Файл: Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов.pdf

цин и поверхностной активности тонких пленок. Проведя эксперименты, В. А. Пчелин измерил для растворов белковых веществ поверхностное натяжение, диэлектрическую постоянную, поверхностный потенциал и др. [100]. В явлении адгезии белковых веществ, как следует из теорети­ ческих представлений Б. В. Дерягина, принимают участие, кроме ван- дер-ваальсовых сил притяжения, и электростатические силы, обусловлен­ ные возникновением двойного электрического слоя на поверхности.

Первая работа, теоретически обосновывающая разрыв двух дисков, между которыми находится вязкая жидкость, принадлежит М. Ж- Стефану.

Им получено уравнение [134]:

В явлениях адгезии участвует ряд механизмов на молеку­ лярном и надмолекулярном уровнях, поэтому их детальный учет весьма затруднителен. Для практических целей достаточно описать общие макроскопические закономерности явления. Для этого можно провести расчеты на заранее выбранной модели, которая представляет собой образец «сложной жидкости» меж­ ду двумя жесткими цилиндрическими пластинами; она обла­ дает одинаковой с продуктом адгезией [5, 123]. «Жидкость» имеет коэффициент поверхностного натяжения а. Смачиваемость пластины характеризуется cos (3, т. е. а = a' cos р, где а ' — коэффициент поверхностного натяжения при полном смачива­ нии (Н/м). Большое количество воды во многих пищевых про­ дуктах и их сильная адгезия [91, 104, 106] оправдывают такое представление. Например, фарш можно рассматривать как дисперсную структуру с водно-белково-солевыми прослойка­ ми на поверхности частиц; на свободном срезе мышечных во­ локон такая же пленка образуется в результате освобождения межклеточной жидкости.

Пластины прижимаются друг к другу силой капиллярного взаимо­ действия [18, 20]:

и равной Р ', вызывает полный отрыв пластины за время т0. При этом внешняя сила при не абсолютно жестком динамометре и скорости отрыва ш0=^=оо увеличивается линейно во времени т:

Поэтому можно сделать предположение о линейном убывании пло­ щади контакта в результате нарушения связей по дефектам структуры,

110

Внутреннее давление взаимодействия пластины с продуктом убывает во время действия отрывающего усилия; оно получается путем решения уравнений (I—116а) и (I—116в) с учетом формулы (I—1166). Уравнение для расчета адгезии можно представить в окончательном виде:

Оно линейно: при wc = const (переменно h) наклон прямой дает

величину —, отрезок, отсекаемый на оси ординат, показывает — ; при

2а wc

h = const (переменно wc) наклон прямой дает С, а отрезок, отсекаемый

г.

на оси ординат, показывает —, откуда при известной толщине слоя про2а

дукта определяется коэффициент поверхностного натяжения. Зависимость (I—116) весьма чувствительна к изменению параметров,

что удобно для экспериментального определения коэффициента поверх­ ностного натяжения и темпа убывания площади контакта, которые в отличие от липкости являются инвариантными характеристиками про­ дуктов.

Адгезия (липкость) и внешнее трение пищевых продуктов сравнительно мало изученные характеристики. На их величину, кроме температуры и технологических свойств самого продукта, влияют условия измерения — геометрические, кинематические и динамические факторы. Поэтому к измерительным приборам предъявляются особые требования.

1. Показания приборов должны быть первичными, т. е. не нуждаться в предварительной тарировке на каком-либо эталонном материале, и выражаться в абсолютной системе ■единиц.

2. Перед измерением продукт должен прижиматься к пласти­ не для установления контакта и удаления из него воздушных

которой может быть больше геометрической; дальнейшее уве­ личение усилия и времени не сказываются (если не учитывать старение или самопроизвольное упрочнение). Чем больше вяз­ кость и предельноенапряжениесдвига.тем медленнее достигает­ ся заполнение микровыступов и инвариантность показаний при­ боров. Таким образом, усилие и длительность предварительного контакта должны меняться в широком диапазоне.

111

3.Измерения, проведенные на пластинах, имеющих различ­ ную площадь при разной толщине слоя, дают отличающиеся числовые значения адгезии при прочих равных условиях [5, 1231. Такие результаты вызываются неодинаковостью эпюр деформаций при предварительном контакте и разрыве. Чем больше диаметр, тем больше ориентация фибрилл и их сдвиг по поверхности пластин с нарушением возможных активных мест контакта, которые определяются не только свойствами продукта, но и природой материала пластин. Вероятно, имеется критическое значение диаметра, при котором величина адгезии наименьшая. Разрыв тонкого слоя затрудняет или исключает течение между пластинами; нарушение всех связей более или менее одновременное. Начальный момент разрыва пластин, между которыми находится более толстый слой продукта, обус­ ловливает его течение в зазоре, затем нарушение связей про­ исходит постепенно. Вследствие этого увеличение толщины ведет к уменьшению адгезии. Поэтому прибор должен иметь набор пластин разной площади и шаблон для нанесения продук­ та заданной толщины на пластину.

4.Различный материал пластин и степень его обработки влияют на прочность молекулярных контактов. Б. В. Дерягин

вотличие от Ф. П. Боудена и Д. Тейбора считает, что одно ме­ ханическое зацепление без молекулярных контактов не вызы­ вает трения и липкости. Когезионный разрыв при определении липкости и «намазывание» продукта при исследовании коэффи­ циента трения, по-видимому, можно устранить, переходя к измерениям при очень тонком слое продукта. Этот слой можно отождествить со смазкой, а данные измерений интерпретиро­ вать как липкость и коэффициент внешнего трения. Таким обра­ зом, в приборах должна быть предусмотрена возможность заме­ ны пластин, которые изготовлены из различного материала при

разной чистоте механической обработки.

5. Длительность и кинетика приложения отрывающего уси­ лия различно влияют на распределение деформаций и усилий между пластинами. Схематично процесс разрыва можно пред­ ставить так: упругие и упруго-пластичные деформации, пласти­ ческое течение, нарушение сплошности и последействие, при котором между пластинами еще возможно сохранение связей в виде тонких перемычек. При мгновенном отрыве одновременно разрушается большинство связей, продукт в некоторой степени уподобляется твердохрупкому телу. При медленном отрыве преобладает пластическое течение, разрушение происходит постепенно по дефектам структуры; при этом молекулы и части­ цы продукта выходят из механического зацепления с материа­ лом пластин, вследствие этого адгезия меньше. Следовательно, влиянием величины скорости приложения силы можно объяс­

112

нить различные значения адгезии, получаемые для одних и тех же продуктов, но на разных приборах [106]. При механическом приводе от электродвигателя скорость приложения силы опре­ деляется линейной скоростью штока или нити и жесткостью (величиной деформации) регистрирующего упругого элемента и других подвижных частей. Скорость тангенциального смеще­ ния продукта по поверхности влияет на коэффициент трения, который в статическом состоянии больше, чем в динамическом: чтобы сдвинуть продукт, нужно разрушить молекулярные свя­ зи. При дальнейшем движении продукта с постоянной скоростью количество разрушенных и восстановленных связей будет на­ ходиться в динамическом равновесии, поэтому здесь на разрыв связей расходуется меньше энергии, чем в начальный момент. Таким образом, приборы должны допускать варьирование скорости приложения силы отрыва или сдвига в широком диапа­ зоне.

Кроме того, адгезия зависит от ряда технологических ха­ рактеристик: влажности, состава продукта, степени измельче­ ния и т. д.

Указанным требованиям отвечает прибор [2, 61], обеспечи­ вающий заданные начальные условия; усилие отрыва пласти­ ны измеряется по деформации тензометрической балки с за­ писью сигнала на ленте осциллографа. Балка установлена так, что допускает тарировку до и после опытов.

Прибор для определения адгезии (рис. 31) имеет корпус, устройство с микрометрическим винтом для установки пластин с продуктом.

Верхняя пластина фиксируется неподвижно держателем, который смонтирован на тензобалке, и имеет хвостовик для обеспечения соосности подвижной части системы. Для созда­ ния предварительного контакта на тензобалку устанавливают грузы. Вертикально вверх она перемещается серьгами, которые оканчиваются призмами и шарнирно укреплены на поперечине с хвостовиком. Последний перемещается во втулке посредством нити и набора шкивов, которые приводятся во вращение от электродвигателя через редуктор (условно не показаны). Для увеличения времени отрыва (уменьшения скорости приложения силы) в тянущую систему последовательно может быть встав­ лена пружина различной жесткости.

Прибор можно модернизировать, если предусмотреть подъем контактирующих грузов до момента начала отрыва.

113