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

Г л а в а XIV ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многообразие свойств зерна, а также подвержен­ ность его сложным преобразованиям в порядке ответ­ ной реакции на изменение параметров внешней среды вызвали известные трудности изучения его как объекта хранения и переработки. В литературе описаны раз­ личные свойства зерна, но при этом авторы, как пра­ вило, рассматривают их в отдельности, без учета су­ ществующей между ними органической взаимосвязи. Поэтому информация о свойствах зерна развивается не­ сколькими путями, взаимосвязь между которыми про­ слеживается слабо. Однако потребности современной технологии зерна диктуют необходимость обобщения накопленных данных и комплексного рассмотрения по­ ведения зерна в различных процессах, связанных с его хранением и переработкой.

Комплексное изучение влияния влаги и тепла на процессы хранения и переработки зерна позволило увя­ зать особенности его строения и микроструктуры, его физико-химические, теплофизические и технологические свойства; В результате появилась возможность сформу­ лировать несколько обобщений, важных для теории и практики технологии зерна.

Изучение сорбционных свойств зерна привело к ус­ тановлению критических значений влагосодержания, при которых наблюдается заметное изменение интен­ сивности взаимодействия зерна с водой. Анализ термо­ динамических, теплофизических, физико-химических, технологических свойств зерна показывает, что все они при критических значениях влагосодержания 7—8 и 15—17% претерпевают достаточно выраженные преоб­ разования. Следовательно, в пределах гигроскопиче­ ского влагосодержания существуют три различные об­ ласти, в которых состояние зерна определяется собст­ венными значениями характеристических величин физи­ ко-химических, структурно-механических, термодинами­ ческих и других свойств.

Особую важность для практики гидротермическоп обработки зерна на мельницах имеет вторая критическая точка изотермы сорбции: ее значение соответствует установленной Я- Н. Куприцем зоне технологических оптимумов зерна. Таким образом, положение этой зоны на оси влагосодержания получает теоретическое обос­ нование.

Выявлено также, что существует влагосодержаиие, соответствующее заполнению влагой основной массы микрокапилляров зерна, при котором его влагосорбционные свойства выражены в минимальной степени. Как показывает анализ изотермы сорбции методами теории информации, в этой точке состояние зерна характе­ ризуется минимумом неопределенности, что свидетель­ ствует об особом значении этого влагосодержания для зерна как биологически активного объекта.

Сформулированная на основе теоретических пред­ ставлений и проверенная посредством статистического анализа экспериментальных данных гипотеза, трактую­ щая сорбционное взаимодействие как случайный про­ цесс без последействия, позволила определить изотер­ му сорбции как статистическую кривую, оценивающую вероятность взаимодействия молекул адсорбата с ак­ тивными центрами адсорбента. На основе этой гипо­ тезы осуществлен теоретический вывод уравнения изо­ термы сорбции. В результате получено уравнение гаус­

всем ее протяжении, чем выгодно отличается от пред­ ложенных другими авторами. Уравнение можно исполь­ зовать вместо существующих номограмм или планшеток при расчете процесса активного вентилирования зерна. Кроме того, получены данные о емкости мономолеку­

пического влагосодержания зерна. Получена также структурная кривая капилляров зерна, свидетельствую­ щая об отсутствии в эндосперме его макрокапилляров.

Из-за резкого различия микроструктуры и химиче­ ского состава анатомических частей зерна его в процес­ сах тепло-массопереноса следует трактовать как сло'ж-

мое составное тело типа «шар в шаре». Однако попытка применить известное для такого случая решение диффе­ ренциальных уравнений переноса оказалось безрезуль­ татным. Это, видимо, обусловлено высокой анизотроп­ ностью анатомических частей зерна и особым механиз­ мом взаимодействия его с водой.

Обобщение литературных данных и накопленный эк­ спериментальный материал позволили предложить об­ щую схему взаимодействия зерна с водой, суммирую­ щую имеющиеся на сегодняшний день в этой области сведения. По этой схеме весь процесс поглощения зер_ном влаги достаточно четко можно разделить на три периода:

начальный (подготовительный) продолжительностью 0,5—1,0 ч, при котором происходит захват влаги макро- капиллярно-пористыми плодовыми оболочками зерна и быстрый перенос ее в семенную оболочку, алейроновый слой и зародыш;

основной (период активного разрыхления эндоспер­ ма) продолжительностью 5—12 ч, в течение которого осуществляется перенос влаги внутрь эндосперма и связанное с ним изменение физико-химических и техно­

ческим частям и химическим веществам Зерна в равно­ весном соотношении в соответствии с их термодинами­ ческими характеристиками.

Благодаря соседствованию влагонасыщенных алей­ ронового слоя и зародыша зерна с относительно сухим эндоспермом в конце начального периода устанавлива­ ется чрезвычайно высокий градиент влагосодержания, приводящий к возникновению в теле зерновки закритических напряжений. В результате этого в основном пе­ риоде влагопереноса эндосперм раскалывается микротрещииами на отдельные частицы. В исследовании показано, что этот процесс образования трещин явля­ ется главной составляющей в общем механизме разрых­ ления эндосперма зерна при гидротермической обработ­ ке. Вследствие такого разрушения исходной плотной структуры стекловидного эндосперма облегчается фор­ мирование крупок и дунстов при дроблении зерна в

драном процессе, улучшаются их технологические пока­ затели (зольность и размалываемость) и снижается расход энергии.

Большое практическое значение имеет также то, что все физико-химические процессы, сопровождающие про­ цесс внутреннего влагопереноса, развиваются иден­ тично и завершаются одновременно. Поэтому заверше­ ние основного периода означает прекращение и проис­ ходящих преобразований технологических свойств зер­ на. Это наблюдение позволило сформулировать реко­ мендации по практическому определению оптимальной продолжительности отволаживания зерна. Размол его в этот момент способствует не только улучшению фор­ мирования крупок в драном процессе, но и заметному повышению выхода муки, в особенности высоких сортов при одновременном существенном улучшении ее каче­ ства. Предложенная установка может служить основой для разработки системы автоматического контроля и регулирования процесса отволаживания зерна при «хо­ лодном» кондиционировании.

Поступление воды внутрь зерна вызывает к жизни целый комплекс разнородных процессов, интенсивность и особенности развития которых определяют направ­ ление и размер происходящего при гидротермической обработке преобразования технологических свойств зер­ на. Полученные в исследовании данные вскрывают ос­ новные закономерности развития этих процессов в зер­ не и тем самым дают возможность наметить пути уп­ равления его технологическими свойствами посредством регулирования интенсивности процесса внутреннего теп­ ло-влагопереноса. В особенности важной является по­ казанная тесная взаимосвязь между процессами набу­ хания зерна и преобразования его технологических свойств. Это позволило сформулировать заключение о взаимосвязанности и взаимообусловленности развития и единовременности завершения всего комплекса физи­ ко-химических процессов в зерне при гидротермической обработке. Продолжительность их развития связана только с биологическими особенностями данного образ­ ца зерна и температурой процесса, но не зависит от -режима увлажнения. Установлено также, что изменение условий увлажнения зерна, в том числе температурных, не влечет за собой изменения механизма взаимодейст­ вия зерна с водой,

Для оценки происходящих при гидротермической обработке объемных изменений зерна предложена ком­ плексная величина, равная квадрату произведения ве­ личины контракции на плотность зерна. Анализ зави­ симости этой величины от параметров режима гидро­ термической обработки показывает, что она в данных условиях наглядно отражает особенности взаимодейст­ вия зерна с водой и может служить показателем ин­ тенсивностиразвития в зерне физико-химических про­ цессов, определяющих преобразование технологических свойств зерна.

Показано, что изменения плотности (удельного объе­ ма) зерна наглядно отражают сопровождающие внут­ ренний перенос тепла и влаги изменения его физико-хи­ мических свойств. При этом удалось установить, что приращение удельного объема зерна может служить количественной мерой степени разрыхления его эндо­ сперма.

Для пшеницы I и IV типов особенности процесса разрыхления эндосперма при увлажнении могут быть

ма и свойства зерна в первый момент после увлажне­ ния и тем выше интенсивность происходящих преобра­ зований в процессе отволаживания.

Взаимосвязь между степенью разрыхления эндо­ сперма и стекловидностыо зерна в указанных пределах является прямолинейной и почти функциональной.

Кроме этого, посредством прямого сопоставления кинетических кривых и использования метода сравни­ тельного анализа выявлена в конкретном виде взаимо­ связь между группой характеристик, определяющих развитие в зерне внутреннего влагопереноса, физико-хи­ мических процессов, и группой характеристик, опреде­ ляющих происходящие при этом преобразования техно­ логических свойств зерна.

Изучение всего комплекса термодинамических ха­ рактеристик и кинетических коэффициентов влагопере­ носа в зависимости от параметров режима обработки позволило вскрыть характерные особенности процесса внутреннего влагопереноса в зерне. Так, установлено, что этот процесс имеет диффузионный механизм. Это обусловлено структурными особенностями зерна, т. е.

отсутствием в эндосперме его макрокапилляров, а так­ же термодинамическими особенностями взаимодейст­ вия зерна с водой, в частности высокой энергией связи влаги белками и углеводами поверхностных слоев эн­ досперма.

Показано, что в пределах гигроскопического влаго­

П. А. Ребиндера). При этом наиболее вероятный уро­ вень энергии связи соответствует водородной и харак­ теризуется величиной около 21 кДж/моль. Это обеспе­

энергии связи влаги вплоть до состояния свободной во­ ды и наличие внутреннего влагопереноса при весьма низком значении влагосодержания, начиная с 3—4%.

Посредством анализа изменения основных термоди­ намических величин выяснено, что самопроизвольное развитие процесса гидратации зерна обусловлено пре­ вышением по абсолютному значению изменения энталь­ пии над изменением энтропийного члена основного урав­ нения термодинамики. Одновременно выявлено, что изменение энтропии при увлажнении зерна имеет отри­ цательный знак, что свидетельствует об уменьшении сте­ пеней свободы молекул воды в результате локализа­ ции их на активных центрах, а также о повышении упо­ рядоченности структуры связанной воды. Последнее подтверждается и определением плотности связанной воды, проведенным по найденной нами расчетной фор­ муле; величина ее для пришедшего в равновесное со­ стояние зерна превышает плотность жидкой (свобод­ ной) воды во всей области гигроскопического состояния. Повышение упорядоченности воды связано с форми­ рованием молекулярных ассоциаций типа гроздей во­ круг сорбирующих активных центров.

Изменение плотности связанной воды и наличие теплового эффекта свидетельствуют об осуществлении фазового перехода первого рода при связывании погло­ щенной зерном воды.

Грамотное ведение процесса гидротермической об­ работки зерна на мельницах обеспечивает заметное по­ вышение выхода высококачественной муки, способст­ вуя приближению к теоретически возможному извлече­ нию ее — в среднем до 82,5%.

Расчетом подтверждено, что внедрение современных методов гидротермической обработки зерна на мель­ ницах является рентабельным; показана также высокая экономическая эффективность применения разработан­ ного метода определения оптимальной продолжительно­ сти отволаживания зерна при «холодном» кондициони­ ровании.

Важным моментом является установление необходи­ мости существенного сокращения продолжительности отволаживания зерна; осуществление этой рекомендации позволит ликвидировать создавшуюся на подавляющем большинстве наших мельниц нехватку закромов для отволаживания, создать условия для нормального ве­ дения процесса подготовки зерна к размолу, а для вновь строящихся и реконструируемых мельниц заметно уменьшить строительный объем подготовительного от­ деления или же высвободить площадь для дополнитель­ ной установки зерноочистительных машин и другого технологического оборудования.

Таким образом, накопленный материал позволяет поставить на повестку дня разработку системы методов и приемов управления внутренним влагопереносом в зерне и сопровождающих его процессов, что является насущной задачей современной технологии зерна.