Структурообразование в дисперсных системах
Одна из важнейших свойств дисперсных систем – способность их к структурообразованию. Коллоидные растворы, частицы которых удалены друг от друга на достаточно большое расстояние и практически не взаимодействуют между собой, называются свободнодисперсными системами. Такие коллоидные системы похожи на обычные жидкости. Дисперсные системы, в которых частицы связаны между собой и не способны к взаимному перемещению, называются связнодисперсными системами. В таких системах частицы дисперсной фазы образуют пространственную сетку – структуру, ячейки которой заполнены дисперсионной средой.
Если коллоидные частицы имеют форму палочек или вытянутых пластинок, то при частичном снижении агрегативной устойчивости происходит уменьшение толщины ионного слоя или сольватной оболочки частиц, причем на концах частиц эти факторы устойчивости почти полностью утрачиваются. В результате частицы соединяются своими концами, образуя пространственную сетку – структуру, ячейки которой заполнены дисперсионной средой.
Переход коллоидного раствора из свободнодисперсного в связнодисперсное называется гелеобразованием, а образующаяся при этом структурированная коллоидная система – гелем.
При механическом воздействии – перемешивании, встряхивании – связи между частицами в коагуляционной сетке могут быть разрушены, и гель превратиться в текучий золь. Если этот золь оставить в покое, через некоторое время связи самопроизвольно восстановятся, и вновь образуется нетекучий гель. Это свойство структурированных систем называется тиксотропией.
Большая часть кондитерских изделий ( в частности, мармелад) имеют студнеобразную структуру. В качестве студнеобразователей используются природные полимеры, способные при определенных условиях образовывать студни (пектин, агар, агароид и т.д.). Укрепление пространственной сетки происходит за счет водородных мостиков, образуемых между карбоксильными и гидроксильными группами смежных цепей пектиновой молекулы.
Тепловые процессы
Многие процессы в пищевой технологии сопровождаются нагреванием или охлаждением. Чтобы понять сущность тепловых процессов, необходимо уяснить способы переноса теплоты путем теплопроводности, конвекции и радиации. Следует привести примеры теплоотдачи в отдельных пищевых производствах.
В пищевой технологии распространены процессы выпаривания
( свекловичный сок, фруктовые соки и т. п.). Следует разделять понятия выпаривания и испарения.
Также надо обратить внимание на процессы парообразования и конденсации.
Основное уравнение теплопередачи
Основное кинематическое уравнение для переноса теплоты напишем
q = K Dt , (2.1)
где q = Q/Ft - тепловой поток, характеризующий интенсивность процесса, или количество теплоты, которое переносится через единицу поверхности в единицу времени.
Для практических расчетов установившихся процессов основное уравнение теплопередачи записывается в виде:
Q = K F Dt (2.2)
Следует подробнее остановиться на трех способах переноса теплоты за счет теплопроводности, конвекции и радиации.
Теплопроводность. Перенос теплоты внутри твердого тела, неподвижной жидкости или газа называется теплопроводностью.
Количество переносимой теплоты описывается законом теплопроводности Фурье: ¶ t
dQ = - l ¾ dF dt , где (2.3)
¶ n
l - коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты переносится за счет теплопроводности за одну секунду при разности температур в один градус на расстояние в единицу длины нормали к изотермической поверхности.
Конвекция. В движущей жидкости или газе кроме теплопроводности появляется механизм переноса теплоты за счет перемешивания.
Уравнение теплоотдачи от стенки к потоку жидкости
dQ=a(tcт-tж)dFdt (2.4)
Радиация. Перенос теплоты излучением имеет место в хлебопекарных радиационных печах и сушилках.
Теплоносители и их свойства
Самый распространенный промышленный теплоноситель – насыщенный водяной пар, его применяют при температуре до 180 – 190 0С и давлении 12C105 Па. В качестве теплоносителя перегретый пар используют редко из-за низких значений коэффициентов теплоотдачи.
Чистая вода широко используется в качестве теплоносителя из-за доступности и дешевизны.
Топочные газы (t = 1000-1100 0C) используют для обогрева в теплообменных аппаратах. Их недостаток – наличие включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена, и низкий коэффициент теплоотдачи.
Минеральное масло используют для тепловой обработки пищевых продуктов (до 800 0 С), например обжаривание кофе и какао бобов.
Процессы выпаривания
При кипении растворов концентрация растворенных веществ увеличивается за счет превращения в пар части растворителя. Процесс концентрирования растворов называют выпариванием. Превращение жидкости с ее свободной поверхности в пар называют испарением.
Количество теплоты, необходимой для выпаривания,
Q = m r , (2.5)
где m – масса выпаренного растворителя, кг;
r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг.
Затраты теплоты зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, т. е. r = f (p).
Скрытая теплота парообразования тем выше, чем ниже давление.
Расход энергии на выпаривание под вакуумом выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении. Однако термолабильность в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения.
Например, растворы красящих веществ, содержащихся в экстрактах, полученных из растительного сырья, разлагаются при t = 50-60 0 C. Разлагаются аскорбиновая кислота и другие витамины. Поэтому в пищевой промышленности используют выпаривание под вакуумом.