Исследование прочностных свойств вываренной кости при гидротермической обработке Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

2. Кашурин А.Н., Домарецкин В.А. Математическое моделирование процесса сушки зерна солода в стационарном режиме // Фермент, и спирт, пром-сть. — 1976. — № 7. “ С. 35—38.

3. Гавриленков А.М., Макаров А.П., Предтеченский В.К. Сушка солода и ее интенсификация. — М.: Пищ. пром-сть, 1975. — 232 с.

4. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. — М.: Наука, 1991. — 600 с.

5. Циборовский Я. Основы процессов химической технологии: Пер. с польск. / Под ред. П.Г. Романкова. — Л.: Химия, 1967. — 720 с.

6. Кретов И.Т., Сербулов Ю.С., Шевцов А.А. Расчет процесса сушки солода в высоком слое при переменном режиме // Изв. вузов, Пищевая технология. — 1987. — № 4. — С. 83—87.

7. Кретов И.Т., Шевцов A.A., Сербулов Ю.С. Расчет процесса сушки солода / / Изв. вузов. Пищевая технология. — .19Й9. — № 4. — С. 72—74.

Кафедра машин и аппаратов пищевых производств

Поступила 28.06.93

641.5:637.514,7

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ВЫВАРЕННОЙ КОСТИ ПРИ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

М.И. БЕЛЯЕВ! , A.A. ПРОСТАКОВ, П.Л. ПАХОМОВ, А.Н. БЫКОВ

Харьковский институт общественного питания

Технологии производства кормовых продуктов из кости основаны на процессах тепловой обработки и измельчения [1]. Для расчета мощности и конструктивных параметров измельчительного оборудования необходимы данные о прочностных свойствах перерабатываемого продукта [2]. Исследованы структурно-механические характеристики вываренной, кости животных, птицы, рыбы [3]. Однако при переработке в кормовую пасту вываренная кость перед окончательным измельчением подвергается гидротермической обработке [4]. Костная ткань при этом претерпевает значительные изменения в своих прочностных свойствах. Поэтому для расчета измельчителей вываренной кости, прошедшей тепловую обработку, необходимы исследования характера изменения ее прочностных свойств.

Цель работы — изучить динамику основных структурно-механических характеристик вываренной кости в процессе ее гидротермической обработки. Для этого использовали образцы вываренной свиной бедренной кости (среднюю часть диа-физа). Гидротермическую обработку осуществляли в водопаровой среде (при полном погружении образцов кости в жидкость) в четырех режимах с давлением пара в рабочей камере стерилизатора: 0,10—0,15; 0,15—0,20; 0,20—0,25 и 0,25—0,30 МПа, что соответствует температурам в интервалах 120—127, 127—132, 132—138 и 138—143°С. Продолжительность гидротермической обработки вываренной кости в указанных режимах варьировали в пределах 2—6 ч. Через каждые 0,5 ч гидротермической обработки отбирали образцы кости для исследования их структурно-механических свойств.

Экспериментальная установка включала модернизированный паровой стерилизатор ВК-75 с сетчатой корзиной, электроизмерительной аппаратурой, автоматической системой регулирования процесса. Согласно известной методике измерения

прочностных характеристик [5], предельное напряжение сжатия аСж и модуль упругости Е образцов кости определяли на универсальной машине МДК-

0,25. Нагрузки фиксировали динамометром. Скорость нагружения составляла 8 мм/мин. С помощью тензодатчиков получали сигналы, описывающие деформацию образцов, которые фиксировали на самописце Н-326. На полученных деформационных кривых определяли участки деформации образца до момента его разрушения, соответствующие значениям предельного напряжения сжатия, находили величину относительной деформации и рассчитывали модуль упругости. Предельное напряжение сдвига осдв определяли на экспериментальной установке НИИКИМ 1231 у210, состоящей из силовой рамы и пульта управления ПУ-22, включающего регистрирующее и регулирующее устройства, панель управления. Ударную вязкость ан (образца в кости без надреза) исследовали на маятниковом двухопорном копре модели Б КМ 5-2 по ГОСТ 14703—73.

Рассмотрим теоретически возможный механизм размягчения костной ткани в процессе гидротермической обработки. Изменения прочности кости при воздействии на нее высоких температур (выше !00°С) в условиях непосредственного контакта с водной средой являются следствием ряда весьма сложных физико-химических процессов. Поэтому точное теоретическое описание наблюдаемых эффектов на основе полной математической модели процесса гидротермической обработки кости не представляется возможным. Однако для выяснения определяющего механизма изменения прочности кости при гидротермической обработке и получения приближенных количественных соотношений, позволяющих проводить инженерные оценки режима тепловой обработки кости в технологической практике, можно ограничиться построением упрощенной картины физико-химических превращений в кости, которая представляется в следующем виде.

Костная ткань представляет собой разновидность соединительной ткани. Приблизительно 50% ее объема образуют нерастворимые соли,

главным обр лостях расп остеоциты; плотноупакс верхности к роксилапати ридов. Моле липептидны. ная длина м [6].

Вывзренн; физических ниями в ее кости при ai кое сокраще ниє коллаг свойств. Пр незначитель так как колл укорочении, но уменьшаї от ’’объемн структуры,1 виях гидроте давлениях, ( шая де натур щение его і ченное явле рушению во нию ее про1 ключается Е молекулярні липептидны: ских клубко потере прочі ковой струні объема незн в условиях і НЫ аеж, Е И шаться, а ве Описанные ставленням ное подтвер;

Нами уст; обработке в нотонное с ских харакі наибольший дельного наї ■— ударная і

Кроме тої хаоактерист; личением ср обработки.

Так, нап] Осж, соответ МПа за б ч пературе top tez = 140,5 осдв ОТ сред уменьшаете; обработки п

>в A.A. Расчет фи переменном гия. — 1987, —

Э Ю.С. Расчет пцевая техноло-

Юизводств

1.5:637.514.7

ХБОТКЕ

льное напря-|и Е образцов |ашине МДК-^етром. Ско-^мин. С по-|лы, описыва-вфиксирова-[ых деформа-деформации соответству-1жения сжа-юй деформа-. Предельное на экспери-1у210, состояния ПУ-22, ргулирующее рую вязкость Ьледовали на [ели Б КМ 5-2

ый механизм ссе гидротер-Ьности кости рратур (выше ю контакта с ряда весьма :ов. Поэтому юдаемых эф-1СК0Й модели ки кости не для выясне-ения прочно-аботке и по-1НЫХ соотно-инженерные ости в техно-иться постро-»-химических .ставляется в

)й разновид-близительно римые соли,

главным образом гидроксилапатит. В костных полостях располагаются клетки костной ткани — остеоциты; межклеточное вещество состоит из плотноупакованных коллагеновых волокон, на поверхности которых располагаются кристаллы гид-роксилапатита, а также других белков и полисахаридов. Молекулы коллагена состоят из трех по-липептидных цепей, закрученных в спирали, полная длина молекулы составляет примерно 300 нм 16).

Вываренная кость отличается от сырой рядом физических особенностей, обусловленных изменениями в ее строении [3]. Так, при вываривании кости при атмосферном давлении происходит резкое сокращение коллагеновых волокон (сваривание коллагена) и изменение ее прочностных СВОЙСТВ. Причем прочность ОСЖ кости снижается незначительно (в отдельных случаях возрастает), так как коллагеновые волокна упрочняются при их укорочении. Ударная вязкость а«, напротив, заметно уменьшается, поскольку эта величина зависит от ’’объемного” запаса прочности волокнистой структуры, что согласуется с данными [7). В условиях гидротермической обработки при избыточных давлениях, очевидно, будет происходить дальнейшая денатурация и деструкция коллагена, превращение его в глютин и удаление из кости. Отмеченное явление способствует существенному нарушению волокнистой структуры кости ^снижению ее прочности. Механизм этого процесса заключается в разрыве водородных связей между молекулярными цепями и разворачивании по-липептидных спиралей с образованием хаотических клубков, что ведет к общему разрыхлению и потере прочности первоначально компактной белковой структуры кости. При этом общее изменение объема незначительно и в отличие от вываривания в условиях гидротермической обработки величины апк, Е и асдв, очевидно, будут заметно уменьшаться, а величина ан изменится незначительно. Описанные согласно нашим теоретическим представлениям эффекты получили экспериментальное подтверждение.

Нами установлено, что при гидротермической обработке в исследуемых режимах происходит монотонное снижение всех структурно-механических характеристик вываренной кости. Причем наибольший темп снижения имеет показатель предельного напряжения сжатия осж, а наименьший

— ударная вязкость ан кости.

Кроме того, скорость снижения прочностных характеристик вываренной кости возрастает с увеличением средней температуры гидротермической обработки.

Так, например, среднее начальное значение осж> соответствующее 67 МПа, снижается до 1,5 МПа за 6 ч гидротермической обработки при температуре = 123,5°С и до 3,3 МПа за 2 ч при tc£ = 140,5”С. Предельное напряжение сдвига асдв от среднего начального значения 61,5 МПа уменьшается до 0,2 МПа за 4,5 ч гидротермической обработки при ?С/7 = 123,5°С и до 1,6 МПа за 1,5 ч

при 1Ср = 140,5°С. Ударная вязкость кости в экспериментах снижалась незначительно — от 27,2, примерно, до 20 кДж/м во всех температурных режимах гидротермической обработки.

Адекватность полученных экспериментальных данных теоретическому механизму снижения прочностных свойств вываренной кости позволила вывести приближенные количественные закономерности в динамике структурно-механических характеристик вываренной кости. Для их определения было принято допущение, что изменение прочности кости в процессе гидротермической обработки обусловлено, главным образом, разрыхлением ее волокнистой коллагеновой структуры, в то время как прочность минерального каркаса кости (по крайней мере, на протяжении большей части процесса) практически не снижается. Тогда для описания наблюдаемых эффектов воспользуемся представлениями современной теории пористых тел, в частности волокнистых материалов ¡8].

Согласно теории, прочность пористого тела, как и ряд других его физических свойств, зависит от степени полноты контакта между его структурными элементами — зернами или волокнами. Количественно эта полнота характеризуется величиной относительного контактного сечения а* отношения площади контактирования между структурными элементами к площади номинального (геометрического) сечения пористого тела (0< а < 1). В свою очередь, значение а характеризуется относительной плотностью V = 1 - Я пористого тела, где П

— его объемная пористость. Связь между а и о в общем случае носит степенной характер:

(1)

где т — показатель степени (для ряда волокнистых материалов значение т близко к 2).

Согласно одному из основных постулатов этой теории, номинальный (определяемый в эксперименте) модуль упругости Е пористого тела связан с модулем упругости Ек компактного тела (без пор) соотношением:

Е =

(2)

При этом величина а определяется наиболее узким контактным сечением тела. Поскольку этим же сечением лимитируется прочность тела, в час" ТНОСТИ ОСЖ, то и для предела прочности можно написать:

а - а ок. (3)

Из уравнений (2) и (3) следует прямо пропорциональная зависимость между а н Е:

а = сог^Л. (4)

Для структурно-механических характеристик X пористого тела, не связанных непосредственно с величиной контактного сечения, например, для асдв и ан, будет характерна более общая зависимость:

(5)

где значение показателя п может быть как больше, так и меньше 1.

В соответствии с уравнениями (1)—(5) для рассматриваемых прочностных характеристик пористого тела можно вывести зависимости от его относительной плотности V.

асж = const V

Е = const vm,

°сдв - const аи = const vmn2.

(6)

(7)

(8) (9)

При этом в общем случае значения показателя п 1 не равны /12.

Воспользуемся полученными закономерностями для описания динамики структурно-механических характеристик вываренной кости в процессе ее гидротермической обработки.

Согласно упрощенной картине этого процесса, в результате продолжительного теплового воздействия происходит денатурация коллагена и превращение его в глютин. Если допустить, что подобное превращение сопровождается полной потерей прочности коллагеновой структуры, то этот процесс эквивалентен превращению первоначально компактной структуры коллагена в пористую, причем ее относительная плотность V будет, очевидно, уменьшаться пропорционально убывающей концентрации коллагена в вываренной кости. С другой стороны, процесс денатурации и деструкции коллагена в условиях гидротермической обработки может рассматриваться как химическая реакция 1-го порядка, для которой зависимость концентрации С реагирующего компонента от времени описывается известным уравнением {9]:

(10)

С = Cq ехр(- k г),

где

Со

начальная концентрация компонента;

к — константа скорости реакции.

Тогда и для относительной плотности V коллагеновой структуры, согласно изложенным соображениям, можно вывести аналогичное соотношение: V = ь0 ехр(- к т), (11)

где и0 — начальное значение относительной плотности, близкое к 1 для компактной структуры.

Используя уравнение (11), соотношения (6)— (9) можно представить в следующем виде:

где

асж = const ехр(- т);

£ = const ехр(- к} т);

°сдв = const exp(-fcn т);

ан = const ехр(-6ш т), = mk\

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

= mnik; k = тп2к.

IS

Таким образом, в рамках изложенных упрощенных теоретических представлений структурно-механические характеристики кости в процессе гидротермической обработки будут уменьшаться со временем по экспоненциальному закону ( до тех пор, пока не начнет разрушаться минеральный каркас костной ткани). Прологарифмированные зависимости (12)—(15) в полулогарифмическом масштабе имеют вид прямых с различными наклонами к\ к , кт:

1п

= const -kl г; In Е = const - й1 г;

1п асдв = const - й11 In аи = const - т

(19)

(20) г; (21)

(22)

Рассмотрим влияние температурных режимов гидротермической обработки на динамику прочностных свойств костной ткани. Согласно описанному механизму разрыхления кости, в основе которого лежит разрыв водородных связей в структуре коллагена, константа скорости реакции /г возрастает с температурой Т в соответствии с уравнением Аррениуса [9]:

k = k0 exp

где

-£)

(23)

предэкспоненциальныи множитель;

энергия разрыва водородных связей (типичный порядок этой величины составляет около 10 кКал/моль);

универсальная постоянная (/? = 8,3 Дж/моль - К=»0,002 кКал/моль- К). Используя уравнение (23), скорости снижения прочностных характеристик вываренной кости можно представить так:

R

к1 = 4 ехр \-~т

к11 =

к0 ехР [-JT

*ш =

ехр

RT

kk = m к.

0-

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

<0 = т п2 &0. (29)

Таким образом, согласно принятой теории, величины к\, £11, &ІІІ, описывающие темп снижения прочностных свойств кости при гидротермической обработке, возрастают с повышением температурного режима процесса по одному и тому же закону. В полулогарифмическом масштабе соотношения

*0 -bill

т П) k.

1 *0-

Ini

*

(27)—(29 нением п

Следов!

размягчег

эксперт

Получе исследуел от продол ки т в ра лулогари 0,10-0,1! дены на гі (а) и 0,5 зависимо« прямых.

17

18

ных упрощен-труктурно-ме-процессе гид-еньшаться со кону ( до тех минеральный фмированные рифмическом чными накло-

.111

(19)

(20)

(21)

(22)

ных режимов шику прочно-сно описанно-! основе кото-¡й в структуре ии £ возраста-с уравнением

(23)

ный множи-

юродных свя-ЮК этой вели-около 10

янная (/? = 8,3 Кал/ моль-К), сти снижения ренной кости

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

ой теории, ве-емп снижения ротермической ;м температур-ому же закону, соотношения

£

$

3

г

1

6*х

|\ |

ч

ч

ч!

к

1 Ч J / Гг

Рис. I

а

(27)—(29) можно представить обобщенным уравнением прямой :

£

R Т'

1п£ = С0П81 -

(30)

Следовательно, энергию Е, необходимую для размягчения кости, можно определить по наклону

экспериментальной прямой 1п& |.

Полученные экспериментальные зависимости исследуемых осж (прямые /), Е (2), асдв (3), ан (4) от продолжительности гидротермической обработки г в различных температурных режимах в полулогарифмическом масштабе при давлении 0,10—0,15 МПа (а) и 0,15—0,20 МПа (б) приведены на рис. 1 и 2 при давлении 0,20—0,25 МПа (а) и 0,25—0,30 МПа (б). Анализ графических зависимостей свидетельствует, что они имеют вид прямых.

При этом наблюдается ряд отклонений экспериментальных значений прочностных характеристик от теоретического механизма их снижения, Так, скорости снижения осж и Е, определяемые по углу наклона соответствующих прямых, имеют незначительные отличия (теоретически скорости равны & ). Следовательно, выведенная зависимость носит более сложный характер. Видимо, в процессе гидротермической обработки происходит частичное разрушение минерального каркаса кости, что отражено в экспериментальных данных.

Зависимости 1п к [ — I темпа снижения струк-\Т)

турно-механических характеристик от температурного режима гидротермической обработки в полулогарифмическом масштабе построены с использованием значений к , к , & , вычисленных по углу наклона прямых 1п У (г). Анализ свидетельствует, что полученные зависимости имеют вид прямых с одинаковым наклоном — в соответствии

с формулой рО). С помощью графических зависимостей 1п к | была определена энергия активации процесса размягчения кости е -17,0 кКал/моль, что соответствует порядку типичного значения Е для водородных связей и подтверждает теоретическое описание механизма исследуемого процесса в рамках упрощенных представлений о нем.

Полученные значения прочностных характеристик кости можно использовать в различных технологических расчетах. В частности, принимая измеренное значение асдв равным пределу текучести пластичного материала (кости) т$, можно вычислить удельное сопротивление кости резанию /р, необходимое для расчета соответствующего из-мельчительного оборудования. Используем теоретическое выражение для давления Р плоского штампа, внедряемого в полупространство (при отсутствии трения на боковых поверхностях штампа) [101:

2)

5,14

(31)

Г = (* - .г

Эту величину обычно называют сопротивлением' материала резанию. Удельное сопротивление резанию }р, определяемое как усилие резания на единицу длины лезвия [11] для штампа (лезвия) с площадью внедряемой поверхности 5 = 1Ь (/ и Ь — длина и ширина лезвия / >>Ь), равно:

{ РЗ ,

1Р - “Г = Рь-

I

(32)

Полагая г4 = асдв, из (31) и (32) находим: \р « 5,14Ь асдв.

Типичный порядок этой величины (при Ь

(33)

мм, асдв- 60 МПа) составляет 300 кН/м (в исходном состоянии вываренной свиной кости). При гидротермической обработке значение [р для кости

ИЗВЕСТИЯ

значительно уменьшается в связи с уменьшением Осдв и может доведено до уровня, достаточного для измельчения кости на маломощном оборудовании, распространенном на предприятиях общественного питания.

ВЫВОДЫ

1. В процессе автоклавирования прочностные характеристики кости снижаются со временем, причем при повышении температуры в автоклаве темп спада прочности кости возрастает.

2. Указанные эффекты могут быть объяснены и приближенно описаны количественно на основе упрощенных теоретических представлений о разрыхлении костной ткани при длительном тепловом воздействии в результате денатурации коллагеновых волокон в структуре кости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Файвишевский М.Л., Либерман С.Г. Производство сухих животных кормов. — М.: Лег. и пищ. пром-сть. — 1984. — 328 с.

2. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. — М.: Химия. 1977. — 368 с.

3. Беляев М.И., Быков А.Н. Исследования структурно-механических свойств вываренной кости // Мясная индустрия. — 1987. — № 12.

4. A.c. S166776. А 23 К 1/10 СССР. Способ приготовления корма из пищевых отходов / М.И. Беляев. A.A. Простаков. М.П. Косиченко и др. — Опубл. в Б.И. — 1985. — Ко 26..

5. Кнетс И.В., Пфафрод Г.О., Саулгозис Ю.Ж. Деформи-ование и разрушение твердых биологических тканей. — ига: Зинатне, 1980. — 319 с.

6. Ленинджер А. Биохимия. — М.: Мир, 1974. — 958 с.

7. Чижикова Т.В. Измельчение мяса и мясопродуктов. — М.: Лег. и пищ. пром-сть. 1983. — 263 с.

8. Бальшнн М.Ю. НаучнМе основы порошковой металлургии и металлургии волокна. — М.: Металлургия. 1972. — 336 с.

9. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. — М.: Высшая школа, 1974. — 400 с.

10. Соколовский В.В. Теория пластичности. — М.: Высшая школа, 1969. — 608 с.

11. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов: Справ. / Под ред. A.B. Горбатова. — М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1982. — 296 с.

Кафедра оборудования предприятий

общественного питания

Поступила 22.03.89

664.952.011

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ ПРИ ФОРМОВАНИИ ПРОДУКЦИИ ИЗ РЫБНОГО ФАРША

Е.Ф РАЙКОВА, В.Г. ПРОСЕЛКОВ, В.В. КОГАН,

Р.И. АЛЯНСКИИ

Астраханский технический институт рыбной промышленности и хозяйства

Научно-производственное объединение "Спектр"

Организация процесса переработки сырья является одним из важных направлений в рыбной промышленности. Изменения в сырьевой базе рыбной отрасли: увеличение доли мелких рыб и рыб пониженной товарной ценности — ведут не только к поиску принципиально новых подходов в использовании сырья, но не исключают и традиционных принципов обработки. Так, усиленное развитие получает рыбокулинарное производство, которое сопровождается расширением ассортимента за счет производства структурированных и формованных продуктов.

Среди нетрадиционных для отрасли, принципиально новых пищевых продуктов следует назвать в первую очередь экструзионные продукты.

Формование выдавливанием через матрицу определенного поперечного сечения, определяющего внешний вид готового продукта или полуфабриката, является наиболее перспективным из всех существующих способов формования. Этот способ, называемый экструзией, прост и экономичен, обеспечивает безотходность технологического процесса, дает возможность создать поточное производство, основанное на комплексной автоматиза-

ции всех операций. Основное достоинство метода экструзии — возможность изменения структурномеханических свойств обрабатываемого продукта, а через них — теплофизических и массообменных свойств в нужном направлении.

С развитием в последние годы экструзионного формования различных видов пищевых изделий (хлебобулочных, кондитерских, МЯСНЫХ и др.) появилась необходимость в исследовании данного способа обработки применительно к рыбному сырью. В рыбной промышленности чаще всего используется серийное формующее оборудование других отраслей, особенно мясной, тем более, что технология обработки мясного и рыбного сырья в основном совпадает.

Однако при расчете и конструировании формующих машин и их рабочих органов нельзя не учитывать особенностей рыбного сырья. Имевшее ранее место допущение о постоянстве физических характеристик при его переработке неоправдано. Из-за отсутствия инженерных методов расчета формующие машины создаются в основном интуитивным путем, основанном на производственном опыте. Такие машины не могут считаться оптимальными.

При управлении процессом формования рыбного фарша наиболее целесообразно контролировать реологические характеристики сырья.

Исследовали производственные фарши для выработки колбасно-сосисочных и пельменных изде-

лий из со разрушеш использов; рез канал.

Экспери новке, укс скими И I различное сть истече измеряли . выходе из

В реаль колебания ческих ха были опре ских свойс влажности давлении.

Реологи методами ции. Для о метров бь| ЭВМ. Опр| ния сдвиг] сти, индек ры и др. с

Получен ческие, ки процесса скими СВ

с

Г.В. САД0 Т.М. БЕЗВЕ И.Л. СИМА, В.З. ШАРФ И.И. ЗАХАІ

Украинский і жиров (Харь Институт к академии на\ Институт а (Москва) Кубанский гс

В насто| ленности і тура плавл целью полі мышленно|