Сдвиговые характеристики жидкообразных продуктов

Характеристики этих систем описываются вязкостью или эффективной вязкостью и не имеют статического предельного напряжения сдвига, т.е. течение начинается при сколь угодно малых напряжениях сдвига. Обычно, за исключением истинно вязких жидкостей, эти продукты имеют слабую структурную сетку, которая разрушается при течении в рабочих органах машин с высокими значениями градиентов скорости или при изменении температуры и обладают аномалией течения. Один и тот же продукт в зависимости от интенсивности механического воздействия, влажности (концентрации) или температуры часто может переходить из одной группы тел в другую. Изучение реологических свойств жидкообразных продуктов имеет существенное самостоятельное значение для расчета машин и аппаратов и, кроме того, позволяет глубже оценить процессы, связанные с переработкой сырья и продуктов и оценкой их качества.

Вязкость – важное функциональное свойство молока и молочных продуктов, играющее большую роль в технологических процессах производства и в аппаратурном оформлении технологического процесса. Она характеризует консистенцию их и имеет большое значение при оценке качества. Величина вязкости связана со структурой вещества и при нарушении её изменяется, что создает трудности при пользовании различными методами определения. Вязкость зависит от содержания сухих веществ, активной кислотности, титруемой кислотности.

Вязкость ньютоновских жидкостей не зависит от градиента скорости, но уменьшается с увеличением температуры.

Вязкость структурированных систем зависит от градиента скорости, температуры и строения, поэтому ее называют эффективной или кажущейся для данных условий измерения. Структурные конформационные изменения белков при производстве кисломолочных продуктов вызывают существенные изменения вязкости. При этом вязкость не служит для структурированных систем исчерпывающей характеристикой, а в некоторых случаях является даже несущественной. Эти тела в большей мере следует характеризовать комплексом структурно-механических свойств.

Молоко представляет собой сложную полидисперсную систему, дисперсионной средой которой является вода (0, 83-0, 89 кг воды в 1 кг молока – 83-89 %), дисперсной фазой – жир, белки, газы и т.д. (17-11 %). Жир присутствует в молоке в форме капель величиной от 0, 1 до 22 мкм и образует с жидкой фазой эмульсию. Белки содержатся в молоке в коллоидном состоянии, величина их частиц 10-200 мкм. Молекулы лактозы образуют истинный раствор. Свежевыдоенное молоко – это двухфазная эмульсия. После выдержки его в охлажденном виде часть жировых шариков выкристаллизовывается и образуется трех – и многофазная эмульсия.

Вязкость молока обусловливается прежде всего белковым и солевым составом, поскольку последний оказывает влияние на гидрофильность белков. Я.И. Френкель отмечает, что причина вязкости растворов заключается в уменьшении подвижности молекул воды вследствие их взаимодействия с растворенными веществами и образования больших агрегатов, имеющих низкую подвижность. С этой точки зрения причиной повышения вязкости молока при повышении его кислотности является развертывание макромолекул казеина (денатурация) и повышение степени их гидратации. Иными словами развернутые (денатурированные) макромолекулы казеина связывают значительно большее количество молекул воды, чем нативные. Этим и объясняется повышение вязкости.

Данная гипотеза косвенно подтверждается тем, что денатурация молекул казеина невозможна. Причины этого, по-видимому, следующие: при дегидратации макромолекул казеина путем нагревания белкового сгустка макромолекулы не сворачиваются в исходный клубок, а взаимодействуя между собой, образуют новую плотную пространственную структуру. По-видимому, такая структура более выгодна с энергетической точки зрения вследствие меньшей поверхности раздела. В подобных случаях говорят о синерезисе белкового сгустка.

Структурная составляющая вязкости молока исчезает после механического воздействия на молоко (многократное пропускание одной и той же порции молока через капиллярную трубку), что приводит к снижению вязкости. По-видимому, при этом имеет место слабая дегидратация глобул белка. Последнее подтверждается самопроизвольным восстановлением исходной вязкости при спокойном стоянии молока в течение 14-16 ч.

Аналогичное явление имеет место при энергичном встряхивании молока.

У концентрированных белковых молочных продуктов, наоборот, структурная компонента вязкости настолько велика, что в сравнении с ней вязкостью дисперсионной среды можно пренебречь. При этом концентрированной белковой массе будут присущи предельное напряжение сдвига и аномалия вязкости.

Вязкость молока, замеренная на реовискозиметре Гепплера, уменьшается с повышением температуры (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость вязкости цельного молока от температуры

Это явление наблюдается до тех пор, пока температура молока не перейдет предел, выше которого начинается денатурация белков молока, сопровождаемая реакцией меланоидинообразования, вследствие чего темп возрастания вязкости молока с увеличением температуры повышается (табл. 2 и 3).

Таблица 2

Влияние высокотемпературной обработки молока

на его вязкость η ·10³ (в Па·с)

Этот процесс необратим, поэтому после охлаждения молока до первоначальной температуры его вязкость будет выше прежнего значения.

Таблица3