Глава 5 Механическая обработка мясного и мясокостного сырья 5.1 Измельчение
5.2 Перемешивание
Основной целью перемешивания является получение фарша с максимальными прочностными свойствами и равномерным распределением шпика, компонентов, специй. Изучению процесса перемешивания с гидродинамической точки зрения посвящены многочисленные работы, специальные монографии и исследования.
Г.В. Бакунц утверждает, что куттерование и перемешивание с точки зрения физико-механических изменений – процессы аналогичные. Отличие состоит только в различной продолжительности воздействия рабочих органов на фарш [79]. По существующей технологии процесс тонкого измельчения фарша заканчивается при рациональной степени измельчения, обеспечивающей при данных технологических характеристиках (влагосодержание и жирности) минимальные потери в процессе термической обработки. Изменение СМХ в процессе перемешивания и тонкого измельчения аналогичны. Это объясняется тем, что в обоих процессах мышечные волокна набухают и уменьшаются в размерах в первом случае за счет резания, а во втором – перетирания[86-89].
Утверждение об аналогичности процессов куттерования и перемешивания исходит из анализа сил, действующих на рабочие органы. В общем случае усилие на рабочем органе равно [79]
mpcp E F E F P
F n G
I
0 0
0 0
2 2
2 1
2 2
, (2.11)
где: I - момент инерции вала с рабочим органом; n - частота вращения вала; -
длина пути, на котором совершает работу общее усилие; G - сила, необходимая для сжатия фарша рабочим органом; G - нормальное напряжение сжатия; F- площадь поперечного сечения участка рабочего органа, воздействующего на фарш перпендикулярно к направлению движения органа; 2cp
1E
F0- сила, необходимая для резания фарша; 20EF0- сила, необходимая для сдвига фарша рабочим органом; cр и 0- соответственно касательные напряжения резания и сдвига; E - относительная деформация сжатия; F0- площадь сечения фарша рабочим органом; Pтр - сила, учитывающая трение рабочего органа о фарш, а также трение фарша о стенки.При приготовлении фарша бесшпиговых колбас (используют куттеры без мешалок) необходимо осуществлять резание, сбивание и перемешивание для создания более прочной структуры. При приготовлении фарша шпиговых колбас необходимо при тонком измельчении значения свойств доводить до определенной величины таким образом, чтобы наибольшее упрочнение производилось при перемешивании за время, необходимое для равномерного распределения компонентов [85]. Исследования влияния механической обработки на органолептические показатели некоторых видов колбас показали, что смешивание в мешалке и куттере существенных различий не имеет [90].
Для случая куттерования, где имеет место резание, необходимо, чтобы напряжение резания было больше, либо равно
ср cp
mp
cp E F
P F E n F
I
0
0 0
0 2 2
1 2 2 2
, (2.12)
где:
ср - предельное напряжение резания в случае наилучшего резания 0. При несоблюдении в куттере условий резания имеет место смятие (сбивание)
смmp
см F
P n F
I
0 0 0
2 2
2 2
. (2.13) Для случая перемешивания (минимальная возможная скорость перемеши- вания) Е= 1.
0 0
2 2
0 2
2
F
P n F
I
mp
, (2.14)
Пpи перемешивании пищевых продуктов перемешиваемая система до- полнительно претерпевает структурные изменения [81,91]. В мясной
промышленности эти изменения изучены слабо. В литературе встречаются отдельные данные, но они не отражают суть происходящих изменений.
С.И. Сухановой [92] были исследованы: влияние продолжительности перемешивания на реологические свойства фарша и готовой продукции и на ее качество. Суть экспериментов заключалась в изучении влияния предварительного перемешивания фарша с дальнейшим тонким измельчением на эмульситаторе. Было установлено, что при изменении длительности перемешивания, реологические характеристики не остаются постоянными, они достигают своих экстремальных значений при оптимальной продолжительности механической обработки. Оптимальная продолжительность механической обработки фарша сосисок русских и молочных составляет 480 с, а свиных 300 с. Однако эти данные, представляя несомненный интерес, носят частный характер, нет зависимостей от влагосодержания и жирности.
Проф. А.И. Пелеев [81] принимает за определяющий фактор, перемешиваемой массы липкость и дает определение длительности процесса смешивания и вымески фарша зависимостью
2
0
с е
а вс
, (2.15)где: с0 и с - исходная и заданная конечная липкость продукции, Н/см2; а и в – постоянные, зависящие от числа оборотов и формы лопастей, вида сырья и назначения продукции, определяемые экспериментальным путем (причем а>0, в<0); τ – длительность процесса вымески продукции, мин.
Анализ зависимости показывает (с учётом значений коэффициентов, полученных Хамаевым [93]), что функция имеет одно экстремальное значение.
Очевидно, оптимальная длительность перемешивания будет соответствовать этому экстремальному значению
2
4
0 / 0 2
P nP а в
в
, (2.16)
Хамаевым были получены числовые значения констант для радиально- лопастной мешалки при перемешивании фарша русских сосисок влажностью 72% (а=20,66 ·10-3; в=0,78 ·10-3).
Хамаев также получил аналогичную формулу для определения длительности перемешивания, принимая время, в течение которого стабилизируется мощность, необходимая для привода мешалки и достигает своего максимального значения
N n N c d
d
4
0
2
,
(2.17)
где: N,N0 исходная и конечная мощность, затрачиваемая на перемешивание массы; c,d - постоянные, зависящие от вида сырья и назначения продукции, определяемые экспериментально.
Нами [94] исследовано влияние длительности процесса перемешивания на распределение шпика в фарше, в результате которых установлено, что требуемая степень однородности для фаршей с различным содержанием шпика достигается за разное время, а время достижения заданной однородности зависит также от консистенции фарша. Для исследований из широкого ассортимента колбасных изделий в качестве объектов исследования выбраны типичные виды фаршей колбас: чайная, московская, любительская, которые содержат различные количества шпика (чайная – 0,1 кг шпика/кг фарша, московская – 0,18 кг шпика/кг фарша, любительская – 0,25 кг шпика/кг фарша).
Установлено, что предельное напряжение сдвига фарша (ПНС) влияет на минимальную технологическую длительность перемешивания.
Показано, что при графической обработке данных изменения степени однородности (β) фарша при различной продолжительности перемешивания была получена зависимость минимального технологического времени перемешивания (τм.т., с) (при различных значениях степени однородности β) от ПНС и содержания шпика [69]
1 0 2 3
.
.т 60ехр а 2,3ехр а с а
м
, (2.18)
где: с - количество шпика, кг шпика/ кг фарша; а1,а2,а3- эмпирические коэффициенты.
Полученная зависимость (2.18) позволяет рассчитать минимальное технологическое время перемешивания не только для исследуемых видов колбас, но и других колбасных изделий, содержащих шпик от 0,1 до 0,25 кг шпика/кг фарша в пределах изменения величины ПНС от 170 до 310 Па.
Нами были также оптимизированы процессы тонкого измельчения и перемешивания фаршей для колбас со шпиком [95] и предложена методика определения оптимального режима механической обработки. Это позволило рационально организовать и сократить длительность механической обработки, получить фарш с максимальными прочностными свойствами и равномерно распределенными компонентами на окончательной стадии фаршеприготовления – перемешивании.
В экспериментальных исследованиях, проведенных М.Ж. Еркебаевым, качество перемешивания оценивалось по степени равномерности распределения влаги во всем объеме теста. С этой целью после замеса в 10 выбранных точках из объема смесителя брались пробы и определялась влажность теста [96]. Степень распределения влаги во всем объеме оценивали по статистическому критерию К
2 2
К S , (2.19)
где: S2 – дисперсия определяемого параметра, полученная экспериментально; δ2 – генеральная дисперсия определяемого параметра.
Величина S2 определялась по уравнению
m
i
i x
m x S
1
2
2 ( )
1
1 ,
(2.20)
где: xi – текущее значение влажности; х - среднее значение влажности, m – число проб.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте мясной промышленности (Российская Федерация) Лимоновым Г.Е. разработан производственный процесс получения колбасных изделий с использованием вибрационного перемешивания [97]. Сущность процесса виброперемешивания заключается в том, что при движении источника колебаний по круговой или эллиптической траектории частицы смеси непосредственно соприкасающиеся с источником колебаний, периодически получают ударный импульс, отбирая при этом определенную энергию, подводимую к системе через вибрирующий корпус и лопасти смесителя. В свою очередь, частицы пограничного слоя при своем движении передают импульс и энергию более отдаленным соседним слоям. Это вызывает интенсивные колебания и их циркуляцию.
Научными исследованиями было установлено, что использование вибрационного перемешивания оказывает специфическое воздействие на мясное сырье. Поля упругих колебаний, налагаемые на мышечные волокна, с одной стороны, перестраивают структуру белковых молекул, тем самым, улучшая качественные показатели мясопродуктов, а с другой — интенсифицируют процессы распределения и проникновения посолочных ингредиентов, ускоряя посол. Вибрационные воздействия способствуют разрушению пространственных коагуляционных структур, снижению предела упругости и получению достаточно однородной смеси. Специфические процессы, происходящие при вибрационном перемешивании колбасного фарша, позволяют эффективно воздействовать на конечные качественные и количественные показатели готового продукта.
Исследователи, при анализе полученных данных пришли к обоснованным выводам, что определение ПНС позволяет наиболее объективно оценить СМХ сырья в зависимости от состава компонентов, времени перемешивания и внешних воздействий. Поэтому при оценке структурообразования фаршей в процессе их приготовления целесообразно проводить определение величины ПНС.