Формы связи влаги, содержащейся в биологических материалах
Во всех биологических материалах растительного или животного происхождения содержится вода (чаще всего говорят «влага») в количестве от нескольких процентов до 99% и более. Она обусловливает консистенцию и структуру пищевого продукта, определяет устойчивость его при хранении. Влага, входящая в состав вещества, связана с его сухим каркасом, причем формы связи этой влаги и ее энергия различны. Существует несколько различных классификаций форм связи влаги, некоторые из них даны в табл. 1.1. Однако общий недостаток этих классификаций — отсутствие количественной характеристики каждой формы связи влаги и материала. П.А.Ребиндер предложил энергию связи характеризовать работой изотермического отрыва 1 моль воды при данных температуре и влагосодержании материала и определять по формуле: E = RTln (ps/pП), где R — универсальная газовая постоянная; Т —.абсолютная температура; ps — парциальное давление насыщенного пара свободной воды над плоской поверхностью при данной температуре; рп — парциальное давление равновесного пара воды при той же температуре над материалом. Таблица 1.1
Обозначив ps/pП = φ, где φ – относительная влажность в состоянии равновесия, при котором продукт не впитывает и не теряет воду, получим E = - RTInφ.
С увеличением прочности связи рп уменьшается и, следовательно, уменьшается φ. Для свободной воды pп= ps, ps/pn=l и Е= 0. По мере уменьшения влажности материала энергия связи Е возрастает и особенно резко с момента, когда в нем остается прочно связанная влага.
В классификации, предложенной А.В.Думанским, В.В. Дерягиным и другими, за основу принимается частица материала, вокруг которой располагаются три слоя — адсорбционный, диффузный и свободный (в порядке убывающей энергии связи). По классификации Люйе, влага подразделяется на основе физиологических признаков. Исследуя влияние температуры, на теплоемкость и количество вымороженной воды в пищевых продуктах, Ридель пришел к выводу о целесообразности
деления влаги лишь на две части — свободную и связанную, понимая при этом под связанной влагой «квазихимически связанную», количество которой составляет 0,225 кг на 1 кг сухого вещества. В материалах растительного и животного происхождения, находящихся при температуре ниже криоскопической но выше эвтектической, концентрируется солевой раствор при определенном осмотическом давлении. Осмотические силы стремятся оторвать от каркаса связанную влагу и перенести ее в раствор, где она затем может быть кристаллизована, поэтому количество вымороженной воды зависит от осмотического давления солевых растворов в материале, которое определяется их концентрацией, количеством, вымороженной влаги и в конечном итоге температурой. Работа осмотических сил, затраченных на отрыв 1 кг связанной влаги при данной температуре t, равняется энергии связи влаги с сухим каркасом вещества при данной температуре.
Д.Г. Рютов предложил энергию связи влаги, находящейся в равновесии с концентрированным раствором продукта и льдом при температуре t, вычислять по формуле E = rл (-t/ 273 ), где t — температура системы, °С; rл — удельная скрытая теплота плавления льда при температуре t, кДж/кг. Следует отметить, что rл=f(t) может быть найдена из выражения rл=79,82+0,46 t +0,00165 t2. Анализ формулы показывает, что энергия связи Е зависит только от температуры материала и не зависит от его свойств. В табл. 1.2 приведены результаты расчета энергии связи при различных температурах. Таким образом, можно считать, что при данной температуре кристаллизуется только та связанная влага, энергия связи которой меньше Е. Таблица 1.2
Одним из методов определения форм связи влаги с сухим каркасом вещества является анализ изотерм сорбции. Изотермы сорбции получают при исследовании процесса сушки материала тензометрическим методом. Образец материала определенной влажности помещают в эксикатор с раствором серной кислоты известной концентрации.
Процесс обезвоживания, происходящий при этом можно считать аналогичным соответствующему процессу при определенной влажности воздуха. Образец выдерживается в эксикаторе до постоянной массы, что свидетельствует о достижении состояния равновесия. Влажность материала, соответствующая этому состоянию, называется равновесной Wp. Изменение концентрации кислоты пропорционально изменению исходной влажности воздуха φ. Таким образом получают для определенной температуры образца зависимость Wp=f(φ), которая и называется изотермой сорбции.
Причиной сорбционного гистерезиса капиллярных пористых тел является наличие в них воздуха, который адсорбируется на поверхности капилляров при удалении из них влаги. При повторном увлажнении для создания той же равновесной влажности нужно обеспечить более высокое значение φ. Интересна схема последовательного удаления влаги в процессе сушки тонких образцов коллоидных капиллярно-пористых тел (пищевых продуктов), представленная по результатам исследований М. Ф. Казанского. На рис. 1.8 приведена термограмма I tc – t пр = f(τ), где tc — температура окружающего воздуха; t пр — температура материала. Кривая II сушки W = f(τ) на рис. 1.8 показывает изменение влажности данного материала во времени. Выделяя точки перегиба (1... 5) на термограмме I и совмещая кривые I, IIможно наглядно представить последовательность удаления из материала влаги, связанной с материалом различными формами и видами связи.
Схема наглядно иллюстрирует наличие многих видов связи влаги с сухим каркасом материала и, как следствие, сложность их четкого разграничения. Каждому значению энергии связи должны четко соответствовать свой вид и своя форма связи.
Наряду с возможностью расчета энергии связи по формуле (1.1) представляет интерес экспериментальное исследование энергии связи для конкретных объектов. Энергия связи при удалении влаги из материала, находящегося в замороженном состоянии, исследовалась на установке, показанной на рис. 1.9. Процесс осуществлялся при остаточном давлении примерно 40... 50 Па, образец располагался в центре перфорированного полированного экрана (рис. 1.10). Оба эти фактора сводили к минимуму конвективный и лучистый, т. е. неучитываемый теплообмен. Теплоподвод осуществлялся внутренним источником теплоты. На основе экспериментальных данных определялась энергия, расходуемая на удаление влаги в исследуемых объектах.
Удельная теплота сублимации (энергия связи) где Qп— теплота, расходуемая на сублимацию льда и испарение остаточной влаги, кДж; ∆G — количество удаленной влаги в виде льда и воды, кг; Qн— теплота, отдаваемая нагревателем, кДж; ∑Qi — потери теплоты при сублимации, включающие потери на нагрев образца, нагревателя и внутренней сетчатой оболочки, кДж
На рис.1.11 представлены экспериментальные данные изменения теплоты испарения влаги из исследуемой системы в зависимости от остаточной абсолютной влажности W. Энергия связи (в данном случае выраженная в виде удельной теплоты сублимации) практически постоянна до остаточной абсолютной влажности1 18...20%. Затем наблюдается снижение затрачиваемой энергии, после чего она резко возрастает, достигая значения примерно 14·103кДж/кг при абсолютной влажности около 3%. При понижении влажности до 0,5% энергия связи возрастает почти на порядок. Если придерживаться классификации, данной Риделем, то можно считать, что в исследуемом объекте содержится свободная влага, удельная теплота испарения которой практически постоянна, и связанная влага, процентное содержание которой
определяется положением точки К, соответствующей началу резкого возрастания энергии связи. Экспериментальные исследования различных материалов биологического происхождения (мясо, эритроцитная масса, картофель и т. п.) показали, что характер кривой r c = f(W) носит универсальный характер и по существу аналогичен экспоненте, полученной по формуле Ребиндера. По данным расчетов, в клетке количество связанной влаги не превышает 10,5%, но данным экспериментов — 8... 20%. Поверхность биомолекулы перестает оказывать влияние на подвижность молекул воды на расстоянии 1·10 - 9... 1,5·10 - 9 м, что соответствует 4... 5 монослоям. Связанная вода имеет свойства, отличные от свободной. Она замерзает при более низких температурах, обладает меньшей способностью растворения, меньшей теплоемкостью, повышенной плотностью. Количество связанной влаги в материале помимо физико-химических свойств во многом определяется его дисперсностью. Чем больше дисперсность материала, тем больше прочно связанной влаги в нем. Для пористых материалов большое значение имеет радиус капилляров. Чем меньше радиус капилляров, тем больше энергия связи воды в материале.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|