Механические свойства оболочек и эндосперма зерна

29.10.2014

Микротвердость оболочек и эндосперма зерна в зависимости от его структуры. На рис. 29 показана «топография» микротвердости эндосперма в продольном и поперечном разрезах зерна пшеницы Мелянопус 69 Саратовской области со стекловидностью 100% и влажностью 10,7%, а на рис. 30 — пшеницы Лютесценс 62 Тульской области со стекловидностью 25% и влажностью 11,0%. Микротвердость в отдельных зонах, например, у пшеницы Мелянопус 69, колеблется от 5 до 17 кГ/мм2 (табл. 13).

Из таблицы следует, что среднее арифметическое значение микротвердости эндосперма зерна в продольном разрезе (135 отпечатков) оказалось равным 13,8 кГ/мм2, а в поперечном разрезе (107 отпечатков) —14,5 кГ/мм2.
Следовательно, расхождения между средней величиной микротвердости в продольном и поперечном разрезах составляют 0,7 кГ/мм2.

Анализ экспериментальных данных показывает, что микротвердость эндосперма зерна пшеницы Мелянопус 69, расположенного ближе к клеткам алейронового слоя и бороздки, в продольном и поперечном разрезах меньше, чем в центральной зоне. Микротвердость эндосперма в центральных слоях зерна повышается, особенно у бородки. Микротвердость эндосперма у петли (см. поперечный разрез) резко падает (H = 5,1 кГ/мм2).

Совсем иную картину мы наблюдаем при анализе микротвердости эндосперма зерна пшеницы Лютесценс 62 (рис. 30 и табл. 14).

В первом случае (см. табл. 13) 70—75% поверхности зерен пшеницы Мелянопус имели микротвердость 13—17 к/ /мм2, а во втором случае (см. табл. 14) свыше 90% поверхности зерен пшеницы Лютесценс составляли микротвердость 4—7 кГ/мм2. Средняя арифметическая величина микротвердости составляла соответственно 13,8—14,5 кГ/мм2 и 5,70—5,65 кГ/мм2, т. е. микротвердость эндосперма зерен пшеницы Мелянопус 69 была в 2 с лишним раза больше, чем у пшеницы Лютесценс 62.
Рассмотрим теперь данные о микротвердости основных частей зерна в зависимости от структуры, сорта и района произрастания. Испытания проводили при естественной влажности зерна (табл. 15).

Экспериментальные данные показывают:
1. Микротвердость оболочек зёрна твердой пшеницы с влажностью 9—11% примерно в 2 раза меньше микротвёрдости эндосперма.
2. Микротвердость оболочек зерна мягкой пшеницы, как правило, близка к микротвердости эндосперма.
3. Микротвердость эндосперма твердой пшеницы Нэ.т выше, чем у стекловидных зерен мягкой Нэ.ст, а у мучнистых зерен Нэ.м ниже, чем у стекловидных зерен мягкой пшеницы, т. е. Нэ.т>Нэ.ст>Нэ.м.
В литературе имеются указания о том, что у твердой пшеницы механические свойства оболочек и эндосперма мало отличаются и что эти зерна почти однородны во всех частях по отношению к сопротивлению действующим силам. Кроме того, оболочки и эндосперм зерен мягкой пшеницы якобы сильно различаются по сопротивлению внешним усилиям. Проведенные нами исследования этого не подтверждают. Механические свойства оболочек и эндосперма зерен твердой пшеницы резко различаются, а у зерен мягкой пшеницы (особенно мучнистой консистенции) такого различия не установлено.
Указанные различия необходимо учитывать при построении технологического процесса производства сортовой муки. Особенно это важно при подготовке зерна к помолу, а также при выборе рабочих поверхностей и кинематических параметров валков вальцевых станков. Микротвердость основных частей зерна в зависимости от влажности. Рассмотрим, как изменяется микротвердость оболочек и эндосперма в зависимости от влажности зерна (табл. 16).

В таблице отмечается последовательное уменьшение микротвердости оболочек и эндосперма с возрастанием влажности независимо от стекловидности, сорта и района произрастания зерна. Наибольшее уменьшение микротвердости эндосперма наблюдается у зерен твердой и высокостекловидной мягкой пшеницы. Кроме того, при высокой влажности (17—20%) микротвердость оболочек становится почти одинаковой независимо от стекловидности, сорта и района произрастания.
Для анализа материалов исследования механических свойств зерна, оболочек и эндосперма приводим графики изменения расхода энергии на единицу вновь образованной поверхности (А вт-сек/см2), а также микротвердости оболочек и эндосперма (рис. 31). Графики показывают, что при влажности зерен пшеницы Мелянопус 69, равной 9,5%, .4 была равна 0,230 вт-сек/см2, а микротвердость оболочек — 6,25 и эндосперма — 15,25 кГ/мм2. У пшеницы Лютесценс 62 при влажности 10% эти показатели были соответственно: 0,118 вт*сек/см2, 6,75 и 7 кГ/мм2, т. е. у пшеницы Мелянопус 69 (со стекловидностью 100%) были наиболее высокие прочность и микротвердость, а у пшеницы Лютесценс 62 (со стекловидностью 14,7%) — наименьшая прочность и микротвердость. Эти показатели получены при естественной влажности зерна (9,5—10%).
С повышением влажности зерна пшеницы Мелянопус 69 и Лютесценс 62 показатель прочности, определяемый величиной расхода энергии на единицу вновь образованной поверхности, возрастает.

То же отмечается и в опытах с зерном других сортов пшеницы. Это соответствует утверждениям А. И. Иоффе, Н. Н. Давиденкова и М. В. Классен-Неклюдовой, что при погружении каменной соли в воду прочность ее резко возрастает. В то же время с повышением влажности микротвердость оболочек и эндосперма уменьшается, что соответствует положениям, выдвинутым П. А. Ребиндером. Казалось бы, что расход энергии на единицу вновь образованной поверхности с повышением влажности должен снижаться. Однако в действительности при измельчении такого коллоидно-капиллярнопористого тела как зерно расход энергии не только не снижается, но резко возрастает.
К такому же выводу пришли позднее и другие исследователи, изучавшие механические свойства пшеницы путем статического сжатия. Они установили, что с повышением влажности прочность, выраженная энергетическим показателем — удельной работой разрушения, увеличивается.
Установленные нами закономерности можно объяснить тем, что при вдавливании индентора любой формы в твердое тело измеряется среднее напряжение, обусловливающее пластическую деформацию. При этом величина твердости H изменяется обратно пропорционально линейным размерам напряженной зоны или площади контакта индентора с испытуемым телом.
Следовательно, при одинаковой нагрузке размеры напряженной зоны будут тем больше, а числа твердости H тем меньше, чем пластичнее (мягче) испытуемый материал. Например, статическая твердость жидкостей близка к нулю, так как они не оказывают сопротивления статическим срезающим усилиям. Поэтому при испытании таких коллоидно-капиллярнопористых тел как зерно микротвердость может косвенно характеризовать способность испытуемого материала к пластической деформации. Чем больше микротвердость зерна, тем больше его сопротивление пластической деформации, и наоборот, — чем меньше микротвердость, тем меньше сопротивление зерна изменению его объема, тем оно мягче и пластичнее. При низкой влажности (10—12%) твердое и стекловидное зерно в процессе измельчения ведет себя как тело с хрупким характером разрушения и поэтому микротвердость относительно велика. С повышением влажности зерна (до 17—18%) резко меняются его механические свойства, и при измельчении оно ведет себя как пластическое тело. Особенно проявляются указанные свойства при измельчении зерна с мучнистой консистенцией и высокой влажностью. В связи с этим микротвердость уменьшается. Однако в связи с увеличением пластической деформации при измельчении зерна с высокой влажностью работа диспергирования заметно повышается.
Независимо от конструкции измельчающих машин с повышением влажности зерна расход энергии на единицу вновь образованной поверхности резко возрастает. То же подтверждают находящиеся в нашем распоряжении данные о работе предприятий мукомольной промышленности за ряд лет. Следовательно, нельзя утверждать, что понижение твердости всегда приводит к облегчению разрушения твердых тел.
П. А. Ребиндер указывает, что за меру понижения твердости при шлифовании, сверлении и т. д. следует принимать уменьшение работы на образование 1 см2 новой поверхности дисперсного продукта (порошка). Однако при проведении этих исследований «...единственным условием является требование, чтобы по отношению к данному процессу твердое тело вело себя возможно ближе к идеально хрупкому, т. е. не претерпевало при диспергировании значительных пластических (остаточных) деформаций». Таким образом, большое значение имеют понизители твердости для облегчения обработки лишь в тех случаях, когда материалы ведут себя как хрупкие тела.
Действительно, как показали наши опыты, при небольшом увлажнении (1—1,5%) обогащенных крупок твердой пшеницы работа на единицу вновь образованной поверхности несколько уменьшается.
Нами установлено, что вода действительно является понизителем твердости зерна и его составных частей. Наряду с этим доказано, что с повышением влажности усиливаются пластические свойства зерна и возрастает сопротивление его разрушению. Явления, происходящие в процессе увлажнения зерна, сводятся к упрочению его оболочек.
Проведенные исследования совсем убедительностью показали, что, пользуясь примененной нами методикой, можно на приборе ПМТ-3 определять механические свойства основных частей зерна. Таким образом создаются условия для определения в мельничных лабораториях механических свойств оболочек и эндосперма, в связи с чем работники предприятий получают возможность устанавливать оптимальные режимы увлажнения и отволаживания зерна, т. е. улучшать условия ведения- процесса измельчения зерна. Следует подчеркнуть, что в конструктивном отношении прибор ПМТ-3 несложен, и измерения на нем могут производить подготовленные лаборанты.