Структурно-механічні властивості

 

Структурно-механічні властивості харчових продуктів характеризують їхню здатність протистояти дії зовнішньої енергії. Вони зумовлені будовою і структурою продукту.

До більшості продовольчих продуктів можна застосувати уявлення фізико-хімічної механіки про структури речовин. Академік П.О.Ребіндер запропонував поділити всі речовини за міцністю структури на три групи: речовини, які мають кристалізаційну структуру; речовини, що мають коагуляційну структуру; речовини, які мають змішану коагуляційно-кристалізаційну структуру.

Кристалізаційні структури - утворюються хімічними силами головних валентностей або безпосереднім зростанням кристалів нової фази, яка утворюється в процесі кристалізації розчинів (розплавів). Міцністю і характером кристалізації цих структур можна керувати на першій стадії виникнення і зростання нової фази, змінюючи дисперсність кристалів і створюючи умови для подальшого зростання кристалів і утворення міцного кристалізаційного каркасу. Кристалізаційні структури відзначаються великою міцністю, крихкістю і необоротним характером руйнування.

Серед продовольчих товарів практично немає таких, які мали б чисто кристалізаційну структуру.

Коагуляційні структури - формуються шляхом з'єднання новоутворень слабкими силами Ван-дер-Ваальса через тонкі прошарки дисперсійної фази. Такі структури утворюються при високій дисперсності і достатній анізометрії частинок при малій кількості коагуляційних центрів, які локалізуються на кінцях і ребрах частин. Тонкі прошарки рідкої фази в місцях контакту між частинками коагуляційної структури визначають її властивості: здатність до оборотного руйнування, відновлення властивостей (тиксотропія), низьку міцність, пластичність. Чим тонший прошарок рідкої фази, тим більші молекулярні сили взаємодії, тим міцніша структура. Механічні властивості коагуляційних структур можна регулювати, змінюючи концентрацію і первинну дисперсність твердої фази шляхом домішок коагуляторів і стабілізаторів.

Коагуляційні структури мають кондитерські креми, сметана, кефір.

Змішані коагуляційно-кристалізаційні структури - пластичні і тиксотропні властивості яких визначаються співвідношенням між коагуляційною і кристалізаційною структурами. У таких системах тверді частинки нової фази поділені дуже тонкими прошарками рідкої фази й утворюють коагуляційну структуру. Поряд з цим внаслідок процесу кристалізації формується жорсткий каркас, який пронизує майже всю коагуляційну структуру.

Співвідношення структур, характер взаємодії між частинками, що утворюють структури, визначаються хімічним складом сировини, умовами кристалізації, режимом механічної обробки та умовами подальшого зберігання. Механічна обробка системи при охолодженні прискорює процес охолодження, викликає інтенсивне утворення центрів кристалізації, перешкоджає виникненню великих кристалів або кристалічних агрегатів, дозволяє швидше досягнути рівноважного співвідношення твердої і рідкої фаз. Швидке і глибоке охолодження системи сприяє більшому виділенню твердої дисперсної фази, внаслідок чого підвищується твердість, але утворюються дрібні кристали. Знання і можливість регулювання структурно-механічних властивостей дають змогу одержати продукти високої якості і запобігти псуванню при подальшому зберіганні.

Серед харчових продуктів у морозиві, наприклад, переважає кристалізаційна структура, а в коров'ячому маслі і маргарині — коагуляційна.

Структурно-механічні властивості речовин чи продуктів - характеризуються такими показниками, як пластичність, пружність, еластичність, твердість, в'язкість, адгезія.

Пластичність — це здатність системи до необоротних деформацій, при яких внаслідок прикладення зовнішніх сил змінюється форма продукту, яка не відновлюється і після зняття напруги. Здатність сировини змінювати форму при переробці, а потім зберігати її використовується при виробництві хліба, макаронних виробів, карамелі, мармеладу тощо.

Пружність — це здатність тіл швидко відновлювати попередню форму або об'єм після зняття деформуючих сил. Показником, який характеризує здатність матеріалу чинити пружний опір деформації, є модуль пружності, який відповідно до закону Гука визначається за формулою:

 

 

де Е — модуль пружності при розтягуванні або стисканні, Па;

σв — межа пружності, Па; Е — відносне подовження, %.

 

Еластичність — це здатність системи поступово відновлювати форму або об'єм протягом певного часу. Властивості високої еластичності відіграють важливу роль у деформаційній поведінці харчових продуктів. Процеси емульгування, ціноутворення, збільшення об'єму структури при її збиванні залежать від властивостей еластичності і пружної післядії продуктів. Дані властивості характеризуються значенням еластичної деформації і довготривалістю її розвитку або спаду.

Твердість — це здатність матеріалу чинити опір укорінюванню в нього іншого, більш твердого тіла. Твердість можна характеризувати таким показником, як найбільша напруга зсуву. Цей показник використовується для оцінки стиглості плодів, овочів, якості цукру, тіста, морозива. Його визначають за рівнем напруги, яку треба докласти, щоб твердий наконечник, який може мати форму кулі, конуса, піраміди, зруйнував структуру продукту.

В'язкість - характеризує внутрішній опір рідини, який виникає при деформації течії. Ця властивість важлива для оцінки таких харчових продуктів, як мед, рослинні олії, сиропи. Розрізняють справжню і структурну в'язкість.

Справжня в'язкість характерна для ньютонівських рідин. Вона не залежить від напруги та швидкості деформації зсуву.

Для концентрованих розчинів, які мають просторову структуру, в'язкість є функцією напруги і швидкості деформації. З підвищенням напруги і швидкості деформації просторові структури руйнуються і в'язкість знижується. Це й є так звана структурна в'язкість.

В'язкість є показником якості багатьох харчових продуктів і іноді характеризує ступінь їх готовності у процесі виробництва (пюре, пасти, згущене молоко).

Адгезія — це здатність продукту проявляти певні сили взаємодії з іншим продуктом або поверхнею тари, в якій він міститься. Цей показник тісно пов'язаний з пластичністю і в'язкістю. Розрізняють два види адгезії — специфічну і механічну.

Специфічна адгезія — це результат зчіплювання між поверхнями матеріалів.

Механічна адгезія - виникає внаслідок проникнення затареного продукту у шпари матеріалу тари й утримання його внаслідок механічного заклинювання.

Адгезія визначається для таких харчових продуктів, як коров'яче масло, деякі кондитерські вироби, олії та тваринні жири, гливкий хліб. Вони прилипають до ножа при розрізанні, до зубів при розжовуванні.

Явище адгезії ускладнює технологічні процеси, збільшує втрати сировини і готових продуктів. Воно повинно враховуватися при виборі способів переробки продуктів, пакувальних матеріалів, умов зберігання.

 

Оптичні властивості

 

До оптичних властивостей харчових продуктів належать ті властивості, які сприймаються зоровими відчуттями: колір, блиск, прозорість, здатність речовин змінювати напрям світлового променя (рефракція), здатність деяких (оптично активних) речовин змінювати напрям поляризованого променя (поляриметрія).

Колір харчових продуктів визначається за допомогою органолептичних та фізико-хімічних методів.

Прозорість - здатність матеріалів пропускати світло. Являє собою важливий показник якості багатьох харчових продуктів: пива, безалкогольних напоїв, мінеральних вод, лікеро-горілчаних виробів та ін. Напої, які пропускають весь видимий спектр, незабарвлені, прозорі (наприклад, спирт, горілка, мінеральні води). Продукти, які пропускають випромінювання тільки у вузькому спектральному інтервалі, прозорі і забарвлені (наприклад, освітлені соки, вина, пиво).

Колоїдні розчини, емульсії, суспензії, які значною мірою розсіюють світло як правило, непрозорі. Прозорість розчинів та інших продуктів визначається у прохідному світлі, тобто проба повинна міститися між оком спостерігача і джерелом світла.

За здатністю харчових продуктів змінювати напрямок поширення світлового потоку, що характеризується коефіцієнтом заломлення, можна визначати якість деяких продуктів (олія, томатопродукти, варення тощо).

Коефіцієнт заломлення — це відношення синуса кута падаючого променя до синуса кута заломленого променя. На цей показник впливають концентрація сухих речовин, хімічна природа й чистота речовин, температура та інші фактори.

Оптична активність - зумовлюється особливостями будови кристалічних ґраток речовин у твердому кристалічному стані або особливостями будови молекул речовин, оптична активність яких виявляється тільки в розчинах.

Оптична активність речовин характеризується питомим обертанням. Питоме обертання — це кут повороту площини поляризації, який викликається стовпчиком розчину довжиною 1 дм при концентрації 1 г речовини в 1 мл. Питоме обертання залежить від природи речовини, довжини хвилі поляризованого світла і розчинника.

Кут повороту площини поляризації оптично активної речовини визначається за допомогою поляриметра. На основі цього кута можна розрахувати концентрацію речовини:

 

 

де С — концентрація речовини, г/100 мл; d — кут повороту площини поляризації; [σ] — питоме обертання оптично активної речовини; L — довжина трубки, дм.

 

Теплофізичні властивості

 

Теплофізичні властивості - характеризують швидкість процесів нагрівання та охолодження.

Знання й аналіз теплофізичних характеристик продуктів (теплоємності, коефіцієнта теплопровідності, коефіцієнта температуропровідності) дозволяє вибрати методи й оптимальні режими процесів теплової обробки, правильного зберігання цих продуктів.

Теплоємність - характеризує інтенсивність зміни температури тіла при нагріванні або охолодженні.

Питома теплоємність — це кількість теплової енергії, яка необхідна для підвищення температури 1 кг продукту на 1°С. Вона обчислюється за формулою:

 

c = Q / m • t;

 

де с — питома теплоємність, Дж/(кг°С); Q — кількість теплової енергії, Дж; m — маса продукту, кг; t — різниця температур, °С.

 

Цей показник характеризує здатність продуктів сприймати (віддавати) теплоту. Продукти з високим вмістом води відзначаються високою теплоємністю; жир, навпаки, знижує теплоємність. Найбільшу теплоємність мають: молоко, огірки, морква; найменшу: борошно, пшоно, сушена картопля, олія.

Коефіцієнт теплопровідності — це кількість теплової енергії, яка проходить крізь масу продукту товщиною 1 м на площі м² за годину при різниці температур у протилежних частинах 1°С. Для його обчислення використовується формула:

 

 

де λ — коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м • °С);

Q — кількість теплової енергії, Дж;

D — товщина шару продукту, м;

S — площа продукту, м²;

(t₁ - t₂) — різниця температур у протилежних частинах, °С;

Z — час, с.

 

Теплопровідність залежить від температури і масової частки вологи у продукті. Теплопровідність продуктів з високим вмістом вологи (м'ясо, риба, плоди, овочі) близька до теплопровідності чистої води. Для подрібнених продуктів (борошна, круп, цукру-піску) коефіцієнт теплопровідності залежить ще від розміру частинок, шпаруватості, насипної маси. Найбільша теплопровідність у молока, пива, моркви, яблук; значно меншу теплопровідність мають жири, борошно, крупи.

Низька теплопровідність допомагає зберіганню зниженої температури в охолоджених і заморожених продуктах. Але ця властивість може стати причиною самозігрівання продуктів, у яких при зберіганні інтенсивно йдуть екзотермічні процеси (дихання, бродіння).

Коефіцієнт температуропровідності - характеризує швидкість вирівнювання температур у різних точках температурного поля. Він залежить від теплоємності і враховується в технологічних процесах виробництва харчових продуктів, а також при їх зберіганні. Чим вищий коефіцієнт температуропровідності, тим швидше нагрівається або охолоджується продукт. На цей показник впливають хімічний склад (вміст води і жиру) і фізичний стан (шпаруватість, насипна маса) продуктів. Зерно має низьку температуропровідність, оскільки характеризується великою тепловою інерцією (табл.3.1).

 

Таблиця 3.1

Теплофізичні характеристики деяких харчових продуктів

 

Продукт	Масова частка вологи, %	Питома тепло- ємність Дж/ (кг • °С)	Коеф. тепло- провід- ності, Вт/ (м -°С)	Коеф. темпера- туро- провід- ності, (м^2/с) а 10^8
Картопля			0,640	12,0
Морква			0,630	15,1
Яблука			0,510	16,0
Пюре яблучне (10,5% сухих речовин)	-		0,545	13,3
Молоко			0,643	15,1
Олія рослинна	0,2		0,169
Масло коров'яче			0,202	6,7
Борошно пшеничне (вищого сорту)			0,130	9,1
Пшоно шліфоване			0,143	6,4

 

Сорбційні властивості

 

Харчові продукти здатні вбирати із зовнішнього середовища і виділяти в нього пари різних речовин і гази. Ця властивість харчових продуктів дуже важлива при їх транспортуванні та зберіганні. У продуктах відбуваються такі сорбційні процеси, як:

Адсорбція - вбирання газоподібних речовин поверхнею продукту;

Абсорбція - вбирання газоподібних речовин всією масою продукту;

Хемосорбція - хімічна взаємодія між речовинами, які внаслідок сорбції потрапили в продукт, і речовинами самого продукту;

Капілярна конденсація - утворення рідин в макро- і мікрокапілярах твердих продуктів;

Десорбція - перехід газоподібних речовин з поверхні продукту в зовнішнє середовище.

Окремі харчові продукти (зернові, борошняні, цукор) є добрими сорбентами. Сорбційна ємкість цих продуктів зумовлена двома причинами: наявністю капілярно-пористої колоїдної структури і значної шпаруватості. Стінки макро- і мікрокапілярів у внутрішніх шарах продукту є активною поверхнею, яка бере участь у процесах сорбції. Активна поверхня набагато перевищує справжню поверхню.

Сорбційні процеси під час перевезення або зберігання призводять до зміни якості продуктів, останні можуть набути неприємного запаху або втратити природний аромат.

У практиці торгівлі найбільше значення мають сорбція і десорбція водяних парів. Зміна вологості і маси продуктів під час транспортування або зберігання найчастіше є результатом саме сорбції чи десорбції водяних парів.

Вологообмін між харчовими продуктами і зовнішнім середовищем може проходити у двох протилежних напрямках, тобто може відбуватися:

Зволоження харчових продуктів - унаслідок вбирання вологи із зовнішнього середовища, якщо парціальний тиск водяних парів на поверхні продукту менший, ніж у повітрі.

Усихання — передача вологи з продукту в зовнішнє середовище, якщо парціальний тиск водяних парів на поверхні продукту більший, ніж у повітрі.

Вологообмін між продуктом і повітрям не відбувається, коли парціальні тиски водяних парів над продуктом і в зовнішньому середовищі однакові.

Вологість продукту, що відповідає такому станові, називається рівноважною. Вона залежить від хімічного складу, фізичного стану продукту, а також від температури і вологості повітря. Наприклад, у насіння олійних культур за рівних умов вона удвічі менша, ніж у зернових. Це зумовлено тим, що олійні культури мають значно більший вміст жирів і меншу гігроскопічність.

Гігроскопічність — це здатність продуктів вбирати вологу із зовнішнього середовища й утримувати її капілярами та всією поверхнею. Гігроскопічні процеси відбуваються в тих випадках, коли зовнішнє середовище чинить гігроскопічний вплив на харчові продукти. У міру вбирання вологи підвищується активність води, зростає тиск водяних парів над продуктом і настає момент, коли він досягає тиску водяних парів у повітрі, тобто утворюється гігроскопічна рівновага.

Гігроскопічність харчових продуктів залежить від їхньої структури, хімічного складу, температури, вологості й тиску зовнішнього середовища. Значно підвищує гігроскопічність наявність таких речовин, як фруктоза, інвертний цукор, солі кальцію і магнію. Продукти, що багаті на жири або містять багато вологи, не гігроскопічні (коров'яче масло, м'ясо, свіжі овочі, плоди).

 

 

Розділ 4