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

лучить интересную информацию о состоянии зерна по влажности в разных условиях. Теперь выясним, чем вызвано расчленение изотермы на три участка и какие

ражает образование монослоя адсорбированных моле­ кул (мономолекулярную адсорбцию), второй, примерно прямолинейный, соответствует полимолекулярной ад­ сорбции, третий участок, выпуклый к оси р/ро, характе­ ризует конденсацию молекул воды в капиллярах адсор­ бента. Исходя из этого, можно предположить, что пер­ вая критическая точка на графике (см. рис. 13) соот­ ветствует емкости мономолекулярного слоя воды на активных центрах макромолекул биополимеров зерна. Вполне понятно, что при этом следует исходить из мо­ дельного представления о монослое, как это определено выше.

Переход от второго участка изотермы к третьему должен свидетельствовать о развитии процесса капил­ лярной конденсации паров воды. Необходимо выяснить, насколько это согласуется с действительной структурой зерна. В литературе утверждения о наличии в зернов­ ке развитой системы капилляров можно встретить не­

Автором проведен расчет структурной кривой капил­ ляров зерна для изотерм десорбции в,оды пшеницей и кукурузой. Для расчета радиусов капилляров зерна ис­ пользовали формулу Кельвина [11]. При этом было уч­ тено замечание Жуховицкого, что к полученному радиу­ су капилляра следует приплюсовать толщину пленки воды, сконденсированной на его стенках.

Расчет проводили для изотерм десорбции воды зер­

вие у зерна макрокапилляров, т. е. капилляров, радиус

Рис. 14. Структурные кривые капил­ ляров зерна:

превалирующим диаметром капилляров зерна является: для пшеницы при температуре 25°С — 2,5 - Ю - 7 см, при 50°С — 2 , 0 - Ю - 7 см; для кукурузы —1,1 -Ю - 7 см. Эти величины на два порядка ниже минимального диаметра макрокапилляров.

Однако размеры капилляров пшеничной зерновки таковы, что все они могут принимать участие в кон­ денсации паров воды. Начало капиллярной конденса­ ции соответствует для пшеницы при температуре 25° С—

ка 14 видно, что при одном и том же влагосодержании большей температуре соответствует и больший радиус

структурной кривой капилляров с повышением темпе­ ратуры смещается влево. Следовательно, наблюдаемое при этом увеличение суммарной емкости капилляров зерна происходит в результате появления массы чрез-

вычайно тонких капилляров; их количество столь вели­

вызвано тем, что в этой области происходит интенсивная капиллярная конденсация сорбируемой влаги.

Таким образом, расчет капилляров зерна и построе­ ние их структурных кривых позволяют получить инте­ ресные данные о тонкой структуре зерновки как адсор­ бента. Однако следует сказать, что подобные рассужде­ ния в данном случае носят формальный характер и к зерну могут быть применены только условно. Невозмож­ но представить наличие в теле зерновки гладкостенных классических капилляров. Скорее всего в качестве мик­ рокапилляров здесь выступают межмолекулярные про­ межутки, которые в случае макромолекул могут дости­ гать 300 А [58]; это соответствует почти 25% влагосо­ держания зерна при нормальной температуре. Очевид­

движении макромолекул и изменении взаимного распо­ ложения их боковых цепей, в результате увеличения их подвижности.

каііии, должны быть отнесены к капиллярно-пористому телу. Тем более это относится к пленчатым культурам: рису, ячменю, овсу, гречихе.

Такое различие в строении эндосперма и внешних покровов существенно влияет на процессы увлажнения и обезвоживания зерна. Единичное зерно следует рас­ сматривать как сложное составное тело типа «шар в шаре».

Расчет показывает, что суммарный объем капилля­ ров составляет 10—12% общего объема зерна. Пло­ щадь же поверхности их стенок равна примерно 200 м2 для 1 г зерна. Таким образом, если развернуть на плос­ кость капиллярные образования зерна, получим огром­ ную поверхность, доступную для взаимодействия с мо­ лекулами воды.

Но еще большую величину имеет площадь так на­ зываемой активной поверхности зерна. Ее получают, ес­ ли все количество воды, образующее монослой в про­ цессе сорбционного увлажнения, распределено толщи­ ной в одну молекулу на некоторой поверхности. Актив­

по всей видимости, диффузным распределением актив­ ных центров макромолекул в «плотной» массе биополи­ меров зерна. Другими словами, примерно одна треть активных центров расположена «в глубине» макромо­ лекул, не выходит на «поверхность» межмолекулярных промежутков, экранирована.

И. Н. Путилова [111] рассчитала сорбционную спо­ собность белков. Оказалось, что они располагают коли­ чеством активных центров, достаточным для связыва­ ния в монослое около одного моля воды, что соответст­ вует 18%) влагосодержания. Полученная нами величина 8% указывает на то, что примерно 55% всех активных центров экранировано, недоступно для молекул воды. По мере обводнения биополимеров зерна происходит разворачивание белковых глобул, раздвижение боковых цепей. Раскрытие большого количества активных цент­

Полученное уравнение изотермы адсорбции (3) поз­ воляет рассматривать ее как статистическую кривую, оп-

Наличие второй критической точки изотермы вызва­ но заполнением влагой капилляров преобладающего размера. Значит, зона перехода от второго к третьему участку изотермы сорбции определяет собой влагосодержание, при котором в зерне значительно повышает­ ся интенсивность развития структурных преобразова­ ний, связанных с заполнением влагой основной массы микрокапилляров зерна.

При температуре 20° С это значение соответствует относительному содержанию паров воды в атмосфере />/ро=0,64. Очевидно, что хранение зерна при этих па­ раметрах атмосферы уже должно вызывать необрати­ мые изменения стекловидности и плотности; при этом влажность на общую массу зерна равна всего 13,1%.

В литературе [78] указывается, что при р//?о=0,65 результаты размола зерна наиболее высокие. Видимо, это связано именно с наиболее интенсивным расклини­ вающим действием воды в зерне, т. е. с наибольшим «ослаблением» его структуры.

Вполне возможно, что в данном случае сказывается переход аморфных биополимеров зерна в кристалличе­ ское состояние. Последнее обусловлено влиянием на их свойства поглощенной воды: связывание ее белками и углеводами не проходит бесследно для них, вызывает глубокие сдвиги в конформации их макромолекул и проявляется также на надмолекулярном уровне. Был за­ регистрирован переход в кристаллическое состояние синтетического белковоподобного полимера в этой зоне относительного влагосодержания атмосферы [49]. Из­ менения подтверждены рентгено-графически. Внешне они проявляются в том, что в диапазоне значений р/ро от 0,5 до 0,7 равновесная влажность зерна ниже ожи­ даемой, что связано с понижением влагоемкости закри­ сталлизовавшегося полимера. Полученные авторами изотермы приведены на рисунке 16.

Подобное явление может быть и для биополимеров зерна. Для некоторых протеинов установлено, что по­ глощенная ими вода играет существенную роль в пре­ образовании их структуры [17].

Рассмотрим немногочисленные экспериментальные данные [164, 184, 224], относящиеся к изотермам сорб­ ции воды анатомическими частями и химическими ве­ ществами зерна. Этот анализ важен, поскольку внут­ ренний перенос влаги, его интенсивность и направление

на; 3 — клетчатка.

поглощению ее сорбционным путем. Видимо, это явля­ ется одним, из проявлений биологической приспо­ собленности зерна пленчатых культур к внешним усло­ виям.

Зародыш пшеницы и гречихи при р/ро<0,55 менее гидрофилен, чем эндосперм. Однако при более высокой влажности атмосферы его влагосодержание изменяется намного быстрее, чем остальных анатомических частей. Так, при р/ро=0,9 зародыш гречихи сорбирует 40% влаги, а ядро 32%; у пшеницы эти значения равны 50и 30% соответственно. Таким образом, в условиях повы­ шенной влажности атмосферы зародыш хорошо погло­ щает влагу из воздуха, что опять-таки отвечает физио­ логическим потребностям семян.

Взаимное расположение изотерм для химических компонентов зерна несколько неожиданно: гидрофильность крахмала заметно выше, чем клейковины. Но это наблюдается только в пределах до р/ро — 0,75. Третий участок изотермы. сорбции воды клейковиной, начина­ ясь при значениях р/ро=0,72, возрастает почти верти­ кально. Поэтому уже при р/ро=0,75 влагосодержание клейковины выше, чем крахмала.

Следовательно, при влагосодержании зерна около 20,5% крахмальные гранулы и белковые прослойки между ними, в эндосперме зерна, имеют одинаковую влажность. В остальных'случаях вода в эндосперме рас­ пределяется неравномерно: при Wo<.20,5% влагосодер­ жание крахмала выше, чем белка, при ТЁ7 С >20,5% — на­ оборот. Обращает на себя внимание исключительно рез-