Теоритические основы физических процессов обработки пищевыв продуктов переменным током.

Введение
Глава 1. Общие положения
Глава 2. Электрофизические свойства пищевых продуктов
Глава 3. Методы определения электрофизических свойств пищевых продуктов
3.1. Мостовые методы
3.2. Резонансные методы
3.3. Измерение электропроводности
Глава 4. Электростатическое поле и звуковые частоты
Глава 5. Глубина проникновения переменного магнитного поля в пищевые подукты
Заключение
Список литературы
Приложение

Теоритические основы физических процессов обработки пищевыв продуктов переменным током.

Т - температура, К.
Для релаксации неоднородных структур - дисперсии сферических частиц в растворе определяется по уравнениям
; (17)
, (18)
где и - соответственно диэлектрическая проницаемость частиц и среды; и - соответственно удельная электропроводность частиц и среды;
р - объемная доля, занимаемая частицами.
При повышении температуры увеличивается тепловое движение, что препятствует упорядоченному расположению полярных частиц в электрическом поле и приводит к нарастанию сквозной проводимости, а также к изменению периода релаксации
, (19)
где - время релаксации при Т = 273 К;
- энергия активации, Дж/моль;
R - газовая постоянная, R = 8,314 Дж/(моль·К);
Т - температура, К.
Следует подчеркнуть, что проводились и проводятся в настоящее время множество попыток описать электрофизические свойства простых клеточных структур с помощью универсальных уравнений. Такой подход встречает серьезные затруднения, в то же время для некоторых биологических суспензий он дает хорошие результаты. Для электрофизических композиций клеточной структуры в качестве модели можно рассмотреть случай дискретного их распределения, обозначив каждую из них характеристической диэлектрической проницаемостью [7]. Таким образом, внешняя среда будет иметь показатель , стенка клетки - , внутреннее содержание клетки - .
Глава 3. Методы определения электрофизических свойств пищевых продуктов
Электрофизические свойства исследуются в широком диапазоне частот от 0 до 1013 Гц.
Нельзя рекомендовать единый метод измерения электрофизических характеристик в таком большом частотном диапазоне, так как для каждого его участка наряду с предпочтительными существует еще целый ряд методов.
На рис. 4 приведены различные методы определения электрофизических характеристик при различных частотах. Совершенно очевидно, что для каждого диапазона существует группа методов, что связано с формой материала, особенностью его свойств и другими причинами. Иногда выбор метода связан с необходимостью придать образцу определенные размеры, правильным ориентированием образцов с анизотропными свойствами.
3.1. Мостовые методы
Эти методы измерения диэлектрических характеристик материалов основаны на использовании различных модификаций хорошо известной схемы моста Уитстона. Измерения обычно проводятся в интервале частот 1-10 МГц, что исключает поляризацию электродов, однако при этих частотах не следует пренебрегать ошибками, обусловленными паразитными или остаточными емкостями и индуктивностями.
Для измерения диэлектрической проницаемости диэлектриков с низкими потерями на частотах до 500 кГц наиболее широко применяется мост Шеринга, который обеспечивает высокую степень точности. Основной источник ошибок обусловлен остаточными емкостями и индуктивностями стандартных элементов моста, паразитными емкостями между самими элементами моста и между ними и землей. Поэтому необходимо тщательно экранировать элементы и заземлять экраны отдельных плеч моста и соединительные провода.
В результате разработки трансформаторного моста возник метод измерений импеданса, при котором удается избежать многих сложностей, присущих другим мостам переменного тока.
3.2. Резонансные методы
Схемы с использованием настраиваемых резонансных контуров LC, состоящих из элементов с сосредоточенными параметрами, применяются в диапазоне длин волн от 5 до нескольких сот метров.
Настройка контура на частоту питающего напряжения производится при отключенной емкости измерительной ячейки с помощью переменной емкости С.
При этом собственная частота колебательного контура, определяемая формулой Томсона
, (20)
совпадает с частотой питающего напряжения
Подключение емкости измерительной ячейки приводит к возрастанию результирующей емкости до значения и снижению собственной частоты колебательного контура
.
Для восстановления условия резонанса первоначальное значение переменной емкости С изменяют на величину .
Диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь при диапазоне частот 50 кГц - 50 МГц для пищевых продуктов, обладающих хорошей добротностью, в большинстве случаев измеряют при помощи Q-метра, принцип работы которого основан на явлении резонанса [8].
При малых добротностях измеряемого материала пользуются методом трех измерений, который подробно описан в работах [8,9].
Схемы с коаксиальными резонаторами с торцевым зазором. Преимуществами объемных резонаторов по сравнению с системами открытого типа являются высокое значение добротности и полное экранирование от внешних помех, что позволяет исследовать диэлектрики с весьма малыми значениями потерь. Кроме того, конструкция резонатора обеспечивает удобное подключение диэлектрического образца без каких-либо соединительных проводников, что исключает возникновение соответствующих паразитных параметров.
Наиболее подходящим типом резонаторов в диапазоне дециметровых волн, а также в коротковолновом участке метрового диапазона являются коаксиальные резонаторы. Резонаторы этого типа состоят из двух коаксиальных цилиндров с торцевым зазором в центральном проводнике. К достоинствам резонаторов с торцевым зазором относятся их малые геометрические размеры по сравнению с длиной волны. Эта особенность коаксиальных резонаторов объясняется наличием сосредоточенной емкости зазора, которая не должна быть, однако, чрезмерно большой, так как при ее увеличении уменьшается добротность резонатора и соответственно возрастает погрешность измерений [10, 11].
Схемы с полосными резонаторами. Для исследования диэлектрических свойств материалов в диапазоне сантиметровых волн (от 1 до 10 см) могут быть использованы резонансные методы. В этом диапазоне размеры системы становятся сравнимыми или даже большими длины волны, что делает невозможным учет возникающих паразитных параметров. Так, например, торцевой зазор коаксиального резонатора уже нельзя считать емкостной нагрузкой, так как его эффективные размеры соизмеримы с длиной волны.
Объемный резонатор удобен по крайней мере, при возбуждении колебаний типа для измерения и , лежащих в широком диапазоне: и более и . Образец может иметь форму диска или стержня. Установочная погрешность, связанная с наличием зазора вокруг дискового образца либо отверстия в верхней части резонатора, через которое вставляется стержневой образец, мала и поддается расчету.
Если исследуется стержневой образец, распространение волн считается радиальным и в выражении для импеданса у поверхности образца появляются функции Бесселя, т.е. при r = а (r - радиус образца)
, (21)
где ,
здесь - магнитная постоянная, Гн/м;
Гн/м;
- осевое волновое число резонатора, м-1;
k - радиальное волновое число образца, м-1.
К числу замеряемых величин относятся все размеры резонатора при резонансе (в частности, устанавливается, насколько надо изменить длину объемного резонатора, чтобы получить резонанс в объемном резонаторе с образцами), добротность и (или) коэффициент пропускания резонатора. По формуле (21) вычисляют z, откуда получают ka и искомую проницаемость .
Волноводные (коаксиальные) методы. На высоких частотах диэлектрическая проницаемость является комплексной величиной, что физически соответствует наличию дисперсии и поглощения. Поэтому измерение дисперсии и поглощения СВЧ-волн дает представление об электрических и магнитных свойствах материалов на СВЧ. Измерение дисперсии и поглощения волн СВЧ можно проводить с помощью волноводов (коаксиальных линий).
Наиболее приемлемыми являются два варианта волноводного метода: метод бегущей волны и метод стоячей волны.
Метод бегущей волны основан на том, что всякий эффект, непосредственно зависящий от длины волны (например, сдвиг фазы проходящей волны), может быть использован для создания способа точного измерения , а после того, как эта величина найдена, всякий эффект, связанный с поглощением мощности, (например, изменение амплитуды проходящей волны), позволяет определить , так как параметры вещества являются функциями постоянной распространения
, (21)
где - коэффициент поглощения; - фазовая постоянная волны, проходящей через среду.
В этом случае измеряется изменение фазы и амплитуды волны, проходящей через диэлектрик. Метод бегущей волны, дающий очень точные результаты, практически трудно реализуем из-за неудобств, связанных с подбором для каждого исследуемого материала согласованной нагрузки на конце линии. По этой причине чаще используется метод стоячей волны, в котором согласованная нагрузка заменяется коротким замыканием так, как это делают при измерении импеданса. Импеданс волноводной системы, в которую помещен исследуемый материал, определяют исходя из значения коэффициента стоячей волны, зависящего от напряжения и положения ее узла [10].
Методы измерения и твердых, вязких и жидких материалов, основанные на использовании коаксиальных линий, отличаются большой широкополосностыо (от 10-15 м до 8-15 см, указанная коротковолновая граница вызвана в основном конструктивными соображениями), сравнительной простотой теории и несложностью эксперимента.
3.3. Измерение электропроводности
Многие пищевые продукты, являясь гетерогенными системами, состоят из диэлектрических компонентов и растворов электролитов, что приводит к появлению ионной проводимости, которая, в свою очередь, может существенно влиять на частотные характеристики. В ряде случаев проводимость играет большую роль, чем релаксационные явления.
Вклад ионной проводимости в диэлектрические потери определяется формулой
, (22)
где - диэлектрические потери за счет ориентации диполей;
- экспериментально полученное значение диэлектрических потерь;
- удельная электропроводность жидкости, См·м-1;
f - частота, на которой проводится измерение электропроводности, Гц.
Эти два слагаемых имеют разную частотную и температурную зависимости.
На практике удельную электропроводность электролита определяют как отношение величины, обратной сопротивлению измерительной ячейки, заполненной исследуемым материалом, к постоянному для данной измерительной ячейки геометрическому фактору. Постоянную ячейки можно определить, используя раствор с известной удельной электропроводностью. Для измерения используются мосты переменного тока. Генератор, питающий мост, должен давать напряжение правильной синусоидальной формы на частотах 0,5-10 кГц. Измерение электропроводности обеспечивается с точностью до 0,01%.
В то же время возникают значительные трудности при выборе конструкции измерительной кюветы, которая в большинстве случаев представляет собой ячейку из стекла с впаянными платиновыми электродами, покрытыми платиновой чернью. Однако такого рода кювета применима лишь для ограниченного количества пищевых продуктов, в первую очередь, жидких (вино, различные соки, молоко и др.), а также продуктов, не меняющих свои структурно-механические свойства при нагревании. На практике, как правило, при исследовании удельной электропроводности учитывают одновременно ряд факторов: давление, температуру, степень измельчения и др. При этом, очевидно, важное значение имеет равномерный характер распределения температурного поля в образце.
Глава 4. Электростатическое поле и звуковые частоты
Пищевые продукты в силу биологического происхождения неоднородны по своему строению и составу. Максимальный вклад в проводимость вносят электролиты, количество которых в продуктах меняется в широких пределах (2-95%). Несомненно, значительное влияние оказывает также вид и глубина обработки проводимости пищевого продукта (варка, пастеризация, сушка и т.д.), которые в ряде случаев приводят к обезвоживанию, денатурации, коалесценции и т.д., что, в свою очередь, изменяет форму и энергию связи воды с материалом.
Как уже указывалось ранее, релаксационные потери для различных продуктов играют меньшее значение, чем проводимость. Кроме того, слагаемые имеют неодинаковые температурные и частотные вариации. На рис. 5 показаны частотные зависимости дипольных потерь и потерь проводимости при различных температурах. Хорошо видна их разнонаправленность, особенно в интервале частот 108-1010 Гц.
Такая нестабильность и динамичность свойств пищевых продуктов обусловливают достаточную условность и статистический характер полученных электрофизических показателей.
Наиболее достоверны, вероятно, данные, относящиеся к области отрицательных температур. На рис. 6 представлены диэлектрические характеристики мясокостного сырья. Эти исследования были предприняты с целью криоразделения компонентов в электрическом поле [12]. Из рисунка следует, что при температуре выше 230 К, когда происходит частичное размораживание, и возрастают, причем качественный характер изменений одинаков, а количественная разница зависит от разновидности ткани. В связи с этим зависимость (Т) можно представить в виде уравнения нелинейной регрессии
, (23)
где С и D - опытные коэффициенты (табл. 2).
На рис. 7 представлен график зависимости удельного объемного сопротивления компонентов мясокостного сырья от температуры. Для интервала температур 183-268 К эти кривые описываются уравнением
, (24)
где А и В - опытные коэффициенты (табл. 3).
Исследования мясокостного сырья при еще более низких температурах указывают на наличие инвариантной области (костная ткань) для , ее начало приходится на 233 К (рис. 8), в то время как для мышечной ткани начало соответствует 153 К. По-видимому, в обоих случаях наступает момент практически полного вымораживания воды [13].
Определенный интерес представляет температурная зависимость относительной удельной объемной электропроводности для двух компонентов, согласно которой можно разделить компоненты в электростатическом поле. На рис. 9 показана такая зависимость для кости и мяса [13]. Из графика следует, что при температуре 238 К возникает локальный максимум, указывающий предпочтительную температуру процесса разделения.
В пищевых отраслях все более широкое использование получает электроконтактный нагрев, поэтому сведения по электропроводности приобретают первостепенное значение. В результате исследований установлено, что значения электропроводности крови крупного рогатого скота и свиней в диапазоне температур 0-80°С очень близки [14]. В основном электропроводность зависит от содержания сухих веществ (рис. 10, а) и линейно возрастает с увеличением температуры (рис. 10, 6).
Зависимость электропроводности крови и отдельных ее компонентов крупного рогатого скота, свиней от температуры описывается уравнением
. (25)
Значения коэффициентов А, В, D приведены в табл. 4.
Определенный интерес представляет выявление связи между электропроводностью и качеством. В работе [15] такая связь прослеживается на примере хранения чеснока и моркови. Была изучена кинетика изменения электропроводности у донца зубка чеснока. Анализ зависимости относительной электропроводности чеснока от времени хранения (рис. 11) позволяет достаточно просто фиксировать его качественные показатели.
Электропроводность также может быть использована в качестве объективного показателя состояния моркови и устойчивости ее к хранению; комплексные данные электропроводности приведены в табл. 5.
Исследования, направленные на установление связей между различными показателями продукта, оказались плодотворными. Для комплексных исследований выбирали сходные для различного сырья свойства с сопоставимым временем измерения. К их числу можно отнести предельное напряжение сдвига, удельную электропроводность, относительную деформацию осевого сжатия и проницаемость ИК-энергии через слой фарша П в зависимости от степени измельчения. Для этого длиннейший мускул (от говяжьей туши) несколько раз пропускали через мясорубку с диаметром отверстий решетки 3 мм. Зависимость перечисленных показателей от кратности измельчения, которая определяет глубину обработки и влияет на форму связи влаги с фаршем, изменяя тем самым характеристики продукта, приведена на рис. 12.
Гистологические срезы фарша отличаются постепенным исчезновением исчерченности при увеличении степени измельчения. Также увеличивается количество аморфной массы фарша. В исходном образце отчетливо заметны ядра, затем они встречаются все реже. Жировые клетки исчезают, превращаясь в довольно крупные (до 0,025 мм2) капли. Соединительная ткань не претерпевает существенных изменений и представляет собой рыхлые включения в аморфной массе и в обрывках мышечной ткани. К концу измельчения фарш представляет собой сравнительно гомогенную систему.
С увеличением степени измельчения растет физическая поверхность частиц, что приводит к увеличению связанной воды. Невысокая степень измельчения незначительно изменяет показатели системы. Поскольку содержание влаги в фарше ограниченно и ее связываемость зависит от поверхности частиц, следует ожидать, что при достижении критической поверхности численные значения свойств фарша, зависящие от формы связи влаги, станут инвариантны. При этом достижение инвариантности зависит от вида диспергирующей машины и массовой доли влаги
в продукте.
Как видно из рис. 12, критические точки приходятся на кратность в области 9 (n = 9). При увеличении степени измельчения темп изменения свойств замедляется. Микросрезы для 16-кратного измельчения имеют аморфную структуру, хотя и сохраняют отдельные мышечные волокна. При куттеровании общая картина изменения свойств имеет сходный характер. Однако в этом случае удается получить более глубокую деструкцию всех тканей мяса, а при большой длительности процесса фарш превращается в аморфную массу, содержащую большое количество мелких воздушных пузырьков.
Аналогичная картина наблюдается при исследовании изменения комплекса физических свойств фарша русских сосисок в зависимости от времени его куттерования (рис. 13).
При сопоставлении результатов исследований температурных изменений электропроводности и термообработки фарша в форме обнаружено, что температура в области 50 °С является критической, т.е. при ней изменяются тепловые и электрофизические свойства фарша.
Таким образом, очевидно, что удельная электропроводность является чувствительной характеристикой фарша. Зависимость ее от длительности куттерования имеет несколько экстремальных значений. При температуре начала интенсивной денатурации белков (около 50 °С) наблюдается излом кривой зависимости электропроводности от температуры. Для объективной оценки процесса куттерования наряду с другими методами целесообразно использовать метод непрерывного измерения электропроводности фарша.
Для ведения процесса электроплазмолитической обработки сычугов с целью ускорения экстракции сычужного фермента необходимо определить зависимость удельной электропроводности сычугов от ряда показателей. Установлено, что удельная электропроводность при повышении давления достигает максимального значения при 2,5-105 Па. Дальнейшее увеличение давления не влияет на ее величину. С повышением степени измельчения сычуга удельная электропроводность увеличивается (рис. 14). Удельная электропроводность для сычуга I сорта выше, чем для сычугов II и III сортов, что объясняется более высоким содержанием жира.
Влага во многом предопределяет абсолютные значения электропроводности. На рис. 15 показана зависимость удельной электропроводности нежирного творога от массовой доли влаги при температуре 30°С, измеренная при частоте 5 кГц.
Проводимость мышечных тканей зависит от состояния их физико-химической структуры и видовых особенностей. На рис. 16, а показан график, характеризующий изменение сопротивления мышечной ткани различных рыб в процессе хранения при 0°С. В зависимости от вида рыбы скорость изменения показателя различна. Это подтверждается также изменением биоэлектрического потенциала (см. рис. 16, б), снятого у тех же рыб.