Исследование вязкостных свойств сметаны с содержанием жира 15 процентов до и после перемешивания её в емкостях
УДК 637. 1.02:621.(103)
Исследование вязкостных свойств сметаны с содержанием жира 15 процентов до и после перемешивания её в емкостях
Николаев Л. К. Денисенко А.Ф. Николаев Б.Л.
Санкт-Петербургский Государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
В статье приводятся результаты исследований вязкостных свойств сметаны с содержанием жира 15%.
Ключевые слова: вязкость, сметана, емкостное оборудование.
Среди основных реологических свойств — пластичности, вязкости, прочности, упругости и других, наиболее существенное влияние на гидродинамические и тепловые процессы при выработке сметаны оказывают вязкостные свойства её [1].
В процессе изготовления сметаны имеют место тепловые процессы и затраты энергии на вращение перемешивающего устройства.
Протекание этих процессов зависит от ряда факторов, в том числе от эффективной вязкости сметаны, которая на разных стадиях процесса существенно различается. Поэтому при определении оптимальных условий работы оборудования и расчётах расходуемой энергии при перемешивании сметаны в емкостях, при тепловых и прочностных расчётах оборудования, необходимо иметь сведения об эффективной вязкости сметаны на различных стадиях выработки её.
С учётом отмеченного, авторами были выполнены исследования реологических характеристик сметаны, изготавливаемой на ОАО «Балтийское молоко» с использованием емкостного оборудования, имеющего перемешивающие устройства. Сметана относится к структурированным дисперсным системам. В процессе её производства происходит разрушение дисперсной системы, в результате чего структурно-механические свойства продукта претерпевают изменения.
Характерной особенностью сметаны является то, что её вязкостные свойства претерпевают значительные изменения не только при изменении температуры продукта, а также при изменении градиента скорости сдвига, который имеет место при различных видах механического воздействия на продукт, например, при транспортировании продукта по трубопроводу, истечении его через дозирующее устройство, при перемешивании продукта в ёмкости мешалками и в других случаях. Весьма значительные изменения градиента скорости сдвига имеют место при перемешивании сметаны в ёмкости.
Исследования эффективной вязкости сметаны проводились на ротационном соосноцилиндрическом вискозиметре типа RY.
До начала измерений проба сметаны термостатировалась в течении 15 минут при заданной температуре в термостатирующем сосуде. По окончании термостатирования проводились измерения эффективной вязкости сметаны при возрастающих значениях скорости вращения цилиндра. При каждой очередной температуре использовалась новая порция сметаны. Привод вискозиметра позволял устанавливать различные скорости вращения цилиндра.
Благодаря отмеченным конструктивным и кинематическим параметрам используемого для реологических исследований ротационного вискозимитра типа RY, в процессе исследований представилось возможным определить свойства сметаны в широком диапазоне. С учётом величины вязкости используемого продукта в процессе исследований применялся соответствующий ротор вискозиметра.
До начала проведения основных исследований, были выполнены предварительные эксперименты с целью определения той конструкции ротора, которая позволила выполнять измерения эффективной вязкости в большем интервале изменений градиента скорости с учётом вязкости исследуемого продукта.
В процессе проведения замеров поддерживалась равномерная постоянная температура пробы путём подачи в наружный цилиндр с темперирующим резервуаром жидкости из циркуляционного термостата. При этом температура исследуемой пробы поддерживалась с точностью ±0,1. Проба помещалась в кольцевой зазор между цилиндрами. При этом наружный стационарный полый цилиндр вискозиметра изготовлен в виде мерного бачка. Для обеспечения регулирования температуры исследуемого продукта наружный цилиндр окружен сосудом, в котором циркулировала среда, поступающая из термостата.
Продолжительность статирования сметаны в течении 15 минут была необходима для обеспечения постоянства температуры по всей толщине кольцевого зазора. Это достигалось тем, что мерный бачок с дозой исследуемого продукта размещался в сосуде, в котором циркулировала среда, имеющая заданную постоянную температуру благодаря применению термостата, входящего в комплект реотеста. По окончании статирования производились измерения эффективнои вязкости сметаны при различных температурах и различных значениях градиента скорости.
Данные исследуемой сметаны: сметана с содержанием жира 15% изготовлена из сливок нормализованных с использованием закваски.
Пищевая ценность (содержание в 100 г продукта): белка – 2,8г; углеводов – 3,6г; жира – 15%. Количество кисломолочных микроорганизмов в продукте 1107 КОЕ в 1 г продукта.
С учётом используемого в исследованиях ротора S2 применялась соответствующая расчётная зависимость для определения эффективной вязкости сметаны. Результаты экспериментальных исследований эффективной вязкости сметаны до и после перемешивания её в ёмкости в зависимости от
температуры продукта и градиента скорости сдвига представлены в таблицах 1
и 2.
Результаты исследований сметаны следующие:
Сметана с содержанием жира 15% до перемешивания её в ёмкости.
Исследования эффективной вязкости сметаны осуществляли при
температурах, в °С: 9,8 ; 22,9 ; 28,9 и 34,5 (табл. 1.). Градиент скорости сдвига изменялся от 3 до 437,4 с-1, то есть более чем в
145 раз. Установлено что наибольшая эффективная вязкость сметаны равна 3,227 Па при температуре её 9,8°С и градиенте скорости сдвига равном 3 с-1.
Выявлено значительное уменьшение эффективной вязкости сметаны с
возрастанием градиента скорости сдвига. Так, например, при температуре сметаны 9,8 °С и увеличении градиента скорости 3 до 218,7 с-1 эффективная
вязкость сметаны уменьшается с 3,227 до 0,222 Па·с, т.е. более чем в 14 раз.
Влияние температуры на вязкостные свойства сметаны менее значительны. Так, при градиенте скорости 218,7 с-1 и повышении температуры сметаны от 9,8 до
34,5°С эффективная вязкость её уменьшается от 0,222 до 0,111 Па·с, т.е. всего
лишь в 2 раза.
С повышением температуры сметаны влияние градиента скорости сдвига
на вязкостные свойства уменьшаются в связи с тем, что структурная сетка
продукта частично уже разрушена в результате температурного воздействия на
неё. Так при температуре сметаны 34,5°С и увеличении градиента скорости от 40,5 до 437,4 с-1 эффективная вязкость сметаны уменьшается от 0,209 до 0,091
Па·с, т.е. всего лишь в 2,3 раза.
Сметана с содержанием жира 15 % после перемешивания её в ёмкости.
Исследование эффективной вязкости сметаны осуществляли при
температурах продукта, в °С: 9,9; 20,2 и 30,5 (табл 2.). Градиент скорости сдвига изменялся от 1,8 до 437,4 с-1, т.е. в 243 раза. Наибольшая эффективная
вязкость сметаны равна 6,722 Па·с при температуре её 9,9°С и градиенте скорости сдвига 1,8 с-1. При температуре сметаны 9,9°С и возрастании градиента скорости сдвига от 1,8 до 437,4 с-1 эффективная вязкость её
уменьшается от 6,722 до 0,138 Па·с, т.е. более чем в 48 раз. Такое значительное
уменьшение эффективной вязкости сметаны в отмеченном интервале
изменений градиента скорости сдвига объясняется значительным разрушением
структурной сетки продукта.
Влияние температуры на вязкостные свойства сметаны после
перемешивания её в ёмкости, также как и у сметаны такой же жирности, но до
перемешивания её, значительно меньше по сравнению с влиянием градиента
скорости сдвига на вязкостные свойства сметаны.
Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований вязкостных свойств сметаны с содержанием жира 15 % до перемешивания её в ёмкости.
Градиент
Эффективная
скорости,
вязкость,
γ& , с – 1
η, Па·с
Температура сметаны 9,8 о С
3 ,0 3,227
4,5 2,420
5,4 2,241
8,1 1,643
9,0 1,546
13,5 1,076
16,2 0,934
24,3 0,647
27,0 0,605
40,5 0,478
48,6 0,448
72,9 0,432
81,0 0,403
121,5
0,349
145,8
0,299
218,7
0,222
145,8
0,299
218,8
0,299
Температура сметаны 22,9 о С
16,2 0,747
24,3 0,548
27,0 0,538
40,5 0,418
Градиент
Эффективная
скорости,
вязкость,
γ& , с – 1
η, Па·с
48,6 0,398
72,9 0,382
81,0 0,3521
121,5
0,299
145,8
0,282
218,7
0,199
243,0
0,184
Температура сметаны 28,9 о С
27,0 0,448
40,5 0,329
48,6 0,286
72,9 0,216
81,0 0,209
121,5
0,159
145,8
0,138
218,7
0,138
243,0
0,134
Температура сметаны 34,5 оС
40,5 0,209
48,6 0,199
72,9 0,158
81,0 0,149
121,5
0,120
437,4
0,091
Таблица 2. Результаты экспериментальных исследований вязкостных свойств сметаны с содержанием жира 15 %.
Градиент
Эффективная
скорости, γ& , с – 1
вязкость, η, Па·с
Температура сметаны 9,9 оС
1,8 6,622
2,7 5,378
Градиент
Эффективная
скорости, γ& , с – 1
вязкость, η, Па·с
Температура сметаны 9,9 оС
3,0 5,378
4,5 4,033
Продолжение таблицы 2.
Градиент
Эффективная
скорости, γ& , с – 1
вязкость, η, Па·с
Температура сметаны 9,9 о С
5,4 3,585
8,1 2,540
24,3 0,896
40,5 0,657
48,6 0,573
72,9 0,481 Температура сметаны 20,2 оС
5,4 2,913
8,1 2,913
13,5 1,434 Температура сметаны 39,5 оС
16,2 0,672
24,3 0,498
40,5 0,314
48,6 0,274
72,9 0,199
Градиент
Эффективна
скорости, γ& , с – 1
я вязкость, η, Па·с
Температура сметаны 9,9 оС
81,0 0,481
121,5
0,349
218,7
0,238
243,0
0,219
437,4
0,138
Температура сметаны 20,0 оС
81,0 0,403
121,5
0,309
Температура сметаны 39,5 оС
81,0 0,187
121,5
0,139
145,8
0,129
218,7
0,116
243,0
0,110
Выводы
1. Получены значения эффективной вязкости сметаны в широком интервале изменений градиента скорости сдвига от 3 до 437,4с-1, когда он изменялся в 145 раз.
2. Приводимые числовые значения эффективной вязкости сметаны до и после перемешивания её в емкостях при различных значениях градиента скорости сдвига и температурах продукта целесообразно использовать при расчётах расходуемой энергии для перемешивания сметаны в ёмкостях, при тепловых и прочностных расчётах ёмкостного оборудования.
Список литературы
1. Физико-механические свойства сырья и готовой продукции: Учебное пособие с грифом УМО / В. А. Арет, Б. Л. Николаев, Л. К. Николаев. − СПб.: ГИОРД, 2009. − 537 с.
Viscosity of 15% fat containing sour cream studied before and after its agitation in containers
B.L. Nicolayev, A.F. Denisenko, L.K.Nicolayev
Saint-Petersburg State University of Refrigeration & Food Engineering
The paper presents the results of studying viscosity properties of sour cream with 15% fat content.
Key words: viscosity, sour cream, capacity equipment.
Исследование вязкостных свойств сметаны с содержанием жира 15 процентов до и после перемешивания её в емкостях
Николаев Л. К. Денисенко А.Ф. Николаев Б.Л.
Санкт-Петербургский Государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
В статье приводятся результаты исследований вязкостных свойств сметаны с содержанием жира 15%.
Ключевые слова: вязкость, сметана, емкостное оборудование.
Среди основных реологических свойств — пластичности, вязкости, прочности, упругости и других, наиболее существенное влияние на гидродинамические и тепловые процессы при выработке сметаны оказывают вязкостные свойства её [1].
В процессе изготовления сметаны имеют место тепловые процессы и затраты энергии на вращение перемешивающего устройства.
Протекание этих процессов зависит от ряда факторов, в том числе от эффективной вязкости сметаны, которая на разных стадиях процесса существенно различается. Поэтому при определении оптимальных условий работы оборудования и расчётах расходуемой энергии при перемешивании сметаны в емкостях, при тепловых и прочностных расчётах оборудования, необходимо иметь сведения об эффективной вязкости сметаны на различных стадиях выработки её.
С учётом отмеченного, авторами были выполнены исследования реологических характеристик сметаны, изготавливаемой на ОАО «Балтийское молоко» с использованием емкостного оборудования, имеющего перемешивающие устройства. Сметана относится к структурированным дисперсным системам. В процессе её производства происходит разрушение дисперсной системы, в результате чего структурно-механические свойства продукта претерпевают изменения.
Характерной особенностью сметаны является то, что её вязкостные свойства претерпевают значительные изменения не только при изменении температуры продукта, а также при изменении градиента скорости сдвига, который имеет место при различных видах механического воздействия на продукт, например, при транспортировании продукта по трубопроводу, истечении его через дозирующее устройство, при перемешивании продукта в ёмкости мешалками и в других случаях. Весьма значительные изменения градиента скорости сдвига имеют место при перемешивании сметаны в ёмкости.
Исследования эффективной вязкости сметаны проводились на ротационном соосноцилиндрическом вискозиметре типа RY.
До начала измерений проба сметаны термостатировалась в течении 15 минут при заданной температуре в термостатирующем сосуде. По окончании термостатирования проводились измерения эффективной вязкости сметаны при возрастающих значениях скорости вращения цилиндра. При каждой очередной температуре использовалась новая порция сметаны. Привод вискозиметра позволял устанавливать различные скорости вращения цилиндра.
Благодаря отмеченным конструктивным и кинематическим параметрам используемого для реологических исследований ротационного вискозимитра типа RY, в процессе исследований представилось возможным определить свойства сметаны в широком диапазоне. С учётом величины вязкости используемого продукта в процессе исследований применялся соответствующий ротор вискозиметра.
До начала проведения основных исследований, были выполнены предварительные эксперименты с целью определения той конструкции ротора, которая позволила выполнять измерения эффективной вязкости в большем интервале изменений градиента скорости с учётом вязкости исследуемого продукта.
В процессе проведения замеров поддерживалась равномерная постоянная температура пробы путём подачи в наружный цилиндр с темперирующим резервуаром жидкости из циркуляционного термостата. При этом температура исследуемой пробы поддерживалась с точностью ±0,1. Проба помещалась в кольцевой зазор между цилиндрами. При этом наружный стационарный полый цилиндр вискозиметра изготовлен в виде мерного бачка. Для обеспечения регулирования температуры исследуемого продукта наружный цилиндр окружен сосудом, в котором циркулировала среда, поступающая из термостата.
Продолжительность статирования сметаны в течении 15 минут была необходима для обеспечения постоянства температуры по всей толщине кольцевого зазора. Это достигалось тем, что мерный бачок с дозой исследуемого продукта размещался в сосуде, в котором циркулировала среда, имеющая заданную постоянную температуру благодаря применению термостата, входящего в комплект реотеста. По окончании статирования производились измерения эффективнои вязкости сметаны при различных температурах и различных значениях градиента скорости.
Данные исследуемой сметаны: сметана с содержанием жира 15% изготовлена из сливок нормализованных с использованием закваски.
Пищевая ценность (содержание в 100 г продукта): белка – 2,8г; углеводов – 3,6г; жира – 15%. Количество кисломолочных микроорганизмов в продукте 1107 КОЕ в 1 г продукта.
С учётом используемого в исследованиях ротора S2 применялась соответствующая расчётная зависимость для определения эффективной вязкости сметаны. Результаты экспериментальных исследований эффективной вязкости сметаны до и после перемешивания её в ёмкости в зависимости от
температуры продукта и градиента скорости сдвига представлены в таблицах 1
и 2.
Результаты исследований сметаны следующие:
Сметана с содержанием жира 15% до перемешивания её в ёмкости.
Исследования эффективной вязкости сметаны осуществляли при
температурах, в °С: 9,8 ; 22,9 ; 28,9 и 34,5 (табл. 1.). Градиент скорости сдвига изменялся от 3 до 437,4 с-1, то есть более чем в
145 раз. Установлено что наибольшая эффективная вязкость сметаны равна 3,227 Па при температуре её 9,8°С и градиенте скорости сдвига равном 3 с-1.
Выявлено значительное уменьшение эффективной вязкости сметаны с
возрастанием градиента скорости сдвига. Так, например, при температуре сметаны 9,8 °С и увеличении градиента скорости 3 до 218,7 с-1 эффективная
вязкость сметаны уменьшается с 3,227 до 0,222 Па·с, т.е. более чем в 14 раз.
Влияние температуры на вязкостные свойства сметаны менее значительны. Так, при градиенте скорости 218,7 с-1 и повышении температуры сметаны от 9,8 до
34,5°С эффективная вязкость её уменьшается от 0,222 до 0,111 Па·с, т.е. всего
лишь в 2 раза.
С повышением температуры сметаны влияние градиента скорости сдвига
на вязкостные свойства уменьшаются в связи с тем, что структурная сетка
продукта частично уже разрушена в результате температурного воздействия на
неё. Так при температуре сметаны 34,5°С и увеличении градиента скорости от 40,5 до 437,4 с-1 эффективная вязкость сметаны уменьшается от 0,209 до 0,091
Па·с, т.е. всего лишь в 2,3 раза.
Сметана с содержанием жира 15 % после перемешивания её в ёмкости.
Исследование эффективной вязкости сметаны осуществляли при
температурах продукта, в °С: 9,9; 20,2 и 30,5 (табл 2.). Градиент скорости сдвига изменялся от 1,8 до 437,4 с-1, т.е. в 243 раза. Наибольшая эффективная
вязкость сметаны равна 6,722 Па·с при температуре её 9,9°С и градиенте скорости сдвига 1,8 с-1. При температуре сметаны 9,9°С и возрастании градиента скорости сдвига от 1,8 до 437,4 с-1 эффективная вязкость её
уменьшается от 6,722 до 0,138 Па·с, т.е. более чем в 48 раз. Такое значительное
уменьшение эффективной вязкости сметаны в отмеченном интервале
изменений градиента скорости сдвига объясняется значительным разрушением
структурной сетки продукта.
Влияние температуры на вязкостные свойства сметаны после
перемешивания её в ёмкости, также как и у сметаны такой же жирности, но до
перемешивания её, значительно меньше по сравнению с влиянием градиента
скорости сдвига на вязкостные свойства сметаны.
Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований вязкостных свойств сметаны с содержанием жира 15 % до перемешивания её в ёмкости.
Градиент
Эффективная
скорости,
вязкость,
γ& , с – 1
η, Па·с
Температура сметаны 9,8 о С
3 ,0 3,227
4,5 2,420
5,4 2,241
8,1 1,643
9,0 1,546
13,5 1,076
16,2 0,934
24,3 0,647
27,0 0,605
40,5 0,478
48,6 0,448
72,9 0,432
81,0 0,403
121,5
0,349
145,8
0,299
218,7
0,222
145,8
0,299
218,8
0,299
Температура сметаны 22,9 о С
16,2 0,747
24,3 0,548
27,0 0,538
40,5 0,418
Градиент
Эффективная
скорости,
вязкость,
γ& , с – 1
η, Па·с
48,6 0,398
72,9 0,382
81,0 0,3521
121,5
0,299
145,8
0,282
218,7
0,199
243,0
0,184
Температура сметаны 28,9 о С
27,0 0,448
40,5 0,329
48,6 0,286
72,9 0,216
81,0 0,209
121,5
0,159
145,8
0,138
218,7
0,138
243,0
0,134
Температура сметаны 34,5 оС
40,5 0,209
48,6 0,199
72,9 0,158
81,0 0,149
121,5
0,120
437,4
0,091
Таблица 2. Результаты экспериментальных исследований вязкостных свойств сметаны с содержанием жира 15 %.
Градиент
Эффективная
скорости, γ& , с – 1
вязкость, η, Па·с
Температура сметаны 9,9 оС
1,8 6,622
2,7 5,378
Градиент
Эффективная
скорости, γ& , с – 1
вязкость, η, Па·с
Температура сметаны 9,9 оС
3,0 5,378
4,5 4,033
Продолжение таблицы 2.
Градиент
Эффективная
скорости, γ& , с – 1
вязкость, η, Па·с
Температура сметаны 9,9 о С
5,4 3,585
8,1 2,540
24,3 0,896
40,5 0,657
48,6 0,573
72,9 0,481 Температура сметаны 20,2 оС
5,4 2,913
8,1 2,913
13,5 1,434 Температура сметаны 39,5 оС
16,2 0,672
24,3 0,498
40,5 0,314
48,6 0,274
72,9 0,199
Градиент
Эффективна
скорости, γ& , с – 1
я вязкость, η, Па·с
Температура сметаны 9,9 оС
81,0 0,481
121,5
0,349
218,7
0,238
243,0
0,219
437,4
0,138
Температура сметаны 20,0 оС
81,0 0,403
121,5
0,309
Температура сметаны 39,5 оС
81,0 0,187
121,5
0,139
145,8
0,129
218,7
0,116
243,0
0,110
Выводы
1. Получены значения эффективной вязкости сметаны в широком интервале изменений градиента скорости сдвига от 3 до 437,4с-1, когда он изменялся в 145 раз.
2. Приводимые числовые значения эффективной вязкости сметаны до и после перемешивания её в емкостях при различных значениях градиента скорости сдвига и температурах продукта целесообразно использовать при расчётах расходуемой энергии для перемешивания сметаны в ёмкостях, при тепловых и прочностных расчётах ёмкостного оборудования.
Список литературы
1. Физико-механические свойства сырья и готовой продукции: Учебное пособие с грифом УМО / В. А. Арет, Б. Л. Николаев, Л. К. Николаев. − СПб.: ГИОРД, 2009. − 537 с.
Viscosity of 15% fat containing sour cream studied before and after its agitation in containers
B.L. Nicolayev, A.F. Denisenko, L.K.Nicolayev
Saint-Petersburg State University of Refrigeration & Food Engineering
The paper presents the results of studying viscosity properties of sour cream with 15% fat content.
Key words: viscosity, sour cream, capacity equipment.