Микроструктура муки, ее дисперсность, гомогенность и фрикционные свойства

10.05.2015

Микроструктура и свойства муки зависят от свойств эндосперма, заданного ассортимента и принципа его формирования, способа и эффективности кондиционирования зерна, степени совершенства помола и применения оптимальных технологических режимов на отдельных системах и сопряженных простых процессах. Совокупность этих факторов предопределяет цвет, форму и размеры частиц, а также степень попадания измельченных частиц оболочек в муку.
Процесс деформирования крупок и дунстов всегда сопровождается разной интенсивностью повреждения крахмальных зерен. В муке из мучнистого эндосперма преобладают частицы минимальных размеров, а из стекловидного — средние и крупные. В первом случае в муке почти не обнаруживается разрушенных крахмальных зерен, а частиц с поврежденной наружной поверхностью крахмальных зерен — незначительное количество. Во втором случае отмечается как поверхностное повреждение крахмальных зерен, так и внутреннее, характеризующееся микротрещиноватостью. Она обусловлена большей прочностью крупок, которые при измельчении под воздействием сдвига по очертанию крахмальных зерен разделяются на более мелкие частицы.
Установлено, что при измельчении промежуточных продуктов из стекловидного эндосперма их разделение на более мелкие части происходит по зернам крахмала в местах наименьшего сопротивления, а из мучнистого эндосперма — на участках между зернами крахмала.
Исследования, проведенные И.Е. Мамбишем, Н.И. Соседовым, А.Т. Птушкиным и др., расширили паши представления о распределении массы извлекаемых микроучастков эндосперма (муки) в зависимости от стекловидиости зерна озимой и яровой краснозерной мягкой пшеницы (табл. 33).

Микроструктура муки, ее дисперсность, гомогенность и фрикционные свойства

Из данных таблицы следует, что, при прочих одинаковых условиях, возможности отбора большего количества крахмалистого эндосперма в виде муки лучшего качества с увеличением стекловидности зерна возрастают в первой и второй операциях, осуществляемых в размольном процессе. Однако такие возможности приобретают технологический смысл при многосортных помолах пшеницы со стекловидностью 2-й группы (40—60%). Переработка зерна со стекловидностью ниже 40%, характеризующегося значительно большей прочной связью периферийных клеток эндосперма с алейроновым слоем, препятствует получению таких же показателей общего выхода и качества муки, в том числе высоких сортов, как из более стекловидной пшеницы.
Микрофотографирование массы муки на приборе ФМН-2 показало, что в ней содержатся частицы шарообразной и неправильной формы. Их соотношение зависит от структуры (степени стекловидности) исходного эндосперма, качества крупок и дунстов, способа и интенсивности измельчения продуктов. В муке высшего сорта, выработанной из крупок и дунстов первого качества (рис. 32), преобладают частицы шарообразной формы; встречаются частицы пирамидальной формы и в виде пластин разных очертаний. В муке первого сорта (рис. 32, б) частицы имеют такие же формы, но преобладают пирамидальные. В муке второго сорта (рис. 32, в) меньше частиц округлой формы; кроме того, находятся чешуйчатые мелкие частицы измельченных оболочек и алейронового слоя.
Микроструктура муки, ее дисперсность, гомогенность и фрикционные свойства

Микроструктура муки, ее дисперсность, гомогенность и фрикционные свойства

Микроскопические снимки позволили выявить в муке всех сортов, и особенно второго, наличие разрушенных клеток, заполненных крахмалом.
Отметим, что мука любого сорта из зерна, характеризующегося различными структурно-механическими и химико-технологическими свойствами, при любом способе измельчения негомогенна по размерам частиц. В ее массе содержатся различные частицы соответствующих размеров и форм, соотношение которых, при прочих равных условиях, обусловлено видом деформации и усилиями, воздействующими на продукт в процессе измельчения. Так, крахмальные зерна разрушаются на рифленых валках интенсивнее, чем на микрошероховатых, приработанных электроискровым способом, и особенно на обычных, так называемых гладких валках. Максимальная степень измельчения m, характеризуемая отношением суммарных поверхностей, измельчаемого (ΣF1) и исходного продукта (ΣF2), т.е. m=ΣF1/ΣF2, достигается в машинах ударного действия.
Величина m также зависит от давления (P) в рабочей зоне валков. Чем выше значения Р, тем интенсивнее извлечение муки и больше в ней мелких частиц. Однако существует оптимум взаимосвязи между величинами Р, m и qв (удельной нагрузкой на вальцовую линию в кг/см*сутки), определяющий максимальное образование муки при соответствующем соотношении частиц по размерам.
По данным В.Я. Гиршсона и Л.Р. Демидова, с увеличением P и qв до определенного предела растет извлечение муки с одновременным увеличением в ней количества мелких частиц. Если значения P и qв превышают оптимальные, то извлечение муки уменьшается и увеличиваются размеры частиц.
Немаловажное значение имеет воздействие воздушных потоков, влияющих на аэрирование массы, вследствие чего при прохождении продукта через пневматические материалопроводы и шлюзовые затворы происходит разрушение агломератов частиц и дополнительное образование муки. Извлечение муки на размольных системах составляло 45—60% (от массы продуктов, поступивших на данную систему). Дисперсность муки из продуктов первого качества достигала 95—98% (проход через шелковое сито № 43), второго качества — 80—90% и продуктов с преобладанием частиц оболочек — 75—80%.
Данные исследований, проведенных памп совместно с О.И. Максимчук, косвенно характеризующие дисперсный состав извлечений па отдельных системах при трехсортном помоле пшеницы, отражены в таблице 34.
Микроструктура муки, ее дисперсность, гомогенность и фрикционные свойства

В период проведения экспериментов на мукомольном заводе «Новая Победа» перерабатывали смесь пшеницы IV типа (50%) и I + II + III типов (50%) общей стекловидностью 55%, зольностью 1,84 и содержанием сырой клейковины 28%.
Величины плотности и размеры частиц указаны по данным И.Т. Мерко, определяющему средний размер их на основе большого числа ситового и седиментометрического анализов:
Микроструктура муки, ее дисперсность, гомогенность и фрикционные свойства

Значения были получены при переработке смеси пшеницы III и IV типов со стекловидностью 47%, зольностью 1,79% и содержанием сырой клейковины 25,5%.
Данные таблицы 34 усреднены, поэтому они помогают лишь ориентировочно судить о некоторых физических свойствах, зависящих от множества переменных факторов; главные из них: природные свойства эндосперма; структурно-механические изменения свойств эндосперма в процессе кондиционирования; режимы измельчения, обусловленные применением соответствующих механико-кинематических параметров вальцовых станков; термоустойчивость эндосперма при повторительно-многократном и интенсивном воздействии на него рабочих органов измельчающих машин, в значительной мере определяемая термоустойчивостью белков и влажностью эндосперма; вид внутрицехового транспорта (пневматического или механического).
Анализ данных таблицы показывает, что по мере интенсификации режимов измельчения (увеличения общего извлечения) повышается количество извлекаемой муки (проход через сито № 38).
Cooтношениe между фракциями муки, характеризуемой крупностью 38/43; 43/55к 55к/70к и проходом через сито № 70к, существенно не изменяется на первых драных системах, а на 1-й, 2-й и 3-й размольных интенсификация режима измельчения сопровождается увеличением топкой фракции муки. Особенно это заметна на 4-й, 5-й и 6-й размольных системах. С режимами связана вновь образованная поверхность муки, ее выход по системам, а следовательно, и в целом по помолу. Четко установлена функциональная связь между качеством исходного продукта, степенью измельчения, выходом муки через шелковые сита № 35—43 и проходом через капроновое сито № 70к. С увеличением количества извлекаемой муки растет удельная поверхность мелких фракций и особенно фракций, получаемых проходом через сита № 55к и № 70к; при этом наблюдается нарушение целостности крахмальных зерен. Так, при общем извлечении на 2-й размольной системе 40, 55 и 65% удельная поверхность фракции, извлеченной через сито № 43, составила 2200, 2335 и 2500 см2/г, а фракции, образованной проходом через сито № 70к, соответственно 2750, 3025 и 3200 см2/г.
Аналогичная зависимость отмечена и на других системах. Она, при прочих равных условиях, во многом обусловлена механической прочностью эндосперма. Мука из более стекловидного эндосперма характеризуется рассыпчатостью, хорошей севкостью, а из низкостекловидного — худшей просеиваемостью; она мягче и менее сыпуча.
Размеры частиц муки, извлекаемой на отдельных системах, варьируют в пределах 10—130 мкм. В муке, отобранной на I, II и III драных системах, находится около 70—73% частиц размером менее 130 мкм при определяющем размере 80—85 мкм. Мука с 1-й, 2-й, 3-й и 4-й размольных систем характеризуется содержанием 80—90% частиц размером от 18 до 110 мкм при определяющем размере 65—85 мкм. На размольных системах, измельчающих крупки и дунсты второго качества, в муке содержится 25—35% частиц размером до 40 мкм; остальные частицы имеют размер 68—95 мкм. В таблице указаны средние условные размеры частиц, которые варьируют в больших пределах. Размеры частиц муки, как и ее удельная поверхность, тесно связаны с размерами крахмальных зерен и консистенцией эндосперма. Этим можно объяснить, что частицы муки из пшеницы I типа имеют меньшие размеры, чем частицы муки, полученной из зерна IV тина. Соответственно с увеличением в помольной партии доли пшеницы IV тина или других типов с более высокой стекловидностью удельная поверхность муки уменьшается, а следовательно, уменьшается и ее дисперсность.
Отметим, что при чрезмерном давлении в рабочих зонах валков, нередко наблюдаемом на вымольных системах, получаемая с них мука характеризуется вязкой консистенцией, с усиленными адгезионными свойствами, наличием агломератов различных очертаний — от округлой до неправильной фоpм, что отрицательно влияет на сыпучесть муки и ее качество.
Приведенные данные о гранулометрически-морфологическом составе муки различных потоков сходятся с данными Кента, установившего соотношение величины выхода фракций с частицами граничных геометрических размеров в общей массе муки, выработанной из низкостекловидной мягкой пшеницы.
В муке около 4% частиц размером менее 14 мкм. Это мелкие зерна крахмала, частицы белковой подложки и осколки клеток эндосперма, не разделенные па крахмал и белок. Приблизительно 36% составляют частицы размером от 17 до 28 мкм, состоящие из средних и крупных зерен крахмала; около 43% в муке содержится частиц размером более 35 мкм, которые включают крупные зерна крахмала, освободившиеся от белковой подложки, и отдельные неразрушенные клетки эндосперма размером до 250 мкм.
Изучением структурно-морфологической и размерной характеристик фракционного состава пшеничной муки занимался Г. Ферстер, который установил, что частицы муки менее 10 мкм представляют собой мелкие зерна крахмала и пластинки белка, а вторая фракция — частицы размером от 10 до 30 мкм — это комплексы мелких крахмальных зерен, крупные зерна крахмала и пластинки белка. Обе фракции находятся ниже границы просеивания через шелковое сито двойного переплетения. К таким фракциям можно отнести частицы свободных крупных зерен крахмала и осколки клеточных стенок размером 30—50 мкм. Далее идут частицы размером 50—100 мкм, представляющие собой крупные и мелкие клетки эндосперма, находящиеся в границах возможного разделения их на ситах. Четвертая фракция, включающая частицы размером 100—150 мкм, состоит из отдельных клеток эндосперма, сочетания двух и более клеток, свободных оболочек клеток или соединенных крахмалом либо белком. Пятая фракция — частицы размером 150— 250 MKM — это отдельные крупные клетки эндосперма из его середины и комплекс клеток. И, наконец, шестая фракция — совокупность клеток эндосперма размером более 250 мкм.
Анализ показывает, что около 50% муки имеет размеры частиц, не позволяющие выделять их просеиванием на ситах. Поскольку гранулометрический состав является одним из показателей качества муки, Н.П. Козьмина рекомендует оценивать степень дисперсности по размерам частиц, определяемых седиментометрическим методом.
Представление о физических свойствах пшеничной муки различных сортов, выработанной на мукомольном заводе «Новая Победа» из зерна с ранее упоминавшимися показателями качества, дают данные таблицы 35.
Микроструктура муки, ее дисперсность, гомогенность и фрикционные свойства

Каждый сорт муки, как свидетельствуют результаты исследований Л.В. Башкиной и П.Д. Буренина, характеризуется соответствующей выравненностью и соотношением фракций с определенными размерами частиц в массе муки. Так, в массе муки содержится примерно 25% частиц размером 1—25 мкм и 25—40%) размером 26—40 мкм; остальные имеют размеры 42—150 мкм. Эти цифры подтверждают данные Кента и Ферстера о том, что почти половина состава муки высоких сортов находится ниже границы гравитационного просеивания.
Еще более высока дисперсность муки из крупок и дунстов, измельчаемых в машинах ударного действия, особенно в измельчителе фирмы «Колоплекс» (ФРГ). В нем извлечение муки достигает 79—89% от массы продуктов, поступающих в машину. По степени дисперсности и гомогенности муки мап1ина работает значительно эффективнее, чем вальцовый станок, что видно из кривых (рис. 33) интегрального и дифференциального распределения частиц, различающихся геометрическими размерами.
В муке, выработанной из крупок и дунстов первого качества, 30—40% частиц размером до 35 мкм и около 10—15% размером 50—60 мкм; остальные частицы размером 70 MKM и более при определяющем размере 79 мкм. В муке из дунста второго качества содержится 25—307о частиц размером до 35 мкм, а остальные размером 40— 120 MKM и выше. Следует отметить, что в машинах ударного действия сохраняется субстанция эндосперма — крахмальные зерна не хуже, чем в муке, образованной в вальцовом станке. В последнем при измельчении крупок и дунстов первого качества мука содержит лишь 25—35% частиц размером до 35 мкм и около 10—12% частиц размером 55—63 мкм, а остальные частицы размером 90 MKM и более. В массе муки, выработанной из дунста второго качества, 20—30% частиц размером до 35 мкм, а остальные частицы достигали размеров в 120 мкм.
Микроструктура муки, ее дисперсность, гомогенность и фрикционные свойства

Физические свойства эндосперма, гранулометрический состав муки, косвенно характеризующий дисперсность и гомогенность, предопределяют ее фрикционные свойствa. Эти свойства отличаются значениями углов внутреннего φм и внешнего трения φ'м, естественного откоса φо, силы молекулярного сцепления частиц Gr, коэффициентов трения — внутреннего f и внешнего f'.
В исследованиях, проведенных П. Д. Бурениным под руководством автора, определены перечисленные показатели фрикционных свойств муки на приборе, созданном «Гидропроектом», и на приборе Меринга (показатель φо). Результаты определений сведены в таблицы 36 и 37. Анализ данных таблиц подтверждает, что мука, как биологический, полидиснерсный и многокомпонентный объект, характеризуется в зависимости от сорта (высшего, первого, второго) соответствующими значениями углов и коэффициентов трения, а также силами сцепления частиц.
На фрикционные свойства влияют многие факторы: структура клеток эндосперма, соотношение в частицах крахмала и белка, содержание в муке частиц оболочек, алейронового слоя и зародыша, дисперсность и гомогенность муки. Однако при прочих одинаковых условиях, фaктop влажности (Wм) оказывает на них решающее влияние. С ее повышением усиливаются фрикционные свойства, на что указывают численные значения φм, φ'м, φo, Gr и φсдв. Их можно выразить через тангенсы углов, т. е. f = tg φ; f' = tg φ' и fсдв = tg φсдв.
Микроструктура муки, ее дисперсность, гомогенность и фрикционные свойства

Величина φм и Gr у муки первого сорта — наименьшая и у муки второго сорта — наибольшая. Промежуточное положение занимает высший сорт. То же наблюдается и в случае, когда влажность муки возрастает с 13 до 16%. Параметры, которыми оценивают фрикционные свойства, свидетельствуют о том, что чем выше дисперсность, удельная поверхность частиц муки и ее влажность, том больше площадь их контакта и силы сцепления, и, следовательно, масса становится менее сыпучей. Исключением является мука второго сорта. Хотя ее дисперсность ниже, чем дисперсность муки высшего и первого сортов, но, отличаясь в своей массе частицами менее округлой формы и более шероховатой поверхностью, она характеризуется и большей силой молекулярного сцепления. Величина Gr максимальна между частицами муки и поверхностью ее массы, движущейся по поверхности бетона. Угол естественного откоса муки любого сорта φо всегда больше угла внутреннего трения φм. Коэффициенты трения и сдвига также увеличиваются по мере роста значения Wm; при этом, как и в предыдущих случаях, наибольшее значение f, f' и fсдв у муки второго сорта и наименьшее — у первого сорта, а степень сыпучести — наоборот.
Совокупность рассмотренных физических свойств сходовых продуктов, крупок, дунстов и муки, образующихся при помолах зерна, находится в прямой зависимости от иx биохимических свойств.