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

неизменной до рк = 8000 Па. Затем отрыв происходит уже при меньшей толщине, что связано с вытеканием фарша из зазора между пластинами. При наибольших рк толщина слоя перед

Рис. 34. Кинетические кривые изменения адгезии в за­ висимости от времени предварительного контакта:

отрывом достигает наименьшей величины — около 0,00002 м, которая соизмерима с размером частиц куттерованного мяса. Таким образом, начальные условия не совпадают с условиями отрыва. Верхний участок кривой адгезии, полученной при наи­

119

меньшей толщине, дает постоянное значение адгезии, которую можно, по-видимому, интерпретировать как истинную адгезию.

Анализ экспериментальных данных позволяет выбрать гра­ ницы изменения давления и длительности контакта. При не­ больших рк. и контакт пластины с продуктом полностью зави­ сит от ровности слоя и других случайных величин, учет которых затруднителен. При высоких рк фарш вытекает из зазора, толщина к моменту отрыва отличается от начальной. При боль­ ших тк изменение адгезии незначительно, но возможно подсы­ хание продукта по периметру слоя. В области р1( от 2000 до 5000 прибор дает наиболее устойчивые показания; для «густых» фаршей следует выбирать значения рк. ближе к верхнему пре­ делу, для «жидких»— среднее или ближе к нижнему. Опти­ мальная длительность контакта, когда заканчивается процесс заполнения микро- и макронеровностей и молекулярного взаи­ модействия, составляет от 180 до 300 с (рис. 34, б). Приведенные зависимости справедливы при zK^ 600 с; если время контакта больше указанного, расчет можно вести по времени 600 с, имея в виду, что адгезия увеличивается при большем времени контакта незначительно (до 5%).

Материал пластин (рис. 34,в). В ряде работ показано, что адгезия продуктов к различным металлическим поверхностям, покрытым естественной окисной пленкой, неодинакова.

Работами А. М. Медведевой [84] (лаборатория Б. В. Дерягина) уста­ новлен следующий ряд интенсивности взаимодействия металлов с клеевой пленкой (в порядке понижения): алюминий, титан, дюралюминий, сталь, цинк, латунь, медь. В наших исследованиях [113, 123] названный порядок интенсивности для адгезии тонкого слоя фарша сохраняется. Установлено, что чем тоньше и менее прочно связана окисная пленка с металлом, тем силы адгезии меньше. По-видимому, такое объяснение является универ­ сальным. Следует отметить аномальное поведение фторопласта-4, который при малых длительностях взаимодействия с фаршем показывает небольшую адгезию, интенсивно возрастающую при увеличении времени контакта (рис. 34, в). Аналогичные результаты получил Б. А. Николаев [91] для небродящего теста. Поскольку среди всех названных материалов фторо­ пласт-4 является наиболее «пористым», то во время предварительного кон­ такта наряду с механическим зацеплением физико-химическое взаимо­ действие происходит не только на поверхности раздела, но и в глубине материала.

Зависимость адгезионных характеристик от материала пла­ стин приведена в табл. 32, величины адгезии получены при тол­ щине слоя фарша докторской колбасы 0,0003 м, F0 = 0,0007 м2, рк = 4900 Па. Экспериментальные данные находятся в преде­ лах ±12% от средних значений величин. Коэффициент поверх­ ностного натяжения составляет около 4,2 Н/м.

Площадь пластин. В качестве постоянных были приняты толщина слоя фарша 0,0003 м, скорость отрыва 0,00358 м/с, давление контакта 4900 Па. Площади пластин из стали Ст. 3

120

были выбраны следующих размеров: 0,0005; 0,0007; 0,0010 и 0,0015 м2. Для каждой пластины измерения проводили пои вре­ мени предварительного контакта 3, 60, 180, 300 и 600 с. На рис. 34, а, б показаны кинетические зависимости для разных площадей пластин. Как видно из графика, с увеличением пло­ щади пластин адгезия уменьшается. Интерпретация экспери­ ментов дает основание предположить, что при площади пластин около 0,0013 м2 адгезия минимальна.

Комплексные исследования совместного влияния на адгезию длительности и давления контакта, а также площади пластин дали графические зависимости, приведенные на рис. 34, а. Для их обобщения получены уравнения в соответствии с выра­ жением (1—117):

Ро = 0,775рк (3,72— F0 ■ 10*) + (1800 + 0,063рк) lg-rK

при 2030 < рк < 5000,

р0 = 0,775рк (3.721— F0 ■ 103) + 0,42рк lg тк при 5000 < рк < ‘8000,

которые справедливы для стали Ст. 3 в указанной области из­ менения переменных.

Таким образом, отмечаемая в литературе [91] зависимость адгезии от площади контакта подтверждается для мясного фар­ ша. Для получения сопоставимых результатов исследований площадь пластин около 0,0010 м2 можно считать наилучшей.

Скорость отрыва пластины. Эксперименты были проведены на пластинах площадью 0,0007 м2 из нержавеющей стали, фторо­ пласта-4 и стали Ст. 3 при давлении предварительного контакта 4900 Па и толщине слоя фарша 0,0003 м. Скорости отрыва пла­ стин имели указанные выше четыре значения, время контак­ та — пять значений при каждой скорости.

121

Результаты опытов для нержавеющей стали и фторопласта-4 представлены на рис. 34, г, д. Сопоставление кривых показы­ вает, что при времени контакта примерно до 30 с адгезия фар­ ша к фторопласту меньше, чем к стали. При большем времени контакта для небольших скоростей отрыва (0,00167 и 0,00358) адгезия к фторопласту выше, чем к стали; при скоростях 0,0093 и 0,0193 — меньше. Рассматривая отрыв как сокращение пло­ щади контакта и взаимосвязей структур во времени, можно предположить, что при быстром отрыве происходит более или менее одновременный разрыв связей фарш — поверхность; при медленном — наряду с разрывом связей нарушается меха­ ническое зацепление продукта с материалом в выступах шеро­ ховатости и в микропорах. Фторопласт по сравнению со сталью более пористый материал, поэтому затекание жидкого компонен­ та фарша в поры и упрочнение связей в результате физико-хи­ мического взаимодействия для него более вероятно. При медлен­ ном отрыве следует ожидать относительно большую адгезию сравнительно со сталью в результате разрушения связей в микро­ порах и «вытаскивания» из них молекул; при большой ско­ рости отрыва микропоры существенного участия в процессе не принимают, поэтому адгезия фторопласта меньше, чем стали. Эти соображения можно принять в качестве приближенных, так как они не учитывают характера и интенсивности взаимо­

122

Как видно из пределов применимости уравнения (I—118), имеются две зоны зависимости адгезии от скорости: при малых скоростях — логарифмическая, при больших — степенная. Од­ нако за правило такую зависимость принять нельзя. При из­ менении условий измерения меняется вид функции, которая описывает процесс адгезионного взаимодействия. Скорость при­ ложения силы со скоростью отрыва связана линейно.

Таким образом, влияние скорости отрыва на адгезию можно объяснить различными условиями нарушения сплошности про­

предварительного контакта сопровождается ростом действительной пло­ щади контакта и количества ячеек, которые имеют максимальное сцепле­ ние с пластинами, что определяет смачивание материала пластин. Из этого следует, что связи между фаршем и поверхностью стремятся к насыщению и, если адгезия вначале растет интенсивно (см. рис. 34), то затем — весь­ ма незначительно. Коэффициент поверхностного натяжения, характери­ зующий энергию свободной поверхности фарша, также стремится к по­ стоянному значению, а косинус угла смачивания приближается к едини­ це, т. е. происходит полное смачивание. Для последнего случая ориенти­ ровочно [5] можно оценить удельную работу адгезии. Такая оценка пока­ зывает примерно одинаковую величину удельной работы для фтороплас­ та-4 и нержавеющей стали около 8,4 Дж/м2. При этом начальное значение коэффициента поверхностного натяжения для пластин из фторопласта меньше, чем для пластин из нержавеющей стали, что указывает на худ­ шее смачивание фторопласта при малом времени контакта.

Анализируя приведенные данные, приходим к выводу о независимости коэффициента поверхностного натяжения от материала пластин. Этот вывод, справедливый для полностью смоченных пластин, хорошо согла­ суется с теоретическими представлениями об адгезии [18, 20] и соответ­ ствует действительности, т. е. коэффициент поверхностного натяжения относят к поверхности раздела «жидкость» — воздух [51, 134].

На графиках — j угол наклона линий, характеризующий величину

темпа убывания площади контакта по уравнению (I—116), практически

тяжения. Таким образом, темп убывания площади контакта не изменяется с увеличением времени предварительного контакта. Для фарша доктор­ ской колбасы в контакте с фторопластом-4 получено среднее значение темпа убывания площади контакта (5,5 + 0,5) Ю-4, для нержавеющей стали

(8+1) 10-4 м2/с.

Материал и площадь пластин. Величину адгезии изучали при дос­ таточно больших временах контакта (600 с), когда коэффициент поверх­ ностного натяжения подвержен незначительным изменениям, и давлении контакта 4900 Па, при котором геометрическая площадь пластины (F0 =

= 0,0007 м2) и плошадь истинного контакта перед началом отрыва (F0) примерно совпадают. Толщина слоя фарша составляла 0,0003 м.

123