Высокомолекулярные соединения (ВМС).

Вещества, имеющие молекулярную массу от 10000 до нескольких миллионов, называются высокомолекулярными соединениями (ВМС).

Важнейшие природные полимеры – белки и полисахариды. Природные ВМС не только формируют животный и растительный мир, но и входят в состав пищевого сырья и продуктов питания. Ряд важнейших отраслей пищевой промышленности (хлебопекарная, крахмалопаточная, продуктов брожения и др.) основан на использование природных ВМС.

По химической структуре белки являются полиамидами, исходными мономерами для их синтеза служат α - аминокислоты.

Полисахариды – соединения, состоящие из многих сотен и даже тысяч моносахаридных звеньев. К наиболее важным полисахаридам относят крахмал, целлюлозу, пектин и др.

Растворы ВМС по своим свойствам аналогичны коллоидным системам. Но в отличие от золей растворы ВМС образуются самопроизвольно и не нуждаются в стабилизаторе. Растворению ВМС предшествует набухание.

Набухание – самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, сопровождающийся увеличением массы и объема. Процесс набухания можно разбить на две стадии. На первой стадии низкомолекулярный растворитель, диффундируя в высокомолекулярное вещество, сольватирует его макромолекулы. Образование сольватной оболочки молекулы полимера сопровождается выделением теплоты, поэтому первая стадия набухания характеризуется положительным тепловым эффектом.

Молекулы растворителя в сольватной оболочке имеет более высокую плотность. Вследствие сжатия растворителя в сольватных оболочках на первой стадии набухания наряду с увеличением объема полимера происходит уменьшение суммарного объема всей системы. Сумма объемов полимера до набухания и поглощения полимером жидкости больше, чем объем набухшего полимера. Это явление называется внутренним сжатием или контракцией.

На второй стадии набухания, идущей без теплового эффекта, а иногда и с поглощением теплоты, обычно наблюдается основное увеличение объема полимера.

Иногда на второй стадии набухания происходит переход некоторой части макромолекул в низкомолекулярный растворитель. Ограниченное набухание заканчивается на 2-ой стадии, неограниченное набухание приводит к растворению полимера.

Набухание полимера характеризуется степенью набухания

a=(m-m _o )/m_o,

где m_o и m - масса полимера до и после набухания.

Набухание имеет место в процессе получения и хранения продуктов питания. Прорастанию зерна предшествует его набухание. Процесс приготовления теста заключается в смешивании муки с водой с добавкой дрожжей. Образование из муки теста происходит в результате набухания белков и крахмала. Степень набухания белков достигает 200-250%, для крахмала до 30%. Мякиш хлеба – это набухшая система. Степень набухания свежего хлеба может быть равна 15%, черствого-4%, для сухарей 25-35%.

В мукомольной промышленности для облегчения разрушения зерен при помоле их предварительно подвергают гидротермической обработке. Зерно набухает. Процесс происходит неравномерно, в результате создаются внутренние напряжения, которые способствуют разрушению (диспергированию) зерна.

При замачивании зерна при производстве солода, сырья для производства пива, кваса набухание идет более интенсивно. Замачивание кукурузного зерна перед помолом применяют при производстве крахмала. Замачивание – первая стадия процесса. Применяют замачивание и набухание агара и агароида при производстве желейных кондитерских изделий (мармелада).

Степень набухания зависит от времени. Набухание может быть ограниченным и неограниченным. В результате ограниченного набухания степень набухания достигает максимального значения и в дальнейшем не увеличивается. Ограниченное набухание приводит к образованию студня, неограниченное набухание заканчивается растворением (желатин в воде).

Процесс набухания избирателен в зависимости от природы ВМС и растворителя. Ограниченное набухание – белок с водой.

Структурообразование в дисперсных системах

Одно из важнейших свойств дисперсных систем – способность их к структурообразованию. Коллоидные растворы, частицы которых удалены друг от друга на достаточно большое расстояние и практически не взаимодействуют между собой, называются свободнодисперсными системами. Такие коллоидные системы похожи на обычные жидкости. Дисперсные системы, в которых частицы связаны между собой и не способны к взаимному перемещению, называются связнодисперсными системами. В таких системах частицы дисперсной фазы образуют пространственную сетку – структуру, ячейки которой заполнены дисперсионной средой.

Если коллоидные частицы имеют форму палочек или вытянутых пластинок, то при частичном снижении агрегативной устойчивости происходит уменьшение толщины ионного слоя или сольватной оболочки частиц, причем на концах частиц эти факторы устойчивости почти полностью утрачиваются. В результате частицы соединяются своими концами, образуя пространственную сетку – структуру, ячейки которой заполнены дисперсионной средой.

Переход коллоидного раствора из свободнодисперсного в связнодисперсное состояние называется гелеобразованием, а образующаяся при этом структурированная коллоидная система – гелем.

При механическом воздействии – перемешивании, встряхивании – связи между частицами в коагуляционной сетке могут быть разрушены, и гель превратится в текучий золь. Если этот золь оставить в покое, через некоторое время связи самопроизвольно восстановятся, и вновь образуется нетекучий гель. Это свойство структурированных систем называется тиксотропией.

Большая часть кондитерских изделий ( в частности, мармелад) имеют студнеобразную структуру. В качестве студнеобразователей используются природные полимеры, способные при определенных условиях образовывать студни (пектин, агар, агароид и т.д.). Укрепление пространственной сетки происходит за счет водородных мостиков, образуемых между карбоксильными и гидроксильными группами смежных цепей пектиновой молекулы.

Тепловые процессы

На пути превращения сырья в продукты питания существенное место занимает тепловая обработка, в результате которой изменяется пищевая ценность продуктов, улучшаются их вкусовые качества. Иногда нагревания или охлаждения требуют последующие операции. Например, растительное масло подогревают перед фильтрованием для уменьшения вязкости.

Целый ряд массообменных, химических и биохимических процессов для обеспечения скорости их протекания требуют поддержания определенной температуры. т.е. сопровождаются подогревом или охлаждением. В пищевой промышленности распространены сушка, сорбция и десорбция газов жидкостями, растворение твердых веществ и кристаллизация. К тепловым процессам относятся процессы фазового превращения – выпаривание и конденсация.

Основное уравнение теплопередачи

Основное кинематическое уравнение для переноса теплоты

q = K Dt ,

где q = Q/Ft - тепловой поток, характеризующий интенсивность процесса, или количество теплоты, которое переносится через единицу поверхности в единицу времени.

Для практических расчетов установившихся процессов основное уравнение теплопередачи записывается в виде:

Q = K F Dt

Следует подробнее остановиться на трех способах переноса теплоты за счет теплопроводности, конвекции и радиации.

Теплопроводность. Перенос теплоты внутри твердого тела, неподвижной жидкости или газа называется теплопроводностью.

Количество переносимой теплоты описывается законом теплопроводности Фурье:

¶ t

dQ = - l ¾ dFdt , где

¶ n

l - коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты переносится за счет теплопроводности за одну секунду при разности температур в один градус на расстояние в единицу длины нормали к изотермической поверхности.

Конвекция. В движущейся жидкости или газе кроме теплопроводности появляется механизм переноса теплоты за счет перемешивания.

Уравнение теплоотдачи от стенки к потоку жидкости

dQ=a(t_cт-t_ж)dFdt

Радиация. Перенос теплоты излучением имеет место в хлебопекарных радиационных печах и сушилках.

Теплоносители и их свойства

Самый распространенный промышленный теплоноситель – насыщенный водяной пар, его применяют при температуре до 180 – 190 ⁰С и давлении 12C10⁵ Па. В качестве теплоносителя перегретый пар используют редко из-за низких значений коэффициентов теплоотдачи.

Чистая вода широко используется в качестве теплоносителя из-за доступности и дешевизны.

Топочные газы (t=1000-1100⁰C) используют для обогрева в теплообменных аппаратах. Их недостаток – наличие включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена, и низкий коэффициент теплоотдачи.

Минеральное масло используют для тепловой обработки пищевых продуктов (до 800 ⁰ С), например обжаривание кофе и какао бобов.

Процессы выпаривания

При кипении растворов концентрация растворенных веществ увеличивается за счет превращения в пар части растворителя. Процесс концентрирования растворов называют выпариванием.

Количество теплоты, необходимой для выпаривания,

Q = m r ,

где m – масса выпаренного растворителя, кг;

r – скрытая теплота парообразования, Дж\кг. Затраты теплоты при выпаривании зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, т. е. r = f (p).

Скрытая теплота парообразования тем выше, чем ниже давление.

Расход энергии на выпаривание под вакуумом выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении. Однако термолабильность в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения.

Например, растворы красящих веществ, содержащихся в экстрактах, полученных из растительного сырья, разлагаются при t = 50-60 ⁰ C. Разлагаются аскорбиновая кислота и другие витамины. Поэтому в пищевой промышленности используют выпаривание под вакуумом.