Определение прочностных характеристик макаронных изделий с помощью современного анализатора текстуры Структурометр СТ-2

Черных В.Я. , Артемьева Е.В., Максимов А.С., Тузова Н.В.

      Прочностные и деформационные характеристики сухих макаронных изделий являются одними из важнейших показателей их качества.

     Непрочные и недостаточно гибкие макаронные изделия ломаются при упаковке и транспортировке под действием динамических нагрузок, что приводит к появлению бракованной продукции в виде лома и крошки.

     Известно, что количественной оценкой прочности является величина предела прочности, а гибкость (податливость) определяется величиной, обратной модулю упругости. Указанные реологические характеристики являются интегральными показателями качества макаронных изделий, обусловленные технологическими свойствами перерабатываемой пшеничной муки, режимами протекания операций замеса теста, прессования макаронных изделий, их сушки и стабилизации.

     До последнего времени при проведении научных исследований прочность макаронных изделий определялась на приборах Строганова или ИПМ-1 по величине предельного изгибающего усилия нагружения, прикладываемого с помощью специальной пластины с определенной скоростью деформации к середине макаронного изделия, помещенного на две опоры с расстоянием между ними равным 150 мм.

     Определяя условную реологическую характеристику – предельное усилие нагружения макаронных изделий и зная их наружный и внутренний диаметр, а также величину деформации макарон перед их разрушением можно определять выше перечисленные классические реологические характеристики.

     Точность определения прочностных характеристик макаронных изделий с использованием метода Строганова получается низкой исходя из того, что расстояние между опорами столика остается постоянным независимо от диаметра анализируемых макаронных изделий, а также в связи с тем, что нагружение макаронных изделий осуществляется с определенной скоростью деформации, обуславливающей появление внутренних напряжений, которые не успевают релаксировать и искажают истинное значение величины предельного усилия нагружения, при котором происходит разрушение макаронного изделия.

     Поэтому целью настоящей работы являлась разработка более точного метода контроля прочностных характеристик макаронных изделий на основе современного анализатора текстуры Структурометр СТ-2 (рис.1), принципиальным отличием которого от ближайших аналогов является то, что с помощью данного прибора можно исследовать динамику и кинетику реологического поведения продукта как при задании определенной скорости его деформации, так и при задании скорости усилия нагружения.

     Устанавливаемый на приборе Структурометр СТ-2 определенный уровень скорости усилия нагружения позволяет обеспечить релаксацию возникающих механических напряжений при контроле реологических характеристик продукта и тем самым повысить точность их определения.

     Для реализации поставленной цели были использованы пробы макарон промышленного производства длиной 250 мм и наружным диаметром 1, 2, 3, 5, 8 мм.

     При определении прочности макаронных изделий определялись как их диаграммы нагружения при разных скоростях деформации (рис.2), так и диаграммы деформации при разных скоростях нагружения (рис.3).

     На первоночальном этапе были проведены исследования влияния расстояния между опорами столика на стандартное отклонение предельного усилия нагружения макаронных изделий разного диаметра.

     Стандартное отклонение (S) предельного усилия нагружения (Fпр) макаронных изделий определялось для пяти повторностей измерения показателя прочности.

     На рисунке 4 представлена в виде примера кинетика изменения стандартного отклонения предельного усилия нагружения для макаронных изделий диаметром 3, 5, 8 мм в зависимости от расстояния (l) между опорами столика. Как видно из рисунка минимальное значение стандартного отклонения Fпр. соответствует оптимальному расстоянию (l) между опорами равному 60, 80, 110 мм соответственно.

     Подобным образом были определены оптимальные расстояния между опорами столика по соответствующим минимальным значениям стандартного отклонения показателя прочности для макаронных изделий других диаметров, которые приведены в таб.1.

     На основании полученных данных, которые приведены в таб.1 была построена номограмма для определения расстояния между опорами столика в зависимости от диаметра макаронных изделий (рис.5).

     Данная зависимость была описана линейным уравнением (1), с помощью которого в дальнейшем можно будет определять расстояние (l) между опорами столика при контроле прочностных характеристик макаронных изделий различного диаметра.

      Далее проводились исследования влияния способа нагружения макаронных изделий на стандартное отклонение контролируемых реологических характеристик при определении их прочности.

     Для макаронных изделий с учетом их наружного диаметра устанавливалось оптимальное расстояние между опорами столика и при определении их прочности задавались как разные значения скорости деформации Vд макаронных изделий, так и разные значения скорости их нагружения Vн.

      На рисунке 6 представлена в виде примера кинетика изменения стандартного отклонения предельного усилия нагружения для макаронных изделий диаметром 5 мм в зависимости от способа их нагружения.

      Для всех исследуемых проб макаронных изделий было установлено, что наименьшее значение стандартного отклонения S предельного усилия нагружения соответствовало скорости деформации д =0,5 мм/с и скорости нагружения Vн = 10 г/с. Сравнивая стандартные отклонения показателя прочности макарон (рис.7) полученные при различных способах нагружения видно, что они оличаются между собой минимум на порядок, т.е. точность определения прочности макаронных изделий выше в том случае, когда задается скорость их нагружения, равная 10 г/с.

      Установленное с помощью анализатора текстуры Структурометр СТ-2 линейное упругое поведение макаронных изделий на всем протяжении времени от начала приложения нагрузки до момента разрушения дает возможность использовать теоретические формулы, полученные при решении известной в механике деформируемого твердого тела задачи об изгибе упругой балки, свободно лежащей на двух опорах и нагруженной в середине пролета между опорами. В соответствии с указанной задачей, зная величину усилия и прогиба в момент разрушения, а также размеры поперечного сечения образца макаронного изделия и расстояние между опорами, можно вычислить предел прочности и модуль упругости макаронных изделий.

     В результате проведенных исследований был разработан метод контроля прочностных характеристик макаронных изделий, который заключается в следующем:

• устанавливается расстояние между опорами столика с учетом диаметра анализируемых макаронных изделий по прилагаемой номограмме (рис. 5) или формуле (1);
•  устанавливается усилие касания (Fк) индентором, в виде пластины, макаронного изделия равное 5 г.;
•  устанавливается скорость нагружения индентором макаронного изделия Vн=10 г/с.;
•  в процессе измерения определяются:
  1. текущие значения общей деформации макаронного изделия hо, мм.;
  2. текущие значения усилия нагружения Fн, г.;
  3. величина предельного усилия нагружения Fпр. в момент разрушения макаронного изделия и соответствующая ему максимальная деформация hоmax.;
•   расчетным путем определяются реологические характеристики:

      Таким образом на основании проведенных исследований был разработан современный способ определения прочностных характеристик макаронных изделий.

Литература:

     1. Медведев Г.М., Крылова В.В. «Технология и технохимический контроль макаронного производства» М:. Пищевая промышленность, 1979, 144 с.

     2. Рекламный проспект. Измеритель прочности макарон ИПМ-1. РАСХН, ВНИИЗ.