مقدمة
علم الترايبولوجي هو دراسة الاحتكاك والتآكل والتشحيم في الأنظمة ذات الأسطح المتفاعلة أثناء الحركة. وهو ذو أهمية كبيرة في علم الأغذية، حيث يُستخدم لفهم العلاقة بين بنية الطعام والإدراك الحسي.
ويمثل القياس الترايبولوجي العمليات التي ينطوي عليها تناول الطعام ومضغه وبلعه، وبالتالي يعطي نظرة ثاقبة على ملمس الفم [1]. ويستخدم نظامًا ترايبولوجيًا، مثل زوج اللسان/الحنك المشحم بمخاليط الطعام واللعاب أثناء المعالجة الفموية [2]. في ما يلي، يتم بحث تأثير حجم الجسيمات في كتل الكاكاو على سلوكها في سياق ترايبولوجي ناعم منخفض الضغط. يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول هذا التطبيق في [3].
المواد وظروف الاختبارات
تم تحضير ثلاث عينات من نفس الدفعة من كتلة الكاكاو لضمان نفس التركيب. طُحنت كل عينة على مطحنة كروية أفقية (NETZSCH طحن وتشتيت).
تم تحديد القطر المكافئ لحجم D90 لكل عينة باستخدام جهاز قياس حجم الجسيمات بالليزر Mastersizer 3000 (مالفيرن باناليتيكال). اختلفت العينات الثلاث المحضرة في توزيع حجم الجسيمات (D90): 33 ميكرومتر لعينة كتلة الكاكاو الخشنة، و26 ميكرومتر لعينة كتلة الكاكاو medium و20 ميكرومتر لعينة كتلة الكاكاو الدقيقة.
أُجريت القياسات الترايبولوجية باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus Prime ultra+ المزود بخرطوشة ذات صفيحة بلتيير مع غطاء نشط وخلية ترايبولوجي كروية على ثلاثة دبابيس (NETZSCH التحليل والاختبار). وشملت هندسة القياس العلوية كرة زجاجية من زجاج البورسليكات بقطر 12.7 مم، واستخدمت دبابيس سيليكون يوريتان إلتومر SIL 30 (شركة كربون) كعينات سفلية تمثل زوج ترايبو اللسان والفم اللين. يتم الضغط على الكرة مقابل المسامير وتكون المسافة بين محور الدوران وملامسة الكرة-الدبوس R. تميل المسامير بزاوية 45 درجة بالنسبة للأفقي. يدور العمود بسرعة زاويّة محددة تتوافق مع سرعة الانزلاق المعنية عند التلامس الثلاثي (انظر الشكل 1 على اليسار). يتم تسجيل عزم الدوران المطلوب لهذه الحركة الدورانية أثناء القياس الترايبولوجي.
أُجريت القياسات عند درجة حرارة 40 درجة مئوية بقوة عمودية مقدارها 1 نيوتن. برنامج القياس مفصل في الجدول 1 (انظر أيضًا [1]).
بشكل مستقل عن الاختبار الترايبولوجي، تم أيضًا إجراء منحنيات اللزوجة القصية على العينات الثلاث. لم يتم تقديمها هنا، ولكن يمكن الاطلاع عليها في [1]. وتظهر أنه عند معدلات القص الأعلى (> 3 ث-1)، تكون لزوجة القص أعلى في عينة كتلة الكاكاو الخشنة وأدنى في كتلة الكاكاو الناعمة.
الجدول 1: معلمات القياسات الترايبولوجية
| الطور | اللزوجة الزاوية | |
|---|---|---|
| 1 | التشغيل | 15 راد/ثانية (10 دقائق) |
| 2 | التثبيت | الاسترخاء (5 دقائق) |
| 3 | قياس منحنى ستريبيك الممتد | 5.10-6 إلى 100 راد/ثانية |
| 4 | قياس منحنى ستريبيك | من 100 إلى 5.10-6 راد/ثانية |
النتائج والمناقشة
يصور الشكل 2 منحنيات ستريبيك الموسعة ومنحنيات ستريبيك الناتجة عن القياسات الترايبولوجية على كتل الكاكاو الخشنة medium والكاكاو الناعم.
يمكن أن تُعزى الزيادة في الاحتكاك التي لوحظت عند أدنى سرعات انزلاق (منحنى ستريبيك الممتد) إلى تشوه العينة اللينة. تتداخل منحنيات جميع العينات الثلاث. يشير هذا إلى أن هذه الظاهرة مستقلة عن حجم الجسيمات وتحكمها بدلاً من ذلك الخصائص الإجمالية الجوهرية للعينة اللينة. يمكن رؤية حد أقصى محلي في الاحتكاك في عينة كتلة الكاكاو الناعمة في كل من منحنيات ستريبيك الممتدة (الشكل 2 يسار) ومنحنيات ستريبيك (الشكل 2 يمين). أحد الأسباب المحتملة لهذا السلوك هو التصاق جزيئات small بين الكرة الدوارة والمطاط الصناعي مما يؤدي إلى زيادة فعالة في خشونة السطح وبالتالي في الاحتكاك.
تُظهر عينة كتلة الكاكاو الناعمة أعلى احتكاك محدود (الشكل 3)، في حين أن هذا العامل لا يختلف اختلافًا كبيرًا بالنسبة لعينات كتلة الكاكاو الخشنة وعينات كتلة الكاكاو medium. بعد تجاوز الاحتكاك المحدود، ينخفض احتكاك عينة كتلة الكاكاو الخشنة بشكل كبير. يتمثل أحد التفسيرات المحتملة لهذا السلوك في أن الجسيمات الخشنة أكبر من أن تدخل المساحة بين الكرة الزجاجية الدوارة والمطاط الصناعي مما يؤدي إلى انخفاض جزء الحجم الصلب من المعلق. وبالتالي، يكون الاحتكاك عند التلامس الثلاثي أقل.
يشير الشكل 4 (منحنيات ستريبيك في نطاق سرعة الانزلاق في النظام الهيدروديناميكي) إلى أن الاحتكاك في النظام الهيدروديناميكي يكون أعلى ما يكون في عينة كتلة الكاكاو الخشنة وأدنى ما يكون في عينة كتلة الكاكاو الدقيقة. كلما زاد حجم الجسيمات، انخفضت سرعة الانزلاق التي يحدث عندها الانتقال. وهذا يتوافق مع لزوجة القص الأعلى للعينة الخشنة عند معدلات القص الأعلى (انظر [1]).
الخاتمة
تمت مقارنة الخواص الترايبولوجية لثلاث عينات من كتلة الكاكاو بتوزيع مختلف لحجم الجسيمات. تم اكتشاف اختلافات في السلوك الاحتكاكي يمكن أن تكون مرتبطة بآليات تشحيم مختلفة. تم وصف التفسيرات والآليات الأخرى المقترحة في [1].