Для объективной характеристики консистенции молочных про­дуктов в настоящее время используют различные методы: механиче­ский, органолептический, химический.

Не исключая необходимости проведения органолептической оценки консистенции и признавая ее как базовую, следует отметить, что для экспрессного получения необходимых, воспроизводимых и относительно легко стандартизируемых данных в настоящее время применяются инструментальные методы оценки консистенции мо­лочных продуктов. Изучение СМХ вязко-пластичных продуктов ста­ло элементом лучшего понимания их консистенции и позволило сделать определенные шаги на пути решения проблемы ее регулиро­вания на всех стадиях производства. Регулирование осуществляется путем контроля параметров на соответствие определенным требова­ниям, от которых зависит качество и потребительская приемлемость молочных изделий. Современная молочная индустрия требует не только метрологического контроля консистенции готового изделия.

Но и необходимой информации о сырье, наборе компонентов рецеп­туры, параметрах технологических методов, позволяющих целена­правленно действовать в процессе обработки сырья. При этом необ­ходимо установление взаимосвязи инструментальных и органолеп — тических показаний, что позволит эффективно управлять качествен­ными характеристиками, в частности консистенцией готовых изде­лий, например мороженого по СМХ.

Для промышленности необходимо выбрать такой метод опре­деления СМХ, который позволил бы измерять свойства слабо струк­турированных, вязко-пластичных и практически твердых систем, образующихся при производстве мороженого.

Наиболее полно по всему объему характеризуют консистенцию пищевых продуктов, в том числе и мороженого на различных стади­ях его производства сдвиговые характеристики. Рассмотрим методы определения СМХ наиболее часто используемого сырья при произ­водстве мороженого.

Молоко. Первоначальным сырьем для производства морожено­го является молоко, которое представляет собой сложную полидис — персную систему состоящую из дисперсионной среды — вода (83- 89%) и дисперсионной фазы — жир, белки, газы и т. д. (17-11%). Вязкость молочных продуктов предполагается считать состоящей из вязкости дисперсионной среды и величины ее приращения вследст­вие образования структуры за счет дисперсной фазы:

Т| = 0,069 ■ 10-"1 ехр(190007′* /Я){(1 + 4,5Кдф) +

+ !,67{|"ехрГ38007^ /Я)-1]},

Где Т… избыточная обратная абсолютная температура, 1/К; Я — уни­версальная газовая постоянная, 8,3 /4 Дж’(моль-К); Кдф — объемная кон­центрация дисперсной фазы, лЛ’Чг т. е. безразмерная величина, выра­женная в Оолях единиц. Уравнение перед фигурной скобкой, характери­зует изменение вязкости воды в зависимости от температуры; 4,5Упф — поправка на дисперсную фазу; второй комплекс в фигурных скобках учитывает приращение вязкости за счет структуры, которая исчеза­ет после механического воздействия на, молоко.

У концентрированных молочных продуктов структурная со­ставляющая вязкости так существенна, что вязкостью дисперсион­ной среды можно пренебречь. Структурной составляющей присущи предельное напряжение сдвига (ПНС) и аномалия вязкости.

Дисперсная фаза молока состоит в основном из содержания жи­ра и белка, которое колеблется соответственно в следующих преде­ лах от 0,5 до 6% и от 2,8 до 6%. В. Д. Косой и М. Ю. Меркулов опре­делили вязкость молока на ротационном вискозиметре Брукфильда с различным содержанием белка (Б) и жира (ф) в зависимости от тем­пературы.

Криволинейные зависимости изменения вязкости молока от температуры в прямолинейных шкалах, а, кото­рые аналогичны и спрямляются в полулогарифмических шкалах. Из анализа графических зависимостей вид­но. что температура 40 °С является критической, после которой темп изменения вязкости уменьшается. Поэтому определение вязкости молока можно разбить на две зоны: первая — от 0,5 до 40 °С, вторая — от 40 до 80 °С. В первой зоне отмечено, что темп изменения вязко­сти незначительно зависит от содержания жира и колеблется от 0,028 до 0,0315, при среднем значении 0,03. во второй зоне практи­чески не зависит и равен 0,013. Для решения практических инже­нерных задач ими предложена следующая зависимость:

Тг = Д72,40ср2 + 26,24£+1)ехр(5-6г’),

Где А — коэффициент, равный 2,21 -10~ъ Па е; ф, Б — содержание соот­ветственно жира и белка в молоке в долях единицы; В — эмпирический коэффициент равный 0,6 для первой зоны температур (0,5+40 °С) и 0,08 — для второй (40+80 °С); Ь — темп изменения величины вязкости от температуры и равный для первой зоны 0,03 и второй — 0,013, С — относительная безразмерная температура равная по абсолютной ве­личине истинной температуре?„ °С
Погрешность расчета по зависимости 2.2 не превышает в ос­новном 2%.

По данным профессора ГЛ. Кука, динамическая вязкость моло­ка, замеренная на вискозиметре Гепплера. уменьшается с повыше­нием температуры до денатурации в нем белков следующим обра­зом: при г = 5 и 10 °С, Т| = 2,96*10"" и 2,47-10 ° Па-с, при дальнейшем увеличении температуры до 80 °С с интервалом в 10 градусов, вяз­кость будет соответственно равна: (1,73; 1,33; 1,04; 0,85; 0,71; 0.62: 0,57) -10"3 Па-с. В дальнейшем характер изменения вязкости от тем­пературы меняется на обратный, т. е. она увеличивается.

Истинные показания вязкости во многом зависят от типа ис­пользуемого прибора и его теоретического обоснования. Так, на­пример, при одинаковом характере изменения вязкости молока от химико-технологических факторов, истинные ее значения, замерен­ные на капиллярном (Гепплера) и ротационном (Брукфильда) виско­зиметрах связаны следующим соотношением:

Т|Б = 2,21г|г; (2.32)

Где г]в и г|г — соответственно, значения вязкости молока, определенных на вискозиметрах Брукфильда и Гепплера.

По данным Р. Раманаускаса при увеличении температуры пас­теризации с 63 до 100 °С вязкость молока для не разрушенной струк­туры изменяется от 1.995-10""3 до 2,422-10 "’ и от 1,852-10"3 до 2,147-10~3 Па-с для разрушенной структуры, которая восстанавлива­ется через 15 мин до 1,881-Ю""1 и 2,185-Ю"3 Па-с, Интересно заметить, что при увеличении температуры с 63 до 80 °С и с 85 до 100 °С, вяз­кость увеличивается всего на 4,5^4.8%, а с 80 до 85 °С — на 11%, что подтверждает денатурацию белков в этом интервале температур.

Вязкость была замерена на ротационном вискозиметре «Реотест», которая отличается по сравнению с данными, полученными на вис­козиметре Гепплера, в сторону увеличения почти в 3 раза.

Сливки могут быть отнесены практически как к ньютоновским, так и к неньютоновским жидкостям, в зависимости от концентрации жира. При содержании жира в сливках до 30%, аномалия вязкости проявляется незначительно, что позволяет при инженерных расчетах отнести их к ньютоновским жидкостям. Энергия активации сливок, проявляющих неньютоновское течение, зависит от концентрации в них жира и от градиента скорости. Вязкость сливок во многом зави­сит от соотношения фракции жира с высокой и низкой температурой плавления, продолжительностью и условиями их хранения. Сливки после созревания перед сбиванием их в масло, имеют большую вяз­кость. чем не подвергавшиеся созреванию, что аналогично процессу выдержки смеси мороженого перед фризерованием. Исследования были выполнены на ротационном вискозиметре «Реотест».

По данным В. Д. Косого и М. Ю. Меркулова, сливки жирностью до 50% являются слабоструктурированной системой. При содержа­нии жира от 50 до 60% происходит увеличение эффективной вязко­сти при единичном значении градиента скорости на порядок, при­мерно в 25-30 раз. Это объясняется структурированными измене­ниями состояния сливок. Сливки жирностью более 50 и менее 60% относятся к переходной фазовой системе. Сливки жирностью более 60% относятся к вязко-пластичной системе.

Для решения практических инженерных задач по определению эффективной вязкости г| Н], темп ее изменения от градиента скорости у
Принят одинаковым во всем диапазоне переменных предлагаются следующие уравнения:

- для сливок со слабоструктурированной системой
И>ф = I (Г*ехр(0,43 4 7,1 4) ■ у "азд,
- для сливок с вязко-пластичной системой
Л)ф=10-’ехр(2,67^7,56ф)-Г°’46.

Погрешность расчета по уравнениям не превышает 10%.

Смеси мороженого. Профессор П. В. Барановский определял вязкость молочной и сливочной смеси мороженого в интервале тем­ператур от 15 до 85 °С. которая менялась, соответственно, от 2,3-10 до 4.3-10"° и от 26.9-10"1 до 3.9-10Па-с, рассматривая ее как ньюто­новскую жидкость.

По данным Т. A. Nickerman и P. Sherman, увеличение содержа­ния сахара или концентрации жира вызывает повышение вязкости смеси мороженого, а увеличение размера жировых частиц — умень­шает. Смеси мороженого проявляют аномалию вязкости, которая незначительно уменьшается с увеличением градиента скорости. По данным J1.K. Николаева, вязкость смеси мороженого пломбир сли­вочный при температуре от 5 до 25 °С с интервалом в 5 °С, при уве­личении градиента скорости от 365 до 1312 вязкость уменьшалась всего на 8-10%. При положительных температурах смесям для мо­роженого присущи весьма малые значения ПНС.

Мороженое. В ходе проведения экспериментальных исследова­ний Ю. А. Оленевым установлено, что с повышением массовой доли стабилизатора и сухих веществ увеличивается предельное напряже­ние сдвига мороженого. Предельное напряжение сдвига было опре­делено с помощью конического пластометра Ребиндера-Семененко. С увеличением взбитости продукта ПНС уменьшается. Понижение температуры ниже криоскопической вызывает образование кристал­лов льда, что приводит к увеличению ПНС.

Установлено, что после фризерования при температуре -4 °С ПНС не превышает 10 Па. При температуре -23 °С ПНС не более 2,35 кПа для молочного мороженого (взбитость 60%). ПНС не более 1,96 кПа для сливочного (взбитость 75%), ПНС не более 690 Па для пломбира (взбитость 90%).

Размеры кристаллов льда определяют основные пороки струк­туры мороженого: слабоснежистая, снежистая, сильноснежистая, льдистая или грубокристаплическая. Размер кристаллов льда, харак­тер их распределения оказывает решающее влияние на твердость (прочность) его структуры.

С помощью конического пластометра Ю. А. Оленевым и Л. Д. Бду — ленко определена прочность структуры мороженого при хранении. Установлено, что увеличении прочности структуры молочного и сливочного мороженого вызывается в основном дополнительной кристаллизацией влаги, а пломбира — перекристаллизацией лактозы. При хранении мороженого при одной и той же температуре (255 К) значения предельного напряжения сдвига мороженого пломбир меньше сливочного и молочного, соответственно, на 19% и 88%.

При понижении температуры хранения в связи с увеличением доли вымороженной влаги значение предельного напряжения сдвига увеличивается. При температуре хранения 261, 255 и 243 К доля вы­мороженной влаги в молочном мороженом соответствен но составит 73, 79, 85%, а в пломбире ~ 65. 71, 76%. В результате рекристаллиза­ции влаги происходит снижение предельного напряжения сдвига (ПНС). При хранении мороженого показатель предельного напряже­ния сдвига может увеличиваться за счет роста размеров кристаллов льда. В период незначительных изменений ПНС эти два процесса уравновешивают друг друга, таким образом твердость мороженого изменяется незначительно. До достижения максимальных значений ПНС в молочном мороженом сохраняется слабоснежистая или сне­жистая структура. В период уменьшения ПНС отмечается сильно­снежистая или грубокристаллическая структура. В пломбире за весь период хранения при температуре 261 К снежистой структуры не установлено. Изменение ПНС при данной температуре связано с по­явлением и увеличением кристаллов лактозы.

В процессе экспериментальных исследований A. A. Твороговой установлено, что наиболее интенсивно прочность структуры моро­женого возрастает в первые 1-1,5 месяца хранения. Наибольшего значения достигает показатель ПНС в молочном мороженом без гла­зури, хранившемся при температуре 261 и 265 К в глазированном молочном мороженом и в пломбире без глазури — при температуре хранения 261 К. Наибольшее значение ПНС отмечается в глазиро­ванном молочном мороженом при температуре хранения 255 и 243 К через 2—4 месяца.

Таким образом, молочные смеси мороженого, в зависимости от концентрации дисперсной фазы при положительных температурах, можно условно отнести к ньютоновским жидкостям, вязкость кото­рых можно измерять на капиллярных и шариковых вискозиметрах. При достижении определенного предела содержания дисперсной фазы продукты становятся неньютоновскими жидкостями и облада­ют незначительной аномалией вязкости и малыми значениями ПНС. К этой группе можно отнести и смеси мороженого до фризерования при положительных температурах. Определять их реологические характеристики можно также и на ротационных вискозиметрах.

После фризерования смесь становится вязко-пластичной и ее реологические характеристики для разрушенной и неразрушенной структуры можно измерять в основном на ротационных вискозимет­рах. Для оценки ее качественной характеристики — консистенции, оцениваемой наиболее чувствительной реологической величиной — ПНС, — можно использовать пенетрометры.

При переходе структуры смеси при минусовых температурах из вязко-пластичного состояния в прктически твердое мороженое в процессе его закала и хранения, консистенцию его можно оценить величиной твердости, которую можно измерять приборами, осно­ванными на методе пенетрации: пласто метрам и, консистометрами, твердомерами, пенетрометрами и др.

Для измерения консистенции мороженого с различной структу­рой и контроля технических процессов используется в основном сдвиговые характеристики, измеренные вискозиметрическим и пе — нетрационным методами. Поэтому рассмотрим наиболее распро­страненные реологические приборы, из которых необходимо выде­лить наиболее перспективные для использования не только в иссле­довательских целях, но и в промышленности для контроля качест­венной характеристики — консистенции мороженого на всех этапах его производства.