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

Влажность зерна зависит от условий, в которых оно находится. Способность гидрофильных биополимеров зерна поглощать и удерживать влагу зависит от тем­ пературы окружающей среды, температуры процесса и некоторых других факторов, наиболее важным из кото­ рых являются особенности анатомического строения и химического состава зерна. Вслед за изменением пара­ метров внешней среды происходит ответное изменение влажности зерна, которое продолжается вплоть до но­ вого уровня влажности, определенного конкретным со­ четанием отмеченных выше условий.

Такая установившаяся влажность зерна называется равновесной {W). Следует учитывать, что установив­ шееся равновесие носит динамический характер.

Изучению равновесного состояния зерна по влажно­ сти при постоянной температуре, которое определяется изотермами сорбции или десорбции, посвящена обшир­ ная отечественная [20] и зарубежная литература.

Однако в большинстве экспериментальных работ имеется принципиальная методическая ошибка. Свя­ зана она с тем, что исследователи при постановке опы­ тов не учитывали явление сорбциош-юго' гистерезиса.

Известно, что при десорбционном обезвоживании зерна равновесная влажность его будет выше, чем при сорбционном увлажнении, при неизменных всех прочих условиях, включая сюда и свойства зерна. В средней части изотерм разность во влажности зерна пшеницы достигает двух и более процентов. В то же время неко­ торые исследователи .для снятия изотермы помещают образцы зерна, имеющего некоторую исходную влаж­

новлено, что опытные точки удовлетворительно ложатся

лиз сорбциониого взаимодействия зерна с водой, а по­

Механизм сорбциониого взаимодействия зерна с во­ дой может быть представлен следующим, образом. Зер­ но по весу сухих веществ более чем на 90% состоит из гидрофильных .биополимеров (белков и углеводов). Их макромолекулы содержат большое количество функцио­ нальных групп, располагающих запасом свободной энер-

гии. Такими группами в углеводах являются — ОН и

—О— а в белках —NH—, — N H 2 —СООН, —CONH2 )

—ОН и т. п. Каждая из указанных выше групп распо­

лагает некоторым запасом энергии, достаточным для захвата и удержания одной, двух или более молекул воды. В литературе для каждой из этих активных групп приводятся разноречивые данные.

Эти различия обусловлены, видимо, тем, что сама сорбирующая способность активных групп не является неизменной величиной, а зависит от большого количест­ ва факторов: месторасположения группы в молекуле белка или углевода (например, в пептидной цепи или же в боковой ветви молекулы белка), наличия экрани­ рующего окружения ближайших участков макромолеку­ лы и т. п. В связи с этим энергетический уровень дан­ ной активной группы (будем говорить в дальнейшем активного центра) может в некоторых пределах изме­ няться, обеспечивая сорбционную связь различного ко­ личества молекул воды. Логично предположить, что энергетический уровень активных центров макромоле­ кул биополимеров зерна представляет собой некоторую непрерывную функцию многих переменных, изменяю­ щуюся от наименьшего до наивысшего значения, в за­ висимости от конкретных обстоятельств.

Особенностью высокополимеров является отсутствие прочной кристаллической решетки. Поэтому в глубь ее могут внедряться адсорбированные молекулы, что вы­ зывает набухание веществ, в особенности при образо­ вании водородных связей, как это наблюдается при взаимодействии с водой. Благодаря беспорядочному рас­ положению активных центров в объеме зерна сорбиро­ ванные молекулы воды не образуют сплошного, непрерыв­ ного слоя (мономолекулярного слоя), а группируются вокруг активных центров в виде гроздей. Однако ус­ ловно можно представить, что активные центры равно­ мерно распределены на некоторой плоскости, образуя активную поверхность. На ней возможно образование моноили полимолекулярного слоя молекул воды. Та­ кая модель активной поверхности будет использована в дальнейшем.

Основная задача в теории адсорбции состоит в рас­ чете ее величины при данных условиях, т. е. в определе­ нии уравнения изотермы адсорбции. В настоящее время известно несколько уравнений разных авторов: БЭТ [11],

Полученное уравнение (3) изотермы адсорбции не­ удобно для анализа. Однако, его можно представить в

К.2 почти не изменяется при изменении относительного давления паров воды. В результате этого были получе­ ны следующие выражения, описывающие зависимость коэффициентов общего уравнения изотермы сорбции воды зерном пшеницы:

где t — температура, °С.

Уравнение (3) теперь можно представить в виде (1—р/ро) = 0,06-0,20р/ро- (2,3+0,060 1 0 - 3 Г с . (13)

Откуда

Последнюю формулу можно использовать при прак­ тических расчетах влагосодержания зерна пшеницы для следующих диапазонов:

0 , 2 < р / р 0 < 0 , 7 ; 2 0 ° С < / < 8 0 ° С .

Проверка'показывает, что в пределах р/ро от 0,2 до 0,7 абсолютные отклонения расчетных значений влаго­ содержания от опытных не превышают 0,3%. Следова­ тельно, формула (14) позволяет рассчитать влагосодержание зерна в достаточно широких диапазонах "основных параметров, определяющих процесс сорбции. Поэтому ее можно использовать для расчетов процесса активного вентилирования пшеницы и сушки вместо из­ вестных номограмм или планшеток для вентилирова­ ния. Следует только иметь в виду, что при ее исполь­ зовании значения влажности выражаются на сухой вес.

Обработка опытных данных для уравнения изотер­ мы типа (4) привела -к-установлению следующей зави­ симости его коэффициентов от температуры:

т=4,0—,0,035/, . (15) /г—19,7—0,075/. - . - - . (16)

Следовательно, общее уравнение для изотермы сорб­ ции' воды зерном пшеницы может быть представлено з таком виде:

Это уравнение действительно в диапазонах 0,1<р//? 0 <0,75,

0 ° C < * < 8 0 ° C ,

т. е. в более широких интервалах параметров состоя­ ния атмосферы, чем уравнение (14).

Проверка показывает, что в диапазоне относитель­ ной влажности воздуха от 0,2 до 0,75 абсолютные от­ клонения расчетных значений равновесной влажности зерна от экспериментальных не превышают 0,3%. По­ этому уравнение (17), как и уравнение (14), можно ре­ комендовать для расчетов при указанных выше зна­ чениях влагосодержания зерна, температуры и относи­ тельной влажности атмосферы.

Для зерна других культур данных меньше, поэтому

Это уравнение можно рекомендовать для практиче­ ских расчетов в диапазонах

0 , 1 < р / р 0 < 0 , 8 ,

— 1 0 o C < ^ < 6 0 ° C , 5 % < № с < 2 0 % .

В этих диапазонах расхождения вычисленных и опытно найденных значений W лежат в пределах 0,3%.

Независимо от того, будет ли уравнение (3) иметь вид уравнения (14) или (17), получаем, что при повы­ шении температуры равновесное влагосодержание зер­ на должно понижаться. Этот факт в диапазоне поло­ жительных температур является бесспорным.

Значительный практический интерес представляет определение так называемого температурного коэффи­ циента изотермы сорбции, т. е. величины снижения равновесного влагосодержания при повышении темпера­ туры на 1°С. До настоящего времени в литературе зна­ чение этого коэффициента указывалось лишь ориенти­ ровочно. Так, И. Я. Бахарев [6] нашел, что температу­ ра влияет на величину равновесного влагосодержания

зерна, но степень этого влияния не установил. И. А. Кле­ ев [62] в своих опытах установил, что при изменении температуры от —10 до +20° С, т. е. на 30° С, равно­ весная влажность зерна в зависимости от относительно­ го давления паров воды в атмосфере снижается от 1,41

фициент изотермы возрастает прямолинейно, а затем быстро увеличивается. Это может быть связано с рез­ кой интенсификацией необратимых изменений физикохимических свойств биополимеров зерна и структурных преобразований при р/р0 >0>65.

Уравнение изотермы можно использовать и для рас­ чета величины так называемого гигроскопического вла­

чрезвычайной нестойкости и подверженности воздейст­ вию грибков и микробов в этих условиях. Для зерна это осложняется еще тем, что оно является живым ор­ ганизмом. В. Л. Кретович [75] установил, что при 14,5—15,0% влажности резко интенсифицируется ды­ хание зерна и другие физиологические процессы. В ре- - зультате происходит убыль сухих веществ зерна, а при некоторых биохимических процессах может образовать­ ся вода. Все это настолько искажает условия экспери­ мента, что опытное определение величины равновесного влагосодержания становится трудно выполнимым. Имен­

Вычисление гигроскопического влагосодержания Wr имеет особое значение. Эта величина определяет пре­ дельную сорбционную емкость зерна, связанную с тер­ модинамически возможной в данных условиях гидра­ тацией биополимеров зерна. Завершение сорбционного поглощения зерном паров воды свидетельствует о пре­ кращении энергетического взаимодействия биополиме­ ров зерна с молекулами воды, т. е. о прекращении свя­ зывания воды. Литературные данные о величине гигро­ скопического влагосодержания в силу вышеизложенного можно рассматривать только как приблизительные. При­ водятся значения от 28,7 до 37,0% [6, 20, 36, 62]; как видно разница достигает почти 9%.

Очевидно, единственным способом определения ве­ личины Wr для зерна является расчетный. Можно ис­

получаем Wr =38,5%, что практически совпадает с верх­ ним пределом, приводимым в литературе. Для повы­ шенных значений температуры величина гигроскопиче­

мы, рассчитанный по этим значениям величины №г , ра­ вен AWt =0,23%)/град. Это значение примерно в три раза превышает найденный выше температурный коэф­ фициент для среднего участка изотермы. Значит, с уве­ личением р/ро значение Д№< возрастает до того момен­ та, когда plpo=\.

Можно сделать вывод, что величина Wr изменяется по сложной кривой и приближается к нулю при темпе­ ратуре ПО—120° С, особенно резко она снижается при температуре 80—85°С. При низких значениях темпера­ туры (ниже 20° С) наблюдается крутой подъем графи­ ка, так что при 0°С гигроскопическое влагосодержание, по-видимому, превышает 50%.

К сожалению, имеющихся данных недостаточно для расчета величины WT при отрицательных температурах, а литературные данные противоречивы. Однако можно предполагать, что по достижении некоторого значения температуры величина Wr должна уменьшаться благо­ даря сублимации. Предположительно, эта температура должна соответствовать тройной точке диаграммы со­ стояния воды.