Особенности получения однородных по структуре пищевых дисперсных систем типа T-Ж, T-Ж-Г

18.06.2015

При осуществлении технологических процессов в дисперсных системах с участием твердых фаз, как мы уже отмечали, важно повысить величину активной межфазной поверхности в единице объема системы, так как скорость и полнота протекания ряда процессов в гетерогенных системах пропорциональны величине поверхности, а качество готовых пищевых продуктов обычно повышается с ростом дисперсности исходных компонентов.
Однако в самой необходимости сочетания этих факторов содержатся уже рассмотренные нами препятствия на пути получения высококонцентрированных и при этом однородных дисперсных структур.
Часто технология получения пищевых продуктов связана с необходимостью повышения концентрации твердой фазы в жидкой дисперсной среде (шоколадные и конфетные массы, кондитерское тесто и т. п.), следовательно, число контактов в единице объема системы увеличивается. Однако при этом резко возрастает прочность и вязкость структур, возникающих в ходе процессов получения и переработки этих и подобных им по реологическим свойствам систем. В результате система становится необрабатываемой.
Для существующей технологии с характерными для нее в ряде случаев далекими от оптимума параметрами воздействий на дисперсные структуры рассмотренные выше препятствия становятся непреодолимыми, исключающими возможность получения предельно однородных структур.
Многочисленные исследования в области структурированных дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой посвящены главным образом рассмотрению их реологических свойств в статических условиях или в условиях сдвигового деформирования с различной скоростью. При этом обычно рассматриваются свойства дисперсных систем, в которых процесс формирования коагуляционной структуры, по существу, завершен, т. е. высококонцентрированная дисперсная система для исследования заранее приготавливается тем или иным способом.
Поэтому закономерности кинетики взаимодействия исходных дисперсных фаз, взаимного распределения жидкой и твердой фаз между собой обычно остаются вне поля зрения исследователей. В результате значительный этап образования высококонцентрированных дисперсных систем не исследуется.
Ho именно от этого начального этапа образования коагуляционных структур, как будет показано ниже, кардинальным образом зависят все последующие стадии коагуляционного и коагуляционно-конденсационного структурообразования.
Объясняется это тем, что на начальных стадиях структурообразования с момента возникновения контакта различных твердых дисперсных фаз между собой и с жидкой средой в присутствии газовой фазы (Т—Ж—Г) закладываются основы будущей системы. Важнейшая характеристика таких систем — однородность структуры достигается в результате равновероятного распределения твердой и жидкой фаз между собой.
Ранее мы отмечали, что в разбавленных коллоидах такая концентрационная однородность распределения различных фаз устанавливается самопроизвольно в результате участия дисперсных коллоидных частиц в тепловом броуновском движении в избытке жидкой или газовой (для аэрозолей) дисперсионной среды.
Там же было указано, что подобно тому как достижение и сохранение во времени однородности распределения дисперсных фаз в объеме дисперсионной среды определяет основные свойства разбавленных коллоидов — агрегативную и кинетическую устойчивость, в концентрированных системах такая концентрационная однородность определяет главные их свойства — реологические, а при получении из них дисперсных пищевых продуктов в значительной степени определяет их качество.
Объясняется это тем, что при исключительно резком, достигающем нескольких десятичных порядков изменении вязкости практически неразрушенной структуры η0 с изменением концентрации φ и дисперсности S твердой фазы наименьшая вязкость предельно разрушенной структуры ηm весьма мала и изменяется в пределах одного порядка.
Значит, необходимо разрушить структуру во всем объеме дисперсной системы в условиях непрерывного сдвигового деформирования и однородно распределить дисперсные фазы.
Однако достижению однородности высококонцентрированных дисперсных систем, ликвидации локальных участков с избыточным (над средним по всему объему) содержанием твердой фазы или, наоборот, жидкой среды препятствует практически мгновенное возникновение пространственных структур в момент контакта различных твердых фаз (в многокомпонентных системах) и жидкой среды, причем в начале процесса структурообразования такие структуры предельно неоднородны. Условием же достижения их однородности является такое перераспределение различных твердых фаз между собой и жидкой средой в условиях механических воздействий, при котором концентрации их в локальных объемах дисперсной системы и во всем ее объеме не отличались бы друг от друга.
Процесс устранения неоднородности структуры возможен лишь при ее разрушений, поддерживаемом с помощью внешних механических воздействий в условиях смешивания до тех пор, пока концентрация всех компонентов в локальных участках объема дисперсной системы и во всем ее объеме не станет одинаковой.
Вместе с тем, поскольку в высококонцентрированных дисперсных системах содержание жидкой среды относительно мало, такие системы, как правило, по крайней мере в начале структурообразования, содержат также и газовую фазу, т. е. являются трехфазными системами (Т—Ж—Г).
Поэтому для начального этапа структурообразования высококонцентрированных систем в динамических условиях характерно протекание двух процессов: процесса перераспределения всех твердых и жидких компонентов и процесса постепенного, перехода трехфазных систем в двухфазные.
Поскольку в процессе производства пищевых продуктов наибольший объем занимают дисперсные системы, которые относятся к высоконаполненным твердой (или квазитвердой) фазой в жидкой среде коагуляционным структурам типа T—Ж, наибольшее внимание обращено на изучение процессов переработки двухфазных систем именно этого типа.
Между тем для ряда пищевых дисперсных систем характерно наличие всех трех фаз: твердая дисперсная фаза —жидкая дисперсионная среда — газовая фаза (Т—Ж—Г). Трехфазные системы в технологии пищевых производств, как правило, образуются в результате введения газовой фазы в двухфазную систему в процессе приготовления, либо вовлечения этой фазы при механическом сбивании, либо за счет химических разрыхлителей. К таким системам относятся все сбивные конфетные массы со сравнительно большим содержанием воздуха, пастельные и зефирные изделия, бисквитные и белково-сбивные мучные кондитерские изделия, мороженое, сыры и т. д.
Как было показано выше, процесс смешивания твердых дисперсных и жидких компонентов дисперсной системы по сути своей должен рассматриваться как процесс структурообразования, определяющим фактором которого является сочетание возникновения и разрушения пространственных структур в динамических условиях.
Среди ряда технологических процессов в структурированных, дисперсных системах смешивание имеет преимущественное значение, поскольку важнейшая характеристика дисперсных систем; и получаемых из них материалов — однородность структуры, т. е. степень ее упорядоченности, зависит от достигнутой на стадии взаимного распределения дисперсных фаз при смешивании: «гомогенности» гетерогенной системы.
Вместе с тем изучение динамики процесса смешивания структурированных дисперсных систем с участием твердых фаз (δ<δс) позволяет установить механизм их образования и разрушения.
Достижение основной и непосредственной цели смешивания в структурированных системах — однородности распределения фаз — неразрывно связано с управлением процессом образования и разрушения структур, поэтому динамика изменения однородности системы и структурообразование должны изучаться в совокупности.
С целью создания условий для равномерного распределения дисперсных фаз между собой и в дисперсионной среде необходимo понизить вязкость, прочность и соответственно до максимума повысить текучесть первичной коагуляционной структуры, но без увеличения содержания жидкой среды, т. е. без уменьшения концентрации твердой фазы φ и ее дисперсности S.
Принципиальная возможность решения этой задачи, как это уже отмечалось, вытекает из анализа характера общей зависимости эффективной сдвиговой вязкости структурированных систем ηp от скорости деформации ε=dε/dτ.
Наибольшая подвижность и наименьшая вязкость соответствуют предельному разрушению структуры. Так как степень разрушения структуры и ее эффективная вязкость определяются величиной относительной скорости деформации (скорости сдвига) ε однозначно, для выполнения основного условия и решения поставленной задачи необходимо во всем объеме структуры осуществить сдвиг со скоростью ε≥εm.
Дело, однако, не только в том, что достижение предельного разрушения структуры (и соответственно наименьшей вязкости) отвечает наилучшим условиям осуществления гидромеханических процессов. Понижение эффективной вязкости (на десять порядков), сопровождающееся разрушением пространственной структурной сетки в дисперсных системах с φ≥φc и δ<δc, приводит к высвобождению дисперсионной среды (жидкой или газовой), зафиксированной внутри структуры, которая может участвовать в коллоидных процессах.
Вместе с тем выход частиц дисперсной фазы из структурной сетки и возможность их независимого перемещения относительно друг друга и относительно дисперсионной среды приводит к изменению условий протекания гетерогенных процессов на межфазных границах: во-первых, растет действующая поверхность раздела между дисперсными фазами и средой и, во-вторых, за счет движения высвободившихся из структурной сетки частиц относительно среды существенно понижаются диффузионные препятствия на границе частица — среда.
Отсюда, однако, не следует, что условия достижения η(В)=ηm, определяемые градиентом скорости ε=εm, одновременно отвечают и условию снятия диффузионных ограничений. В частности, интенсивность механических воздействий, необходимая и достаточная для предельного разрушения структуры и достижения η(P)=ηm, может оказаться недостаточной или, наоборот, превышающей уровень интенсивности этих воздействий, необходимый для устранения диффузионных ограничений. В последнем случае необходимый уровень интенсивности механических воздействий определяется по достижению предельного разрушения структуры.
В общем же случае оптимальное (с технологической точки зрения) динамическое состояние дисперсных систем, создание которого необходимо для интенсификации гидромеханических процессов в таких системах, должно определяться совокупностью факторов и отвечать хотя бы двум условиям:
- достижению и поддержанию в объеме системы скоростей сдвига ε, соответствующих максимальной текучести при предельном разрушении структуры, т. е. при η(P)=ηm;
- достижению такой скорости относительного смещения частиц, дисперсных фаз и среды, при которой диффузионные препятствия перестают лимитировать скорость химических и фазовых превращений, т. е. полностью устраняются.
Ясно, что второе условие не может быть реализовано без первого. Именно поэтому гетерогенному массообменному процессу в структурированных дисперсных системах прежде всего должно сопутствовать разрушение структуры с обратимыми по прочности связями — контактами в условиях оптимального динамического состояния.
Вместе с тем, хотя указанные выше условия являются оптимальными с общих физико-химических позиций и с точки зрения реологии, решая задачу интенсификации и оптимизации технологических процессов получения пищевых дисперсных систем к каждом конкретном случае необходимо учитывать специфику данного продукта. Дело в том, что при получении ряда продуктов реализация условия ε≥εm, η(P)=ηm может сопровождаться механо-химической деструкцией компонентов (фаз) дисперсной системы, когда скорость деформации εd, при которой наступает деструкция, меньше εm. Если такая деструкция приводит к снижению потребительских свойств конечного продукта (вкусовых, питательной ценности и т. д.), то скорость εd становится той максимальной скоростью, при которой можно осуществлять, тот или иной гидромеханический процесс (например, гомогенизацию, смешивание). В общем случае, стремясь реализовать условие ε≥εm, в конечном счете следует исходить из того, что важнейшим показателем свойств пищевого продукта является: его качество. Если же по указанной выше причине (механо-химическая деструкция) или другим, характерным для данного продукта причинам совокупность его потребительских свойств, достигнет наивысшего уровня при εm≥εd≥ε0, то градиент скорости εd должен стать предельным реализуемым в данном процессе градиентом скорости. Примером такого подхода могут служить процессы приготовления сырковой массы, некоторых видов колбасных фаршей и т. д.