- •Федеральное агентство по образованию
- •Учебное пособие
- •Список основных условных обозначений
- •Предисловие
- •Введение в инженерную реологию пищевой промышленности Основные общие понятия инженерной реологии пищевой промышленности и место реологии среди родственных дисциплин
- •Краткий исторический обзор развития реологии
- •Глава 1. Общая реология
- •1.1. Формализации Лагранжа и Эйлера
- •1.2. Законы сохранения вещества, количества движения и энергии
- •1.3. Дифференциальные уравнения неразрывности, движения и энергии
- •1.4. Тензор напряжений
- •1.5. Тензор скоростей деформаций
- •1.6. Вязкость, упругость, различные реологические эффекты
- •1.7. Реологические уравнения сдвигового течения
- •Реологические уравнения
- •1.8. Вязкоупругость
- •1.9. Общая классификация реологических моделей пищевых сред
- •1.10. Микрореология
- •Глава 2. Реометрия
- •2.1. Классификация приборов и методов реометрии
- •2.2. Приборная инвариантность, имитационность и обработка данных в реометрии
- •2.3. Теория капиллярных вискозиметров
- •Реологические свойства казеина
- •2.4. Теория ротационных вискозиметров
- •2.5. Теория конических пластометров
- •Коэффициенты конического пластометра
- •2.6. Элементы теории различных реометров
- •2.7. Некоторые результаты реометрии пищевых сред
- •Значения коэффициента динамической вязкости 103, Пас
- •Значения предельного напряжения сдвига 0, Па
- •Значения коэффициента динамической вязкости крови убойных животных 103, Пас
- •Значения коэффициента динамической вязкости меланжа 103, Пас
- •Значения коэффициента динамической вязкости животных жиров, 103, Пас
- •Реологические свойства фаршей
- •Эталонные характеристики фарша мясного
- •Компрессионные характеристики фарша сосисок русских
- •Релаксационные характеристики фарша сосисок русских
- •Метареологические свойства мяса
- •Значения величин, необходимых для расчета плотности по формуле (2.192)
- •Зависимость вязкости от температуры
- •Зависимость безразмерной вязкости от приведенного градиента скорости сдвига
- •Значения коэффициентов n и k
- •Значения эффективной вязкости в
- •Значения эффективной вязкости эф 103, Па с в зависимости от температуры и градиента скорости
- •Влияние температуры сахарного раствора на коэффициент динамической вязкости
- •2.8. Связь между структурно-механическими характеристиками и сенсорной оценкой качества продуктов
- •Вязкостные свойства пищевых продуктов
- •Данные для ориентировочной органолептической оценки вязкости пищевых масс
- •Глава 3. Реодинамика
- •3.1. Резание пласта вязкопластичного продукта
- •3.2. Течение пищевых сред по наклонной плоскости
- •Уравнения расхода жидкости
- •3.3. Течение пищевых сред в трубах прямоугольного сечения
- •3.4. Течение в различных рабочих каналах пищевых машин и аппаратов
- •Формулы для сложных каналов
- •3.5. Упрощенная линейная теория червячных нагнетателей
- •3.6. Уточненная гидродинамическая теория червячных нагнетателей
- •Значения поправочных коэффициентов kv и kр расходно-напорной характеристики червячного нагнетателя
- •Расчет поправочных коэффициентов для гидродинамической теории червячных нагнетателей в программе MathCad
- •3.7. Расчет червячных экструдеров по методу совмещенных расходно-напорных характеристик
- •3.8. Вероятность формосохранения пищевых изделий
- •3.9. Сопротивление движению лопасти смесительного аппарата
- •Глава 4. Экспериментальные исследования реологических характеристик жиросодержащих пищевых продуктов
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Методика проведения исследований
- •4.3. Обобщение результатов реологических исследований
- •4.4. Смеси мороженого
- •4.5. Маргарины
- •4.5.1. Маргарины с содержанием жира 82 %
- •4.5.2. Маргарины с содержанием жира от 40 до 75 %
- •4.6. Кулинарные жиры
- •4.7. Пищевой топленый свиной жир
- •4.8. Мясной студень
- •4.9. Плавленые сыры
- •4.10. Кисломолочные продукты
- •4.10.1. Сметана с содержанием жира 20 %
- •4.10.2. Кисломолочный напиток «Бифидок»
- •4.10.3. Кисломолочный напиток «Ряженка»
- •4.10.4. Кисломолочный напиток кефир «Фруктовый»
- •4.10.5. Кисломолочный напиток кефир «Детский»
- •4.11. Сливочный сыр сладкий
- •4.12. Творог
- •4.13. Майонезы
- •4.13.1. Майонез провансаль «Утро»
- •4.13.2. Майонез летний «Нежко»
- •4.13.3. Майонез «Провансаль для салатов»
- •4.13.4. Майонез «Провансаль новый»
- •4.13.5. Майонез «Провансаль»
- •4.14. Масло «Веста»
- •4.15. Кетчуп «Шашлычный острый»
- •Список литературы к глАве 4
- •Приложение к главе 4
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира крем-брюле
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости и безразмерного касательного напряжения смеси мороженого пломбира крем-брюле в интервале температур 5,0–40,0 °с
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого сливочного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого сливочного крем-брюле
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого молочно-шоколадного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого молочного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира сливочного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира кофейного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира земляничного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира шоколадного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира сливочного
- •Значения масштабного касательного напряжения смеси мороженого
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина бутербродного «Славянский»
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости и безразмерного касательного напряжения маргарина бутербродного «Славянский» в интервале температур 5,1–35,1 с
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина бутербродного «Особый»
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина столового «Эра»
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина «Сливочный»
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина столового «Молочный»
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина мягкого «Утро»
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина мягкого «Росинка»
- •Реологические характеристики мягкого маргарина «Домашний»
- •Результаты исследования реологических характеристик мягкого маргарина «Лакомка»
- •Результаты экспериментальных исследований влияния температуры продукта и градиента скорости на реологические характеристики маргарина брускового «Росинка»
- •Результаты исследований эффективной вязкости и касательного напряжения маргарина брускового «Утро»
- •Результаты исследований влияния температуры продукта и градиента скорости на реологические характеристики маргарина брускового «Сливочный новый»
- •Значения эффективной вязкости и касательного напряжения маргарина брускового «Домашний» в зависимости от температуры продукта и градиента скорости
- •Результаты исследований вязкостных характеристик и касательного напряжения маргарина для жарения «Волшебница»
- •Результаты исследования реологических характеристик кулинарного жира «Новинка»
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости кулинарного жира «Новинка» в интервале температур 10,0–30,0 с
- •Результаты исследования реологических характеристик кулинарного жира «Белорусский»
- •Результаты исследования реологических характеристик кулинарного жира «Прима»
- •Результаты исследования реологических характеристик растительного сала
- •Результаты исследований касательного напряжения и эффективной вязкости кулинарного жира «Фритюрный»
- •Результаты исследования реологических характеристик пищевого топленого свиного жира
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости пищевого топленого свиного жира в интервале температур 12,0–44,0 с
- •Результаты исследования реологических характеристик мясного студня 1-го сорта
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости мясного студня 1-го сорта в интервале температур 10,0–25,0 с
- •Результаты исследования реологических характеристик плавленого сыра «Городской»
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости и безразмерного касательного напряжения плавленого сыра «Городской» в интервале температур 20,0–60,0 с
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Фруктовый»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Новый»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Шоколадный»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Латвийский»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Костромской»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Кисломолочный»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Российский»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Советский»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Рокфор»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Лето»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Дружба»
- •Сыра плавленого «Дружба» в интервале температур 25,1– 80,0 °с
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Сыр с луком»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Невский»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Янтарь»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Угличский»
- •Результаты исследования вязкостных характеристик и касательных напряжений сметаны
- •Результаты исследования реологических характеристик творога
- •Результаты исследования реологических характеристик низкокалорийного майонеза провансаль «Утро»
- •Результаты исследования реологических характеристик майонеза летнего «Нежко»
- •Результаты исследования реологических характеристик майонеза «Провансаль для салатов» с содержанием жира 36 %
- •Результаты исследования реологических характеристик майонеза «Провансаль новый»
- •Результаты исследования реологических характеристик майонеза «Провансаль»
- •Результаты исследования вязкостно-скоростных характеристик масла «Веста»
- •Результаты исследования реологических характеристик кетчупа шашлычного острого
- •Глава 5. Учебно-методический материал
- •5.1. Вопросы и задания для самоконтроля и дистанционного обучения по инженерной реологии
- •5.2. Информационные технологии обучения – примеры программ для персональных компьютеров
- •Желаем удачи!
- •Желаем удачи!
- •Желаем удачи!
- •5.3. Вариант рабочей программы дисциплины «Инженерная реология»
- •Раздел 3
- •Тема 3. Основные структурно-механические свойства пищевых продуктов.
- •Раздел 4
- •Тема 4. Методы и приборы для измерения структурно-механи-ческих свойств пищевых масс.
- •Раздел 5
- •Тема 5. Предельное напряжение сдвига пищевых материалов.
- •Раздел 6
- •Тема 6. Реометрия на ротационных вискозиметрах.
- •Раздел 7
- •Тема 7. Капиллярная вискозиметрия.
- •Раздел 8
- •Тема 8. Реодинамическая теория экструдеров.
- •Раздел 9
- •Тема 9. Реодинамические расчеты трубопроводов, контроль процессов и качества продуктов по структурно-механическим характеристикам.
- •Часть 2. Лабораторный практикум Лабораторный практикум для специальности 271100
- •Лабораторный практикум для специальности 270900
- •Часть 3. Список литературы
- •5.4. Некоторые единицы измерений
- •Заключение
- •Список рекомендуемой литературы
- •Предметный Указатель
- •Содержание
- •Глава 1. Общая реология 22
- •Глава 2. Реометрия 73
- •Глава 3. Реодинамика 152
- •Глава 4. Экспериментальные исследования реологических характеристик жиросодержащих пищевых продуктов 183
- •Глава 5. Учебно-методический материал 399
- •196006, Санкт-Петербург, ул. Коли Томчака, дом 28
4.9. Плавленые сыры
Начало производства плавленых сыров относится ко второму десятилетию ХХ в. В 1911 г. на сыродельном заводе фирмы Гербер (Швейцария) впервые был выработан плавленый сыр [26]. Сырная масса нагревалась до высокой температуры, а для перехода нагретого белка молока в жидкое состояние были использованы специальные соли. В нашей стране производство плавленых сыров было организовано в 1934 г., и в последующие годы оно превратилось в крупную индустриальную отрасль.
Плавленые сыры содержат от 38 до 65 % сухих веществ. В состав сухих веществ входят белки, жиры, различные соли, витамины и микроэлементы. С. М. Баркан и М. Ф. Кулешова отмечают [26], что плавленые сыры можно рассматривать как трехкомпонентную систему жир–вода–сухое обезжиренное вещество. При этом до плавления вода является растворимым веществом, а белок растворителем. После плавления фазы меняются. Белки плавленых сыров представлены в основном молочными белками. Помимо молочных белков, в некоторых плавленых сырах содержатся немолочные белки: мясные, рыбные или дрожжевые – в количестве 5–15 %. Белковые продукты, к которым относятся и плавленые сыры, являются высокополимерными веществами.
По жирности плавленые сыры подразделяются: на сливочные –содержание жира в сухом веществе 60 %; жирные – содержание жира в сухом веществе 40, 45, 50 и 55 %; полужирные – содержание жира в сухом веществе 30 %. Жировая фаза плавленого сыра представлена главным образом молочным жиром, который вводится в сыр вместе с полужирными сырами, творогом, сливочным маслом, высокожирными сливками, сметаной и сухим молоком. Предполагается, что в плавленых сырах влага в свободном состоянии отсутствует.
Одна из основных реологических характеристик плавленых сыров – эффективная вязкость зависит от величины градиента скорости, содержания влаги и жира в плавленом сыре, его температуры, от вида солей-плавителей и их количества в сыре, от свойств исходного сырья, режимов тепловой и механической обработки сырной массы и др. При этом степень влияния отмеченных факторов на эффективную вязкость ηэф плавленых сыров различна. С. М. Баркан и М. Ф. Кулешова отмечают [26], что существенное влияние на ηэф плавленых сыров оказывает отношение влаги (В) к сухому обезжиренному веществу (СОВ). При увеличении отношения В/СОВ от 1 до 2,15 значение ηэф уменьшается более чем в два раза.
Изменение содержания жира в плавленом сыре незначительно влияет на его ηэф [26]. При этом, как отмечает Г. Сабо [26], плавленый сыр с высоким содержанием жира обладает более низкими вязкостными свойствами.
При повышении содержания жира в сухом веществе с 30 до 50 % эффективная вязкость плавленых сыров уменьшается, так как при этом жир выполняет роль пластификатора. При меньшем содержании жира в сухом веществе (от 0 до 30 %) эффективная вязкость плавленых сыров выше, так как в формировании консистенции сыра преобладающая роль принадлежит белковой фазе.
В связи с влиянием содержания жира в плавленых сырах приводим сведения о жирности исследуемых сыров: «Фруктовый», «Городской», «Новый», «Шоколадный» – 30 %; «Латвийский», «Костромской» – 40 %; «Кисломолочный», «Российский», «Советский» – 45 %; «Рокфор» – 50 %; «Лето», «Дружба», «Сыр с луком» – 55 %; «Невский», «Янтарь», «Угличский» – 60 %.
Влияние вида и дозы солей-плавителей на ηэф плавленых сыров отмечают С. М. Баркан и М. Ф. Кулешова.
Эффективная вязкость плавленых сыров зависит от свойств исходного сырья, в том числе от зрелости сыров, идущих на переплавку [26].
Наибольшее значение ηэф имеют плавленые сыры, выработка которых была произведена из незрелых сыров. Эффективная вязкость плавленых сыров снижается по мере созревания сыра, идущего на переплавку, и достигает минимального значения, когда возраст созревания натурального сыра равен 60 дням. При этом у плавленых сыров, выработанных с солями-плавителями цитратами, при увеличении возраста созревания сыра, идущего на переплавку, с 5 до 60 дней значение ηэф уменьшается в 15–20 раз. При одинаковом содержании в плавленых сырах белка, влаги и жира их эффективная вязкость повышается с увеличением активной кислотности сырной массы [26].
Влияние значительного числа различных факторов на эффективную вязкость плавленых сыров и сложность их сопоставления является одной из причин некоторого разночтения данных по ηэф плавленых сыров, приводимых различными авторами. На некоторое различие данных по ηэф плавленых сыров указывают М. Ф. Кулешова и В. Г. Тиняков [27].
Для разработки и расчета оборудования для производства плавленых сыров необходимо иметь данные о реологических свойствах данного продукта, таких, как эффективная вязкость и касательное напряжение. В целях получения дополнительных сведений по отмеченным реологическим свойствам плавленых сыров, некоторые данные по которым опубликованы ранее [4, 26 и др.], проведены их реологические исследования.
Исследовали следующие плавленые сыры: «Фруктовый», «Городской», «Новый», «Шоколадный», «Латвийский», «Костромской», «Кисломолочный», «Российский», «Рокфор», «Лето», «Сыр с луком», «Невский», «Дружба», «Янтарь», «Советский» и «Угличский» [11].
Для большинства плавленых сыров реологические исследования проводили в интервале температур от 20 до 80 С. При проведении опытов использовали набор измерительных цилиндров H, S3, S2 и S1. Минимальные значения градиента скорости , имевшие место при проведении исследований, для ряда сыров составили 0,167 с–1, а максимальные – 4–6 с–1.
Для некоторых плавленых сыров, например «Шоколадный», максимальные значения достигали 437 с–1. Исследовались плав-леные сыры с содержанием жира в сухом веществе 30, 40, 45, 50, 55 и 60 %.
Экспериментальные данные первоначально обрабатывали в виде графической зависимости касательного напряжения τ от градиента скорости , т. е. в координатах при разных температурах сыра.
На рис. 4.22 показаны кривые течения плавленого сыра «Городской». Результаты опытных данных этого сыра приведены в табл. 4.59. Измерения τ производили при различных значениях и температуры плавленого сыра. Из графика видно, что τ изменяется в зависимости от и температуры сыра. При этом угол наклона кривых течения – индекс течения, характеризующий показатель неньютоновского поведения сыра, увеличивается с возрастанием температуры сыра.
Кривые течения, соответствующие плавленому сыру «Городской», имеют и другие исследуемые сыры. Характер изменения кривых течения плавленых сыров от свидетельствует о принадлежности исследуемых сыров к псевдопластичным средам.
Рис. 4.22. Кривые течения плавленого сыра
«Городской» при температурах, °С:
1 – 20; 2 – 25; 3 – 30; 4 – 40; 5 – 45; 6 – 50; 7 – 60; 8 – 70; 9 – 80
Средние значения безразмерного касательного напряжения сыра плавленого «Городской» в интервале температур от 20,0 до 60,0 С приведены в табл. 4.28.
Опытные данные по τ, обработанные в логарифмических координатах безразмерного касательного напряжения от для разных сыров, показаны на рис. 4.60.
Опытные данные всех исследуемых сыров удовлетворительно размещаются вдоль единой кривой. Это позволяет заключить, что для всех исследуемых сыров существует единая температурно-инвариантная характеристика касательного напряжения. Математическая обработка экспериментальных данных в указанных координатах методом наименьших квадратов на ЭВМ позволила получить следующую расчетную зависимость:
. (4.28)
Погрешность значений , вычисленных по формуле (4.28), не превышает ±4,4 % при доверительной надежности α = 0,95. Кроме того, опытные данные обработали в виде зависимости температурного коэффициента касательного напряжения аτ от температуры плавленого сыра, т. е. в координатах .
При обработке результатов исследований (табл. 4.61) в координатах экспериментальные точки всех плавленых сыров удовлетворительно разместились вдоль единой кривой (рис. 4.24). Следовательно, для исследуемых сыров существует обобщенная температурная зависимость касательного напряжения, с помощью которой можно определять значения аτ при любом промежуточном значении температуры продукта внутри ее экспериментального интервала.
Математическая обработка опытных данных по температурной зависимости приводит к уравнению
. (4.29)
Погрешность значений аτ, вычисленных по формуле (4.29), не превышает ±29,7 % при α = 0,80.
Используя полученные расчетные зависимости (4.28) и (4.29), формулу для определения τ плавленых сыров можно записать в виде
. (4.30)
Результаты исследований вязкостных свойств плавленых сыров обрабатывали в логарифмических координатах, отражающих зависимость эффективной вязкости η от , т. е. в координатах , при разных температурах продукта с учетом рекомендаций [8, 28]. Опытные данные по исследованию вязкостно-скоростных характеристик плавленого сыра «Городской» показаны на рис. 4.25.
Рис. 4.25. Вязкостно-скоростные характеристики
плавленого сыра «Городской» при температурах, °С:
1 – 20; 2 – 25; 3 – 30; 4 – 40; 5 – 45; 6 – 50; 7 – 60; 8 – 70; 9 – 80
Из графика видно, что η сыра уменьшается с повышением температуры продукта. Так, при = 0,167 с–1 и t = 20 С эффективная вязкость смеси η = 13580 Па·с, а при t = 60 С и том же значении градиента скорости η = 152 Па·с, т. е. уменьшается более чем в 89 раз.
Наряду с изменением η сыра от t, вязкостные свойства сыра изменяются также в зависимости от . Так, при t = 30 С и увеличении с 0,167 до 2,7с–1 значение η уменьшается с 4755 до 536 Па·с.
На рис. 4.26 показаны вязкостно-скоростные характеристики другого плавленого сыра – «Шоколадный». Вязкостно-скоростные характеристики, аналогичные характеристикам сыров «Городской» и «Шоколадный», получены для остальных исследуемых плавленых сыров. Характер изменения вязкостных свойств плавленых сыров от свидетельствует об аномалии вязкости, имеющей место у исследуемых сыров.
Рис. 4.26. Вязкостно-скоростные характеристики
плавленого сыра «Шоколадный» при температурах, °С :
1 – 20; 2 – 25; 3 – 30; 4 – 35; 5 – 40; 6 – 45; 7 – 50; 8 – 60; 9 – 70; 10 – 80
При обобщении результатов реологических исследований экспериментальные данные по вязкостным свойствам плавленых сыров обработали в виде зависимости безразмерной вязкости от и в виде зависимости температурного коэффициента вязкости аη от температуры [28].
При обработке экспериментальных данных (см. табл. 4.60) в координатах (рис. 4.27) опытные данные всех плавленых сыров удовлетворительно разместились вдоль единой кривой. Следовательно, для всех исследуемых сыров существует единая температурно-инвариантная характеристика.
Аппроксимация экспериментальных данных, по которым построена температурно-инвариантная характеристика вязкости, позволила получить расчетную зависимость вида
. (4.31)
Погрешность значений, вычисленных по формуле (4.31), не превышает 6,2 % при α = 0,95.
То обстоятельство, что все экспериментальные данные по вязкостным свойствам всех исследуемых сыров (см. табл. 4.59–4.61; табл. 4.62–4.91) удовлетворительно разместились вдоль единой кривой (см. рис. 4.24), позволяет сделать вывод о существовании обобщенной температурной зависимости вязкости для плавленых сыров.
Результаты экспериментальных данных аη в численном значении равны опытным данным аτ при одних и тех же значениях и температуры продукта. В связи с отмеченным температурная зависимость η описывается той же кривой, что и температурная зависимость τ. С учетом этого запишем
. (4.32)
Получив расчетные зависимости, можно определить значения η для любых промежуточных значений и температуры сыров, имевших место при проведении опытов, по формуле
. (4.33)
Анализ формулы (4.33) позволяет сделать важный для практики вывод: эффективная вязкость исследуемых сыров в значительной степени зависит от величины градиента скорости, который, в свою очередь, оказывает существенное влияние на расходуемую энергию как при перемешивании плавленых сыров в процессе их изготовления, так и при перекачивании и транспортировании сыров по трубопроводу к расфасовочному оборудованию.