Спосіб визначення міцності багатокомпонентної структури рослинних паст

Реферат: Спосіб визначення міцності багатокомпонентної пористої структури рослинних паст передбачає визначення середнього радіуса r диференціальної функції розподілу мікрокапілярів за радіусами f (r ) , для чого експериментально визначають ізотерму сорбції при кімнатній температурі, представляють ізотерму у вигляді  а In (r )  в293  u  u0 exp  293 , r   де u - вологовміст продукту при відносній вологості повітря  , u0 - гігроскопічне значення продукту при   1, a 293 ; в293 - сталі ізотерми при кімнатній температурі, r - поточний радіус, складають три рівняння для різних  (наприклад   0,3;   0,6;   0,9 ), знаходять u0 , a293 , в293 . Диференціальну функцію розподілу мікрокапілярів за радіусами f (r ) визначають за формулою в  а293  а293In (r )  а In (r )  в293  f (r )  293 exp  293 , 2 r   r знаходять середній радіус пор r  r max  rf(r )dr rmin і співставляють їх для різних добавок. UA 83943 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ МІЦНОСТІ БАГАТОКОМПОНЕНТНОЇ СТРУКТУРИ РОСЛИННИХ ПАСТ UA 83943 U UA 83943 U 5 10 15 20 25 Корисна модель належить до харчової промисловості, а саме до створення багатокомпонентних продуктів (паст) з використанням БАД. Відомий спосіб, який супроводжується утворенням багатокомпонентних структур, пов'язаний з переробкою дисперсних систем різних пружно пластичних матеріалів [1] Реологічні властивості рослинних паст можна використати як контролюючі параметри при створенні багатокомпонентних структур. Недоліком цього методу є трудомісткість та залежність кінцевого результату від стану та умов навантаження зразка. Відомо багато випадків, коли в процесі технологічної обробки продукту один і той же продукт переходить із одного реологічного стану в інший, часто протилежний за властивостями першому. Найбільш близьким технічним рішенням до корисної моделі є спосіб визначення теплоти адсорбції пористих харчових продуктів, який запропонований нами раніше [2]. Спосіб передбачає визначення тангенса кута нахилу прямої (ізостери) по залежності між рівноважним тиском φ і оберненою температурою 1/Т, для чого експериментально визначають ізотерму сорбції при кімнатній температурі Т1 =293 К, яку представляють у вигляді  а In (r )  в293  u  u0 exp  293  r   де u - текучий вологовміст зразка, відн. од.; u0 - гігроскопічний вологовміст при сорбції, відн. од.; r - поточний радіус капілярів, нм a293 ; в293 - сталі, які знаходять, виходячи з виду експериментальних ізотерм сорбціїдесорбції при Т=293К. А ізотерму для іншої температури Т 2=313К розраховують, для чого складають три рівняння при різних  і знаходять сталі u0 , a 293 , в293 , складають два рівняння при різних  ; одержують a313 , B313 , визначають мінімальний радіус мікрокапілярів при відносній вологості повітря  за формулою t 0  a293 Inr 293  в293 , максимальний радіус капілярів, що заповнюються вологою при температурі Т 2=313К, за формулою r2  exp(r0293  в313 ) / a313 ; теплоту адсорбції при відносній вологості повітря  за формулою (T2r2  T1r1)RT1In  ; (2) (T2  T2 )r1 де r1 - максимальний радіус мікрокапілярів, які заповнюються за рахунок сорбції водяної пари при відносній вологості повітря  і температурі Т1=293К, який знаходять за формулою Томсона (Кельвіна) 2V r1  RTIn  де  - поверхневий натяг води; V - молярний об'єм водяної пари; R - газова стала. Недоліком цього способу є складність теоретичної побудови ізотерми за однією експериментально визначеною ізотермою і, відповідно, визначення Q  при різних відносних вологостях повітря. В основу корисної моделі поставлено задачу створення нового (спрощеного) способу визначення міцності багатокомпонентної структури рослинних паст, який дозволяє визначати вклад кожної добавки окремо у міцність продукту. Як критерій, що дозволяє оцінювати структурні зміни в багатокомпонентних пастах при зміні співвідношення компонентів використовують дисперсність продукту, а саме диференціальну функцію розподілу пор за радіусами (ДФР) - її середній радіус r , для знаходження якого використовують аналітичний вираз, що описує ізотерми сорбції-десорбції і постійні якого входять до аналітичного виразу для визначення ДФР. На відміну від прототипу графічне представлення ДФР паст дозволяє визначити радіуси превалюючих пор rmax , що використовується як основний критерій при визначенні диференціального впливу рецептурних складових на міцність паст. При цьому кожна добавка має свою ДФР з відповідним rmax , порівняння яких дозволяє співставити вплив різних за природою домішок на дисперсність паст і, відповідно, міцність, яка побічно визначається Q  30 35 40 45 50 1 UA 83943 U 5 поверхнею стикання рецептурних компонентів між собою - величиною 1/ rmax . Такий підхід точно характеризує міцність скріплення компонентів, що входять до рецептурного складу, і дає чітке уявлення про загальні відмінності у структурній побудові паст. Поставлена задача вирішується тим, що ізотерму при кімнатній температурі представляють у вигляді (1), складають три рівняння при різних  (  0,2;   0,5;   0,8 або   0,3;   0,6;   0,9) і знаходять u0 , a 293 , в293 ; визначають аналітичний вираз для диференціальної функції розподілу мікрокапілярів за радіусами f (r ) за формулою в  а293  а293In (r )  а In (r )  в293  (4) f (r )  293 exp  293  2 r   r Графічне представлення f (r ) в діапазоні 0….0,1 мкм дозволяє визначити середній радіус 10 r r max  r f (r )dr r 15 20 та порівняти ці значення з використанням різних домішок (БАД). min [1] Мачихин Ю.А., Инженерная реологія пищевых материалов [Текст] / Ю.А. Мачихин, С.А. Мачихин - М.: Лекая и пищевая пром.-сть, 1981. - 216 с. [2]. Деклараційний патент 55621 А Україна, МКВ G01N30/00. Спосіб визначення теплоти адсорбції пористих харчових продуктів / Захаренко В.О.; заяв - ник та патентовласник ХДУХТ (Україна). - № 2002010439; заявл. 17.01.2002; опубл. 15.04.2003, Бюл. № 4-4 с Приклад. Як приклад розглянемо пористу структуру паст, в яких як основний компонент використали яблуко, а як добавки використовували різну дикорослу сировину: айву, чорницю, бузину, зізіфус - таблиця 1. Як критерій, який дозволяє позитивно оцінити структурні зміни в пастах при зміні співвідношень компонентів, зокрема механічну міцність паст, співвідношення вільної і зв'язаної вологи, консистенцію продукту була вибрана дисперсність, яка однозначно характеризується середнім радіусом пористої 25 Таблиця 1 Рецептурні компоненти паст з ДПС Компоненти, г 1а 60 35 5 Яблуко Айва Бузина Зізіфус Чорниця Композиція 1 1б 1в 70 50 25 45 5 5 2а 60 35 5 Композиція 2 2б 7025 5 2в 50 45 5 Контроль 100 структури продукту r - є його зворотною величиною. r rmax  rf(r )dr (5) rmin 30 35 де rmin - мінімальний радіус мікрокапілярів; rmax - максимальний радіус мікрокапілярів. Для побудови ізотерм сорбції застосовували тензометричний спосіб Ван-Бамелена. Для опису ізотерм сорбції - десорбції використовували рівняння (1) Відмінною особливістю цієї методики є те, що постійні а і в , які входять в рівняння (1), одночасно входять і в аналітичний вираз (4), який описує ДФР. Це значно спрощує знаходження ДФР для харчових продуктів. Використання (1), при відповідному виборі значень параметрів а, в , W0 дозволяє знаходити значення рівноважних вологостей кривих сорбції - десорбції в усьому діапазоні відносної вологості повітря, аж до його гігроскопічного значення. Для підвищення точності отриманих значень а, в , W0 необхідно робити перебірку значень () і усереднювати визначені значення параметрів кривої (1). 2 UA 83943 U 5 10 Перехід від відносної вологості повітря () до радіусів мікрокапілярів (r ) здійснюємо за формулою (3). Такий підхід дозволяє легко за експериментальними точками ізотерм сорбції-десорбції визначити параметри а і в (а також при необхідності W0 ) і за формулами (2), (4) оцінити дисперсність експериментальних зразків. У таблиці 2 наведені експериментальні значення рівноважних вологовмістів 2-х зразків (компоненти, які входять в зразки, наведені в таблиці. 1). Для знаходження значень а, в , W0 спочатку використали експериментальні значення при   0,2;   0,5;   0,8 , а потім при   0,3;   0,6;   0,9 . Отримані значення а і в усереднювали і надалі використали для побудови ДФР за формулою (4). Як контрольний зразок в роботі використовували сировинну основу - яблуко. Криві ДФР для зразків з різним вмістом дикорослої сировини наведені на фіг. 1,2. Таблиця 2Експериментальні значення початкових вологовмістів зразків і розрахункові значення параметрів ізотерм і ДФР Сталі ізотерм Зразки 2а 2б 0,177 нм. 0,319 нм. 1,428 нм. 1,31 нм. 0,51 0,470 1a 1,095 нм. 1,88 нм. 0,430 1б 1,2 нм. 2,9 нм. 0,48 1в 0,73 нм. 1,273 нм. 0,317 1,1 нм. 1,1 нм. 0,9 нм. 0,6 нм. W  0,2 0,050 0,083 0,073 W  0,4 0,073 0,095 W  0,6 0,120 W  0,9 0,282 а в W0 rпрев 15 20 25 30 35 40 2в 0,128 нм. 1,384 нм. 0,5 Контроль 1,48 нм. 1,77 нм. 0,6 0,8 нм. 0,7 нм. 1,75 нм. 0,067 0,055 0,069 0,106 0,095 0,146 0,162 0,152 0,111 0,181 0,134 0,244 0,283 0,248 0,150 0,279 0,238 0,426 0,446 0,430 0,370 Графіки розподілу пор за радіусами (ДФР) для зразків № 1 і № 2 приведені на фіг. 1 і фіг. 2. Наведені криві є типовими для мікропорової області, оскільки містять максимуми. Очевидно, що чим вище дисперсність зразків, тим більше кількість мікрокапілярів з меншим радіусом пор, і велика контактна поверхня між компонентами, які утворюють комбінований продукт, і за інших рівних умов сила зчеплення між компонентами буде більшою. Аналіз представлених на кресленнях графіків ДФР показує, що криві ДФР розташовуються тісно, тобто відсутній переважаючий вплив якого-небудь із зразків при збільшенні концентрації добавки. Що в цілому вказує на малі зміни дисперсності при зміні рецептури паст. Але порівняння максимальних значень ДФР для контрольного зразка і досліджуваних зразків показує, що при внесенні домішок максимальні значення ДФР зміщуються в сторону малих радіусів пор в 2…2,2 рази, що вказує на значне збільшення їх дисперсності. Для оцінки впливу домішок на дисперсності отриманих зразків скористаємося формулою (2) для знаходження середнього радіусу мікрокапілярів, оскільки його значення - зворотна величина дисперсності. Інтеграл у формулі (2) знаходимо графічним шляхом. Середні радіуси мікрокапілярів з урахуванням f (r ) на фіг. 1. і фіг. 2. мають такі значення: №1а  r  2,37 нм ., №1б  r  2,08 нм ., , , №1в  r  182 нм ., далі: №2а  r  151 нм ., №2б  r  169 нм ., №1в  r  17 нм . , , Аналіз отриманих значень для r показує, що дійсно дисперсність досліджених зразків відрізняється мало. Проте у зразка № 1 простежується тенденція до зниження дисперсності при переході від концентрації айви 25 % (зразок №1б ) до її концентрації 35 % (зразок №1а ), і зростанні дисперсності при подальшому збільшенні концентрації айви до 45 % у зразка 1в . Тепер порівняємо вплив домішок айви на дисперсність одержаних паст, виходячи із одержаних значень середнього радіуса мікрокапілярів. Відхилення середнього радіуса мікрокапілярів r між зразками 1б і 1а становить 13 %, тоді як точність сорбційного методу становить 15 %, тобто в даному випадку немає сенсу говорити про зростання міцності при внесенні 35 % айви у порівнянні з її внесенням у кількості 25 %. Теж саме можна стверджувати і при внесенні 45 % 3 UA 83943 U 5 10 15 20 айви у пасту замість основи -яблука. У цьому випадку у нас відбувається зменшення значення середнього радіуса, але воно теж становить всього 13 %, що знаходиться у межах похибки сорбційного методу. Якщо порівняти вплив домішки зізіфусу на дисперсність одержаних паст, то, виходячи із значень середніх радіусів мікрокапілярів, маємо наступне. При збільшенні концентрації зізіфусу від 25 % до 35 % (зразки 2б і 2а ) маємо збільшення дисперсності одержаних паст, а при збільшенні зізіфусу до 45 % навпаки, відбувається зниження дисперсності пасти. Виходячи з того, що середні радіуси паст зразків 2а , 2б та 2в відрізняються між собою на 12 %, то можна стверджувати, що вплив концентрації домішки зізіфусу на міцність паст, як і в попередньому випадку, мінімальний. Оцінка дисперсності по середньому радіусу пор r дозволяє також зіставити адекватність добавок при їх використанні для підвищення дисперсності зразків. Для цього зіставимо середні радіуси переважаючих зразків № 1 і № 2, які наведені вище. Для зразка № 1 найбільшу дисперсність має зразок № їв з середнім радіусом r  182 нм ., тоді як у зразка №2 , що , переважаючим за дисперсністю являється зразок №2а з середнім радіусом r  1,5нм. Оскільки середній радіус у зразка №2а менше в 1,2 разу від середнього радіусу для зразка №1 , то, в відповідно, дисперсність зразка №2а вище в 1,2 рази по відношенню до зразка №1 . Це в означає, у свою чергу, що ефективність добавки зізіфуса по відношенню до айви в даному випадку вище в 1,2 раза. Таким чином, аналіз дисперсності паст, до складу яких входять дикоросла сировина, по середньому радіусу мікрокапілярів r дозволяє оцінити вклад кожної з добавок у збільшення дисперсності продукту, його питомої поверхні, порівняти силу зчеплення між компонентами, що утворюють комбінований продукт через поверхню їх зіткнення. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Спосіб визначення міцності багатокомпонентної пористої структури рослинних паст, який передбачає визначення середнього радіуса r диференціальної функції розподілу мікрокапілярів за радіусами f (r ) , для чого експериментально визначають ізотерму сорбції при кімнатній температурі, представляють ізотерму у вигляді  а In (r )  в293  u  u0 exp  293 , r   де u - вологовміст продукту при відносній вологості повітря  , 35 u0 - гігроскопічне значення продукту при   1 , a 293 , в293 - сталі ізотерми при кімнатній температурі, r - поточний радіус, складають три рівняння для різних  (наприклад   0,3;   0,6;   0,9 ), знаходять u0 , a 293 , в293 , який відрізняється тим, що диференціальну функцію розподілу мікрокапілярів за радіусами f (r ) визначають за формулою в  а293  а293In (r )  а In (r )  в293  f (r )  293 exp  293 , 2 r   r 40 знаходять середній радіус пор r  r max  rf(r )dr і співставляють їх для різних добавок. rmin 4 UA 83943 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5