Методы и приборы для измерения структурно-механических свойств продовольственных товаров

Структурно-механические свойства (СМС) проявляются при подводе механической энергии к обрабатываемому продукту и характеризуют его сопротивляемость приложенным извне механическим воздействиям. Эта группа физических свойств дает наиболее полное представление о некоторых существенных аспектах качества продукта.

Для пищевых продуктов определяют следующие свойства.

Упругость — способность тел мгновенно восстанавливать первоначальную форму или объем после прекращения действия сил.

Эластичность — способность тел постепенно восстанавливать форму или объем после прекращения действия сил.

Напряжение сдвига — сопротивление тела действию касательной составляющей приложенной силы. Оно равно отношению этой силы к поверхности сдвига. Минимальная сила, необходимая для осуществления сдвига (перемещение слоев на площади сдвига), определяется величиной предельного напряжения сдвига.

Релаксация напряжения — его уменьшение при постоянной фиксированной деформации тела. Релаксация протекает во времени. Под периодом релаксации понимают время, в течение которого напряжение при постоянной деформации падает в е раз (е — основание натурального логарифма). Период релаксации — это важнейший критерий при формировании хлебобулочных, макаронных и кондитерских изделий. Например, при нанесении штампом какого-либо рисунка на тесто он будет сохранен, а не затянется при условии, что продолжительность воздействия штампа будет не меньше периода релаксации.

Ползучесть — свойство продукта непрерывно деформироваться под воздействием постоянной нагрузки.

Тиксотропия — способность некоторых дисперсных систем самопроизвольно восстанавливать структуру, разрушенную механическим воздействием. Она наблюдается при осадке колбасных изделий, при расстойке теста при выпечке хлебобулочных изделий.

Под адгезией (липкостью) понимают силу прилипания, которая возникает при контакте поверхностей различных по структуре материалов.

Твердость — способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Твердость определяют при оценке качества плодов, овощей, зерна, сахара. У одного и того же продукта в зависимости от его состояния и условий нагружения проявляются разные СМС. Например, макаронное тесто при мгновенном воздействии нагрузки ведет себя как упругое тело, при других условиях нагружения больше проявляются вязкие и пластические свойства. В процессе технологической обработки один и тот же продукт переходит из одного реологического состояния в другое, часто противоположное по свойствам первому.

По Б. А. Николаеву^[1], все пищевые продукты по СМС классифицируют на три группы:

• 1) твердые и твердообразные пищевые продукты;
• 2) твердо-жидкие пищевые продукты;
• 3) жидкообразные и жидкие пищевые продукты.

Минимум показателей, характеризующих в достаточной

мере СМС продуктов, для каждой группы будет различным.

Твердые и твердообразные пищевые продукты I группы характеризуются в основном модулями упругости, вязкостью и отношением вязкости к модулю упругости, а также критическим (предельным) напряжением разрушения. В качестве дополнительных характеристик может служить также предельное напряжение сдвига, обуславливающее начало течения структуры.

Многочисленные твердо-жидкие пищевые продукты II группы, обладающие многообразием механических свойств, характеризуются наибольшим количеством показателей: модулями упругости, эластичности, реологическими кривыми зависимости вязкости от напряжения, отношением вязкости к модулю, предельным напряжением сдвига, относительной упругостью (пластичностью), а также эластичностью и коэффициентами разжижения (упрочения).

Жидкообразные и жидкие пищевые продукты III группы характеризуются величинами их предельного напряжения сдвига, зависимостью структурной вязкости от напряжения, потерей давления при течении по трубам, предельной скоростью течения и главным образом вязкостью.

Реологические методы применяются не только в традиционных случаях, таких как изучение физических величин и расчет движения продуктов в рабочих органах машин, но и для оценки ряда технологических, в том числе и качественных показателей продуктов, управления ими и получения заранее заданных технологических характеристик.

Очень важны реологические методы при определении упруго-вязких характеристик теста, липкости мясного фарша, прочности макаронных изделий, сахара-рафинада, вязкости майонеза и др.

Одним из важнейших показателей качества многих продовольственных товаров является консистенция. Существующий органолептический метод контроля консистенции продовольственных товаров является субъективным. Поэтому при экспертизе продовольственных товаров наряду с органолептическим применяют инструментальный метод контроля, основанный на определении одной или нескольких объективных структурно-механических характеристик продукта. В этом заключается одно из главных значений реологических методов контроля в товароведении.

Существует несколько систем классификации реологических методов и приборов для их измерения.

А. В. Горбатов, В. Д. Косой¹ классифицируют методы и приборы на три группы: абсолютные, относительные и условные.

Абсолютные — измеряют и показывают численные значения свойств в абсолютной системе единиц, которые вычисляют, основываясь на геометрических размерах рабочих органов и условиях проведения опыта.

Относительные — требуют предварительной тарировки на эталонном материале, измеренные значения свойств относятся к свойствам этого эталонного материала, т. е. получаются безмерные, относительные показатели, которые легко пересчитать в абсолютные.

Абсолютные и относительные методы и приборы имеют теоретическое обоснование.

Условные — измеряют и показывают численные значения свойств в условных единицах. Например, с помощью пенетрометра измеряют степень пенетрации, по которой рассчитывают предельное напряжение сдвига.

В соответствии с классификацией М. П. Воларовича все методы деления СМС можно подразделить на интегральные и дифференциальные.

Интегральные — дают возможность определить суммарный эффект течения.

Дифференциальные — позволяют наблюдать непосредственно деформацию во времени в каждой точке системы при ее течении.

Б. А. Николаев^{[2] [3]} классифицирует все приборы и методы на группы в зависимости от вида деформации структуры: сдвига, сжатия и изгиба.

По виду измеряемой величины А. А. Соколов и другие¹ делят реологические приборы и методы на четыре группы.

• 1. Метод постоянной скорости сдвига — реализуется обычно путем применения электромеханического или гидравлического привода; сила, напряжение измеряются различными динамометрами.
• 2. Метод постоянной нагрузки — конструктивно значительно проще, так как скорость перемещения или вращения легко измерить обычным секундомером или записать на диаграмме.
• 3. При третьем методе измерения постоянная сила нагружения обусловлена неизменной массой подвижной части прибора; время измерения обычно постоянно и принимается несколько больше, чем период релаксации. При этом измеряют глубину погружения при уменьшающейся скорости, которая в пределе достигает нуля.
• 4. Четвертый метод позволяет по площади диаграммы определить энергию деформирования, а ордината на диаграмме показывает усилие.

Профессор В. Д. Косой^{[4] [5]} в зависимости от задач, поставленных при измерении, подразделяет все приборы для измерения СМС мясных продуктов на три группы: универсальные — для научно-исследовательских целей, производственные — для поэтапного контроля консистенции и качества экспресс-методом; автоматические — для непрерывного контроля технологического процесса с оперативной обратной связью к обрабатывающей машине.

Многие авторы классифицируют методы и приборы в зависимости от вида определяемых свойств на следующие группы:

• — методы и приборы для измерения сдвиговых характеристик;
• — методы и приборы для измерения объемных (компрессионных) характеристик;
• — методы и приборы для измерения поверхностных характеристик.

• [1] Николаев, Б. А. Измерение структурно-механических свойствпищевых продуктов / Б. А. Николаев. — М.: Экономика, 1964.
• [2] Структурно-механические характеристики пищевых продуктов / А. В. Горбатов, А. М. Маслов, Ю. А. Мачихин и др., под ред.А. В. Горбатова. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982;Косой, В. Д. Совершенствование процесса производства вареных колбас / В. Д. Косой. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.
• [3] Николаев, Б. А. Измерение структурно-механических свойствпищевых продуктов / Б. А. Николаев. — М.: Экономика, 1964.
• [4] Физико-химические и биохимические основы технологии мясаи мясопродуктов / под ред. А. А. Соколова. — М.: Пищевая промышленность, 1973.
• [5] Косой, В. Д. Совершенствование процесса производства вареных колбас / В. Д. Косой. — М.: Легкая и пищевая промышленность,1983.