Коллоидные частицы, диспергированные в паро-газовой среде, движутся в коптильной камере вместе с самой средой под действием тяги и конвекционных токов, а также под действием ряда сил, вызывающих перемещение частиц по отношению к движущейся среде.
Без учета влияния тяги частицы дыма могут перемещаться в основном под действием гравитационной силы (силы тяжести), диффузии (в результате броуновского движения), радиометрических сил (вследствие теплового градиента), а также под влиянием внешних сил (например, в электрическом поле высокого напряжения).
Под действием силы тяжести частицы дыма оседают, причем скорость оседания возрастает с увеличением размеров частиц дыма; быстрее оседают единичные плотные частицы шарообразной формы и медленнее — частицы, которые имеют рыхлую структуру, а, следовательно, и меньшую плотность.
Кроме того, в первую очередь оседают наиболее крупные частицы. Оседанию мелких частиц препятствует броуновское движение, под действием которого мелкие частицы совершают зигзагообразный путь.
При определенных условиях интенсивность естественного оседания очень мелких (коллойдных) частиц может возрасти. Это произойдет в том случае, если мелкие частицы в момент столкновения друг с другом начнут укрупняться вследствие так называемой коагуляции дыма.
Коагуляция аэрозолей происходит вследствие броуновского движения частиц, иногда в сочетании с действием других сил (например, силы тяжести), или независимо от броуновского движения.
Коагуляция аэрозольных частиц, вызываемая броуновским движением, возникает самопроизвольно, сильнее проявляется в более концентрированном дыме (вследствие большего числа соударений) и зависит от степени дисперсности дыма. По теоретическому уравнению коагуляции Смолуховского Фостер вычислил время, в течение, которого число частиц дыма в результате укрупнения уменьшается наполовину.
Продолжительность коагуляции в сек. в зависимости от дисперсности дыма
| Весовая концентрация частиц в дыме в мг/л | Начальный радиус частиц дыма в мк | |||
| 0,05 | 0,10 | 0,15 | 0,20 | |
| 0,01 | 125 | 1000 | 3375 | 8000 |
| 0,05 | 25 | 200 | 675 | 1600 |
| 0,10 | 12,5 | 100 | 338 | 800 |
| 0,20 | 6,3 | 50 | 169 | 400 |
| 0,30 | 4,2 | 33 | 118 | 267 |
| 0,40 | 3,1 | 25 | 85 | 200 |
| 0,50 | 2,5 | 20 | 68 | 160 |
| 1,00 | 1,3 | 10 | 34 | 80 |
Коагуляция происходит тем быстрее, чем больше весовая концентрация и меньше размеры частиц дыма.
На скорость коагуляции существенно влияет также режим движения коптильной среды. При ламинарном движении коптильного дыма коагуляция происходит значительно менее интенсивно, чем при турбулентном. Коагуляция практически отсутствует или очень мала в высокодисперсном дыме, сильно разбавленном воздухом. Гравитационные силы ускоряют коагуляцию только в том случае, если в дыме имеются крупные частицы (с радиусом более 0,5 мк).
На коллоидное состояние аэрозолей существенно влияет влажность среды. Так, по данным Артемова, коагуляция аэрозолей хлористого аммония при увеличении относительной
влажности среды более 40% заметно возрастает, причем частицы покрываются жидкой пленкой. Земба считает, что при горячем копчении, когда влажность среды в коптильной камере значительно изменяется, подобные явления происходят и с коптильным дымом.
Движущиеся коллоидные частицы дыма находятся во взвешенном состоянии до тех пор, пока не достигнут какой-либо поверхности (стенки коптильной камеры, подвешенных в ней продуктов и т. п.). При столкновении с поверхностью, коллоидные частицы дыма осаждаются на ней, даже если не произошло коагуляции.
Необходимо различать термины «осаждение» и «оседание» коллоидных частиц.
Под оседанием дыма подразумевают движение частиц вследствие действия постоянной внешней силы (например, силы тяжести, электрического поля), а под осаждением — отложение коллоидных частиц на поверхности тела вследствие столкновения частиц с поверхностью.
Осаждение дыма — одно из наиболее важных явлений процесса копчения. Интенсивность его зависит от таких взаимно связанных между собою факторов, как действие различных причин, вызывающих движение частиц, — коагуляция аэрозолей, температура дыма, состояние поверхности продукта и некоторые другие.
При обычном копчении осаждение коллоидных частиц дыма в основном может происходить под действием силы тяжести, броуновского движения, радиометрических сил и в результате турбулентности движения коптильной среды.
Между размерами коллоидных частиц и скоростью осаждения дыма, существует определенная зависимость. Для копчения холодным дымом она представлена графически. На скорость осаждения коллоидных частиц на горизонтальную поверхность сила тяжести влияет тем сильнее, чем больше размер их. Мелкие частицы осаждаются преимущественно под действием броуновского движения, и чем больше дисперсность дыма, тем сильнее влияет она на интенсивность копчения.
Радиометрические силы (термофорез) для случая холодного копчения имеют меньшее значение по сравнению с другими факторами. Это связано с физической сущностью проявления указанных сил. Радиометрические силы возникают в результате воздействия нагретой газообразной среды на содержащиеся в ней неравномерно нагретые частицы. Молекулы газа отлетают от нагретой стороны частиц с большей силой, чем от ненагретой, вследствие этого частицы перемещаются в направлении снижения температуры.
Влияние радиометрических сил на скорость осаждения частиц тем больше, чем меньше их размеры (а, следовательно, и масса) и чем больше перепад между температурами дыма и поверхности осаждения. С увеличением температурного перепада между дымом и поверхностью продукта возрастает влияние радиометрических сил на скорость осаждения дыма.
Явление коагуляции вносит определенные изменения в механизм осаждения дыма на продукт. Дым, средний радиус частиц которого составляет около 0,1 мк, осаждается преимущественно в результате диффузии и радиометрических сил, а дым с частицами, увеличенными вследствие коагуляции, осаждается главным образом под действием сил тяжести и турбулентности движения.
Независимо от механизма осаждения скорость приближения частиц к поверхности и скорость осаждения частиц пропорциональна концентрации дыма.
Интенсивность осаждения частиц зависит от положения поверхности относительно действия силы тяжести. В опытах с искусственным аэрозолем (с частицами размером 0,3—2 мк), заключенным в замкнутую камеру, осаждение частиц было ничтожным на потолке, а на боковых стенках частиц осаждалось втрое меньше, чем на дне.
Чем выше дисперсность аэрозоля, тем больше осаждается частиц на вертикальных стенках и тем меньше на горизонтальных, и наоборот. Очень крупные частицы (радиусом 7 м/с), не осаждаются на вертикальных стенках.
Такая же закономерность наблюдается и при осаждении коптильного дыма. Осаждение смолистых веществ коптильного дыма на горизонтальную и вертикальную поверхность за сутки копчения рыбы характеризуется следующими данными в мг на 100 см2:
При прочих равных условиях скорость осаждения дыма зависит от состояния поверхности осаждения. Известно, что изделия с более влажной поверхностью пропитываются компонентами дыма быстрее, чем продукты с сухой поверхностью.
Влияние предварительного подсушивания трескового филе на количество отлагающихся фенолов дыма
| № эксперимента | Продолжительность подсушивания в час. | Продолжительность копчения при 23° в час. | Количество фенолов в мг/100 г |
| 1 | 0 | 1 | 9,2 |
| 2 | 1,5 | 1 | 5,1 |
| 3 | 0 | 2 | 12,6 |
| 4 | 1,5 | 2 | 9,6 |
| 5 | 0 | 2 | 13,1 |
| 6 | 1,5 | 2 | 12,3 |
Предварительная подсушка в течение 1,5 часа (эксперимент 2) приводит к уменьшению отложений фенолов на рыбе по сравнению с, отложением их на неподсушенной рыбе (эксперимент 1). Аналогичная закономерность наблюдается и в других экспериментах при увеличении продолжительности копчения.
Принято считать, что при копчении главную роль играют коллоидные частицы дыма, осаждающиеся на поверхности продукта и обусловливающие эффект копчения. Это представление не согласуется с результатами исследований английских авторов Фостера и Симпсона.
Ими установлено, что скорости осаждения дыма на воде и поверхности влажной рыбы (при условии равномерного испарения влаги) практически одинаковы. Это положение было использовано исследователями при изучении механизма осаждения дыма на рыбу в модельных опытах с водой. Параллельными экспериментами по обработке поверхности воды обычным дымом и дымом, освобожденным посредством электрофильтра от коллоидных частиц, установлено, что в обоих случаях наблюдалось осаждение дыма, причем остатки, полученные после выпаривания воды, были сходны по цвету и вязкости и другим показателям с веществами, осаждающимися на металлической поверхности со скоростью, в 50—100 раз меньшей. Учитывая слабое осаждение частиц на сухую поверхность, а также то, что скорость осаждения их на воду не зависит от присутствия частиц в дыме, пришли к выводу, что участие коллоидных частиц в осаждении дыма на поверхность можно считать незначительным.
Механизм копчения Фостер связывает с конденсацией и осаждением паровой фазы, содержащей значительную часть летучих компонентов дыма. Давление паров на поверхности (воды или влажной, рыбы) меньше парциального давления их в самом дыме. Скорость проникновения дыма в воду или на влажную поверхность возрастает с увеличением парциального давления паров в дыме пропорционально концентрации летучих компонентов дыма в фазе паров. Скорость осаждения дыма подчиняется законам испарения воды с поверхности. Изменяя аэродинамические условия за счет изменения скорости движения коптильной среды, можно регулировать скорость отложения летучих коптильных компонентов, которые находятся в состоянии подвижного равновесия с коллоидными частицами дыма.
С повышением температуры дыма менее летучие органические соединения, находящиеся в фазе частиц, испаряются я переходят в фазу паров, вследствие чего увеличивается скорость осаждения дыма.
Из-за сравнительно небольшой концентрации более летучих компонентов, находящихся в фазе частиц, изменение температуры дыма не влияет на их осаждение.
В связи с этим предполагается, что продукты, копченные холодным и горячим дымом, содержат разное количество одних и тех же составных частей дыма.
Указанные выше положения не разъясняют ряда вопросов, в частности, наличия в продуктах холодного копчения таких высококипящих соединений, как метиловые эфиры пирогаллола и его гомологов и других соединений, содержание которых в паровой фазе холодного дыма трудно допустить.
Нельзя не считаться также с фактом преобладания органических соединений в фазе частиц. Вероятно, роль коллоидных частиц дыма в процессе копчения более значительна, чем это следует из выводов английских авторов, В частности, надо учитывать указанные Воскресенским кинетические свойства дыма и осаждение частиц его вследствие липкости поверхности продукта.
Опытные данные, полученные при копчении трескового филе, свидетельствуют о влиянии на скорость осаждения некоторых. компонентов дыма и таких параметров копчения, как скорость и влажность коптильной среды.
Осаждение некоторых компонентов холодного дыма на тресковое филе в зависимости от условий копчения
Результаты экспериментов 1 и 2 свидетельствуют о том, что с увеличением скорости движения коптильной среды на рыбе больше отлагается таких компонентов дыма, как фенолы и ацетон. Из сравнения результатов опытов 1 и 4 следует, что при использовании более влажной коптильной среды на поверхности образцов интенсивнее отлагаются составные части дыма. Количество составных частей дыма, осаждающихся на копченом продукте, возрастает при увеличении густоты или плотности и уменьшается при повышении температуры коптильного дыма. По мере увеличения продолжительности копчения, относительная скорость адсорбции фенолов дыма продуктом уменьшается. Эти данные указывают на совпадение результатов, наблюдаемых в практике копчения, с выводами теории.
С целью ускорить осаждение дыма были проведены многочисленные опыты по обработке продуктов дымом в электрическом поле высокого напряжения. Результаты экспериментов в ряде случаев нашли практическое применение.