Технология контроля качества кисломолочных продуктов по показателю их вязкости

УДК 54.084
Е.О.БРЯНСКАЯ, М.В. ЛУНИН
E.O.BRYANSKAYA, M.V.LUNIN
Технология контроля качества кисломолочных продуктов по
показателю их вязкости
Technology of quality control of dairy products in terms of their viscosity
Предложено средство измерения, основанное на новом принципе измерения динамической вязкости
продукта, которое позволяет осуществлять контроль его качества.
Ключевые слова: Реология среды, принцип измерения, вязкость жидкости, биотехнологии,
развитие бактерий, технология продуктов питания.
The measurement tool based on a new principle of dynamic viscosity of the product which allows for the
control of its quality.
Keywords: Rheology environment, measuring principle, the viscosity of a liquid, biotechnology, the
development of bacteria, food technology.
АКТУАЛЬНОСТЬ
Актуальность технологического контроля качества диктуется потребностями
рыночной экономики, в условиях которой успешная деятельность предприятий
основывается
на
конкурентоспособности
выпускаемой
продукции.
Основу
конкурентоспособности продукции составляет ее качество, стабильность которого
достигается путем внедрения на предприятиях новых методов и средств контроля и
подтверждается сертификацией продукции. Это обеспечивает выпуск продукции высокой
пищевой ценности, безопасной для потребления и соответствующей медикобиологическим требованиям и санитарным нормам качества.
В процессе контроля происходит сопоставление достигнутых результатов с
запланированными характеристиками конечного продукта. Поэтому в настоящее время
всё более широкое распространение при контроле молочной продукции и молочного
сырья находят инструментальные методы контроля процессов заквашивания и
сквашивания молока.
Заквашивание и сквашивание молока являются наиболее уязвимыми процессами
технологии производства кисломолочных продуктов. Поэтому тщательному соблюдению
режимов заквашивания и сквашивания на предприятиях придают особое значение. Для
получения качественного продукта при производстве кисломолочных продуктов очень
важно осуществлять контроль изменения вязкости, и строго следить за течением
молочнокислого процесса, т.к. чем большей вязкой консистенцией обладает продукт, тем
больше его влагоудерживающая способность, тиксотропные свойства и устойчивость в
хранении.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Одним из физико-химических свойств молочных продуктов является вязкость,
которая
определяется
составными
компонентами
молока,
находящихся
в
эмульгированном и коллоидном состояниях. Вязкость молочных продуктов можно
представить как сумму вязкости воды и приращений вязкости от дисперсной фазы (белки,
жиры углеводы) и структурных связей. На вязкость молочных продуктов влияют
эмульгированные и коллоидно растворимые частицы, в частности, жира, казеина, а также
наличие агломератов жировых шариков, состояния казеина (гидратация, величина
мицелл), сывороточных белков, режим и способ обработки молока. При развитии в
молоке молочнокислых бактерий углеводы, белки, биологически активные вещества
используются микроорганизмами в пищу. Ферменты микроорганизмов катализируют
гидролиз сложных биополимеров молока, снижается их концентрация, в то же время
концентрация низкомолекулярных продуктов метаболизма бактерий увеличивается. В
результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий динамическая вязкость сложной
дисперсной системы уменьшится, что может быть критерием оценки его качества.
Вязкость сквашиваемого молока можно контролировать путем использования
пузырька газа и измерения времени прохождения пузырьком участка на траектории его
подъема. При движении пузырька газа вертикально вверх, происходит изменение
давления столба жидкости, что приводит к расширению пузырька и увеличению его
объёма. Возрастание объёма ведёт к увеличению подъёмной силы, при этом происходит
рост площади поверхности, что ведёт к увеличению силы трения.
При описании поведения пузырька газа при различных температурах и давлениях
воспользуемся уравнением Ван-дер-Ваальса (1):
𝑎
(𝑝 + 𝑉 2 ) ∗ (𝑉𝑀 − 𝑏) = 𝑅𝑇
𝑀
(1)
Где p - давление действующее на пузырёк со стороны жидкости; 𝑉𝑀 - молярный
объём газа в пузырьке; 𝑇 - температура газа в пузырьке; 𝑅 - универсальная газовая
постоянная; 𝑎 и 𝑏 - константы Ван-дер-Ваальса, учитывающие отклонение свойств
реального газа от свойств идеального.
Из-за взаимного притяжения между молекулами газ как бы сжимается большим
давлением, чем давление p, оказываемое на газ со стороны жидкости, в которой он
𝑎
заключён. Поправка 𝑉 2 имеет размерность давления и учитывает взаимное притяжение
𝑀
между молекулами газа за счёт ван-дер-ваальсовых сил.
Перепишем (1):
𝑎𝑉𝑀 𝑎𝑏
𝑝𝑉𝑀 − 𝑝𝑏 + 2 − 2 − 𝑅𝑇 = 0
𝑉𝑀
𝑉𝑀
Умножим левую и правую части уравнения на 𝑉𝑀 , получим (2):
𝑝𝑉𝑀3 − 𝑝𝑏𝑉𝑀2 + 𝑎𝑉𝑀 − 𝑎𝑏 − 𝑅𝑇𝑉𝑀2 = 0
(2)
Сила Архимеда действующая на пузырек, имеет вид (3):
𝐹𝐴 = 𝑚𝑙𝑖𝑞 𝑔 = ρ𝑙𝑖𝑞 𝑉𝐺 𝑔
(3)
где 𝑚𝑙𝑖𝑞 - масса жидкости; 𝑉𝐺 - объем сферического пузырька газа.
Силу тяжести запишем следующим образом (4):
𝑃 = 𝑚𝐺 𝑔 = ρ𝐺 𝑉𝐺 𝑔
(4)
где 𝑚𝐺 - масса газа; ρ𝐺 - плотность газа.
Учитывая (3) и (4), запишем соотношение (5):
𝐹𝐴 ρ𝑙𝑖𝑞 𝑉𝐺 𝑔
=
𝑃
ρ𝐺 𝑉𝐺 𝑔
(5)
≫ ρ𝐺 , тогда силой тяжести действующей на
Из соотношения (5), видно, что ρ𝑙𝑖𝑞
пузырек можно пренебречь.
Уравнение (2) имеет два мнимых и одно действительное решение. Численное
решение данного уравнения относительно молярного объема газа 𝑉𝑀 позволяет
утверждать, что при подъёме пузырька воздуха в глицерине изменение гидростатического
давления жидкости на 50% приводит к увеличению радиуса пузырька газа на 26% и
изменению подъёмной силы пузырька газа на 101%.
Сказанное выше позволяет получить выражение для определения объема газа в
одном пузырьке. Объём газа в пузырьке (6):
𝑉𝐺 =
𝑚𝐺 𝑝Н (𝑉𝑀 − 𝑏)
∗
ρ𝐺
𝑅𝑇
(7)
где 𝑇 - температура газа в пузырьке; 𝑅 - универсальная газовая постоянная; 𝑏 константа Ван-дер-Ваальса.
На движущийся в вязкой жидкости пузырёк газа действуют силы, для которых
справедливо соотношение (8):
𝐹𝐴 − 𝐹ТР − 𝑚𝐺 ∗ 𝑑𝑣⁄𝑑𝑡 = 0
(8)
𝑑𝑣
где 𝐹𝐴 - сила Архимеда; 𝐹ТР - сила трения; 𝑚𝐺 ∗ ⁄𝑑𝑡 - сила, действующая на
движущийся с ускорением пузырёк.
Учитывая, что при наступлении предельного значения скорости пузырёк начинает
двигаться равномерно, величина 𝑚𝐺 ∗ 𝑑𝑣⁄𝑑𝑡 = 0. При этом для предельных значений
скорости  0 , при которых сохраняется равномерное движение и ламинарное обтекание
шарика жидкостью, справедливо выражение Стокса (9):
𝐹ТР = 6πη𝑅Ш 𝑣0
(9)
где 𝑣0 - предельное значение скорости при равномерном движении; 𝑅Ш - радиус
шара движущегося в жидкости; η - динамическая вязкость жидкости.
Учитывая силы, действующие на сферический пузырёк, можно записать (10):
3
𝑉𝐺 = √
3
6πηRT
∗[
]
4π ρ𝑙𝑖𝑞 𝑔𝑝Н (𝑉𝑀 − 𝑏)
(10)
Для учета молярного объема воспользуемся формулой Бачинского (11):
𝑐
η=
𝑉𝑀 − 𝑏
(11)
где с – константа Бачинского.
Учитывая (10) и (11) получим выражение для определения вязкости относительно
скорости движения пузырька газа (12):
4π𝑉𝐺 2 ρ𝑙𝑖𝑞 𝑔𝑝Н 𝑐 3
√
η(𝑣0 ) =
∗[
]
3
6πRT𝑣0
6
(12)
Таким образом, проведенный анализ, позволяет проводить точное измерение
вязкости жидкости с учетом параметров среды для барботирования и объёмом газового
пузырька. Данный принцип измерения вязкости жидкой среды, основанный на
использовании пузырька газа, сформированного на выходе сопла, может быть
использован в биотехнологиях, например, в технологии пищевых продуктов, где проводят
инструментальный контроль концентрации растворов компонентов и получения
полуфабриката с определенными реологическими свойствами.
ТЕХНОЛОГИЯ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ
На основании результатов теоретического анализа и полученных зависимостей,
сформулирован способ измерения, поясняющийся функциональной схемой на рисунке 1.
8
9
1-Компрессор, 2-Блок измерения вязкости продукта, 3-Блок индикации, 4-Блок
управления, 5-термо-стабилизированный реактор сквашивания, 6-мотор, 7-Драйвер
частотного управления, 8-Камера контроля вязкости продукта
Рисунок 1-Функицональная схема способа измерения вязкости кисломолочных продуктов
Устройство на рисунке 1 работает следующим образом. В реактор сквашивания 5
загружаются исходный компоненты, необходимые для изготовления кисломолочных
продуктов. В процессе приготовления продукт подогревается и перемешивается
посредством перемешивающей пластины, которая управляется мотором 6. Блок 7 задает
частоту вращения пластины.
Через каждые 20 минут открывается клапан и продукт поступает в емкость
контроля 8, куда с помощью компрессора 1 нагнетается воздух. В блоке 2 реализуется с
помощью ультразвуковых преобразователей измерение скорости движение газовых
пузырьков-маркеров и вычисление вязкости продукта. На дисплее, представленном
блоком индикации 3, отображается график зависимости вязкости от времени
приготовления и информация об окончании процесса производства продукта. Если
измеренный результат устраивает технолога, то открывается клапан и продукт удаляется
из реактора 5.
Если измеренная вязкость не соответствует заданной по технологии, то продукт
остается в реакторе 5 и продолжается процедура приготовления до тех пор, пока его
вязкость не достигнет нужного уровня.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Данное средство измерения может быть использовано в различны технологиях,
например в биотехнологиях контроля продуктов питания. Рассмотрим процесс развития
молочнокислых бактерий Streptococcus thermophilus (Str. Thermophilus) на питательной
среде.
Некоторые бактерии Streptococcus thermophilus (Str. Thermophilus) продуцируют
тетрасахариды, состоящие из галактозы, глюкозы и N-ацетил-галактозамина, обладающие
загущающими свойствами. Присутствие этих слизистых веществ способствует
улучшению однородности и повышению вязкости.
Вязкость продукта определяется его составными компонентами, находящиеся в
эмульгированном и коллоидном состояниях. Физико-химические свойства, в том числе
вязкость, все больше используются для оценки качества питательных сред в целом и
молока в частности.
Структурная составляющая вязкости исчезает при температуре более 34°С в связи
с плавлением молочного жира и интенсивным тепловым движением самих элементов
структуры. При 20°С вязкость продукта может изменяться от 0,0013 до 0,0035 Па.с. При
развитии молочнокислых бактерий углеводы, белки, биологически активные вещества
используются микроорганизмами в пищу. Ферменты микроорганизмов катализируют
гидролиз сложных биополимеров молока, снижается их концентрация, в то же время
концентрация низкомолекулярных продуктов метаболизма бактерий увеличивается. В
результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий динамическая вязкость сложной
дисперсной системы – кисломолочного продукта, уменьшится, что может быть критерием
оценки его качества, как питательной среды.
На рисунке 2 показано изменение вязкости продукта в зависимости от
продолжительности развития молочнокислых бактерий Streptococcus thermophilus (Str.
Thermophilus) с учетом среднеквадратического отклонения.
Рисунок 2 - Влияние продолжительности развития Streptococcus thermophilus (Str.
Thermophilus) на показатель динамической вязкости продукта
В течение 52 минут бактерии не изменяли вязкость продукта, что характерно для
лаг-фазы развития микробной культуры. Затем микроорганизмы вступают в лог-фазу,
которая характеризуется интенсивным потреблением питательных веществ и
размножением. На 117 минуте наступает стационарная фаза развития микробной
культуры, динамическая вязкость продукта снизилась до 0,0005 Па.с и более не
изменялась.
ВЫВОДЫ
Вязкость жидкости можно измерить путем использования пузырька газа и
измерения времени прохождения пузырьком участка на траектории его подъема с учетом
параметров среды для барботирования и объёма газового пузырька.
В процессе контроля, изменение температуры окружающей среды влияет на
барботажную систему. При этом под действием внешних источников тепловой энергии в
объёме вязкой жидкости изменяются характеристики теплового поля, что приводит к
изменению энергии активации среды и изменению динамической вязкости и
коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
Относительное изменение диаметра пузырька при подъёме с глубины меньше
относительного роста подъёмной силы. В уравнении Ван-дер-Ваальса множитель
позволяет учесть гидростатическое давление на пузырёк со стороны вязкой жидкости и
давление, создаваемое плёнкой в виде поверхностного натяжения.
Предложенное средство измерения, основанное на новом принципе измерения
динамической вязкости продукта, позволяет осуществлять контроль его качества.
Предлагаемое средство измерения может найти применение в различных
биотехнологиях. Например, в технологии пищевых продуктов, где проводят
инструментальный контроль концентрации растворов компонентов, для настройки
дозаторов и получения полуфабриката с определенными реологическими свойствами.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Лунин М.В., Костин М.С., Медведева А.Ю. Метод и средство контроля
температуры вязких жидкостей. // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные
проблемы техники и технологии. - № 3-2/275(561). – Орел: ОрёлГТУ, 2009. С. 66 – 72.
2.
Лунин М.В., Яковенко М.В., Жидков А.В., Телепнев А.М. Анализатор для
определения концентрации компонентов биологических жидкостей в диагностике раннего
рака. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – № 6(290). –
Орел. – 2011. С. 66 – 72.
3.
Лунин М.В., Позднякова Е.О. Система контроля концентрации вещества в
однокомпонентных растворах. // Современные материалы, техника и технология [Текст]:
материалы 2-й Международной научно-практической конференции (25 декабря 2012
года)/ редкол.: Горохов А.А. (отв. Ред.); Юго-Зап. Гос. Ун-т. Курск, 2012.
4.
Лунин М.В., Черных В.Я., Артамонов А.В., Шумов А.В. Информационноизмерительная система контроля концентрации оптически прозрачных растворов. //
Журнал "Хранение и переработка сельхозсырья", изд. Пищевая промышленность № 5,
2012.
5.
Лунин М.В. Дискретный пузырьковый метод и средство измерения малых расходов
газа с учётом параметров среды используемой для барботажа. // Контроль. Диагностика. –
№ 2. – Москва: Изд-во Машиностроение, 2010. - С. 66 – 68.
Брянская Екатерина Олеговна
Студент гр. 31БС кафедры «Приборостроение, метрология и сертификация»,
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орёл
Тел.: 8-980-366-29-12
E-mail: bryanskayae@mail.ru
Лунин Максим Викторович
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орёл
к.т.н, доцент
Тел.: 8-910-309-84-02.
E-mail: maksixam@yandex.ru