Основные СМХ пищевых систем: сдвиговые, компрессионные, поверхностные

 

 

 

Компрессионные свойства пищевых материалов

 

 

Объемное или осевое сжатие, а также осевое растяжение являются основными типами механической деформации продуктов, которым они подвергаются в ряде машин шприцах, волчках, прессах, дозаторах и др. При этом продукты находятся при повышенных давлениях, что изменяет их первоначальный объем и плотность. На выходе из машины объем, и плотность также могут отличаться. Эти изменения определяют, основываясь на компрессионных характеристиках. 
 
^ Компрессионные характеристики фарша при объемном сжатии. Для определения деформационного изменения фарша от давления предложено общее уравнение для объемных деформаций вида: 
, (3.2) 
где  ,   - коэффициенты, зависящие от механического, физико-химичес-кого состояния мясного фарша, его состава и особенностей исходного сырья; р - давление, Н/м2;   - длительность, с. 
 
Значения  ,   и коэффициента бокового давления   приведены в табл. 3.6. 
 
Общую деформацию фарша рассматривают как состоящую из трех зон. При напряжениях, меньших предела упругости, который в среднем прини-мается равным 105 Па, наблюдается зона мгновенно-упругих деформаций. Для нее модуль упругости составляет 0,6.107 Па. Величина упругой относительной деформации достигает максимального значения и составляет 1,6.10-2, при увеличении нагрузки она остается постоянной. Вторая - зона упругого последействия, лежит в пределах напряжений (1÷3,5).105 Па. Третья - зона пластических деформаций, лежит в области напряжений, превышающих 3,5.105 Па. При этом общая деформация зависит не только от напряжения, но и от длительности его действия. 
 
Таблица 3.6 
 
Значения коэффициентов 

Фарш	Коэффициенты
Мясо говяжье, измельченное, в/с    Фарш:    отдельной и чайной колбасы    докторской колбасы    русских и свиных сосисок	5,2  5,2    4,8    4,6	0,058  0,014    0,0092    0,008	0,78-0,80  0,80-0,85    -    0,85-0,93

 
 
 Компрессионные характеристики фарша при осевом сжатии между двумя пластинами. Предлагается величину относительной деформации сжатия   фарша вычислять по зависимости вида: 
, (3.3) 
где  =  - абсолютная деформация слоя продукта за время  , с, при скорости сжатия  , м/с;   - величина прогиба тензобалки прибора в момент измерения, м; Н0 – начальная высота слоя продукта, м.  
 
Значения компрессионных характеристик фарша для русских сосисок при осевом сжатии представлены в табл. 3.7. 
 
Таблица 3.7 
Компрессионные характеристики фарша русских сосисок при осевом сжатии 

Влагосодержание    фарша, кг влаги на     1 кг сухих веществ	Предел текучести  .10-3,     Па, при толщине слоя    фарша Н0.103, м			Модуль упругости Е.10-4, Па, при толщине слоя фаршаН0.103, м
	4	6	8	4	6	8
2,0    2,5    3,0    3,5	3,15    2,44    1,74    1,0	2,75    2,04    1,32    0,6	2,3    1,6    0,9    0,2	-    4,7    3,2    2,0	-    3,7    2,2    1,0	4,4    2,7    1,2    0

 
 
 Прочностные характеристики целых тканей мяса и мясопродуктов. В табл. 3.8. приведены значения прочностных характеристик мяса и мясопродуктов по усилию резания на единицу длины лезвия ножа. При этом лезвие ножа установлено нормально скорости его перемещения, заточено под малым углом, тонкое и движется со скоростью 1 м/с. 
Таблица 3.8 
Прочностные характеристики целых тканей мяса и мясопродуктов 

Продукт	Сопротивление резанию    р·10-3, н/м		Предел прочности    ·10-5, н/м2
	сырых	вареных	растяжение	сжатие
Мускулы разные    Волокна:    коллагеновые    эластиновые    Парное мясо    Плотная часть кости    Поверхностный жир (филейный)    Шкура	1,3-8,8  41,0    27,5    5-8    -  4,2    -	2,7-4,8  7,3    14,4    -    -  1,0    -	10-20  2000-6500    1000-2000    -    500-1200  -    100-400	-  -    -  400-900  -    -

 
 
 Плотность мяса и мясопродуктов. Плотность, как одно из фундаментальных свойств, является существенной характеристикой при расчете машин и аппаратов и оценке качества продукта. Среднюю плотность продукта  , кг/м3, для сравнительно небольшого объема определяют по формуле 
=m/V, (3.4) 
где m - масса продукта, кг; V - объем продукта, м3.  
 
Плотность смеси из нескольких компонентов, когда они не вступают во взаимодействие, при котором меняется состав или объем смеси, вычисляют по формуле 
, (3.5) 
где   - содержание одного из компонентов смеси, кг на 1 кг смеси;   - плотность компонента, кг/м3; i - количество компонентов. 
 
Плотность жидкообразных систем при изменении температуры вычисляют по формуле 
, (3.6) 
где   - плотность при температуре  , кг/м3;   - коэффициент температурного расширения, 1/К;   - плотность при более высокой температуре t, кг/м3. 
 
Плотность жидкообразных белковых систем (мясной бульон, кровь и др.), содержащих большое количество воды, вычисляют по зависимости 
, (3.7) 
где  - плотность при фиксированной температуре t и концентрации с, кг су- 
 
хого вещества на 1 кг продукта;   - плотность при концентрации, равной нулю, и той же температуре, кг/м3, (обычно   равна плотности воды); а - эмпирический коэффициент, кг/м3. 
 
Для вязко-пластичных (мясной фарш и др.), кусковых, сыпучих и порошкообразных продуктов плотность зависит от давления, иногда даже в большей мере, чем от температуры. Для конкретного продукта определяется по расчетным зависимостям. 
 
Плотность жидких водно-белковых систем. Ее определяют с помощью пикнометра или ареометра. 
Таблица 3.9 
Коэффициенты для расчета плотности 

Продукт	Температура,    Tс, 0С	Пределы    Концентрациис, кг/кг	Коэффициент     а, кг/м3	Плотность    , кг/м3
Мясной бульон    Дефибринированная кровь	40    40	0-0,2    0-0,2	300    300	992    992

 
 
Таблица 3.10 
 
Плотность топленых животных жиров 

Продукт	Плотность (кг/м3)    при температуре, 0С		Коэффициент температурного расширения    при 50-90 0С,  ·105, 1/К
	100	50
Жир:    говяжий    свиной    бараний	855    865    859	885    890    888	72    58    66

 
 
 

Поверхностные свойства пищевых материалов

 

Поверхностные свойства продуктов отражают взаимодействие их с твердыми телами и характеризуются такими характеристиками, как липкость (адгезия) и коэффициентом внешнего трения. Данные характеристики используются при выборе материала для изготовления рабочих органов машин, аппаратов. 
 
Таблица 3.13 
 
Значения липкости фарша и мяса 

Образцы	Напряжение предварительного контакта,    рк.10-4, Н/м2	Липкость , ро.10-4, Па    при времени предварительного     контакта, мин.
		1	5	10
Фарш:    свиных сарделек    докторской колбасы    Свинина вдоль волокон  Фарш:    свиных сарделек    докторской колбасы	Фторопласт-4  0,33    0,33    0,33    Сталь  0,24    0,24	0,88    0,66    0,38    0,46    0,42	1,07    0,84    0,43    0,65    0,59	1,21    1,12    0,38    0,75    0,66

 
 
Значения липкости различных фаршей и мяса представлены в табл. 3.13. 
 
Значения липкости фарша в зависимости от времени выдержки в посоле представлены в табл. 3.14. Таблица 3.14 
Значения липкости фарша в зависимости от времени выдержки в посоле 

Фарш	Давление контактирования,     рк.10-4, Н/м2	Липкость , ро.10-4, Па
		Без выдержки	Выдержка, ч
			48	96
Говядина куттерованная:    несоленая    соленая    Соленая с добавлением 40 % воды    Свинина без воды соленая    Свиные сосиски    Любительская колбаса	1,42    1,12  0,54    1,42    0,72    0,72	0,25    0,5  0,29    0,4    0,43    0,45	-    0,57  0,31    0,45    -    -	-    0,56  0,27    0,44    -    -

 
В настоящее время, внешнее трение мяса и мясопродуктов пока еще мало изучено. 
 
Липкость и коэффициент внешнего трения зависят от условий измерения, материала пластин, площади контакта, длительности и напряжения пред-варительного контакта, толщины слоя продукта, кинетики приложения отрывающего или сдвигающего усилия.

 

 

Влияние технологических факторов на структурно-механические свойства пищевых материалов: температуры, влагосодержания, давления, степени измельчения, продолжительности измельчения

 

Структурно-механические свойства продуктов не являются постоянными «константами» и в процессах обработки могут существенно изменяться в зависимости от различных технологических факторов, например, температуры, влагосодержания, давления, степени измельчения, продолжительности измельчения и др. Рассмотрим возможность изменения структурно-механических свойств от различных технологических факторов на примере процесса приготовления фарша с последующим наполнением в колбасные оболочки, состоящего из посола, тонкого измельчения, перемешивания и шприцевания.  
 
Особо следует отметить, что в изучение влияния технологических факторов на процесс фаршеобразования существенный вклад внес В.М. Косой, результаты экспериментальных исследований которого представлены в монографии «Совершенствование процесса производства вареных колбас» (1983 г.). 
 
Влияние рН фарша. Изучение проводилось в интервале значений рН фарша от 3 до 10. Исследованиями установлено, что при значении рН фарша, равном около 5,0, он имеет наибольшую текучесть, т. е. вязкость и предельное напряжение сдвига имеют наименьшие значения. При изменении рН на единицу в сторону увеличения или уменьшения от данного значения, соответствующего минимуму вязкости, ее величины могут увеличиться до 4-5 раз. 
 
 Влияние температуры. Исследования проводились в диапазоне температур от 2 до 35 ºС с помощью прибора РВ-8. В качестве объекта исследования выбрали фарши русских сосисок и докторской колбасы. Исследованиями 
 
установлено, что повышение температуры фарша от 2 до 35 ºС ведет к снижению значений всех реологических характеристик, а именно: предельного напряжения сдвига, вязкости и эффективной вязкости при единичной скорости, за исключением темпа разрушения структуры. Изменение указанных характеристик от температуры представлены на рис. 3.1 а, в виде реограмм.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
а б в 
 
Рис. 3.1. Зависимость изменения структурно-механических свойств колбасных фаршей: 
 
а - от температуры, б - от влажности, в - от продолжительности выдержки: 
 
1 - фарш русских сосисок, 2 - фарш докторской колбасы. 
 Влияние влажности. Исследования проводили на фаршах при изменении относительной влажности W от 0,55 до о,8 кг на 1 кг общей массы сырого фарша. До необходимой влажности фарш доводили путем добавления воды при куттеровании, либо разбавлением его после куттерования при тщательном перемешивании. Исследованиями установлено, что повышение влажности фарша ведет к значительному снижению структурно-механических свойств - предельного напряжения сдвига, вязкости и эффективной вязкости при единичной скорости. Результаты исследований представлены на рис. 3.1 б.  
 
Влияние продолжительности выдержки. С целью восстановления структуры, после механических воздействий колбасные изделия подвергают осадке, т. е. выдержке в течение определенного времени. Для определения влияния продолжительности осадки на структурно-механические свойства, предварительно нашприцованные колбасные батоны подвергали выдержке от 0 до 125 час. Результаты исследований представлены на рис. 3.1 в.  
 
В первые 2-3 час выдержки фарша величины его сдвиговых характеристик практически неизменны. При выдержке 4-10 час (второй период) сдвиговые характеристики увеличиваются до максимума, Таким образом, время выдержки 4-6 час является критическим, когда заканчивается процесс самопроизвольного восстановления структуры. Дальнейшая выдержка вызывает уменьшение значений всех характеристик, т.е. ведет к ослаблению структуры фарша. 
 
 Влияние степени измельчения. Исследования проводили на говядине высшего сорта, путем многократного пропускания мяса (до 25 раз) через мясорубку с решеткой диаметром отверстий 3 мм. Результаты исследований представлены на рис. 3.2. 
 
 
Рис. 3.2. Влияние степени измельчения п на величину предельного напряжения сдвига   
Исследованиями установлено, что с увеличением степени (кратности) измельчения сырья предельное напряжение сдвига   существенно изменяется. При кратности измельчения п, равного 7-8, предельное напряжение сдвига уменьшаясь, достигает минимального значения, а при дальнейшем увеличении кратности измельчения ее величина постепенно увеличивается и к концу достигает величины, превышающей ее первоначальное значение.  
 
 Влияние продолжительности измельчения. Одной из основных технологических операций при приготовлении колбасного фарша является его механическая обработка, т.е. продолжительность измельчения мяса. Продолжительность измельчения мяса определяет глубину технологической обработки и влияет на форму связи влаги, изменяя структурно-механические свойства. 
 
Изучение влияния продолжительности измельчения на структурно-ме-ханические характеристики проводили путем непрерывного измельчения сырья на куттере в течение 25 мин. Результаты значений  ,  , В, m представлены в виде реограмм на рис. 3.3 в. Из реограмм видно, что измельчение сырья в течение первых 5 мин приводит к резкому снижению значений величин всех характеристик сырья, которые к 5 мин достигают наименьших значений. В дальнейшем   и m возрастают, и к 14 мин достигают максимальной величины. Значения величин В и   уменьшаются менее интенсивно и к 14 мин достигают наименьших значений. Дальнейшее измельчение сырья более 14 мин, приводит к снижению значений величин всех характеристик. 
 
 Влияние давления. В колбасном производстве большое значение имеют технологические процессы, связанные со шприцеванием, дозированием, формованием, транспортировкой по трубам и т.д. Продукт подвергается действию давления, которое достигает 1·106 Па. Поэтому необходимо учитывать влияние давления на структурно-механические свойства продукта. 
 
Объектом исследований являлся фарш русских сосисок, который подвергали в первой серии опытов однократному воздействию давления, а во второй - на одной закладке фарша определяли структурно-механические свойства при последовательном возрастании давления от 0,1 до 1 МПа. 
 
 
 
Рис. 3.3. Влияние степени измельчения  
 
на структурно-механические свойства мясных фаршей: 
 
1 - фарш русских сосисок; 2 - фарш докторской колбасы 
 
 
 
 
Рис. 3.4. Зависимость изменения структурно-механических свойств фарша от давления: 
 
1 - при однозначном действии давления; 2 - при последовательном действии 
Анализ реограмм показывает что, в первом случае наблюдается некоторое увеличение величины  , хотя практически ее можно принять за постоянную. Величины  , В, m в обеих сериях возрастают, хотя во второй их числовые значения ниже по сравнению с первой. Пластичность   фарша для обоих случаев оставалась постоянной. 
 
Из рассмотренных материалов видно, что перечисленные технологические факторы оказывают существенное влияние на структурно-механические свойства продуктов. Поэтому во время проведения технологических процессов необходимо их контролировать, а если требуется, то и корректировать с целью получения качественной продукции.