автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Компьютерные технологии в реологических исследованиях молочных продуктов

005015633

ЛИТВИНОВА ИНГА АНАТОЛЬЕВНА ^

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В РЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 МАР 2012

*

Кемерово 2012

005015633

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Научный руководитель:

кандидат технических наук Доня Денис Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент

Короткий Игорь Алексеевич

кандидат технических наук Сагателян Минас Васгенович

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт

Защита диссертации состоится « » марта 2012 г. в Ф.ОО часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.01 при Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности по адресу: 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47,4 лек.а., тел./факс (8-384-2)39-68-88

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности.

С авторефератом можно ознакомиться на сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru) и КемТИППа (www.kemtipp.ru)

Автореферат разослан февраля 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Молоко - один из самых ценных продуктов питания человека. По пищевой ценности оно может заменить любой продукт, но ни один продукт не заменит молоко. Роль молока как полноценного пищевого продукта в поддержании процессов жизнедеятельности организма хорошо известна.

Качество молочных продуктов, наряду со связанными с качеством исходного сырья вкусовыми свойствами, определяется их структурой и консистенцией, зависящими от правильного проведения технологического процесса.

Реологические характеристики представляют собой фундаментальные свойства продуктов, которые проявляются при механическом воздействии на обрабатываемый продукт и характеризуют его сопротивляемость приложенным извне усилиям, обусловленную строением и структурой продукта. Эти характеристики используют для расчета процессов течения продуктов в рабочих органах машин с целью определения их параметров (геометрических, кинематических и динамических); они отражают существенные аспекты качества продуктов. Кроме того, реологические характеристики учитываются при расчете различных физических процессов: гидромеханических, термических, массообмен-ных и др.

Сдвиговые свойства представляют собой основную группу реологических характеристик, используемых для самых различных целей - от оценки качества продукта до расчета машин и аппаратов. Эти свойства проявляются при касательном смещении слоев продукта, и измеряются на вискозиметрах различных типов: с падающим шариком; капиллярных; ротационных.

Исследование любого пищевого продукта - сложная аналитическая задача. Из-за индивидуальности состава и многокомпонентности продуктов необходимо приспосабливать стандартные методы к особенностям состава и физико-химической структуры продукта, т.е. в каждом конкретном случае требуется проведение, в той или иной мере, аналитической исследовательской работы.

Для описания деформационного поведения продукта используются, так называемые, кривые течения, которые строятся по экспериментальным данным в координатах «напряжение сдвига - скорость сдвига».

", Построение кривых течения и дальнейшая их обработка с целью вычисления реологических параметров является очень трудоемким и скрупулезным процессом. Правильность определения реологических параметров по кривой течения зависит от профессионализма и точности оператора, работающего с ними.

Современное развитое науки и техники диктует применение электронных средств измерения и регистрации, что значительно снижает субъективность и неточность снятия показаний измерительных приборов. Для вычисления величин реологических свойств и обобщения данных наблюдений важен выбор исходной математической модели, которая с наибольшим приближением описывает поведение продукта в реальном процессе.

Цель работы и задачи исследований. Целью настоящей диссертационной работы является создание специализированной компьютерной программы для

обработки результатов реологических исследований и распознавания реологических моделей молочных продуктов.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи, требующие решения:

1. Проведение анализа и систематизация информации по реологическим характеристикам молочных продуктов для выявления возможного их использования при контроле процессов производства.

2. Исследование основных факторов, влияющих на консистенцию молочных продуктов для определения основных параметров программы.

3. Проведение реологических исследований молочных продуктов с различной структурой с целью получения достоверных реологических характеристик и для создания базы данных программы.

4. Выбор методов математического и компьютерного моделирования.

5. Разработка интерфейса программы.

6. Проведение дополнительных реологических экспериментов исследований для расширения возможностей программы и производственная апробация программного продукта.

Научная новизна работы. Усовершенствованы методика проведения эксперимента и методика измерений и расчета при определении реологических характеристик молочных продуктов.

Обоснован выбор алгоритмов и методов моделирования, а также структура программы, реализующей расчеты.

Создана компьютерная программа «Виртуальная модель кривых течения», позволяющая осуществлять сбор и представление результатов реологического эксперимента с последующим моделированием поведения продукта в реальном процессе. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, регистрационный номер № 2008612695, зарегистрирована 29.05.2008 г.

Практическая значимость работы. Уточнены методики контроля реологических параметров ряда готовых молочных и кисломолочных продуктов.

Разработанная программа позволяет осуществлять сбор экспериментальных данных, строить кривые течения и реограммы зависимости эффективной вязкости, автоматически выполнять разбиение области течения исследуемого продукта на требуемое программой количество зон с последующим моделированием этих зон, рассчитывать в зависимости от реологической модели: динамическую вязкость ньютоновских жидкостей, минимальную и максимальную вязкости структурированных жидкостей, а также пластическую (бингамовскую) вязкость и предельное динамическое напряжение сдвига (ПНС) вязкопластич-ных жидкостей.

Использование разработанной системы, включающей в себя измерительный блок (реометр) и специализированное компьютерное программное обеспечение позволяет уменьшить субъективность результатов измерений реологического контроля вследствие исключения «человеческого» фактора.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Прикладная механика» КемТИППа при подготовке инженеров, бакалавров и магистров (в лекционном и лабораторно-практическом курсе).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на V Международной научно-практической конференции «Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России» (Орел, 2006 г.); XI Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи» (Томск, 2007 г.); XX Международной научной конференции (Ярославль, 2007 г.); VI Международной научно-практической конференции «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов» (Москва, 2008 г.); VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Информационные технологии и математическое моделирование» (Томск, 2008 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе, в центральных журналах, рекомендованных ВАК - 2 работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 120 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 3 таблицы, 38 рисунков. Библиография включает 143 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении Обоснована актуальность выбранного направления работы, указана научная новизна и практическая значимость.

В первой главе изучены исследования ведущих ученых в области инженерной реологтш пищевых масс, в том числе и молочных: В.А. Арета, A.B. Горбатова, В.Д. Косого, Н.И. Дунченко, H.H. Липатова, Ю.А. Мачихина и др.; рассмотрены основные понятия реологии и реометрии пищевых сред, классификация материалов по их реологическому поведению; основные методы и приборы для исследований пищевых продуктов.

Проведен обзор и анализ формирования структуры и реологических характеристик молочных продуктов; рассмотрены основные методы и приборы для измерения реологических характеристик готовых молочных продуктов с различной структурой.

Анализ научно-технической отечественной и зарубежной литературы и источников Интернета показал, что для исследований готовой продукции, а также для контроля и оценки консистенции молочных продуктов научно обоснованным является метод ротационной вискозиметрии. Наиболее полную деформационную картину поведения продукта можно охарактеризовать так называемой кривой течения, которая строится по экспериментальным данным в координатах напряжение сдвига - скорость сдвига. При этом, обработка кривых течения для вычисления реологических характеристик является очень трудоемким и субъективным процессом.

Установлено, что системные ограничения требуют построения математической модели с предусмотренной возможностью к их адаптации при изменяющихся производственных условиях, необходимость разработки и примене-

ния типовой технологии сбора и обработки диагностических данных, основанной на формировании введении базы данных.

В целом сведения, приведенные в первой главе, их анализ и обобщение позволили обосновать и сформулировать цель и задачи работы, определить направление исследований.

Вторая глава посвящена разработке экспериментальной измерительной установки для исследования реологических характеристик и получения реограмм при образовании молочных сгустков на основе ротационного вискозиметра

Теоретические и экспериментальные исследования выполнены в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности в научно-исследовательской лаборатории реологии пищевых материалов кафедры «Прикладная механика».

Измерительная установка для определения реологических характеристик молочных продуктов при сдвиговом течении выполнена в соответствии со схемой, представленной на рис.1.

Рис.1. Функциональная схема измерительной установки: 1 - ротационный вискозиметр Reotest - 2; 2 - индикаторный прибор; 3 - АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) - переносной регистратор аналоговых сигналов); 4 - персональный компьютер.

Измерительный механизм экспериментальной установки представляет собой ротационный вискозиметр Reotest - 2. Для измерения момента вращения, действующего на вращающемся измерительном цилиндре, используется вращение измерительного вала относительно приводного вала в направлении, обратном действию двухступенчатого динамометра. Приборный потенциометр, связанный с динамометром и включенный в мостовую схему, воспроизводит величину отнйсительного вращения. При этом естественный сигнал «вращающий момент» преобразуется в пропорциональный ему аналоговый сигнал тока, который регистрируется индикаторным прибором 2 и после преобразования через АЦП 3 поступает на персональный компьютер 4 IBM PC 286.

Методика проведения эксперимента при определении реологических характеристик предусматривает следующие операции:

1. установка измерительного (внутреннего) цилиндра на приводном валу;

2. заливка заданного объема исследуемого продукта в измерительную емкость (наружный цилиндр) и его установка в рабочее положение коаксиально цилиндру. При этом происходит заполнение исследуемой массой кольцевого зазора;

3. включение термостата. Термостатирование необходимо проводить не менее 20 мин., что позволяет равномерно прогреть не только исследуемый материал, но и рабочие цилиндры;

4. приведение во вращение измерительного (внутреннего) цилиндра при помощи рычага переключения коробки передач. Вращение на данной скорости проводят до стабилизации положения показаний вторичного прибора, измеряющего угол а относительного поворота цилиндров.

5. регистрация частоты выходного сигнала датчика силы и определение по расчетным соотношениям установившегося значения напряжения сдвига г при фиксированной скорости сдвига у и температуре;

6. увеличение, скорости сдвига у в слое исследуемого продукта на Д у-, 1. выполнение заданного числа к раз пунктов 4-6 настоящей методики.

В третьей главе представлены результаты исследований на экспериментальной измерительной установке реологических свойств кисломолочных продуктов с различной структурой с целью получения достоверных реологических характеристик и для создания базы данных программы.

Исследование реологических свойств сметаны. Исследовали образцы сметаны жирностью 15%. В 100 г продукта содержалось, соответственно: жиров - 15 г, белков - 2,8 г, углеводов - 3,6 г, энергетическая ценность 161 ккал/100 г.

Скорость сдвига для измерительной ячейки Б/Бг изменяли в диапазоне от 1,0 до 437,4 с Все измерения выполнены в трех повторностях при фиксированных значениях температуры 10,20 и 30 °С.

В результате проведенных исследований были получены двухпараметри-ческие массивы экспериментальных данных. Кривые течения в координатах «напряжение сдвига г - скорость сдвига у » представлены на рис.2.

Полученные массивы экспериментальных данных и анализ кривых течения позволяют сделать вывод, что при у < 100 с течение всех образцов сметаны может быть описано степенным уравнением Оствалъда-де-Виля, а в диапазоне изменения у от 100 до 437,4 с течение всех образцов можно аппроксимировать уравнением Шведова-Бингама, справедливым для вязкопластичного течения жидкостей или уравнением Гершеля-Балкли.

Компьютерной аппроксимацией начальных участков кривых течения в диапазоне 1,0 < у < 100 с для всех исследованных образцов уравнением вида получены следующие значения коэффициентов уравнения, представленные в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что с повышением температуры характер течения становится более ньютоновским, т. е. индекс течения п (неньютоновости) увеличивается.

Таблица 1

Значения коэффициентов уравнения Оствальда -де- Виля_

Коэффициенты Температура, °С

10 20 30

В 0,9634 0,7295 0,5914

п 0,2693 0,2808 0,3114

О

1

4 Т, кПа

Рис.2. Кривые течения сметаны 15% жирности: 1 - при Т = 10 °С; 2 - при Т = 20 °С: 3 - той Т = 30 °С

Поиск коэффициентов п, г}пя и rQ

для описания течения образцов сметаны в диапазоне (100 < у < 437,4) с уравнениями Шведова-Бингама и Гершеля-Балкли был осуществлен с помощью метода средних в компьютерной среде Excel и разработанного алгоритма в среде Mathcad.

Для определения величины г0 (ПНС) при нулевом значении у использовали кубическую сплайн-интерполяцию, которая позволяет провести кривую, проходящую в интервале предельного отклонения для каждой экспериментальной точки, таким образом, что первые и вторые производные кривой были непрерывны в каждой из этих точек.

Для нахождения параметров и п использовали корреляционный ана-

лиз. При этом для линеаризации уравнения, выполнили преобразования массивов экспериментальных данных ( г, , у, ) следующим образом: г,-* ln(rt -т0); yt~* Inf у) . В итоге уравнение приводится к виду: 1п(т,-та) = 1п(г]ю) + п1п(у).

По результатам корреляционного анализа получили значения параметров 1п(»/пл) и и, а затем путем потенцирования - значение коэффициента >jnl. Полученные значения коэффициентов rQ, ?/пл и п приведены в таблице 2.

На основании проведенных реологических исследований можно сделать вывод, что кривые течения (т-у) целесообразно рассматривать состоящими из двух участков:

а) начальный аномально - вязкий участок (1,0 < у < 100 с "'), описываемый уравнением Остпвальда-де-Виля;

б) участок вязкопластического течения (100 <у< 437,4 с "'), описываемый уравнением Шведова-Бингама или уравнением Гершеля-Балкли.

Таблица 2

Значения коэффициентов г0, упл и п реологических моделей _Шведова-Бингама и Гершеля-Балкли_

Коэффициенты уравнений г0, ?/пл, и Температура, °С

10 20 30

г0, кПа (уравнение Шведова-Бингама) 1,803 1,732 1,112

т/пл, Па-с (уравнение Шведова-Бингама) 0,008 0,006 0,006

г0, кПа (уравнение Гершеля-Балкли) 0,443 0,434 0,369

г]т, Па с (уравнение Гершеля-Балкли) 0,492 0,238 0,215

п (уравнение Гершеля-Балкли) 0,391 0,547 0,443

Исследовали сметану ОАО «Сибирское молоко» (г. Новосибирск) различной жирности: образец 1 - содержание в 100 г продукта: жиров - 10 г, белков -2,9 г, углеводов - 3,0 г, энергетическая ценность 116 ккал/100 г; образец 2 - соответственно содержание: жиров - 15 г, белков - 2,8 г, углеводов - 3,6 г, энергетическая ценность 161 ккал/100 г; образец 3 - соответственно содержание: жиров - 20 г, белков - 2,6 г, углеводов - 3,4 г, энергетическая ценность 204 ккал/100 г (далее по тексту жирность сметаны - 10 %Ж, 15% Ж, 20% Ж).

Для получения кривых течения в координатах «напряжение сдвига г - скорость сдвига у » с минимальным разрушением структуры образцов за результат измерений при каждой скорости сдвига брали максимальное значение напряжения сдвига т , соответствующее каждой скорости сдвига у. Полученные кривые течения для сметаны 10 % Ж представлены на рис.3 (кривые течения для сметаны 15 и 20 % Ж имеют такой же вид и на рис.3 не представлены).

Из анализа кривых течения, видно, что течение всех образцов сметаны в исследуемом диапазоне температур до у < 121,5 с'1 может быть описано степенным уравнением Оствальда-де-Виля для аномально-вязких жидкостей.

Компьютерной аппроксимацией начальных участков кривых течения в диапазоне 1 < у < 121,5 с'1 для всех исследованных образцов уравнением вида получены следующие зависимости:

350 300 250 200 150 100 50 0

1 l24 Z j 4 p

I / / ЯЧЖ

/;

f

f V

a' ft

/ /! 7 ' V > i

J, ft j Г\

0 т01 г02 г0з ЮО 150 Т. Па

Рис.3. Кривые течения сметаны 10 % Ж : 4 - 6° С; 3 - 16° С; 2-25° С; 1 -31°С

6° С 16° С 25° С 31° С Сметана 10 % Ж :

г =1 1,078^ °'496; г =7,118^ °'532 ; г =4,258у °'540; г =2,333^ °'352 ; (1) Сметана 15 % Ж :

т=19,399 у0'473; г=11,887у °'515; г=6,218у0523; т=2,977 у °-542 ; (2) Сметана 20 % Ж :

г =28,608^°'424; т =21,872у0'"6; г=12,263 ^ 0,496; г =6,492^°'505. (3)

Из анализа формул (1) - (3) видно, что с повышением температуры характер течения исследуемых молочных продуктов становится более ньютоновским, т.е. индекс течения п (неньютоновости) увеличивается соответственно в 1,11; 1,15ив 1,19 раза. Из этого следует, что с увеличением содержания молочного жира увеличивается степень «неньютоновости» сметаны. В качестве реологического параметра для этих участков кривых течения сметаны можно вычислить две характеристики: максимальную ньютоновскую вязкость г/0 неразрушенной структуры, рассчитываемую по углу наклона к оси т касательной О А, проведенной из нулевой точки (рис. 3), по формуле:

11о=т1у, (4)

где г и у принадлежат касательной ОА.

Вторая реологическая характеристика - это значение эффективной вязкости, вычисленной при определенной фиксированной скорости сдвига у для этих участков.

Обычно скорость сдвига рекомендуется выбирать в диапазоне, в котором практически закончилось лавинообразное разрушение структуры продукта. Из анализа всех кривых течения выбираем скорость сдвига у < 48,6 с'1. Конечно, значение у может быть выбрано и другим, но для сравнительного контроля продуктов по значениям эффективной вязкости, зависящей от у, при которой её вычисляли, достаточно указывать принятое её значение. В противном случае результаты измерений невозможно будет сравнивать.

При дальнейшем повышении скорости сдвига т.е. выше у = 121,5 с'1, течение всех образцов независимо от жирности можно аппроксимировать уравнением Шведова-Бингама, в котором г0- динамическое предельное напряжение сдвига, полученное экстраполяцией прямолинейного участка кривой течения до оси абсцисс, Па ; ^ - вязкость пластического течения (величина постоянная),

Па-с, вычисляемая по формуле:

Л =(* -т.)/г' > <5)

пл гпах тах

где: rmax - наибольшее напряжение сдвига при максимальной скорости сдвига У шах = 437,4 с"1.

На рис.4 представлены зависимости изменения г0 и т] для всех исследованных образцов сметаны в зависимости от температуры при различном содержании жира в сметане. Из анализа кривых течения (рис.4) видно, что в зависимости от изменения температуры для всех исследованных образцов значения г0 уменьшаются практически линейно. Причем, при повышении содержания жира значения г0 при каждой температуре увеличились, соответственно, в 2,58; 2,27; 2,78 и 2,87 раза. При этом пластическая вязкость r¡m при тех же условиях также возросла в 1,43; 1,52; 1,81 и 2,22 раза, соответственно.

Кроме того, для исследуемой неньютоновской системы, которой является сметана, в качестве контролируемого параметра можно также рассчитать минимальную вязкость разрушенной структуры по формуле: 1т = ттах/гт„, (6) где: rmta и утих - наибольшие значения напряжения сдвига и скорости сдвига, соответственно.

На основании проведенных реологических исследований можно сделать вывод, что независимо от жирности и температуры сметаны кривые течения (г - у) целесообразно рассмат-Рис.4. Значения реологических характери- ривать состоящими из двух уча-стик сметаны в зависимости от жирности и стков:

температуры: а) начальный аномально -

т0: 1 - 10 % Ж; 2 - 15 % Ж; 3 - 20 % Ж; вязкий участок (1 < у < 121,5 с '■ 4 - Ю % Ж; 5 -15 % Ж; 6 - 20 % Ж описываемый уравнением

Оствальда-де-Виля, для которого в качестве контролируемых реологических параметров вычисляют r¡ прак-

о

тически неразрушенной структуры или i

б) участок вязко-пластического течения (121,5 с'1 < у < утах), описываемый уравнением Шведова-Бингама, для которого в качестве контролируемых величин рассчитывают г0 и Т]т (или r¡m).

Также в ходе исследования были получены кинетические реограммы деформирования «напряжение сдвига г - время деформирования /». На рис.5

представлен ряд характерных реограмм, полученных при следующих фиксированных значениях скоростей деформации У| = {3,0 с(кривая 1); 16,2 с (кривая 2); 48,6 с(кривая 3); 145,8 с(кривая 4) и 437,4 с(кривая 5)}.

Из анализа реограмм следует, что в начальный момент времени деформирования кривые 1 и 2 не имеют максимума, а на кривых 3,4 и 5 наоборот, появляются ярко выраженные максимальные значения т в начальный момент деформирования образца.

С учетом данных рис. 5 построены кривые течения (рис.6) для временных рубежей (1), (2), (3)и(4).

Рис.6. Кривые течения сметаны после временных рубежей деформирования: 1 - 5 с: 2-210 с: 3-330 с: 4-390 с.

Кривая течения 1, получена при т = max, кривые течения 2, 3 и 4 получены после 210, 330 и 390 сек. разрушения при yt.

Анализируя рис.5 и 6 видно, что наиболее обоснованным является временной рубеж (2), т.к. не теряется экспонентность измерения и кривая получается стабильной, что подтверждается повторностью опытов.

С целью выявления влияния на реологические свойства сметаны каждого из исследованных параметров (содержания жира, механического воздействия, температуры и их взаимного влияния) было выполнено математическое моделирование с использованием матрицы полнофакторного эксперимента ПЭФ23. В ходе исследований изменяли следующие параметры: жирность образцов Ж

(Xi); температуру образцов Т (Х2) и скорость сдвига у (Х3). За выходной параметр Y были приняты значения напряжения сдвига X.

По результатам проведенных исследований было получено корреляционное уравнение регрессии, показывающее влияние выше перечисленных факторов в отдельности и совместно на конечный результат исследований. После выявления незначимых коэффициентов по критерию Стьюдента (Ъ\г3- не значим, т.к. Í123 = 2,23; /кр = 2,77; (|íi23¡<V)) и проверки уравнения на адекватность по критерию ФиШера (F = 4,97; FKp.= 5,41; (F< FKf¡.)), уравнение приняло следующий вид:

Y=89,61+24,96Х1-37,638Х2+73,125Хз-3,24Х1Х2-30,6Х2Хз+17,775Х1Хз (7)

С учетом принятых обозначений и найденных значений центра эксперимента и интервала варьирования для исследуемых параметров была получена искомая зависимость:

Г = -9,32 + 2,378Ж + 0,226Т + 0,298 у - 0,052ЖТ + 0,016Жу - 0,01 IT у (8)

Из анализа уравнения (8) следует, что увеличение скорости сдвига (Х3) от центра эксперимента на 1 интервал варьирования и неизменных значениях жирности (Xi) и температуры (Х2) продукта вызывает увеличение напряжения сдвига Г на 0,289 ед.; увеличение температуры (Х2) от центра эксперимента на 1 интервал варьирования и неизменных значениях жирности (Xi) и скорости сдвига (Хз) также вызывает увеличение напряжения сдвига г на 0,226 ед., хотя и в несколько меньшей степени. Наибольшее увеличение напряжения сдвига г на 2,378 ед. происходит при увеличении жирности (Xi) от центра эксперимента на 1 интервал варьирования и неизменных значениях температуры (Х2) и скорости сдвига (Х3).

Таким образом, повышение скорости сдвига и жирности увеличивает напряжение сдвига, а повышение температуры, наоборот, снижает напряжение сдвига.

Исследование реологических свойств сливочного масла. Для исследований были изготовлены образцы сливочного масла «Крестьянское» согласно ГОСТ 37-91 с содержанием в 100 г. продукта: массовая доля жира - 72,5%.; влага -25%, COMO - 2,5 %. Скорость сдвига у изменяли в диапазоне от 0,1667 до 145,8 с Исследования проводили с использованием цилиндрической измерительной системы Н/Н. В зазор между цилиндрами вискозиметра помещалась требуемая порция сливочного масла, которую предварительно термостатирова-ли в течение 20 мин. Все измерения были выполнены в 3-х повторностях при следующих фиксированных значениях температуры: 20,5, 26 и 33 °С.

Для контроля достоверности и точности последующей компьютерной обработки полученного массива экспериментальных данных были построены опытные кривые течения в координатах: «скорость сдвига у - напряжение сдвига г», представленные на рис.7.

Установлено, что у всех образцов сливочного масла в диапазоне исследованных температур на кривых течения имеются участки сверханомалии, которые характеризуются максимальным напряжением сдвига ттх при определенной скорости сдвига, что графически выражается «всплеском» напряжений

сдвига на кривых течения (см. участок ОА рис. 7). При дальнейшем увеличении у происходит лавинообразное разупрочнение структуры продукта. При обработке результатов измерений участок сверханомалии можно исключить, т.к., например, в реологических моделях (2) и (3) при практических исследованиях сверханомалию обычно не учитывают, потому что реальные скорости сдвига в каналах перерабатывающего и дозирующего оборудования находятся выше зоны лавинообразного разрушения структуры.

Рис.7. Кривые течения сливочного масла: Представленные на рис.7

1 - при Т=20,5 °С, 2 - при Т=26 °С, кривые течения показывают, 3-пюиТ=33°С что ПРИ скоростях сдвига

у <5 с"1 течение всех образцов сливочного масла может быть описано уравнением Ньютона, а при скоростях сдвига у > 10 с"' все образцы имеют прямолинейные участки, которые типичны для вязкопластичных жидкостей и могут быть описаны уравнением Шведова-Бингама.

В четвертой главе обоснован выбор метода математического и компьютерного моделирования, представлены результаты разработки интерфейса компьютерной программы «Виртуальная модель кривых течения».

В результате выполненных реологических исследований различных молочных продуктов была разработана программа «Виртуальная модель кривых течения», которая позволяет:

1) строить кривые течения в координатах « у - г » и реограммы зависимости эффективной вязкости г/о от скорости сдвига у в координатах «у -ц з». При этом ввод массива опытных данных может осуществляться пользователем автоматически, а также из базы данных программы по ранее проведенным опытам. Кроме того, предусмотрено непосредственное подключение компьютера к аналоговому выходу вискозиметра через блок преобразования аналогового сигнала в цифровой;

2) проводить моделирование течения исследуемого продукта по модельным формулам;

3) автоматически выполнять разбиение области течения исследуемого продукта на требуемое программой количество зон, в зависимости от соответствующих значений скоростей сдвига ул и напряжений сдвига г, с последующим

моделированием этих зон;

4) рассчитывать в зависимости от реологической модели: вязкость ньюто новских жидкостей ц; максимальную т]ь и минимальную г]т вязкости структу рированных жидкостей; пластическую (бингамовскую) вязкость цт и предель ное динамическое напряжение сдвига (ПНС) г0 вязкопластичных жидкостей.

На рис.8 представлены результаты компьютерной обработки массива экс периментальных данных (сливочное масло «Крестьянское» ГОСТ 37-91), полу ченных при температуре Т = 20,5 °С, в виде главного окна компьютерной программы.

7'Виртуальна*южль кривых /пченнй

Среда 0ств4'ъаме-в9ле

Среа» Швецом-Б»«-»** У -15310065«

Крики теченп*

Г

16 20 г? оо

49.60 81 00 И5 80

193 00 20200 219.00 239.00 275 00

150.50 16232 17*52

Л* 76 235.87 278 (в

, 5'«

I 81®

30 <0 50 60 70 60 9 Скорость сдвига, I/

- аппроксимцю ванные д«

Рис. 8. Главное окно программы

На рис.9 представлена реограмма зависимости эффективной вязкости при увеличении скорости сдвига у в координатах « / - » в виде окна программы «Вязкость»._

вгв®

Скорость сдвиге. 1/с

Скорость еявига, 1/с

Эффективная вязкость. Пп*

Рис. 9. Окно программы «Вязкость»

На рис.10 представлены результаты компьютерной обработки массива экспериментальных данных (сметана ОАО «Сибирское молоко» (г. Новосибирск) 15% Ж), полученных при температуре Т = 22 °С, в виде главного окна компьютерной программы.

У'Ниртулльнля »лодепн кривых течения {метод т

1900 5482

1) Среда Шоеасоа-бим-ама: У -25.49*3.05»

! Дима**«еское предел»*» напряжем« сдвига (ПНС) «25.49 (Па) ,Ппастнческая(бимгамсвсиая] вязкость -3.05 (Па'с)

1620 84.05

2) СрвиШвеоова-Ьик-ама: У -1629*4 ОБ» Лтмхюм предельное напряжем« саеига [ПНС) -18 29 (Па| Пластическая (бингамоеская| вязкость "4 06 (Па'с)

27 00 98.40

3) Среда Шведора-Бик-ама: У ■$2.53*1.33« Джамическое предельное напряжем« сдвига [ПНС) -6253 (Па) Ппаст>«еская (бингамоеская) вязкость «1 33 (Па'с)

7290 124.00

4| Среда Оствалла-де-Вале: У »45 52x4124 КотФФициент "консистеми«"-45.52 |Па'с) Индекс течем« -024

437 40 198.85 5| Среда ГершеляБал Динамическое предо/»нов ХозФФмщет "консистеми«"-5.81 |Па'с| ¡Индекс течем« -050

7290 81 00 145 70 243.00 437 40

30 39 31.52 33.26 39.01 ' 54 82 84 05 9840 118.00 124.00 127.10 143.50 162.97

28.53 30.97 34.63

98.77 113.90 124.55 126.47 144.46 165.09 19634

КоэФФ(«донг детерминации -0 73 Среанекеадраги^юе откломем« -247 ;Средмяя ошийка аппрокомаиии-2125:

Рис.10 Окно построения комплексной реологической модели с указанием точек перегиба и зон моделирования

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Получены двухпараметрические массивы экспериментальных данных, необходимых для написания компьютерной программы, обрабатывающей экспериментальные данные и адекватно описывающей реологическое поведение исследуемого продукта.

2. Создана программа «Виртуальная модель кривых течения», состоящая из нескольких взаимосвязанных модулей с возможностью учета технологических параметров обработки рассмотренных пищевых материалов.

3. Программа позволяет моделировать различные пищевые среды, а также производить выбор на основе различных статистических характеристик наиболее адекватную реальной среде исследования реологическую модель.

4. В программе имеется возможность автоматического разбиения области течения исследуемого продукта на несколько зон с последующим моделированием этих зон. В зависимости от выбранной реологической модели для каждой зоны моделирования программа позволяет рассчитать: динамическую вязкость ?7 ньютоновских жидкостей; минимальную т]0 и максимальную г\ша вязкости

структурированных жидкостей; пластическую (бингамовскую) вязкость т\ю и предельное динамическое напряжение сдвига г0 (в рабочем окне программы -ПНС) вязкопластичных жидкостей.

5. Отдельный модуль программы позволяет осуществлять построение кривой вязкости в координатах «у -т],» исследуемого продукта и расчет эффективной вязкости для отдельно выбранной скорости сдвига.

6. Разработанная программа является лабораторным этапом компьютеризации реологических измерений, их обработки и представления и может быть использована непосредственно в реометрическом комплексе при обработке данных, для модернизации и оптимизации технологических процессов в системах АСУ на предприятиях различных отраслей промышленности, в частности, на предприятиях молочной промышленности. Кроме того, компьютерная модель может применяться не только в исследовательских целях, но и в образовательном процессе.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Пирогов А.Н. Алгоритм обработки экспериментальных данных вискозиметрии молочных-продуктов на ЭВМ / А.Н. Пирогов, И.А. Литвинова // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сборник научных работ / КемТИПП. - Вып. 4. - Кемерово, 2002. - с. 54.

2. Литвинова И.А. Повышение точности измерений при дискретном реологическом контроле молочных продуктов / И.А. Литвинова, А.Н. Пирогов // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сборник научных работ / КемТИПП. - Вып. 10. - Кемерово, 2005. - С. 71-73.

3. Пирогов А.Н. Влияние температуры на реологические характеристики сметаны / А.Н. Пирогов, И.А. Литвинова // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сборник научных работ / КемТИПП. - Вып. 10.-Кемерово, 2005. - С. 97-98.

4. Пирогов А.Н. Реологические характеристики сметаны различной жирности при изменениях температуры / А.Н. Пирогов, H.A. Пирогова, И.А. Литвинова, A.B. Шилов // КемТИПП. - Кемерово, 2006. - 8 с. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ. -25.04.2006. -№ 545. - В2006.

5. Пирогов А.Н. Методологические аспекты реометрии различных кисломолочных продуктов / А.Н. Пирогов, И.А. Литвинова, A.B. Шилов // Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России: Материалы V Международной научно-практической конференции (12-14 декабря 2006 г.). -Орел, ОрелГТУ, 2006. - С.117-120.

6. Пирогов А.Н. Диагностика реологических моделей кисломолочных продуктов / А.Н. Пирогов, И.А. Литвинова // КемТИПП. - Кемерово, 2007. — 19 с. — Рус. - Деп. в ВИНИТИ. - 26.02.2007. - № 170. - В2007.

7. Литвинова И.А. Математическая модель, описывающая изменения структурно-механических свойств сметаны / И.А. Литвинова, A.B. Шилов // Научное творчество молодежи: Материалы XI Всероссийской научно-практической

конференции (20-21 апреля 2007 г.) 4.1. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007. -С. 33-34.

8. Литвинова И.А. Исследование реологических свойств сметаны методами математического моделирования / И.А. Литвинова, И.Н. Грачев, A.B. Шилов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20: сб. трудов XX Междунар. науч. конф. В 10 т. Т. 5. Секция 11 / под. общ. ред. B.C. Балакирева.

- Ярославль: Изд-во Яросл. гос. техн. ун-та, 2007. - С. 211-212.

9. Литвинова И.А. Компьютеризация реологических исследований сливочного масла / И.А. Литвинова, А.Н. Пирогов, Л.В. Захарова // Сыроделие и маслоделие. - 2008. - № 4. - С. 53-54.

10.Пирогов А.Н. Аппроксимация экспериментальных кривых пищевых продуктов реологическими уравнениями / А.Н. Пирогов, И.А. Литвинова // Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности. Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов. Сб. мат. VI Межд. научно-практич. конф. - М.: Издательский комплекс МГУПП, 2008. - С. 127-131.

11. Литвинова И.А. Компьютерные технологии в реологическом контроле пищевых продуктов / И.А. Литвинова, А.Н. Пирогов // Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ - 2008): Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (14

- 15 ноября 2008 г.). - Томск: Изд-во Том.ун-та, 2008. - Ч. 1. - С. 81-82 .

12. Пирогов А.Н. Математическое моделирование реологического поведения сметаны / А.Н. Пирогов, И.А. Литвинова, A.B. Шилов // Известия вузов. Пищевая технология. - 2008. - № 5- 6. - С. 102-105.

13. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Виртуальная модель кривых течения». Зарегистрировано 29.05. 2008 г. Регистрационный номер №2008612695

Подписано к печати 31.01.12. Формат 60x90 1/16. Объем 1,1 п.л. Тираж 80 экз. Заказ №25 Отпечатано

в редакционно-издательском центре КемТИПП 650010, г. Кемерово, 10, ул. Красноармейская, 52

61 12-5/1960

Федеральное агентство по образованию

ФГБОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой

промышленности

На правах

ЛИТВИНОВА Инга Анатольевна

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В РЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность: 05.18.04 - технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, Д.В. Доня

Кемерово 2012

Оглавление

Введение 4

Глава 1. Обзор литературы 8

1.1. Молочные продукты, как объект физико-химической механики 8

1.2. Реологические свойства молочных продуктов 15

1.3. Приборы для измерения реологических свойств 24

1.3.1. Шариковые вискозиметры 24

1.3.2. Капиллярные вискозиметры 26

1.3.3. Ротационные вискозиметры 29

1.4. Кривые течения, как инструмент для описания реологических

35

свойств

1.5. Диагностика реологических моделей кисломолочных продуктов 43

1.6. Заключение по обзору литературы и задачи исследований 51 Глава 2. Методология проведения исследований 54 Глава 3. Экспериментальная часть: измерение основных параметров моде-

58

ли

3.1. Исследование реологических свойств сметаны 60

3.1.1. Влияние температуры на реологические свойства сметаны 60

3.1.2. Влияние жирности на реологические свойства сметаны 64

3.1.3. Влияние времени деформирования на реологические

70

свойства сметаны

3.1.4. Совокупное влияние температуры, жирности и скорости

73

сдвига на реологические свойства сметаны 3.2. Исследование реологических свойств сливочного масла 77

3.3. Выводы по главе 79

Глава 4. Компьютерное моделирование в реологических исследованиях 81

4.1. Компьютерная программа «Виртуальная модель кривых течения» 83

4.1.1. Модуль ввода исходных технологических параметров 85

4.1.2. Модуль построения кривой течения 86

4.1.3. Модули построения реологических моделей 88

4.1.4. Модули построения комплексных реологических моделей 91

4.1.5. Модуль построения кривой вязкости 97

4.2. Апробация компьютерной программы «Виртуальная модель

98

кривых течения»

Выводы 100

Список литературы 102

Приложения 121

Введение

Питание является основным фактором, который определяет физическое и умственное развитие, сопротивляемость человеческого организма внешним неблагоприятным воздействиям окружающей среды, его трудоспособность, продолжительность жизни и т. д. К приоритетным направлениям современной науки о питании относятся организация рационального сбалансированного питания, профилактика алиментарных заболеваний, совершенствование системы контроля качества и безопасности продуктов питания.

Современная теория питания требует совершенно иного подхода к созданию пищевых продуктов нового поколения с высокими функциональными свойствами, поскольку все продукты проходят чрезмерную механическую, физико-химическую и тепловую обработку и теряют в итоге более 25 % белков, а витаминов до 50 % [6,12].

Среди огромного количества различных продуктов животного и растительного происхождения наиболее совершенными, т.е. наиболее ценными в пищевом и биологическом отношении, являются молоко и молочные продукты. Пищевая ценность молочных продуктов состоит в том, что они содержат все необходимые для человеческого организма питательные вещества (белки, жиры, углеводы, минеральные вещества, витамины, воду) в хорошо сбалансированных соотношениях и легкоперевариваемой форме. Среди молочных продуктов, способствующих адаптации организма к ухудшению экологической обстановки и выполняющих

профилактические и лечебные функции, особое место занимают кисломолочные продукты.

Наиболее полное представление о некоторых существенных аспектах качества продукта может дать группа физических свойств, которая проявляет зависимость от биологического и химического состава (рецептуры) и внутреннего строения (структуры продукта). Небольшие изменения этих определяющих характеристик должны вызывать значительные изменения величин свойств, которые регистрируются приборами. При этом характеристики сырья предопределяют основные показатели готовых продуктов. К одной из групп таких показателей относятся структурно-механические (реологические) свойства.

Переработка различных пищевых материалов сопровождается сложными физико-химическими, биологическими и механическими процессами, знание и использование которых позволяет организовать эффективный и объективный реологический контроль качества и получать готовую продукцию с заранее заданными свойствами. Большинство процессов в пищевой промышленности связано с переработкой дисперсных систем, суспензий, коллоидных растворов, различных упруго-пластично-вязких материалов. Реологические исследования позволяют глубже познать физику явления, происходящего при обработке пищевых материалов. Реологические характеристики перерабатываемых сырья и полуфабрикатов могут быть использованы при создании новых конструкций перерабатывающих машин и модернизации существующих, для обоснования наиболее рациональных режимов работы оборудования, а также могут быть применены в качестве контроли-

руемых параметров в автоматизированных системах управления технологическими процессами, при автоматизированном контроле качества продукции [28]. Реология позволяет управлять структурой и качеством продуктов путем внесения добавок, изменения режимов и способов механической и технологической обработки.

Изучение реологических свойств пищевых продуктов, основано на анализе протекающих в этих продуктах деформационных процессов под влиянием приложенного напряжения. Это позволяет определить характер образовавшихся структур и их изменение во времени, что имеет большое практическое значение.

Наиболее простой метод изучения структурно-механических свойств пищевых материалов заключается в построении кривых кинетики деформации (кривых течения). По этим кривым можно найти семь независимых друг от друга деформационных характеристик материала: модули мгновенной упругости и упругого последействия; вязкость релаксационного (течения) и упругого последействия; пределы упругости, текучести и прочности [2].

Определение реологических свойств пищевых продуктов, связано также с необходимостью повседневного технологического контроля производства. Существенные отклонения от принятых норм могут сказаться не только на качестве готовых изделий, но и на проведении отдельных технологических операций.

Современное развитие науки и техники диктует применение электронных средств измерения и регистрации, что значительно снижает субъективность и неточность снятия показаний измерительных приборов. В связи с этим становится

актуальной проблема точности обработки и представления результатов реологического эксперимента. Наиболее оптимальным является применение измерительных приборов с электронным снятием показаний и компьютерной обработкой полученных данных, что в свою очередь требует разработки специальных компьютерных программ.

Научный и практический интерес представляет обеспечение лабораторного и процессового реологического контроля молочных продуктов реометрами, которые включают в себя измерительный блок (например, ротационный вискозиметр), компьютеризированный блок обработки и представления результатов измерений. Применение инструментальных методов контроля позволяет уменьшить субъективность таких измерений вследствие исключения «человеческого» фактора.

В настоящее время наблюдается революционное изменение технологических методов во всех отраслях промышленности. Ярким примером может служить развитие информационных технологий за последние годы. Пищевой промышленности присущи более консервативные традиции, тем не менее, здесь тоже наблюдается заметное влияние современных технологических подходов.

Разработанная в диссертационной работе компьютерная программа - «Виртуальная модель кривых течения» - позволяет осуществлять расчеты для моделирования течения исследуемого продукта. Программа имеет дружественный интерфейс, проста в использовании и может применяться как в научных целях, так и в образовательном процессе.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Молочные продукты, как объект физико-химической механики

Молоко - один из самых ценных продуктов питания человека. По пищевой ценности оно может заменить любой продукт, но ни один продукт не заменит молоко. Роль молока как полноценного пищевого продукта в поддержании процессов жизнедеятельности организма хорошо известна. Молоко и молочные продукты широко применяют при лечении и профилактике различных болезней человека. Особое значение имеют молочные продукты при лечении болезней печени, легких, желудочно-кишечного тракта и др. Молоко содержит все необходимые для питания человека вещества - белки, жир, углеводы, которые находятся в сбалансированных соотношениях и очень легко усваиваются организмом. Кроме того, в нем содержатся многие ферменты, витамины, минеральные вещества и др. важные элементы питания, необходимые для обеспечения нормального обмена веществ [8].

Важным с точки зрения физиологии питания имеет наличие в молоке ряда биологически активных веществ: ферментов, гормонов, лизоцима, иммуноглобулинов и др. биологически активных веществ, которые повышают устойчивость организма к инфекционным заболеваниям.

Использование молока в качестве сырья для производства продуктов питания определяется физико-химическими свойствами составных частей. Знания о количестве составных частей молока постоянно расширяются, это объясняется

целенаправленностью научных исследований и применением современных методов анализа, позволяющих обнаружить и количественно определить даже те компоненты, которые присутствуют в виде следов.

С химической точки зрения молоко представляет собой раствор органических и неорганических соединений в воде. Можно выделить три основные фазы этого раствора: истинный раствор, с технологической точки зрения являющийся молочной сывороткой, коллоидный раствор молочных белков и эмульсию молочного жира в сыворотке.

Качество молочных продуктов, наряду со связанными с качеством исходного сырья вкусовыми свойствами, определяется их структурой и консистенцией, зависящими от правильного проведения технологического процесса.

Структура (строение) вещества характеризуется размерами, формой и расположением частиц [20].

По структуре пищевые продукты можно разбить на следующие группы: жидкости (молоко), плотные жидкости (бульоны), пластичные продукты (творог), пластичные продукты гелевой структуры (плавленые сыры), плотные продукты фибриллярной структуры (твердые сыры) [41,133].

По классификации акад. Ребиндера П.А. [35, 87], пространственно-структурированные системы можно разделить на три основных типа: коагуля-ционные, конденсационные и кристаллизационные. Структурированные системы имеют сплошной пространственный каркас, образующийся в результате соприкосновения дисперсных частиц при определенной концентрации.

Коагуляционные структуры образуются путем сцепления дисперсных частиц через тончайшие остаточные прослойки свободной или адсорбционно-связанной с ними дисперсионной среды. Наличие устойчивых прослоек жидкой среды в участках коагуляционного сцепления, препятствует дальнейшему сближению частиц; коагуляционные структуры обладают характерными механическими свойствами. Это - структурная вязкость, а в более концентрированных дисперсиях (пастах) - явная пластичность. С наличием тонких адсорбци-онно-пластифицирующих прослоек среды в контактах между частицами связана и полная тиксотропия коагуляционных структур - их способность обратимо разрушаться при механических воздействиях, постепенно восстанавливаясь во времени до той же предельной прочности.

Для коагуляционных структур характерны тиксотропия (самовосстановление структуры после механического разрушения, однако появляющиеся при этом связи менее прочные, чем исходные, за счет образования новых структурных ассоциантов) и синерезис (самопроизвольное уплотнение структуры и выделение сыворотки) [123].

Тиксотропия коагуляционных структур позволяет в условиях практически однородного сдвига получать реологические кривые зависимости эффективной вязкости от напряжения сдвига, т.е. от равновесной степени разрушения структуры.

Такие зависимости были установлены Трапезниковым A.A. [47], который исследовал образцы ацидофилина, простокваши и кефира. По своим реологиче-

ским характеристикам эти продукты довольно сильно различаются. Кефир, по сравнению с другими молочными продуктами, наименее структурированная система, где имеет место прочностная тиксотропия. Неспособность структуры ацидофилина к тиксотропному восстановлению указывает на то, что она образуется в результате коагуляции и склонна к синерезису. Структура простокваши менее прочна, чем структура ацидофилина, но комплексы свойств, в общем аналогичны.

Конденсационные структуры образуются из коагуляционных при практически полном удалении жидкой фазы и срастании частиц. В процессе образования конденсационной структуры прочность ее постепенно возрастает до постоянной величины.

Кристаллизационная структура образуется из раствора при повышении концентрации или охлаждении путем срастания частиц или молекул при активном химическом взаимодействии. В начале процесса прочность увеличивается, затем приводит к неустойчивому состоянию. Например, в сливочном масле такая структура образуется в результате кристаллизации молочного жира при отсутствии перемешивания. Кристаллизационная структура обладает прочностью, хрупкостью, способностью необратимо разрушаться [55, 57, 87,103].

Для пищевых продуктов наиболее распространенная структура - коагуляци-онно-кристаллизационная, например структура, возникшая в системе казеин-вода.

Различают следующие типы микро- и макроструктуры: гомогенные, пористые, волокнистые, игольчатые, слоистые и смешанные [80].

Тип структуры и механические свойства продукта определяют его консистенцию, являющуюся одним из важных показателей качества.

Консистенция является важным элементом в общем органолептическом (сенсорном) восприятии, получаемом при употреблении пищи. По данным Матца С.А. [57], под консистенцией понимают «сумму свойств пищевого продукта, воспринимаемую глазами, а также кожей и чувствительными мускулами рта, включающую жесткость, мягкость, зернистость и т.д.» или более узко -«смешанное ощущение, остающееся во рту после проглатывания продукта». Для оценки консистенции пищевых продуктов используют субъективные (определение вязкости, упругости, эластичности, липкости, размеров частиц и их распределения) методы. Консистенция представляет собой совокупность реологических свойств вязкой жидкости, вязкоэластичного или вязкопластичного тела, степень твердости, плотности продукта.

Консистенция молока и сливок обусловлена содержанием жира и белка, дисперсностью шариков жира и мицелл казеина, степенью их гидратации и агрегирования. Влияние сывороточных белков, лактозы, минеральных веществ незначительное [3, 20, 55, 60].

В последние годы разрабатываются способы объективной оценки консистенции и других показателей качества молочных продуктов с помощью физико-химических методов. Это относится, в первую очередь, к сычужным и плав-

леным сырам, сливочному маслу, молочным консервам. К сожалению, достаточно обобщенных экспериментальных данных и научно-обоснованных методик (и классификации) объективной оценки консистенции молочных продуктов до сих пор нет. Имеются лишь результаты разрозненных исследований реологических характеристик и микроструктуры, которые, как правило, не сопоставимы с консистенцией молочных продуктов, контролируемой органолептиче-ским методом. Органолептическая оценка не всегда является объективной, так как зависит от физиологических и психологических факторов, которые оказывают влияние на воспроизводимость и показания прибора [46, 110, 131, 136]. Поэтому столь важна проблема поиска надежных, конструктивных методов контроля консистенции молочных продуктов.

Инструментально консистенция может быть охарактеризована через реологические свойства материала. К реологическим свойствам относятся сдвиговые (при воздействии касательных усилий), компрессионные (определяемые при воздействии нормальных усилий) и поверхностные (оцениваемые при сдвиге или отрыве продукта от твердой поверхности) свойства [56, 79].

При изучении конкретных продуктов их реологические свойства рассматриваются по наиболее характерным признакам, отражающим внутренние связи: вязкость, предел текучести, период релаксации, модель упругости, коэффициент внешне�