprugo-plastichno-vyazkih-konditerskih-sistem (дата обращения: 16.12.2021).
10. Санина Т. В., Пономарева Е. И., Левин Ю. Н. Влияние некоторых факторов на реологические свойства теста // Известия вузов. Пищевая технология. 1998. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-nekotoryh-faktorov-na-reologicheskie-svoystva-testa (дата обращения: 16.12.2021).
11. Руднев Сергей Дмитриевич, Мещанинов Антон Владимирович, Иванов Виктор Владимирович, Крюк Роман Владимирович О влиянии структурообразования теста при замесе на реологические свойства хлеба // Хранение и переработка сельхозсырья. 2019. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-vliyanii-strukturoobrazovaniya-testa-pri-zamese-na-reologicheskie-svoystva-hleba (дата обращения: 16.12.2021).
References
1. Uriev N.B. Physico-chemical mechanics and intensification of the formation of food masses, M. Food Industry, 1976. 240 p.
2. Khokhlov A.R., Kuchanov S.I. Lectures on the physical chemistry of polymers, M., ed. World.; 2000 190 p.
3. Structural and mechanical characteristics of food products,
4. Gorbatov A.V., Machikhin S.A., Maslov A.M. and etc.; M., Light and food industry, 1982. 296 p.
5. Friedrichsberg D.A. Course of colloid chemistry, L., ed. Chemistry, 1974. 352 p.
6. Kolman Ya., Rem K. - G. Visual biochemistry, M., ed.Mir, 2000. 470 p.
7. Landau L.D. , Lifshits E M. Theory of elasticity, M., ed. Science 1965. 204 p.
8. Pankov Yuri Vladimirovich, Minukhin Leonid Aronovich simulation modeling of volumetric structures of biotechnological masses of food production, in terms of physical and chemical mechanics // NTVTSvAPK. 2019. No. 4 (4). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/imitatsionnoe-modelirovanie-obemnyh-struktur-biotehnologicheskih-mass-pischevyh-proizvodstv-v-ponyatiyahfiziko-himicheskoy-mehaniki (date of access: 12/16/2021).
9. Aksenova Larisa Mikhailovna, Savenkova Tatyana Valentinovna, Svyatoslavova Irina Mikhailovna Biochemical aspects of the formation of elastic-plastic-viscous confectionery systems // TPPP APK. 2015. No. 4 (8). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/biohimicheskie-aspekty-formirovaniya-uprugo-plastichno-vyazkih-konditerskih-sistem (date of access: 12/16/2021).
10. Sanina T. V., Ponomareva E. I., Levin Yu. N. Influence of some factors on the rheological properties of the dough. Food technology. 1998. No. 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-nekotoryh-faktorov-na-reologicheskie-svoystva-testa (date of access: 12/16/2021).
12. Rudnev Sergey Dmitrievich, Meshchaninov Anton Vladimirovich, Ivanov Viktor Vladimirovich, Kryuk Roman Vladimirovich On the influence of dough structure formation during kneading on the rheological properties of bread // Storage and processing of agricultural raw materials. 2019. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-vliyanii-strukturoobrazovaniya-testa-pri-zamese-na-reologicheskie-svoystva-hleba (Date of access: 12/16/2021).
