Процессы измельчения пищевых продуктов

Измельчение пищевого продукта заключается в его деформировании до момента разрушения или разрыва (дробление, помол, резание). Кроме того, измельчение применяют при обработке жидкостей, например при образовании эмульсий путем диспергирования одной жидкости в другой.

Характер поведения твердого материала под действием прилагаемой нагрузки зависит от механических характеристик материала и схемы приложения нагрузки. К механическим характеристикам относят предел упругости, предел прочности на разрыв, предельные напряжения сдвига и область пластичности материала (рис. 7).

Рис. 7. Механические характеристики материалов:

1 – твердый, прочный и хрупкий; 2 – твердый, прочный, пластичный; 3 – твердый, непрочный, хрупкий; 4 – мягкий, непрочный, пластичный; 5 – мягкий, непрочный, хрупкий; Е – предел упругости; Y – предел текучести; В – предел прочности; EY – неупругая деформация; YB – область пластичности

Измельчение материала можно производить различными способами (рис. 8).

Рис. 8 Способы измельчения:

а – раздавливание; б – раскалывание; в – разламывание; г – резание; д – распиливание;

е – истирание; ж – измельчение стесненным и свободным ударами

В теории разрушения материалов рассматривается измельчение дроблением [2] и измельчение резанием [3].

Дробление

Под дроблением понимают разрушение материала без придания кускам определенной формы. Очагами разрушения материала при дроблении являются микротрещины, порожденные дефектами его структуры.

Процессы дробления связаны с затратой энергии, расход которой определяется из существующих теорий дробления.

Поверхностная теория исходит из того, что при дроблении работа расходуется на преодоление сил молекулярного притяжения по поверхностям разрушения материала и ее количество пропорционально площади вновь образующихся поверхностей.

Объемная теория исходит из того, что при дроблении работа расходуется на деформацию материала до достижения предельной разрушающей деформации. Отсюда следует, что работа, необходимая для дробления, пропорциональна уменьшению объема кусков материала перед их разрушением.

Гипотеза Ребиндера объединяет эти две теории:

,

где – полная работа внешних сил; – работа, затрачиваемая на деформацию объема разрушаемого куска материала; – работа, затрачиваемая на образование новой поверхности; , – коэффициенты пропорциональности; - изменение объема разрушаемого куска; - приращение площади поверхности за счет вновь образованной.

На основании закона Гука:

где - разрушающее напряжение сжатия; E – модуль упругости материала.

С учетом из получим:

.

При низкой степени дробления можно пренебречь работой, затрачиваемой на образование новых поверхностей, и, учитывая, что , получить:

,

где – характерный размер куска материала.

Уравнение выражает гипотезу Кика – Кирпичева: работа дробления пропорциональна объему дробимого куска материала.

При высокой степени дробления можно пренебречь работой, затрачиваемой на деформирование объема куска материала. Тогда, учитывая, что , можно получить:

.

Это уравнение является выражением гипотезы Риттингера: работа дробления пропорциональна площади вновь образованной при дроблении поверхности.

В случае, когда нельзя пренебречь слагаемыми в уравнении , получают уравнение:

,

которое носит название уравнения Бонда: работа дробления пропорциональна среднегеометрическому из объема и площади поверхности дробимого куска.

Устройства для дробления материала разделяются на дробилки и мельницы. Принято считать [4], что граница между дроблением и помолом определяется размером частиц измельченного материала и составляет 0,1 - 1,0 мм.

Дробилки могут быть различных типов (рис. 9). В бытовой технике находят применение главным образом молотковая дробилка, дисковый дезинтегратор и терка.

Теории расчета большинства дробилок не существует. Есть лишь рекомендации по расчету линейной скорости молотков в молотковой дробилке. Значение этой скорости может быть найдено из соотношения, отражающего закон количества движения:

,

где – масса измельчаемой частицы; – скорости частицы до и после удара о молоток; – сила удара, необходимая для первичного разрушения частицы; - продолжительность удара ( ).

Рис. 9. Дробильные машины:

а – щековая дробилка; б – конусная дробилка; в – валковая дробилка;

г – молотковая дробилка; д – шаровая мельница; е – жернова; ж – бегуны;

з – дезинтегратор; и – терка; к – струйная мельница

Так как значительно меньше , то можно принять ,отсюда

.

Так, для зерна пшеницы, масса которого кг, а сила, необходимая для разрушения частицы, , линейная скорость . Практически скорость принимают несколько большей , так как при ударе должно происходить не только первичное разрушение, но и дальнейшее измельчение материала.

Резание

Под резанием понимают разделение первоначального продукта на части, в большинстве случаев имеющие определенную форму, размеры и качество среза. Применительно к пищевым продуктам резание должно осуществляться без образования отходов.

Условно различают два способа резания: статический - режущий инструмент перемещается перпендикулярно лезвию и скользящий - режущий инструмент перемещается по двум взаимно перпендикулярным направлениям: перпендикулярно и параллельно лезвию. Первый способ называют рубкой, а второй резкой.

Резание можно подразделить на три основных вида: резание пуансоном, резание резцом и резание ножом (рис. 10).

Рис. 10. Виды резания:

а – пуансоном; б - резцом; в – ножом

Работа, затрачиваемая на резание, складывается из работы предварительного сжатия (первая стадия) и полезной работы (вторая стадия). В соответствии с формулой Горячкина:

.

Работа сжатия:

,

где – условный модуль сжатия материала лезвием ножа; – высота сжатого слоя; – первоначальная высота слоя материала.

Полезная работа:

,

где - усилие резания.

Усилие резания, отнесенное к единице длины ножа, называют удельным. Так, для моркови оно по результатам эксперимента составляет 1400-1600 Н/м, для свеклы - 900-1600 Н/м, для картофеля - 600-700 Н/м, парного мяса – 5000-8000 Н/м.

Теоретическим путем определение полной работы резания весьма затруднительно, так как условный модуль сжатия определяется только экспериментально. Значение зависит от технологических свойств материала, вида ножа, усилий, оказываемых на него, и других факторов.

Основным технологическим свойством материала при резании является его податливость разрезанию под действием режущего инструмента. Величину, обратную податливости, называют негоскальпическим свойством материала.

Для конструирования резательных машин и устройств, а также для выбора наиболее выгодной геометрии режущей кромки инструмента необходимо знать зависимость усилий резания от толщины ножа, формы и угла заточки кромки. Помимо этого, геометрия режущего инструмента значительно влияет на гладкость среза.

Резание пищевых материалов обобщено А.Н.Даурским и Ю.А.Мачихиным [3], которые рассматривают отдельно резание пластинчатым, дисковым ножами и струной. В бытовой кухонной технике наиболее часто применяют первые два способа.

В приведенных ниже моделях резания авторы [3] делают ряд допущений:

1) разрезаемый материал однороден;

2)нож движется с постоянной скоростью;

3) прилегающие к наклонным граням слои материала перемещаются в перпендикулярном направлении к плоскости ножа и стеснены в перемещении;

4) материал обладает упругими свойствами;

5) коэффициент трения ножа о разрезаемый материал постоянный.