3 Подрібнення в харчових технологіях: сутність, призначення, основне устаткування.

Подрібненнямназивають процес руйнування твердого матеріалу під дією зовнішніх сил. Умовно вважають, що після дроблення утворюються куски матеріалу більше ніж 5мм. Тонке дроблення твердого матеріалу (менше ніж 5мм) називають помелом.

Процеси дроблення і подрібнення широко використовують у цукровому, борошно-круп'яному, хлібопекарському, м'ясопереробному, спиртовому, пивоварному, крохмале-патоковому, консервному та інших виробництвах.

Основною характеристикою процесу є ступінь подрібнення і, що дорівнює відношенню середніх розмірів кусків матеріалу до (dп) і після (dк) по­дрібнення: і = dп/dк.

Визначальними лінійними розмірами кусків кулеподібної форми є діаметри dп , dк , а для частинок неправильної форми може бути їхня середня геометрична величина. Практично вона визначається розміром отворів сит, крізь які просівають весь матеріал до і після подрібнення. Використовують також поняття об'ємний ступінь подрібнення: і = dп /dк

Подрібнення умовно поділяють на класи залежно від розмірів початкового і подрібненого матеріалу. Відповідно змінюється і ступінь подрібнення. При грубому дробленні і = 2...6, середньому — і = 5...10; при тонкому подрібненні і > 100.

Фізично-механічні властивості матеріалу, вид і ступінь подрібнення визначають вибір способу дроблення. Залежно від характеру зовнішніх механічних зусиль матеріал можна подрібнювати роздавлюванням, розколюванням, розтиранням, розламуванням за допомогою удару, розриву, згинання. При грубому і середньому дробленні найчастіше використовують спосіб роздавлювання, при тонкому — розтирання. Для твердих матеріалів доцільно застосовувати розколювання та ударне навантаження, для крихких — роздавлювання та удар, для в'язких — розтирання. В процесі дроблення часто комбінують різні способи, наприклад: розтирання і роздавлювання; розтирання та ударне навантаження.

Процес утворення в тілах нових поверхонь під дією внутрішніх напружень або зовнішніх сил називають руйнуванням. При частковому руйнуванні у твердому тілі виникають тріщини, які можуть змінити структурно-механічні характеристики тіла. Подрібнення матеріалу є штучним повним руйнуванням тіла, при якому воно розділяється на частини.

Руйнування під дією зовнішніх сил може відбуватися за наявності однієї з умов:

1. Локальне перенапруження поверхневих мікрооб'ємів у місцях прикладання навантажень.

2. Наявність порожнин, неоднорідностей та інших дефектів у структурі тіла.

3. Розвиток у матеріалі значних пружних і пластичних деформацій.

Механічні характеристики пружність, текучість, міцність, пластичність визначають поведінку твердого тіла при зовнішній дії. За умови, що навантаження перевищує межу пружності, матеріал піддається пластичній деформації, а при досягненні межі текучості починає текти. При досягненні межі міцності матеріал руйнується, причому зі зменшенням розміру тіла межа міцності зростає, тому що зменшується кількість дефектів у матеріалі.

У процесі дроблення відбуваються в основному крихке і пластичне руйнування. Для крихкого руйнування характерна незначна деформація матеріалу, причому після руйнування немає залишкових деформацій. Прикладена енергія витрачається на подолання сил взаємного зчеплення частинок тіла, тобто на утворення нової поверхні. Під час руйнування пластичних матеріалів енергія витрачається як на розрив структурних зв'язків, так і на значні пластичні деформації. Причому енергія, що витрачається на деформацію, перетворюється в теплоту. Руйнування крихких матеріалів потребує значно менших витрат енергії порівняно з пластичними. Оскільки крихкість і пластичність ряду матеріалів визначаються їхнім фізичним станом, з енергетичного погляду доцільно подрібнювати матеріал у крихкому стані.

Нині не існує єдиної теорії руйнування. Для різних фізичних станів тіла та умов руйнування створені й використовуються відповідні моделі руйнування. Немає також загального теоретичного опису процесу подрібнення харчових продуктів. Існуючі теорії подрібнення орієнтовані в основному на визначення витрат енергії, оскільки на здійснення процесу потрібні значні її витрати.

Для подрібнення використовують машини, основою роботи яких є прикладання зовнішніх сил для подолання міцності клітин. У цих машинах закладено різні принципи прикладання сили: удару, роздавлювання, розколювання, витирання. Наприклад, у різальних машинах — це рубка та ковзаюча різка. За допомогою різальних машин можна отримати шматочки правильної форми. На сировину діє розривна, стискаюча та згинаюча сили. Залежно від виду сировини ефективність сил прикладання різна. Так, при подрібненні твердих плодів найефективнішою є сила удару (крім удару для їх подрібнення застосовують розколювання), для в'язких тіл — витирання. Після сильного подрібнення утворюються шматочки непра­вильної форми, а після дрібного — округлої.

Технологічний результат роботи оцінюють за трьома показниками: однаковістю, певними розмірами та формою частинок. Наявність дуже малих частинок небажана, оскільки при пресуванні (ви­готовленні соків) вони забивають фільтри.

ля подрібнення винограду, кісточкових, інколи помідорів використовують вальцьові (з рифленими вальцями) дробарки ВГД. Різні щільність нарізування та швидкість обертання вальців дають потрібний ефект при подрібненні. Ці дробарки, залежно від виду пе­рероблюваної продукції, агрегатуються з певним набором машин. Так, при подрібненні помідорів за валковим станком встановлена барабанна установка, на якій виділяють сік та насіння, а м'якоть подається на ножову дробарку. Цей агрегат називається дробаркою-насіннєвідділювачем. Ножова дробарка зроблена у вигляді барабана з ножами, всередині якого обертається багатолопатевий ротор, що відкидає м'якоть на ножі барабана, після чого вона виводиться через отвори в барабані. В результаті подрібнення одержують частинки від 1 до 7 мм, серед яких до 50 % мають розмір 3 — 5 мм і приблизно по 25 % — розмір 1 - 2 та 5 - 7 мм.

При виготовленні яблучного соку найкращий вихід його тоді, коли розмір частинок подрібнених яблук 3-5 мм. Структура м'якоті яблук така, що піддається різанню, тому основний робочий орган машин КДП — ножі, змонтовані у вісім рядів на зовнішній частині

барабана з лезами завдовжки від 0,5 до 5 мм. Уздовж барабана встановлено чотири притискні колодки. Зазор між зубами-ножами та колодками становить від 0,5 до 20 мм, залежно від розміру час­тинок продукції.

Для одержання продукції у вигляді брусочків використовують комбіновані овочерізальні машини типу «Ритм», які плоскими ножами зрізають пластинку, а дисковими — ріжуть на брусочки. Щоб розрізати овочі чи фрукти на кубики, брусочки або на локшину, ви­користовують різальний блок з механізмами поздовжнього та поперечного різання. Капусту, цибулю й інші овочі ріжуть на дискових овочерізках (шинкувальних машинах), на дисках, які обертаються, встановлено серповидні ножі.

Тонке подрібнення, або гомогенізація, необхідне при виробництві пюре, соків з м'якоттю. Тому після грубого подрібнення на подрібнювачах маса надходить на гомогенізатори чи дезінтегратори (колоїдні млини). Принцип роботи плунжерного гомогенізатора полягає у продавлюванні маси, що подається насосом через гомогенізуючу головку, під тиском 15 — 20 МПа із швидкістю 150 — 200 м/с. Плунжерні гомогенізатори випускаються продуктивністю 1200, 1000 та 5000 л/год.

У процесі переробки яблук використовують молоткові дробарки. За допомогою шнека плоди подають до вертикально чи горизонтально розміщеного ротора, на якому знаходяться рухомо (чи нерухомо) закріплені молотки. Ротор встановлено в сітчастому циліндрі. Залежно від потреби розмір отворів у ситі змінюють від 1 до 12 мм.

Для подрібнення винограду з одночасним відділенням ягід від гребенів використовують відцентрову дробарку, що працює за принципом молотарок. Недоліком таких дробарок є велика аерація подрібненого продукту. У ножових дробарках робочим органом є диск (розмір часточок визначається висотою кромок над поверхнею диска) або барабан з отворами та ріжучими кромками.

Для одержання плодоягідної чи овочевої маси з дуже високим ступенем дисперсності використовують дезінтегратори, в яких між дисковим ротором та нерухомим статором (корпусом) є зазор 0,05 мм, через який пропускається маса. Тут створюється вихровий потік і ча­стинки, що обертаються, відцентровими силами розриваються на дрібніші. У колоїдного млина чеської фірми «Пробст» частота обертів ротора становить 2800 об/хв (хв1). На поверхні ротора є кільцеві прорізи — на вході більші, на виході — менші. Подрібнена маса проходить через гомогенізуючу головку, після чого розбризкується ротором. Тут діють зразу три сили: удару, тертя та коливання — при переміщенні продукту по кільцевому зазору різного діаметра часто­та коливань досягає 18,6 МГц, наближаючись до ультразвукового бар'єра. Продуктивність установки 2,4 — 12 т/год.

Гомогенізатор РЗ-КГБ має гомогенізуючу головку у вигляді стального корпусу з нерухомими дисками, що мають радіальні прорізи, та вал з насадженими на ньому нерухомими роторами, які входять у зазори між дисками статора. Виступи роторів також мають раді­альні прорізи. Прорізи та зазори зменшуються від входу до виходу, створюючи п'ять ступенів подрібнення маси: 2, 1,8, 1,6, 1,4, 1,2 мм.

М'якоть соку після протиральної машини проходить усі п'ять ступенів, тонко подрібнюється, внаслідок чого отримують гомогенізований сік чи пюре з частинками 120 мкм. Частота обертання ро­тора 3000 хв-1.

Протирання — одержання продукту з тонкоподрібненою м'якоттю. Протиральна машина має вал з билами, який, обертаючись, притискає продукт до сітчастого барабана. Завдяки трохи бі­льшому куту (на 1,5 — 2°) розміщення бил, ніж валу, відносно сітчастого барабана продукт рухається по гвинтовій лінії від завантажувального до вивантажувального вікна. Регулюванням кута можна змінити тривалість перебування продукту в машині, а зміною сітча­стого барабана машину можна використовувати для протирання різної сировини. Так, якщо на машині обробляють кісточкові плоди, в яких треба видалити кісточки, то діаметр отворів у барабані ста­новить 3 — 8 мм.

Для виробництва тонкоподрібнених пюре чи соків з м'якоттю використовують одно-, дво- й триступеневі машини відповідно з діаме­тром отворів барабана 1,2, 0,8, 0,4 мм та загальною площею отворів у барабанах 23, 17, 12 %.

На лініях переробки помідорів встановлено насіннєвідділювач, у барабані якого діаметр отворів 1,25 мм при загальній їх площі 23 %. Частота обертання валу з билами в протиральних машинах становить 250 — 300 хв"1, а у швидкохідних — 1500 хв"1. Відходи при про­тиранні досягають 3,8 — 6 %, із вмістом води — до 65 %. Для полегшення протирання помідорів та зменшення відходів їх попередньо нагрівають до 75 - 90 °С.

Соки з м'якоттю можна одержати також після подрібнення продукції на шнекових центрифугах. У вертикальній конічній фільтруючій центрифузі НВШ-350 робочим органом є конічний ротор, який обертається з частотою 3000 хв^-1. Сито розміщене всередині ротора й обертається відносно ротора з частотою 60 хв^-1. Продуктивність та вихід соку залежать від типу та розміру отворів сита. Для збільшення виходу соку та поліпшення його якості пульпу перед центрифугуванням нагрівають до 90 — 95 °С.

5