Структура пищевых систем

Реологические свойства продукта во многом определяются его структурой и текстурой. Структура — от лат. structura — совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе; текстура — от лат. textura — ткань, связь, строение.

Многие пищевые массы помимо твердого и жидкого состояний обладают структурами, которые по физическим свойствам занимают промежуточное положение. К ним относятся белковые и углеводные студни, суспензии разной концентрации (пасты, эмульсии, пены и др.).

Наличие внутренней структуры придает таким системам определенные механические свойства — упругость, пластичность, вязкость, прочность, которые объективно характеризуют их консистенцию. Механические свойства зависят от природы входящих в систему веществ и их соотношения, а также от сил взаимодействия между ними.

В соответствии с представлениями академика П. А. Ребиндера принято различать два основных типа дисперсных структур: коагуляционную и конденсационно-кристаллизационную. Коагуляционные структуры удерживаются силами Ван-дер-Ваальса, действующими через жидкие прослойки. Основные условия их образования — неоднородность поверхности соприкосновения частиц и наличие гидрофобных участков, на которых возникают точечные контакты — начальные звенья будущей структуры. Эти структуры могут обладать свойствами неньютоновских жидкостей и сильно изменяются при нагреве, введении ПАВ, изменении кислотности и других воздействиях.

Конденсационно-кристаллизационные структуры образуются в процессе конденсации полимеров или кристаллизации их растворов и расплавов; их существование определяется прочными химическими связями, отдельные частицы срастаются, жидкие прослойки между ними отсутствуют. Системы с такой структурой обладают большей прочностью, хрупкостью и необратимостью при разрушении.

Коагуляционные структуры могут переходить в конденсационно-кристаллизационные в процессе обработки продукта, когда создаются условия для удаления жидких прослоек между частицами, например при сушке или прессовании.

Наиболее сложными реологическими свойствами обладают высококонцентрированные дисперсные системы с пространственными структурами. Образование и изменение структур, обусловленные физико-химическими, биохимическими, коллоидно-химическими или чисто физическими процессами, всегда приводят к изменениям их реологических свойств.

Механические модели идеализированных тел

Необходимо отметить, что все законы реологии разработаны для идеальных тел. Известны три основные модели идеализированных материалов: идеально упругое тело (по Гуку), идеально пластическое тело (по Сен-Венану), идеально вязкая жидкость (по Ньютону).

Механической моделью вязкой жидкости является демпфер, или тело Ньютона. Идеально вязкая жидкость характеризуется тем, что напряжения в ней пропорциональны скорости деформации.

Вязкое течение происходит под действием любых сил, как бы малы они ни были, однако скорость деформации при уменьшении сил уменьшается, а при их исчезновении обращается в нуль.

Моделью упругого твердого тела является пружина, или тело Гука. Идеально упругое тело — это система, в которой энергия, затраченная на деформацию, накапливается в теле и может быть возвращена при разгрузке.

Модель идеально пластичного тела изображается в виде пары трения и определяется как тело Сен-Венана. Оно неподатливо при нагрузке ниже предела текучести, а после его превышения неограниченно деформируется. Предел текучести — это реологическая константа элемента пластичности. При изучении структурно-механических свойств пищевых продуктов их испытывают на разрушение, которому предшествуют мгновенные необратимые деформации.

Модель твердого тела, или тело Рэнкина, изображается как пара сцепленных пластин (рис. 13.1, г). Реологическая константа данного элемента — предел прочности. Если при осевом нагружении достичь предела прочности, сцепленные пластины необратимо разъединяются.

Необходимо отметить, что ни один из реальных пищевых продуктов не может быть полностью описан ни одной из моделей идеальных тел. В большинстве своем пищевые продукты соответствуют сложным моделям, представляющим собой комбинацию простых, т. е. являются упругопластичными, упруговязкими или вязкопластичными телами, причем в зависимости от условий (температуры, влажности, давления, способа и скорости приложения нагрузки) превалируют то одни, то другие свойства. В связи с этим при изучении реологических свойств продукта обязательно должны быть четко указаны условия проведения испытаний, в противном случае полученные результаты будут несопоставимы.

Свойства жидкостей

К жидкостям относятся вещества, у которых при постоянном напряжении сдвига 0 наблюдается течение (деформация е) с постоянной или переменной скоростью. Свойства жидкостей могут проявляться и у пластичных тел после превышения предела текучести.

При простом течении ньютоновской жидкости с напряжением 0 возникает деформация с определенной скоростью сдвига у. Отношение напряжения сдвига к скорости деформации сдвига является реологической константой жидкости и называется ньютоновской вязкостью.

Для неньютоновских жидкостей вязкость является функцией скорости сдвига, поэтому ее называют «кажущейся» или эффективной вязкостью, которая достаточно полно характеризует поведение текучего материала.

Определение эффективной вязкости предусматривает измерение значений в широкой области для построения кривой течения и функции вязкости.

Для характеристики жидкостей используют кривые течения — реограммы, представляющие собой графическую зависимость напряжения сдвига от скорости деформации в условиях простого сдвига.

Свойства твердых тел

Твердые тела в зависимости от упругости бывают гуковскими и негуковскими.

Гуковское тело — это идеально упругое тело, состояние которого описывается уравнением Гука

После снятия нагрузки, отдавая накопленную энергию, гуковское тело без запаздывания возвращается в исходное состояние.

Однако среди твердых тел встречаются такие, поведение которых не соответствует поведению идеально упругого тела. Такие тела называются негуковскими.

При этом модуль сдвига является функцией деформации, что характерно, например, для пористых пенообразных пищевых материалов. В связи с этим, как и для неньютоновских жидкостей, вводят понятие эффективного модуля упругости. Если напряжение не превышает предела текучести (или прочности) твердого тела, соотношение между напряжением сдвига и деформацией описывается уравнением.