Исследование структурообразования помадных масс при смешивании

Исследование структурообразования помадных масс при смешивании

В кондитерской промышленности новым и перспективным направлением является порошковая технология помадных конфет на основе высокодисперсных порошкообразных сахаро-паточных полуфабрикатов (ПСПП).

В порошковой технологии помадных конфет задачей смешивания является достижение максимальной однородности структуры и получение помадной массы с заданными физико-химическими и реологическими свойствами.

Для исследования структурообразования помадных масс порошковой технологии и определения оптимальных параметров их приготовления в универсальной смесительно-формующей машине готовили помадную массу на основе ПСПП. Массовая доля влаги в массе 6 — 11%. Смешивание проводили при частоте вращения мешалок 40 — 120 мин-1 и температуре 25 С. В процессе смешивания измеряли мощность привода мешалок с последующим расчетом удельной мощности Руд и работы Ауд смешивания.

При смешивании помадных масс (рисунок 1) характерен резкий рост удельной мощности в начале процесса; в дальнейшем удельная мощность снижается, после чего стремится к постоянной величине. Стабилизация Руд характеризует переход упруго-вязкой структуры массы в пластичную, пригодную для формования.

Мощность привода при этом расходуется на холостой ход и преодоление сил аутогезионного взаимодействия частиц порошкообразных полуфабрикатов при их смачивании жидкой фазой в начале процесса. В основном эти силы представлены капиллярными и когезионными.

При частичном заполнении жидкой фазой частицы испытывают максимальное действие капиллярного давления, которое стремится удержать их вместе. При полном заполнении пор и обволакивании жидкой фазой частиц порошка образуется масса, в которой частицы удерживаются за счет поверхностного натяжения.

На начальной стадии смешивания происходит гидратация частиц смеси. На поверхности частиц образуются многослойные прослойки иммобилизованной воды с особой структурой, отличной от структуры свободной жидкости. В прослойках структурированной воды возникают диполь — дипольные, ион — дипольные взаимодействия с образованием пространственной сетки водородных связей. Сильное структурирование водных прослоек вызывает первоначальное упрочнение структуры, что приводит к резкому увеличению затрачиваемой мощности (рисунок 1), причем, чем меньше влажность массы, тем больше расход удельной мощности и работа смешивания (рисунок 2).

На начальной стадии смешивания, по мере увеличения числа гидратированных частиц и действия капиллярного давления между ними, происходит повышение силы поджима частиц и площади единичного контакта при размягчении их структуры. При этом увеличивается прочность контактов частиц порошка за счет когезионных сил.

Капиллярные и когезионные силы взаимодействия частиц порошка в жидкой фазе, достигая максимальной величины, затем снижаются и полностью исчезают после полного смачивания. Это характеризуется резким снижением удельной мощности смешивания и дальнейшей ее стабилизацией, что свидетельствует о завершении первой стадии структурообразования.

Жидкая фаза, находящаяся между частицами порошка, изменяет природу аутогезионного взаимодействия, особенно при полном увлажнении порошка. При этом возникает сила, вызванная расклинивающим давлением, в тонком слое жидкости, находящимся между частицами. С этого момента начинают превалировать действия электростатических над межмолекулярными сил взаимодействия частиц в массе и формирование коагуляционной структуры конфетной массы. С завершением первой стадии структурообразования коагуляционной структуры помадной массы заканчивается и процесс ее приготовления.

Экспериментальные данные по смешиванию помадных масс при W = 6 — 11% (рисунок 1, 2) позволяют выбрать оптимальное значение массовой доли влаги. В качестве критерия оптимальности можно использовать удельную работу смешивания до готовности. Состояние готовности определяется по кривой смешивания как время * начала стабилизации удельной мощности смешивания помадной массы. Как следует из рисунок 3 в области значений массовой доли влаги 9 — 11% уменьшение W приводит к незначительному росту удельной работы смешивания до готовности — значение увеличивается на 6,3%. Дальнейшее уменьшение массовой доли влаги до 6% приводит к более резкому возрастанию (на 90,7%).

Кривая отражает затраты механической энергии на создание коагуляционно-кристаллизационной структуры с различным содержанием влаги в помадной массе.

В интервале W = 9 — 11% помадная масса проявляет в большей степени коагуляционные свойства. Такая структура образуется путем сцепления частиц слабыми ван-дер-ваальсовыми силами через тонкие прослойки жидкой фазы. Толщина жидких прослоек соответствует минимальной поверхностной свободной энергии системы, при этом сила взаимодействия частиц дисперсной фазы в коагуляционных структурах составляет 10−10 Н на контакт. Тонкими прослойками среды в местах контакта между частицами коагуляционной структуры определяются такие свойства как тиксотропность, низкая прочность, пластичность, и ползучесть.

В интервале W = 6 — 9% образованная структура помадной массы проявляет в большей степени кристаллизационные свойства, которые являются следствием соединения отдельных частиц фазовыми контактами. Кристаллизационные структуры характеризуются высокой прочностью, большой хрупкостью и отсутствием остаточных деформаций. Такие структуры образованы химическими силами главных валентностей и непосредственным срастанием кристалликов новой фазы и являются термодинамически неустойчивыми вследствие неравномерности участков срастания кристалликов.

Кривую можно аппроксимировать в виде двух прямых линий с углами наклона и. Точка пересечения прямых, А имеет абсциссу Wк = 8,5%, что является критическим значением массовой доли влаги, которое разграничивает коагуляционные или кристаллизационные процессы при структурообразовании. О скорости структурообразования можно судить по тангенсу углов наклона и. Как видно из рис. 4, при смешивании помадной массы до готовности в условиях коагуляционно-кристаллизационного структурообразования при W = 6 — 11% процессы кристаллизационного структурообразования протекают более интенсивно чем процессы образования коагуляционной структуры.

Смешивание помадных масс при W = 6 — 11% показало идентичность зависимости удельной работы смешивания до готовности от массовой доли влаги при частоте вращения мешалок 40 — 120 мин-1 и устойчивое существование критической области Wк = 8,0 — 9,0%, что дает основание использовать данный подход для определения оптимального значения массовой доли влаги. Эксперименты по выпрессовыванию помадных масс показали, что формование масс с W = 6 — 8% сопряжено с большими затратами мощности и конфетные жгуты имеют трещины и подрывы на поверхности. Помадные массы с массовой долей влаги 10 — 11% формуются хорошо, без существенных затрат мощности, однако, конфетные жгуты имеют недостаточную формоудерживающую способность, что приводит к их расплываемости. Поэтому оптимальным значением массовой доли влаги можно считать 9%.

Смешивание помадных масс с массовой долей влаги 9% при различной частоте вращения мешалок характеризуется также резким увеличением удельной мощности смешивания на начальной стадии процесса (рисунок 4), последующим ее уменьшением и стабилизацией к концу смешивания. С увеличением интенсивности смешивания удельная мощность и работа смешивания возрастают (рисунок 5), а время появления пика на кривой смешивания уменьшается, что свидетельствует об интенсифика-ции процессов структурообразования. Момент готовности массы определяется в данном случае также по кривой как время * начала стабилизации удельной мощности, что является оптимальной продолжительностью смешивания при фиксированной частоты вращения.

Оптимизация смешивания помадной массы по частоте вращения мешалок является второй задачей оптимизации режимов смешивания. Решение этой задачи сводится к поиску особенностей в изменении удельной работы смешивания.

Для сопоставления значений удельной работы замеса, полученных для различных режимов смешивания при условии W = 9%, вычисление удельной работы смешивания проведены также до момента готовности массы. Из графика зависимости удельной работы смешивания до готовности от частоты вращения мешалок n (рис. 6) видно существование особого участка (частота вращения мешалок 60 — 100 мин-1) на котором наблюдается уменьшение удельной работы смешивания до готовности при увеличении частоты вращения; наличие этого участка является верным признаком формирования особых свойств помадной массы при выбранных режимах смешивания.

Предположение об образовании структуры на стадии замеса с особыми свойствами подтверждается характером изменением безразмерного критерия (рис. 6) — числа циклов деформации до момента готовности:

.

где * - продолжительность смешивания до готовности при данной частоте вращения мешалок.

Физический смысл показателя сводится к следующему. Помадная масса в процессе смешивания испытывает напряжения, циклически изменяющиеся во времени. Цикличность такого напряженного состояния массы является следствием того, что локальные зоны помадной массы оказываются попеременно в различных зонах деформационного воздействия (деформация сдвига, растяжения и сжатия). При переменных напряжениях после некоторого числа циклов наступает разрушение первоначально упрочненной структуры, образование которой вызвано процессами гидратации и смачивании частиц ПСПП, что приводит к образованию определенной коагуляционно-кристаллизационной структуры массы, пригодной для формования.

График зависимости характеризует динамическое соотношение двух деформаций — пластической и упругой и имеет два экстремальных значения — минимум и максимум. До экстремума «max» превалирует пластическая деформация, экстремум «min» соответствует упругой деформации.

Точка перегиба на кривых и и соответствующие ей параметры = 6,2 мин и = 80 мин-1 характеризует оптимальный режим смешивания помадной массы при массовой доле влаги 9% (табл. 1).

смешивание помадная масса.

Таблица 1 — Оптимальные режимы процесса смешивания помадной массы с массовой долей влаги 9% до готовности

Частота. вращения мешалок n, мин-1.	Оптимальная. продолжительность смешивания до готовности *, мин.	Удельная работа смешивания до. готовности, кДж/кг.	Число циклов деформации.
40 60 80 100 120	9,1 8,1 6,2 5,0 4,6	152,2 165,4 160,6 151,7 201,7	364 486 496 500 552

Полученные результаты могут быть использованы при приготовлении помадных масс порошковой технологии на основе высокодисперсных порошкообразных сахаро-паточных полуфабрикатов.