книги из ГПНТБ / Егоров Г.А. Влияние тепла и влаги на процессы переработки и хранения зерна

Указывается, что при поглощении воды расклини­ вающее действие проявляется на расстоянии до 7 мкм. С увеличением толщины пленки расклинивающее дав­ ление снижается. Так, при ее толщине 1,5 мкм давление

рию образования микротрещин в различных твердых те­ лах постоянно разрабатывают наши ученые [58, 94, 146, 147]. Образование микротрещин в зерне разных куль­

Грош, Милнер и др. [182, 185, 240] установили, что увлажнение зерна пшеницы обязательно связано с об­ разованием микротрещин в эндосперме, посредством которых последний необратимо разрушается. Процесс образования трещины развивается с переменной интен­ сивностью: первые трещины в эндосперме появляются через 0,5 ч, к 8—12 ч образование их прекращается. В дальнейшем наиболее тонкие микротрещины смыка­ ются, т. е. частично восстанавливается исходная струк­ тура.

Наиболее интенсивное образование микротрещин в эндосперме пшеницы наблюдается при увлажнении до 14—16,5%, при 17,5% образование микротрещин не за­ регистрировано [174, 182, 240].

Для риса также установлена 8-часовая длительность интенсивного образования микротрещин [23], после ко­ торой наблюдается уменьшение количества трещинова­ тых зерен. И для пшеницы, и для риса стабильное со­ стояние наступает примерно через 24 ч. Для зерна ку­ курузы найдено, что трещиноватость его резко увели­ чивается при нагреве выше температуры 40—45°С [72].

В. А. Каргин и Г. Л. Слонимский указывают, что образование микротрещин является следствием харак­ терной для полимеров неоднородности распределения напряжений [58]. Они считают, что в качестве условия развития трещины выступает соотношение скорости ориентации макромолекул полимеров и скорости роста трещины: трещина растет, если вторая превышает пер­ вую, и наоборот. Это в полной мере применимо к зерну.

Я. Б. Фридман и Е. М. Морозов [94, 114] отмечают, что для образования трещины в твердом теле требуется максимум скорости релаксации напряжений («трещин-

ная» релаксация в отличие от пластической релакса­ ции). Развитие трещины происходит по направлению наибольшего энергоснабжения и наименьшего энерго­ поглощения. Они указывают, что трещины должны рас­ полагаться перпендикулярно свободной границе тела, что действительно наблюдается. Но при вязких разру­ шениях трещины идут по линиям сдвига, наклонным к поверхности тела.

При увлажнении зерна первые трещины направлены перпендикулярно главной оси зерна и раскалывают его в поперечном направлении. Вдоль зерна, а также под некоторыми углами к его оси трещины развиваются лишь после нескольких часов (при «холодном» конди­ ционировании), т. е. при достаточной гидратации био­ полимеров, расположенных в объеме зерна.

X. Л. Кешаниди [60] проанализировал влияние ув­

туры эндосперма микротрещинами. В дальнейшем до 11—14 ч длительности процесса их количество сохраня­ ется неизменным, а затем быстро снижается до исход­ ного значения. Однако при последующей десорбции влаги все образовавшиеся в первые часы увлажнения трещины появляются вновь. Таким образом, в зерне риса не происходит «залечивания» микротрещин. Повидимому, это связано с низким содержанием белков, благодаря чему эндосперм риса характеризуется низкой прочностью, что заставляет технологов искать такие способы и приемы его обработки при производстве кру­ пы, которые отличаются небольшим механическим воз­ действием на зерновку.

Процесс образования микротрещин всегда сопро­ вождает процесс внутреннего переноса влаги и оказы­ вает огромное влияние на структуру зерна и его тех­ нологические свойства. Даже при увлажнении и обез­ воживании зерна в мягком режиме сорбции-десорбции

Изложенный материал логически приводит к заклю­ чению, что интенсивность внутреннего влагопереноса и интенсивность процесса образования трещин в теле зер-

на должны быть взаимосвязаны; это получено подтвер­ ждением [44].

Второй по важности причиной, определяющей раз­ рыхление эндосперма, является изменение надмолеку­ лярной структуры биополимеров зерна и конформации их макромолекул. Полимеры при изменении внешних условий легко переходят из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот [58]. В результате переме­ щения боковых цепей (или же при разворачивании гло­ бул) структура их макромолекул «разрыхляется» [58]. Основным возмущающим фактором при этом является внедрение молекул воды между цепями макромолекул биополимеров зерна, в результате чего изменяется их исходное равновесное расположение. По мере заверше­ ния процесса внутреннего переноса влаги в зерне, свя­ зывания воды устанавливается новое равновесное со­ стояние, при котором укладка цепей макромолекул от­ личается от предыдущей, существовавшей до увлажне­ ния зерна.

Изменяется в этом процессе и тот вклад, который вносят также физико-химические преобразования на молекулярном уровне в общую степень разрыхления эндосперма зерна: с течением времени, а также при уве­ личении температуры он повышается. В некоторых слу­ чаях этот вклад может быть существенным, в особен­ ности при обработке зерна в условиях повышенной тем­ пературы.

Биохимические процессы, развивающиеся в зерне при увлажнении и прогреве, также влияют на степень разрыхления его эндосперма. Однако этих сведений не­ достаточно для количественных рассуждений. Предпо­ ложительно, роль этих процессов меньше, чем трещинообразования или же структурных преобразований мак­ ромолекул белков и углеводов зерна.

Для практики гидротермической обработки зерна особое значение имеет продолжительность периода ак­ тивного разрыхления эндосперма; в соответствии с вы­ шеизложенным она соответствует завершению процесса раскалывания эндосперма микротрещинами. Прекраще­ ние образования трещин свидетельствует о локализации молекул воды на активных центрах макромолекул и переходе ее в связанное состояние.

При анализе термодинамических особенностей вза­ имодействия зерна с водой было показано, что связы-

із а мїїе воды характеризуется отрицательным приростом энтропии, свободной энергии и энтальпии. При равно­ весном состоянии изменение этих термодинамических параметров прекращается. При увлажнении это усло­ вие выполняется после достижения гигроскопического влагосодержания, когда все активные сорбирующие центры становятся полностью насыщенными, а микро­ капиллярные межмолекулярные промежутки зерна — заполненными водой. В процессе иммерсии воды это со­ стояние также должно наступить при влагосодержании зерна, равном гигроскопическому. Это и понятно, по­ скольку поглощение воды зерном сопровождается энер­ гическим эффектом только до гигроскопического влаго­ содержания.

Итак, можно констатировать, что степень изменения физико-химических свойств зерна непосредственно за­ висит от параметров режима его обработки: влагосо­

•известны как разрыхление эндосперма, которое пред­ ставляет собой суммарный результат комплексного воз­ действия физико-коллоидно- и биохимических процес­

роль принадлежит разрушению его микротрещинами, возникающими в результате расклинивающего действия проникающей в зерно воды.

Между различными показателями физико-химиче­ ских свойств зерна и величиной прироста влагосодер­ жания и температуры существует тесная взаимосвязь. Это позволяет для некоторых важных случаев предло­ жить математическое выражение для описания этой взаимосвязи. В частности, получено уравнение регрес­ сии степени разрыхления эндосперма по величине при­ роста влагосодержания зерна..

Анализ развития различных физико-химических про­ цессов в зерне при увлажнении позволяет выявить су­ щественное значение критических точек изотермы сорб­ ции воды зерном и для этого случая.

Г л а в а VII

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛО-ВЛАГОПЕРЕНОСА НА СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗЕРНА

Структурно-механические свойства являются одними «з основных, так как они увязывают структурные осо­ бенности зерна с его поведением при механическом воз­ действии. Эти свойства в значительной степени опре­ деляют особенности процесса измельчения зерна, шелу­ шения и шлифования зерна крупяных культур, выход и качество продуктов дробления, расход энергии на из­ мельчение и т. д. В мукомольном и крупяном произ­ водстве режим гидротермической обработки обязатель­ но должны увязывать с необходимостью приведения зерна в оптимальное состояние по структурно-механиче­ ским свойствам.

Главными критериями оценки этих свойств служат рассматриваемые ниже характеристики механических, упруго-кинетических и реологических свойств.

Прочность зерна

Прочность представляет собой способность материа­ ла противостоять разрушению под воздействием прило­ женных усилий. Этот показатель количественно опре­ деляется расходом энергии на единицу вновь образо­ ванной поверхности. Прочность можно также оценить величиной разрушающего усилия или напряжения. При этом необходимо учитывать вид деформации, так как сопротивляемость срезу, сжатию и т. п. для большинст­ ва материалов, в том числе и для зерна, различна.

В литературе этот показатель структурно-механиче­ ских свойств зерна рассмотрен наиболее подробно. Первая работа в этой области принадлежит П.М.Афа­ насьеву. Исследуя в 1935 г. влияние влажности при де­ формации сжатия, Пэнс нашел, что различие в прочно­ сти зерна разных сортов может достигать 50%. Однако на этот результат определенное влияние оказал размер-

зовал пружинный динамометр. Особенно тщательно

(табл. 11). Прочность зерна зависит также от стекло­

И. А. Наумов также установил, что прочность зерна снижается при повышении его влажности. При этом бы­ ли обнаружены значительные колебания значений раз­ рушающих усилий в зависимости от сорта зерна, рай­

В таблице 12 приведены средние величины разрушаю­ щего усилия для пшеницы Лютесценс 62 со стекловид-

Т а б л и ц а 12

Прочность эндосперма твердой и мягкой пшеницы

* Напряжение в 1 кГ/см2 соответствует Ы 0 5 Н / м 2 .

Изучив прочность оболочек двух сортов мягкой и одного сорта твердой пшеницы, можно сказать следую­

133,2 кГ/см2 ; плодовых оболочек—110,3—178,8 кГ/см2 ; плодовых и семенных оболочек вместе и в соединении их с алейроновым слоем — 203,3—250,0 кГ/см2 .

По данным Гиршсона [78], прочность оболочек еще выше: 268—325 кГ/см2 .

П. П. Тарутин [136], изучая влияние облучения УКВ зерна на его прочность, установил, что как при повы­ шении влажности, так и-при повышении температуры она снижается.

Исследование влияния гидротермической обработки на прочность зерна при различных деформациях под руководством Я. Н. Куприца провела 3. Д. Гончарова [28]. Она пришла к выводу, что при повышении влаж­ ности и температуры разрушающее усилие сжатия сни­ жается, причем основное влияние оказывает влажность (табл. 13 и 14). При ее возрастании зерно до разруше­ ния деформируется сильнее, что указывает на посте­ пенное увеличение пластичности зерна и уменьшение его хрупкости.

Однако одновременно повышается абсолютная де­ формация, которую зерно претерпевает до разрушения. , В результате сопротивляемость зерна измельчению воз-

для зерна различной влажности [28]. Первый участок графика представляет собой наклонную прямую. Дефор­ мация зерна на этом участке полностью обратима, а зерно разрушается как хрупкое тело. На втором участ­ ке графика при незначительном увеличении усилия де­ формации сильно возрастают, а существовавшая на первом участке пропорциональность между ними нару­ шается. Зерно все более приобретает пластические свой­ ства, деформации обратимы не полностью.

При увеличении влажности протяженность второго участка графика все более возрастает за счет первого. Это соответствует снижению хрупких, упругих и увели­ чению пластических свойств зерна. При некоторых значениях влажности зерно может быть или полностью хрупким, или же полностью пластичным. По-видимому, хрупким зерно становится при влажности 7—8%, что соответствует завершению образования мономолекуляр­ ного слоя. На рисунке 55 этот случай отражает пунк­ тирная прямая OA. Для зерна, имеющего различные структурно-механические свойства, угол наклона этой

разрушается легче, причем разрушающие усилия (в расчете на одно зерно) снижаются в большей степени у стекловидного зерна (табл. 15). Подобные результаты для риса получила О. В. Кузьмина.

В работе Б. В. Сенаторского [1, 126] сделана по­ пытка непосредственно увязать величину усилий, не­ обходимых для разрушения зерна, с величиной удельно­ го расхода энергии на помол. До оптимальной влажно­ сти зерна между этими показателями существует опре­ деленная пропорциональность (рис. 56). Но при слиш­ ком высокой влажности зерна удельный расход энергии на измельчение зерна быстро увеличивается, в то время как прочность его остается примерно, постоянной или даже несколько снижается.

Таким образом, испытание зерна на разрушение в статических условиях позволяет получить зависимости до некоторой степени определяющие выбор режима гидротермической обработки зерна.

Для проверки полученных в лабораторных условиях результатов на экспериментальной мельнице ВНИИЗ были проведены помолы. В таблице 16 приведены удель­ ные расходы энергии (квт-ч/т) при измельчении зерна в трехсортную муку с общим выходом 78%.