Способ получения текучей суспензионной системы и продукты на основе суспензии, получаемые этим способом - RU2288027C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу получения текучей суспензионной системы.

Кроме того, изобретение относится к продуктам на основе суспензии, получаемым этим способом.

Суспензии являются многофазными дисперсными системами. При этом твердые частицы одного или нескольких типов веществ (дисперсная фаза) суспендированы в непрерывной жидкой фазе, которая со своей стороны может состоять из одной жидкости или смеси жидкостей. Текучесть суспензий, как у всех жидких сложных структурированных систем, тесно связана с ее дисперсной структурой и ее поведением под действием гидродинамических напряжений (=тангенциальные/нормальные напряжения, передающиеся от жидкости в поток). При этом важную роль играют как свойства частиц (размер/распределение по размерам, морфология частиц, форма частиц, поверхностные свойства), так и свойства жидкости (вязкость, неньютоновский характер). Далее, значение имеет и взаимодействие (ВД) между частицами (Ван-дер-Ваальсовское, электростатическое) и между жидкостью и частицами (например, гидрофобное взаимодействие). Присутствие поверхностно-активных веществ может в решающей степени изменить взаимодействие как между частицами, так и между жидкой фазой и частицами.

Обычно реологические свойства суспензии заметно зависят от механических/гидромеханических и физико-химических факторов влияния.

В зависимости от объемной концентрации твердого вещества суспензии подразделяются на разбавленные, полуразбавленные и концентрированные. Концентрированные суспензии, в отличие от разбавленных суспензий, имеют текучесть, заметно зависящую от нагрузки и времени. В концентрированных системах повышение содержания твердой фазы на несколько процентов может привести к многократному увеличению вязкости. Максимальная концентрация суспензии ограничена максимальной плотностью упаковки взвешенных частиц. Для монодисперсных сферических частиц она составляет от 0,63 (хаотическая упаковка) до 0,74 (гексагонально уплотненная упаковка). Применением полидисперсных твердых частиц можно повысить максимальную плотность упаковки или, соответственно, снизить вязкость суспензии при неизменной концентрации.

На максимальную плотность упаковки влияет форма частиц. Для волокнообразных частиц максимальная плотность упаковки в случае хаотической упаковки снижается с увеличением соотношения длины и диаметра. Соответственно, для суспензий с волокнообразными частицами следует ожидать более высокой вязкости по сравнению с соответствующими концентрированными суспензиями со сферическими частицами.

Однако волокнообразные или пластинчатые частицы склонны ориентироваться в направлении потока в ламинарных гидравлических условиях. С увеличением степени ориентации понижается гидравлическое сопротивление и, тем самым, вязкость суспензии.

Для частиц различных форм, таких как пластинки, эллипсы, волокна, кубики/прямоугольные параллелепипеды и т.д., в специальной литературе можно найти экспериментальные и частично также теоретические данные о концентрационной зависимости вязкости. Эти данные относятся к системам веществ только с одним форм-классом частиц.

Выбранные для примера продукты питания шоколад, шоколадоподобные массы относятся к концентрированным суспензиям. Дисперсная фаза состоит из сахара, компонентов какао в виде частиц и сухого молока, а непрерывная фаза преимущественно состоит из масла какао и, возможно, некоторой доли других жиров. Для уменьшения межчастичного взаимодействия и, тем самым, вязкости в шоколад обычно добавляют поверхностно-активные вещества (например, эмульгатор лецитин). При получении шоколада с пониженным содержанием жира или повышенным содержанием твердых веществ либо добавляют комбинированные эмульгаторы, либо изменяют распределение частиц по размерам. Снижение дисперсности, т.е. повышение среднего размера частиц, приводит к снижению вязкости. Реологические и органолептические свойства должны оставаться по возможности оптимальными. В /1/ в качестве примера описано применение особых распределений частиц по размерам для изменения реологических свойств шоколада и шоколадоподобных продуктов.

Патентов или публикаций, которые бы ссылались на определенную смесь определенных, по меньшей мере двух, групп частиц с разными характерными формами частиц (различными форм-классами), чтобы описать или целенаправленно использовать реологические свойства таких смесей, до настоящего не имеется.

Из заявки DE 4207722 А1 известны поверхностно-модифицированные пластинчатые пигменты, которые для улучшения перемешиваемости покрывались модификатором, состоящим из полиакрилата, или полиметакрилата, или их водорастворимых солей. Благодаря этому улучшались характеристики редиспергирования без неблагоприятного влияния на другие свойства, такие как блеск и четкость. Пигменты, поверхностно-модифицированные таким образом, не должны пылиться и должны быть легко текучим материалом. Сообразно с этим должны покрываться все известные пластинчатые металлы, как оксиды металлов, слюдяные пигменты и прочие пластинчатые субстраты. Примерами являются слюда, тальк, каолин и другие подобные минералы, а также пластинчатый оксид железа и хлорокись висмута. Для получения пигментов исходные пигменты соединяют с модификатором при перемешивании в смесительном устройстве, как, например, вибросмеситель, якорный смеситель, лопастной смеситель или жидкостной смеситель. После этого пигменты используют, в частности, в красках, печатных красках, лаках и для приготовления косметических средств.

Заявка DE 19801809 А1 описывает также поверхностно-модифицированные пигменты на основе пластинчатых субстратов, которые для улучшения осаждаемости и перемешиваемости покрыты силикатным слоем диаметром 0,1-25 нм. При этом неожиданно оказалось, что пигменты на основе пластинчатых субстратов, покрытые силикатным слоем, предпочтительно из группы монтмориллонита диаметром 0,1-25 нм (размер частиц в активном, полностью диспергированном состоянии), с покрытием обнаруживают улучшенные характеристики осаждаемости и перемешиваемости.

Из патента US 6391373 В1 известно о возможности влияния на реологические свойства продуктов питания, например шоколада, изменением размера частиц ингредиентов.

Из словаря по краскам и лакам Römpp-Lexikon Lacke und Farben, под редакцией Zorri, Ulrich, издательство Georg Thieme, Штуттгарт, 1998, стр.63, колонка 2 известно о применении бентонита как желирующего средства и тиксотропного агента в печатных красках и лаках, особенно в грунтовках, покрывных слоях, а также в покрывных лаках. Путем введения растворителя и связующего в капиллярные зазоры упаковки пластинок бентонита происходит смачивание под действием сдвиговых усилий. Это приводит к раздроблению агломерата и к заметному повышению вязкости. Адгезия, которая удерживает пластинки вместе, преодолевается при продолжающемся воздействии сдвига посредством влияния полярных добавок (растворителей), например спирт/вода, пропиленкарбонат/вода, особых поверхностно-активных диспергаторов и антиосадителей. В состоянии покоя первоначальная реологическая структура снова полностью восстанавливается путем восстановления водородных мостиковых связей между краями пластинок.

Из заявки ЕР 0279255 А1 известно устройство для снижения вязкости в суспензиях твердых веществ в жирном носителе, таких как шоколадные массы и им подобные, причем это устройство имеет емкость типа кожуха, который внутри содержит множество колец, расположенных на расстоянии друг под другом и образованных из составных частей, а также входной патрубок и выходной патрубок для продукта. В емкости-кожухе установлен ротор, который содержит множество образованных из составных частей колец, причем указанные образованные из составных частей кольца расположены, взаимно чередуясь, с равным шагом с образованными из составных колец, емкости-кожуха, причем к ротору подсоединен привод с регулируемой скоростью. Между емкостью-кожухом и внешней оболочкой предусмотрен отсек нагревания-охлаждения-термостатирования, который имеет входной патрубок и выходной патрубок для жидкости нагревания-охлаждения-термостатирования. Это устройство должно, помимо прочего, быть выгодным за счет того, что снижение вязкости происходит путем простого переноса механической энергии к обрабатываемой шоколадной массе, что должно приводить к возможному изменению определенных твердых частиц.

Задачей настоящего изобретения является улучшение реологических свойств концентрированных суспензий при стабильной объемной доле твердой фазы. Под этим в первую очередь понимается снижение стационарной динамической сдвиговой вязкости.

Далее, задачей изобретения является получение высококонцентрированных продуктов на основе суспензий, реологические свойства которых могут быть существенно улучшены по сравнению с соответствующими традиционными продуктами без изменения рецептуры.

С точки зрения способа задача решается посредством отличительных признаков, указанных в пунктах 1 или 2 формулы изобретения.

Было показано, что добавлением определенной доли удлиненных, волокнообразных частиц к концентрированной суспензии можно целенаправленно улучшить ее текучесть. Более подробно это означает, что в зависимости от диаметра, соотношения длины и диаметра (L/D) и доли добавленных волокнообразных частиц можно целенаправленно достичь существенного снижения стационарной сдвиговой вязкости суспензионной системы. Благодаря этому обеспечиваются улучшенные свойства продукта, как, например, улучшенная обрабатываемость суспензий при получении/обработке и улучшенные консистентные/реологические свойства при применении или потреблении. В принципе предоставляется также возможность путем соответствующего снижения доли жидкой фазы обеспечивать свойства, сравнимые со свойствами суспензий, не модифицированных согласно изобретению.

Концентрированные суспензионные системы находят место в большинстве отраслей промышленности (химия, продукты питания, фармацевтическая промышленность, горное дело, нефтедобыча/нефтехимия) как исходные, промежуточные или целевые продукты. Текучесть этих систем особенно важна при гидравлической транспортировке, а также в процессах формования, дозирования и расфасовки. Если продукты находятся в виде концентрированных суспензий, сфера их применения определяется в значительной степени их реологическими свойствами. В области продуктов питания самой важной характеристикой продукта являются потребительские свойства. Реологические свойства продуктов определяют консистентные свойства при продвижении в полости рта и при проглатывании.

Для получения определенных продуктов питания, как, например, шоколада и шоколадоподобных масс, стремятся, как можно сильнее снижая содержание жира (жидкая фаза в расплавленном состоянии) или повышая содержание твердых веществ, получить вместе с тем хорошие реологические и, тем самым, связанные с ними хорошие органолептические свойства.

Для обеспечения этого способ согласно изобретению раскрывают, каким образом модифицировать природу твердых частиц, чтобы они оказывали пониженное гидравлическое сопротивление в потоке суспензии. В экспериментальных исследованиях, на которых основано изобретение, было показано, что помимо известных, положительно влияющих на текучесть приемов использование более крупных частиц и/или более широкое распределение частиц по размеру, в частности изменение формы частиц для определенной фракции твердых частиц, позволяет достичь особенно ярко выраженных эффектов снижения вязкости. При этом неожиданно оказалось, что к достижению оптимальной текучести с минимальной вязкостью приводит изменение формы не всей или подавляющей части совокупности частиц, а только части твердой фазы до примерно 30% (согласно изобретению предпочтительно от 5 до 30%). Форма частиц, устанавливаемая для этой доли твердых частиц, является волокнообразной или пластинчатой.

С помощью способа согласно изобретению можно улучшить реологические свойства высококонцентрированной суспензионной системы без изменения рецептуры. Только одна замена части твердого компонента компонентом той же природы, но имеющим волокнообразную/пластинчатую форму, обеспечивает преимущество согласно изобретению.

В связи с этим появляется также возможность для экономии жидкой фазы, дорогой во многих пищевых технологиях (например, масло какао в кондитерских продуктах), т.е. при повышении тем самым доли твердой фазы, устанавливать реологические свойства, сравнимые со свойствами традиционных продуктов, обогащенных жидкостью.

Далее, преимуществом для определенных продуктов из области продуктов питания является то, что значительное ориентирование волокон/пластинок при поглощении в полости рта (сдвиговый поток между зубами и небом) влечет за собой улучшение реологических свойств, а также улучшение органолептических характеристик (например, мягкость, сливочность).

Для различных концентрированных суспензий неожиданно было обнаружено, что смешением частиц равного или сравнимого среднего диаметра по крайней мере двух различных форм-классов А и В можно снизить вязкость суспензионной системы при той же полной объемной концентрации твердой фазы, если один из двух форм-классов частиц (например, форм-класс В) содержит частицы таких форм, которые в ламинарных потоках соответствующих концентрированных суспензий могут быть частично или полностью ориентированы в направлении потока.

Целенаправленной заменой некоторой объемной доли имеющихся частиц форм-класса А, которые имеют, например, сферическую или кубическую шестигранную форму (преимущественное ориентирование в ламинарных потоках невозможно), волокнообразными или пластинчатыми частицами форм-класса В (возможно преимущественное ориентирование самой длинной оси частиц в направлении потока) можно существенно понизить стационарную вязкость суспензии при неизменной постоянной объемной концентрации твердой фазы, т.е. более чем на 5%, а в некоторых случаях более чем на 25%.

Эти положения далее поясняются в соответствии с изобретением посредством двух примеров.

В Примере 1 раскрывается модельная система стеклянные шарики/стекловолокно диаметром примерно от 10 до 15 мкм (микрометр).

Пример 2 касается реальной шоколадной системы, в которой частицы шестигранных/кубических компонентов сахара были заменены волокнами молочного белка с диаметром около 20 мкм.

Пример 1. Модельная система стеклянные шарики/стекловолокно

Были получены суспензии с разной объемной долей волокна и общим содержанием твердой фазы 50 об.%. В качестве непрерывной фазы применяли силиконовое масло с ньютоновской текучестью и вязкостью 1,94 Па (25°С). Дисперсные компоненты состояли из полых стеклянных шариков со средним диаметром х_50,3, равным 11 мкм, и стекловолокна со сравнимым средним диаметром х_50,0, равным 13,3 мкм, а также средним соотношением длины и диаметра 7,6.

Текучесть этих суспензий определялась в ротационном реометре с регулируемой деформацией. В качестве измерительной геометрии применяли концентрическую цилиндрическую щель с шириной щели 1 мм. Фиг.1 показывает кривую тангенциального напряжения в зависимости от скорости сдвига для суспензий с различной объемной долей волокон.

На Фиг.2 показана относительная вязкость в области средних скоростей сдвига (1,0 1/с) как функция доли волокон в суспензии.

На Фиг.1 и Фиг.2 можно четко видеть, что для суспензий, в случае которых волокнообразными частицами была заменена объемная доля около 1/6 (16,7%), были замерены самые маленькие тангенциальные напряжения и, соответственно, вязкости. При более высокой доле волокон снова происходит повышение вязкости.

Пример 2. Модельный шоколад с волокнами молочного белка

50 кг модельной шоколадной массы, состоящей из 59% сахара, 11% порошка какао, 29,5% масла какао (жидкая жировая фаза в расплавленном состоянии) и 0,5% лецитина, было получено на пилотной установке. Твердофазные компоненты при этом были тонко размолоты вместе с некоторой частью масла какао (х_50,3=6 мкм; х_95,3=21 мкм) и коншированы (совмещенная термическая, механическая месильно-смешивающая обработка). В конце конширования к расплаву были добавлены еще масло какао и лецитин. Для реологического исследования влияния объемной доли волокон на текучесть модельной шоколадной суспензии объемная доля твердой фазы была установлена в 50%. В качестве волокнообразного компонента применяли волокнообразное сухое молоко (полученное в процессе формования волокна) со средним диаметром волокна х_50,0, равным 18,5 мкм, и соотношением длины и диаметра около 4.

Текучесть шоколадной модели определялась ротационным реометром с регулированием деформации. В качестве измерительной геометрии применяли концентрическую цилиндрическую щель толщиной 1 мм. Пробы шоколада перед измерением расплавляли при температуре 50°С. Измерения проводили при температуре 40°С. Фиг.3 показывает кривую тангенциального напряжения в зависимости от скорости сдвига для этой модели шоколада с разными объемными долями волокон. На Фиг.4 представлена относительная вязкость в области более высоких скоростей сдвига как функция доли волокон в модели шоколада. Из Фиг.3 и Фиг.4 ясно, что при увеличении доли удлиненных (волокнообразных) частиц вязкость шоколадной модели уменьшается.

Другие формы выполнения изобретения описаны в пунктах 3-6 формулы изобретения.

Задача, касающаяся суспендированных продуктов, решается за счет отличительных признаков, описанных в пунктах 7 или 8 формулы изобретения.

Другие формы выполнения изобретения описаны в пунктах 9-13 формулы изобретения.

Отличительные признаки, описанные в реферате, формуле изобретения и в описании, а также приведенные на чертеже, могут быть важными для осуществления изобретения как по отдельности, так и в любых комбинациях.

Реферат

Изобретение относится к способу получения текучей концентрированной суспензионной системы с улучшенными реологическими свойствами и продукту, получаемому этим способом. В способе при сохранении постоянной объемной концентрации веществ 5-30% первоначальных суспензионных частиц заменяется волокнообразными и/или пластинчатыми частицами для улучшения текучести. Добавленные волокнообразные частицы имеют соотношение длины и диаметра≥3. Волокнообразные частицы получены из формованных волокон путем измельчения или из концентратов белков путем процесса формования с последующей сушкой и размельчением. Возможно в способе при сохранении постоянной объемной концентрации твердых веществ 5-30% первоначальных суспензионных частиц для улучшения текучести заменять волокнообразными и/или пластинчатыми частицами с такими же средними диаметрами или характеристическими размерами, что и у первоначальных суспензионных частиц. Продукты на основе суспензий, полученные данным способом, заменой части первоначальных суспензионных частиц, которые в ламинарных потоках не претерпевают ориентирования, волокнообразными и/или пластинчатыми частицами. Продукт может относится к области продуктов питания или к области кондитерских продуктов. Волокнообразные частицы могут быть молочным белком или сухим молоком с соотношением длины и диаметра более трех. Для улучшения реологических свойств продукта использована замена части первоначальных от кубических шестигранных до сферических круглых суспензионных частиц, которые традиционно состоят из сахара, частиц какао и сухого молока, волокнообразными или пластинчатыми частицами молочного белка. При этом обеспечивается улучшение реологических свойств концентрированных суспензий при стабильной объемной доле твердой фазы, что снижает стационарную динамическую сдвиговую вязкость. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула