Зависимость вязкости сливок η эф ·10 3, Па·с, различной жирности и температуры от градиента скорости

Вязкость сливок во многом определяется соотношением фракций жира с высокой и низкой температурой плавления, продолжительностью и условиями их хранения. Сливки после созревания перед сбиванием их в масло имеют большую вязкость, чем сливки, полученные из свежего молока и не подвергавшиеся созреванию.

Сливочное масло – сложное реологическое тело типа гелей. Как и другие животные жиры, оно содержит различные жирные кислоты, каждая из которых имеет свои конкретные значения температур фазовых переходов из жидкого в кристаллическое состояние и обратно из кристаллического – в жидкое. При производстве сливочного масла большое значение имеют правильно выбранные режимы охлаждения и кристаллизации жира в процессе его производства, т.к. изменяются его структурно-механические свойства. Сливочное масло под действием напряжений становится текучим. Однако это происходит, если тангенциальное усилие сдвига достигает некоторого минимального критического значения и начинается непрерывная деформация, или когда напряжение сдвига превысит определенное критическое значение, необходимое для разрушения структуры. Такое течение Бингам называет пластическим, а критическое (предельное) напряжение сдвига – пределом текучести. Следовательно, сливочное масло будет характеризоваться свойствами твердого тела, находящегося в упругом состоянии до тех пор, пока напряжение меньше предела текучести, а после превышения этого предела – свойствами тела, находящегося в состоянии пластического течения.

В системах типа гелей деформация может происходить как мгновенно, так и во времени (запаздывающая упругость). Чем менее однородна структура твердого тела, тем больше промежуток времени, после которого деформация достигает предельного значения, отвечающего заданному напряжению, так как в данном случае преобладает запаздывающая упругость.

В случае незначительной деформации гели сходны с идеально упругими телами. При напряжении, ведущим к разрушению структуры, течение масла напоминает течение вязких жидкостей: упругая деформация, запаздывающая упругость и течение накладывается друг на друга и дают суммарную деформацию.

При любой скорости течения в коагуляционной структуре протекают два противоположных процесса – разрушение и восстановление, а равновесие между этими процессами в установившемся потоке характеризуется эффективной или кажущейся вязкостью. В отличие от истинной вязкости эффективная вязкость зависит от условий определения (особенно от градиента скорости). Поэтому можно сопоставлять только результаты, полученные в идентичных условиях, которые характеризуются одинаковыми значениями критерия Рейнольдса.

Для полной реологической характеристики системы необходимо эффективную вязкость определять при различных напряжениях, чтобы получить кривые зависимости градиента скорости от усилия.

Сливочное масло обладает предельным напряжением сдвига и пластичностью, которая связана с тиксотропностью. Большой практический и теоретический интерес представляют методы измерения величины сил, возникающих в результате вязкостного момента сопротивления потоку в исследуемом теле. При определении реологических свойств масла очень важно получить данные о выраженности свойства тиксотропии для структуры масла. Коэффициент тиксотропности масла связывает тиксотропное разрушение и тиксотропное восстановление структуры. Физический смысл этого коэффициента заключается в сравнении работы, идущей на разрушение исходной структуры, с работой, эквивалентной тиксотропному восстановлению нарушенных связей. Целесообразно рассматривать масло как тело Бингама в виду того, что оно в некоторой степени обладает упруго-эластичными свойствами.

Деформация при постоянном напряжении зависит от времени. Это связано с тем, что структурные элементы масла обладают некоторой подвижностью и способны перемещаться относительно друг друга. В результате деформации создавшиеся напряжения с течением времени ослабевают (релаксируют).

Период релаксации, который характеризует в масле период перехода от упруго-пластических деформаций к деформациям пластическим, переходящим впоследствии в остаточные, вычисляется как отношение эффективной вязкости к общему модулю упругости. Для вычисления используется кривая релаксации напряжений, где касательная к кривой релаксации отсекает на оси абсцисс общий отрезок, составляющий период релаксации. Для жидкостей период релаксации возрастает с увеличением вязкости, так как уменьшается подвижность их молекул.

Определение реологических характеристик сливочного масла сходно с определениями подобных свойств пластических материалов, структурированных коллоидных систем при большом объеме содержания дисперсной фазы.

Согласно теории Ребиндера тиксотропия коагуляционных структур позволяет получить для них в условиях однородного сдвига полные реологические кривые зависимости эффективной вязкости от напряжения сдвига, т.е. от степени разрушения структуры в стационарном потоке. Это можно осуществить, например, в ротационных вискозиметрах с коаксиальными цилиндрами с узким зазором или методом тангенциального смещения пластинки. Первый метод удобен для исследования кинетики развития деформаций сдвига после приложения заданного постоянного напряжения и кинетики спада деформации после разгрузки, а второй – позволяет определять предельное напряжение сдвига, характеризующее прочность структуры, модуль упругости, эффективную вязкость, снимать кривые зависимости деформации сдвига от напряжения.

А. Хайтон (США) считает, что независимо от различий приборов и измерений, проводимых с их помощью основными реологическими показателями являются напряжение сдвига и модуль упругости. Так как вязкость и напряжение сдвига тесно связаны, предлагается определять последнее, легко поддающееся измерению.

Естественно, что при отсутствии текучести (или выраженной упругости структуры) и упруго-хрупком ее разрушении определенный интерес представляют измерения деформации растяжения или сжатия, хотя в условиях эксперимента это трудно осуществить.

Реологические характеристики выражаются в абсолютных единицах и не зависят от особенностей применяемой аппаратуры и условий измерения. Предельное напряжение сдвига, пластическая вязкость и константа истинной вязкости не зависят при данной температуре от градиента скорости, условий определения, т.е. являются инвариантными.

Эффективные вязкости двух систем, измеренные в идентичных условиях, но лишь при одном градиенте скорости, не всегда сопоставимы, что может привести к неправильным выводам. Как правило, необходимо получить полную реологическую кривую зависимости градиента скорости от напряжения сдвига.

В процессе определения реологических свойств пищевых продуктов, в том числе и масла, необходимо знать характер течения при малых напряжениях сдвига.

На практике применяют методы исследования и приборы, позволяющие дать условные характеристики для сравнения различных образцов масла.

В Европе определяли товарное свойство масла – намазываемость. Это свойство может быть определено в условных единицах сопротивления резанию, напряжению сдвига, пластичности, эластичности. Для определения намазываемости применяют различные методы и приборы, в том числе и сложные, например, метод трехосного сжатия. С его помощью измеряют прочность на сдвиг и характер течения масла.

Для того чтобы не контролировать сразу три основных самостоятельных напряжения, лучше применять способ, при котором образец масла цилиндрической формы нагружается с возрастающим основным напряжением и боковым постоянным напряжением.

Б.А. Николаев предлагает различное и произвольное толкование консистенции пищевых жиров по признакам «плотная», «крепкая», «мажущаяся», «липкая» свести к объективным характеристикам: упругости по величине модулей: пластичности (вязкости), прочности (напряжение разрушения), липкости (напряжение отрыва).

Для сливочного масла характерно свойство прилипать к другим твердым поверхностям (деталям маслоизготовителя и расфасовочных автоматов, гомогенизаторам). Это свойство в некоторой степени можно охарактеризовать адгезионным давлением (давление прилипания) и аутогезионным давлением, исследование которых занимает особое место, так как адгезия масла является одним из показателей, характеризующих его технологический процесс и качество.

Для измерения давления прилипания масла имеются устройства и аппараты, принцип действия которых основан на приложении вертикальной тяги.

При исследовании образцов масла, изготовленных на маслоизготовителях периодического и непрерывного действия, было установлено, что максимум аутогезионного давления получают при температуре, близкой той, при которой происходит образование масляного зерна в маслоизготовителях.

По мнению многих авторов, реологические свойства масла необходимо определять не раньше чем через 72-96 ч после изготовления. Во время выдержки в масле устанавливается равновесие между твердой и жидкой фракциями. Не рекомендуется проводить измерения при температуре масла выше 20 ⁰С.

Н. Кинг (Австралия) предполагает, что в формировании консистенции масла большое значение имеет жидкий жир, обладающий связывающими свойствами, поэтому связность структуры относят к важным показателям масла.

В работах А.М. Маслова, А.Д. Грищенко и А.В. Конаныхина изучено влияние температуры (от 14 ⁰С до 75 ⁰С) и градиента скорости (от 0, 167 с^-1 до 1312 с^-1) на вязкость сливочного масла, выработанного на Углическом производственно-экспериментальном заводе ВНИИМСа методом концентрации молочного жира. Вязкость измеряли вискозиметром «Реотест».

Сливочное масло в зависимости от температуры (рис. 2, 3) может представлять собой ньютоновскую жидкость (кривые 10, 11, 12), псевдопластичную (кривые 6, 7) и пластично-вязкую системы (кривые 1, 5).

Рис. 2 – Зависимость:

а – эффективной вязкости сливочного масла от градиента скорости при различных температурах: 1 – 14 ⁰С; 2 – 16 ⁰С; 3 – 18 ⁰С; 4 – 20 ⁰С; 5 – 25 ⁰С; 6 – 35 ⁰С; 7 – 40 ⁰С; 8 -45 ⁰С; 9 – 50 ⁰С; 10 – 55 ⁰С; 11- 65 ⁰С; 12 – 75 ⁰С; б – отношения эффективной вязкости к вязкости найденной при различных значениях градиента скорости: 13 – при 1 с^-1; 14 – при 10; 15 – при 100 с^-1.

Для практического использования результатов был разработан упрощенный метод получения температурно-инвариантной зависимости эффективной вязкости от градиента скорости, который позволяет обезличить способ получения масла. Метод заключается в том, что весь диапазон изменения градиентов разделен на три участка. В пределах первого в качестве масштаба использованы значения вязкости при градиенте скорости 1 с^-1, в пределах второго – при 10 с^-1, третьего – при 100 с^-1 (соответственно кривые 13, 14, 15 на рис. 2). Для каждого такого участка построена графическая зависимость в координатах ε ^* - η / η _{ε .} Здесь η _ε – значение эффективной вязкости при одном из фиксированных ε, находящихся в границах данного участка. В указанных координатах на графике для каждого участка получается своя температурно-инвариантная характеристика вязкости, или опытные точки для всех температур располагаются вдоль одной и той же линии.

Для определения вязкости в области температур от 12 ⁰С до 25 ⁰С на рис. 2 по кривым 13, 14 или 15 следует найти при заданном значении градиента отношение – η / η _{ε .} Далее, для определения η _{ε ,} воспользоваться рис. 3, 4.

Вязкость расплавленного масла практически соответствует вязкости сливок при одинаковой температуре и таком же содержании жира.

Вязкость масла η _эф (в Па·с), полученная на вискозиметре «Реотест RV» при температуре ниже температуры фазовых переходов большинства фракций жира, может быть определена по формуле:

η _эф = К γ * ^n-1, (12)

Значения постоянных К и n для масла с 0, 16 кг влаги на 1 кг масла (16 %), полученного по методу преобразования высокожирных сливок в масло, приведены в табл. 14, а для масла, сбитого в маслоизготовителе непрерывного действия, – в табл. 15.

Таблица 14

Значения К (в Па·с ⁿ) и n

Вязкость масла, полученного методом непрерывного сбивания, можно также вычислить по формуле:

η _эф = А γ ^{* n-1} exp (- а t), (13)

Таблица 15

Значения А и а приведены в табл. 16.

Таблица 16

Значения постоянных А и а в уравнении (1.13)

Значения приведенной эффективной вязкости В при температуре приведения Т_ПР = 283 К и градиенте скорости γ ^* = 0, 5 с ^-1.

Вязкость В при γ ^* = 0, 5 с ^-1 при других значениях температуры можно вычислить по зависимости, определив по формуле:

а_Т = exp (0, 1094 – 0, 0343 ), (14)

Вязкость кисломолочных продуктов. Кисломолочные продукты являются структурированными системами, частицы дисперсной фазы которых взаимодействуют друг с другом, образуя сетчатую структуру, и придают системе более или менее ярко выраженные свойства твердого тела. Образующийся сгусток (гель) обладает определенными механическими свойствами: вязкостью, пластичностью, упругостью и прочностью.

Кисломолочные продукты вырабатывают из цельного или обезжиренного молока, а также из смеси молока и сливок путем внесения закваски, под действием которого происходит свертывание белков и образование пространственной структуры из белков молока с включениями молочного жира и влаги. Они имеют жидкую консистенцию (сметанообразную, тягучую, в виде плотного сгустка или пенящуюся).

Для процесса производства кисломолочных напитков характерны четыре периода.

Из рис. 5 видны два первых периода процесса. Характерно, что повышение температуры ускоряет процесс структурообразования.

Рис. 5 – Влияние продолжительности и температуры сквашивания молока на изменение его вязкости и рН: 1 – 19 ⁰С; 2 – 22 ⁰С; 3 – 25 ⁰С; 4 – 28 ⁰С

Как следует из табл. 17, повышение температуры пастеризации способствует повышению вязкости сгустка, которая определена на вискозиметре Гепплера.

Таблица 17

Влияние температуры пастеризации на вязкость сгустка η _Эф·10 ³ (в Па· с)

Вязкость кисломолочных продуктов во многом определяется видом вносимой в молоко закваски, а также видом и количеством применяемого стабилизатора. В табл. 18 показано влияние каунасских заквасок: К (Str. lactis, Str. cremoris, Str. diacetilactis); Л (Str. lactis, Str.cremoris, Str. diacetilactis); КС (Str. lactis, Str. diacetilactis); КФ (кефирная грибковая закваска); А (ацидофильная палочка) – на вязкость кисломолочных продуктов.

Из табл. 17 и 18 следует также, что 15 мин совершенно недостаточно для восстановления структуры.

Таблица 18

Влияние вида закваски на вязкость кисломолочных продуктов η · 10 ³ (в Па·с)

Добавление к сливкам казеината натрия способствует упрочнению структуры сгустка и способствует лучшему восстановлению структуры.

Так, например, достаточно к сливкам жирностью 0, 2 кг жира на 1 кг продукта (20 %) добавить 0, 012 кг/кг (1, 2 %) казеината натрия, чтобы полученная из них сметана обладала такой же консистенцией, как и с 0, 30 (30 %-ной) жирностью (табл. 19).

Таблица 19

Влияние количества добавляемого казеината натрия на вязкость сметаны η ·10 ³ (в Па·с)

Применение казеината натрия не только увеличивает вязкость сметаны, но и замедляет выделение из нее сыворотки во время хранения при комнатной температуре 18-20 ⁰С.

Помимо заквасок основными структурообразователями при производстве сметаны являются белки, такие как казеин, сывороточные, а также молочный жир, которому отводится самая весомая роль, поскольку именно он в значительной степени влияет на вязкость и структуру продукта. При гомогенизации сливок (10 МПа) конгломераты жировых шариков приводятся в дисперсное состояние, покрываясь при этом мицеллами казеина. Белковые частицы образуют на поверхности жировых шариков оболочку, результатом чего является высокая вязкость продукта, отсутствие синерезиса.

Не менее важна для технологического процесса производства сметаны температурная обработка сливок. Оптимальной является температура 95 ⁰С с выдержкой в течении 20 с и более. При таких условиях происходит разрушение липозы (что способствует увеличению сроков годности готового продукта), а также увеличивается вязкость и появляется специфический привкус пастеризации.

После сквашивания сметану выдерживают для созревания при температуре 1-8 ⁰С, в результате чего наряду с отвердением жира происходит дальнейшее набухание белковых частиц и образование внутренней структуры, что делает продукт более густым.

Н.С. Кононовым были проведены исследования процесса направленного регулирования структурообразования кисломолочного продукта йогурта на базе системного анализа технологического потока производства и методов инженерной реологии по разработке структурообразующей добавки.

В ходе проведения экспериментов была разработана структурообразующая добавка, состоящая из модифицированного кукурузного крахмала (м.д. крахмала), гуаровой и ксантановой камедей, пектина. Для этого были выбраны образцы компонентов структурообразующей добавки.

Определены их функционально-технологические свойства, к которым относятся критическая концентрация гелеобразования, рН, температура и период гелеобразования.

На основе проведенных исследований были выбраны образцы модифицированного крахмала и пектина отечественного производства. Также было определено, что функциональные свойства гуаровой, ксантановой камедей и пектина максимально проявляются при соотношении 1: 1: 5 соответственно.

Для определения рациональных доз вносимых компонентов структурообразующей добавки была разработана регрессионная модель, описывающая влияние модифицированного крахмала и композиции камедей и пектина на эффективную вязкость готового продукта. Состав образцов представлен в табл. 1.20. В ходе проведения эксперимента м.д. крахмала варьировали от 1, 2 % до 2, 0 %, композиции камедей и пектина – от 0, 5 % до 0, 6 %.

При неразрушенной структуре уравнение имеет вид:

Y = -134363, 7 + 225609Х₁ – 106337, 6Х₂ + 352416, 4Х₁Х₂ – 202115, 6Х - К76750, 0Х + 43333, 9Х - 52458Х - 102362, 7Х (15)