Основные структурно-механические свойства мяса

Изучение структурно-механических характеристик сырья и продукции мясной промышленности необходимо для оптимизации технологических процессов и отдельных операций, для контроля на всех стадиях обработки соответствия параметров сырья принятым требованиям, что в итоге и определяет качество мясных продуктов.

Для первичной оценки продукта необходимо изучить его структуру, т.е. характер взаимосвязи между частицами. Сплошной пространственный каркас структуры образуется путем соприкосновения дисперсных частиц или макромолекул, что вызывает проявление сил взаимодействия. В зависимости от типа энергии возникающих связей акад. П.А. Ребиндер подразделяет структуры на коагуляционные, конденсационные, кристаллизационные, а также комбинированные.

Коагуляционные структуры образуются путем сцепления частиц через тончайшие остаточные прослойки свободной или адсорбционно-связанной с ними дисперсионной среды, что осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил, способствующих протеканию самопроизвольных процессов приближения к более устойчивому термодинамическому состоянию - тиксотропного упрочения, самоуплотнения, синерезиса. Уплотнение происходит в высококонцентрированных системах, синерезис с одновременным упрочением - в слабоконцентрированных благодаря вытеснению части жидкости. Свободная жидкость может отделяться в виде фазы или находиться внутри структуры в виде мельчайших капелек. Данные структуры способны к самопроизвольному восстановлению после разрушения (тиксотропия). Прочность их при этом нарастает постепенно до определенного предела.

Конденсационные структуры получаются из коагуляционных по мере удаления жидкой фазы, при этом возникают более тесные связи между частицами, в результате чего прочность структуры постепенно увеличивается, оставаясь затем постоянной. Конденсационные структуры обладают большей прочностью, чем коагуляционные, и после разрушения не восстанавливаются. Они являются скорее хрупкими, чем пластичными.

Кристаллизационные структуры образуются путем срастания частиц или молекул при активном участии химического взаимодействия из расплавов при охлаждении и из раствора при повышении его концентрации или охлаждении. Эти структуры имеют пространственную кристаллическую решетку, прочность которой зависит от формы кристаллов. Обычно вначале образуется наименее прочная и термодинамически неустойчивая кристаллическая форма, с течением времени переходящая в более прочную и термодинамически устойчивую форму.

Для мясопродуктов наиболее характерен коагуляционный тип структуры, которая является следствием взаимодействия между части­цами вещества на основе ван-дер-ваальсовых сил через дисперсионную среду. Структурам такого типа присуща тиксотропия. Очевидно, что структурно-механические свойства коагуляционных систем значительно зависят от содержания воды, размеров частиц и прослоек, их физико-химических свойств, что весьма существенно для проведения технологических процессов, например при измельчении мяса.

Типичным представителем продукта с коагуляционной структу­рой является сырой колбасный фарш. Прерывная дисперсная фаза в нем представлена белковыми частицами и агрегатами, частицами жира, мельчайшими обрывками мышечной и жировой ткани, а непрерывная фаза - водным раствором некоторых мышечных белков, других органических соединений и электролитов (главным образом хлористого натрия). Белки, растворенные в непрерывной фазе, придают фаршу пластичность и липкость.

К конденсационным структурам можно отнести фарш готовых вареных и сырокопченых колбас. Образование твердой монолитной структуры вареных колбас обусловлено возникновением и развитием пространственного каркаса в результате тепловой денатурации и коагуляции белков, растворенных в непрерывной фазе сырого фарша. Возникающие при этом прочные, преимущественно водородные, связи придают каркасу статическую прочность на сдвиг. Формирование структуры фарша сырокопченых колбас происходит в результате развития двух противоположно направленных процессов: ферментативного разрушения оставшейся клеточной структуры и самопроизвольного агрегирования белковых частиц в пространственный каркас вследствие постепенного обезвоживания системы. При этом помимо водородных возникают и более прочные ковалентные связи.

Мясо и схожие с ним по структуре мясопродукты (сердце, печень и др.) по свойствам напоминают смешанные системы конденсационно-кристаллизационного типа.

Структурно-механические свойства продукта характеризуют его поведение в условиях напряженного состояния и позволяют связать между собой напряжения и скорости деформаций в процессе приложения усилий. По характеру приложения к продукту внешних усилий и вызываемых ими деформаций структурно-механические свойства можно классифицировать на три основные группы: сдвиговые, компрессионные и поверхностные.

Сдвиговые свойства определяют поведение продукта при воздействии на него сдвиговых касательных напряжений. К основным сдвиговым реологическим свойствам мясных продуктов можно отнести предельное напряжение сдвига Q₀, пластическую Q_y, и эффективную вязкость Q_эф, период релаксации Т_р, которые наиболее полно отража­ют внутреннюю сущность объекта и позволяют судить о качестве продукта и степени его обработки. Зная данные характеристики, можно определить оптимальные варианты технологического процесса.

Компрессионные, или объемные, свойства обусловливают поведение продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме или между пластинами. К параметрам, определяющим объемные свойства, относятся модуль упругости Е, равновесный модуль Е_г, период релаксации деформации при постоянном напряжении То, относительная объемная деформация б. Объемные свойства можно также использовать для оценки качества пластично-вязких (фарши) и упруго-эластичных продуктов, например готовых вареных колбасных изделий.

Особое место среди структурно-механических характеристик продукта занимают поверхностные свойства (адгезия, коэффициент внешнего трения и др.), которые определяют поведение продукта на границе раздела с другим, твердым, материалом при воздействии нормальных (адгезия) и касательных (внешнее трение) напряжений. От величины поверхностных свойств частично зависит консистенция про­дукта.

В качестве объективных характеристик готового продукта могут также служить свойства прочностные (деформация сжатия, усилие резания) и упругие (упругая деформация, модуль упругости).

Структурно-механические характеристики классифицируются также по характеру приложения к продукту внешних усилий и вызываемым ими деформациям: сдвиговые свойства проявляются под действием касательных усилий, компрессионные - при воздействии давления, поверхностные - при отрыве продукта от твердой поверхности. Ниже приведены основные понятия и определения, применяемые в реологии.

Деформация - это изменение линейных размеров тела, при котором частицы или молекулы смещаются относительно друг друга без нарушения сплошности тела. Относительная деформация при одноосном растяжении-сжатии рассчитывается по формуле:

где ∆l - абсолютная деформация, м;

l - первоначальный размер тела, м.

Скорость деформации при растяжении-сжатии и сдвиге равна:

где у - скорость деформации при сдвиге, с^-1;

τ - время, с;

у- относительная деформация при сдвиге.

Если деформация под действием конечных сил увеличивается непрерывно и неограниченно, то материал начинает течь. Установившийся режим течения характеризуется градиентом скорости:

где u - линейная скорость элементарного слоя, м/с;

z - координата по нормали к вектору скорости, м.

Напряжение - это мера внутренних сил, возникающих в теле под влиянием внешних воздействий на единицу площади, нормальной к вектору приложения силы:

Где P – сила, Н

F – площадь, м²

Напряжение в точке:(

Упругость - способность тела после деформирования полностью восстанавливать свою первоначальную форму или объем - характери­зуется модулем упругости первого рода (Е, Па) при растяжении-сжатии и модулем упругости второго рода (G, Па) при сдвиге. Величины деформаций определяются законом Гука:

а = ε·Е; θ = y·G, Па.

Адгезия характеризует слипание разнородных твердых или жид­ких тел, соприкасающихся своими поверхностями. В процессе технологической обработки мясопродукты находятся в контакте с поверхностями различных рабочих органов машин. Поэтому величина адгезии характеризуется как сила нормального отрыва пластины от продукта:

где Р₀ - сила отрыва, Н;

F₀- геометрическая площадь пластины, м².

Отрыв может быть трех видов: адгезионный - по границе контакта, когезионный - по слою продукта и смешанный (адгезионно-когезионный). При любом виде отрыва удельную силу часто называют липкостью и давлением прилипания.

Пластичность - способность тела под действием внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности. Пластическое течение начинается при величине напряжения, равной пределу текучести. При сдвиговых деформациях используется понятие «пенетрационные свойства».

Пенетрация - метод определения физико-механических свойств путем вдавливания в продукт посторонних тел разной формы и размеров. Основной величиной, получаемой при пенетрации, является предельное напряжение сдвига.

В настоящее время разработаны инструментальные методы определения структурно-механических свойств мяса и мясопродуктов с использованием множества принципов: пенетрация индектора в толщу продукта, приложения к образцу сжимающего или растягивающего усилия, испытание на срез, приложение циклического нагружения, продавливание исследуемого материала через сопло, отрыв одного объекта от другого. Большинство применяемых на практике методов определения структурно-механических характеристик основано на из морении показателей образца, разрушающегося под действием прикладываемых нагрузок. На рис. приведена универсальная испытательная машина «ИНСТРОН-1140», которая позволяет исследовать структурно-механические свойства и определять сдвиговые, компрессионные и поверхностные характеристики пищевых продуктов.

Рисунок 54. Универсальная испытательная машина «ИНСТРОН-1140».

Электропроводность (показатель LF)