Количественное распределение влаги в зерне
Созревшая и убранная зерновая масса, подвергнутая затем хранению, поступает на мельницы для переработки с влажностью, колеблющейся в весьма широких пределах, в зависимости от культуры, района произрастания и метеорологических условий года.
В США, например, по данным Департамента земледелия, исследование образцов пшеницы, взятых из вагонов в одном из наиболее хлебородных штатов Канзас, показало, что и условиях американской действительности хлеб, снятый с поля, имеет самую разнообразную влажность с громадным диапазоном— от 7,4 до 22%. Американское законодательство о стандартах 1922 г. предусматривает лимит максимальной влажности для кондиционной пшеницы в пределах от 13,5% (для I разряда озимой мягкой пшеницы) до 16% (для V разряда твёрдой яровой и дурум). При этом сушилки, которыми снабжено подавляющее число элеваторов, доводят влажность зерна, предназначенного для переработки, до 12—14%, чтобы не лишить возможности подвергнуть пшеницу кондиционированию.
При объезде в 1926 г. ряда мельниц в различных штатах мы убедились, что влажность пшеницы в приёмном силосе не превышает обычно 14%.
По данным бюллетеней АОМ, ежегодно регистрирующих технологическую характеристику зерна, получаемого мельницами, влажность зерна, поступившего, например, и 1938 г. либо непосредственно от фермеров, либо из элеваторов, на подавляющем числе мельниц колебалась от 10,5 до 13,5 %, причём из 152 мельниц лишь на одной влажность не превышала 8%, а на других достигала 14,4%.
Данные АОМ за. 18 лет показывают, что лишь в отдельные годы некоторые мельницы получали в переработку зерно с влажностью выше 12—12,5%. Как увидим ниже, такой процент влажности в технологическом отношении весьма выгоден, так как даёт возможность использовать все преимущества искусственного увлажнения.
Иначе обстоит дело на наших мельницах, часто получающих зерно непосредственно из колхозов или с заготовительных пунктов, не имеющих сушилок. Поэтому колебания процента влажности, имеющие место в полевых условиях, повторяются и на производстве. По данным ГХИ и отчётам Главмуки, в отдельных районах, особенно в засушливые годы, наши мельницы получают пшеницу с низкой влажностью (7—8 %), а в других районах, наоборот, особенно в дождливые годы, пшеница поступает с влажностью 18—20% и даже большей.
Такие крайности в отношении влажности зерна нежелательны и технологическом отношении. При подработке на веялках слишком сухого зерна с влажностью 8—!0% благодаря большому бою сильно увеличивается процент зерновой примеси, в которую, как известно, включаются части зерна менее половины. С другой стороны, такое слишком сухое зерно трудно поддаётся увлажнению до необходимого для 1 драной системы процента влажности и требует многократного смачивания.
С влажным зерном порядка более 20% влажности дело обстоит ещё хуже. Как показали наши опыты в МТИПП, производительность мельницы в зависимости от влажности зерна может упасть на 40—50%, а удельный расход энергии увеличится ещё больше.
На тех предприятиях, где имеются сушилки, высокий процент влажности (18—20—22%) не является препятствием для приёма в переработку влажного зерна, но там, где нет сушилок, приходится ограничиться определённым лимитом при приёме зерна для переработки.
Благодаря обширности территории нашей страны и указанным выше обстоятельствам распределение зерновых массивов в зависимости от влажности представляет довольно пёструю картину.
По данным Главмуки, за последние годы на мельницы поступало зерно самой разнообразной влажности, в зависимости от условий созревания и уборки в разный районах.
Максимально сухое зерно получали, как правило, мельницы Средней Азии (Узбекистана, Туркменистана, Таджикистана), где влажность падала до 7%, лишь в отдельных случаях подымаясь до 10—12%. Это давало возможность использовать преимущества кондиционирования, особенно при сортовых помолах.
В районах Сибири и Урала пшеница и особенно рожь поступали на мельницы с влажностью 14—16—18% и даже большей. В Омской области, например, количество зерна с влажностью более 17% (относящегося по не вполне обоснованной классификации к категории «сырого») из года в год растёт и в 1941 г. достигло 60%, в то время как в 1937 г. оно составляло всего 16%. При отсутствии сушилок такая высокая влажность делает зерно технологически неполноценным, понижает производительность мельниц и резко повышает удельный расход энергии.
Когда условия уборки сильно ухудшаются, особенно там, где хлеб остаётся неснятым во-время либо, будучи скошен, лежит неубранным и поле, процент влаги может особенно резко повыситься. Например, по Московской области (Коломна) влажность зерна в 1942 г. доходила до 20—25%, а в Сибири (Томск) в 1943 г. штору пришлось наблюдать на мельницах зерно с влажностью
Война внесла изменение в обычную картину распределения зерновых массивов по влажности в зависимости от района. Ухудшение условий уборки, с одной стороны, изменение направления потоков зерна, — с другой, привели к тому, что в Узбекистане в начале 1942 г. на мельницах появилось зерно с Алтая с влажностью 19—25%. При переработке обойным помолом такой пшеницы со средней влажностью 20,8% получалась мука с влажностью 18,8% (отчёты Главмуки за 111 квартал 1942 г.), т. е. сверх лимита, установленного для муки в январе 1942 г. (16% для всех мельниц, 17% для мельниц, выпускающих муку для местного потребления).
На мельницы Коломны, по данным автора, зерно поступало с влажностью 20—22%, и только наличие молотковых дробилок позволило использовать зерно с такой высокой влажностью для переработки в обойную муку, понятно с падением производительности и увеличением удельного расхода энергии.
Говоря о влажности зерновой массы, мы имеем в виду средневзвешенную влажность, определённую на пробных навесках обычным лабораторным путём, либо в сушильном шкафу, либо электровлагомером. Определённый таким путём процент влажности зерновой массы даже при тщательном отборе образца и достаточной повторности лабораторных определений всё же не даёт точного представления о фактическом содержании влаги в данной партии. Отдельные навески и даже отдельные зёрна в пределах одной и той же партии дают очень резкие колебания.
Ещё в 1927 г. Майер, а затем в 1938 г. Блэк и Бернер установили, что в одной и той же партии зерна убранной комбайном в США, влажность по отдельным навескам колеблется в пределах от 12,1 до22,8%. Но и эти резко отличающиеся друг от друга цифры (почти в 2 раза), относящиеся к 5—10-граммовым навескам, являются также средними для данной навески, внутри которой, безусловно, имеются отдельные зёрна с различной влажностью.
Это объясняется в первую очередь тем, что к моменту уборки отдельные колосья в поле, как известно, имеют зёрна различной степени зрелости, начиная от молочной и кончая полной, что предопределяет колебания влажности отдельных зёрен от 12 до 45%. Поэтому при хранении зерна с средней влажностью 14—15%, т. е, казалось бы, вполне годного для хранения, часто приходится наблюдать явления не только гнездового, но даже общего самосогревания, что, очевидно, вызывается наличием в зерновой массе таких очагов более влажного зерна.
Поэтому не только теоретически, но и практически пас должна интересовать влажность отдельных зёрен. В этой области имеется выполненное методически с большой тщательностью исследование Соседова и Швецовой, проведённое в 1936 г. с сортами советской пшеницы, хранившейся на элеваторах (Казанском и Уральском в Москве), как с естественной влажностью, так и искусственно увлажнённой.
Твердая пшеница, хранившаяся на этих элеваторах и имевшая в начале опыта среднюю влажность зерновой массы в 17,7%, дала колебания во влажности отдельных зерен от 15,33 до 23,88%, т. е. более чем в 1,5 раза.
При искусственном увлажнении, несмотря на тщательное перемешивание, диапазон влажности различных зёрен ещё больше, достигая, например, коэффициента 2 у мягкой мучнистой пшеницы (Лютесценс): при средней влажности В=26,3% максимальное значение В доходит до 30,13%, а минимальное падает до 15,32%. В другом опыте при рассортировке пшеницы по фракциям наибольшие колебания обнаружила мелкая фракция (проход через сито 2,2 мм). У пшеницы Украинка при увлажнении партии до средней цифры 26,8% в мелкой фракции наблюдались колебания от 19,45 до 38,04%, т. е. с коэффициентом 2.
Помимо крупноты зерна, обусловливающей различную водопоглотительную способность, здесь играют роль процент стекловидности и, наконец, как уже указывалось, степень зрелости.
Для технолога этот вывод лишний раз подчёркивает пользу отсева перед помолом мелких зёрен, имеющих, как известно, меньшую технологическую ценность (большую зольность, меньший выходи худшую вымалываемость).
Предложение о рассортировке зерна по величине и об отсеве при этом мелкого зерна также оказывается полезным для более равномерного распределения влаги в зерновой массе.
Таким образом, наблюдающееся при естественной влажности зерна дифференцированное распределение влаги по отдельным зёрнам при поступлении массы зерна в переработку — явление нежелательное, вредное в технологическом отношении, и с ним нужно вести борьбу. Однако при искусственном увлажнении и смешивании отдельных сортов зерна перед поступлением на 1 драную систему мы, наоборот, добиваемся именно дифференцированного распределения влаги в зависимости от сорта зерна, в соответствии с тем, что каждому сорту, как увидим ниже, свойственна оптимальная технологическая влажность при переработке. Для этой цели применяются даже специальные методы увлажнения, обеспечивающие при поступлении на вальцевые станки сохранение заранее установленной влажности зерна для отдельных компонентов зерновой смеси.
Переходя от влажности зерновой массы к влажности отдельных зерен нужно констатировать, что и здесь нельзя говорить о равномерном распределении влаги, а наоборот, приходится иметь дело с дифференцированным распределением её но отдельным частям зерна.
Опыты Сорвачёва, выполненные в 1938 г. в лаборатории биохимии растений МГУ, показали, что даже в зерне, приведённом в состояние гигроскопического равновесия с окружающей воздушной средой, имеет место неравномерное распределение влаги по отдельными частям зерна. Пшеница Мелянопус 069 была искусственно увлажненная, как видно из табл. 9, лишь после 30 дней пребывания в эксикаторе с относительной влажностью воздуха 80,26% достигла более или менее устойчивой влажности 16,84—17,03%, понимая под этим определение воды и зерне и целом. Произведенное затем определение влажности по отдельным частям расчленённого зерна, как видно из той же таблицы, показало, что с зародышевой части содержание влаги составляет 18,12%, а в эндосперме 16,35% при общей влажности 16,84%. Жаль, что экспериментатор не проверил также влажности оболочки, что дало бы возможность не только установить баланс влаги в зерне, но и подчеркнуло бы значительное превышение процента влажности оболочки в сравнении с влажностью эндосперма, что, как увидим далее, имеет большое технологическое значение.
Если взять по Гришенко весовое соотношение отдельных частей пшеницы сорта Мелянопус (2% зародыш, 83% эндосперм, 15% оболочки, включая алейроновый слой), то расчетным путём влажность оболочки в данном случае составляет 19,4%, против 16,35% в эндосперме, т. е. с превышением на 3,05%.
При искусственном увлажнении мы и стремимся именно к созданию более резкой разницы между влажностью оболочки и влажностью эндосперма.
По опытам Мос, при усиленном искусственном увлажнении и средней влажности всего зерна 17% в условиях вакуумного кондиционирования при температуре 35—40° эндосперм имеет влажность 14—14,5%, а оболочка 28—28,5%, т. е. в 2 раза более. Такое созданное искусственным путём резко дифференцированное распределение влаги по отдельным частям зерна, увязанное с механическими свойствами отдельных частей зерна, имеет, как уже указывалось, технологическое значение. Это обстоятельство, к сожалению, не всегда учитывается нашими технологами, которые часто не пользуются вторичной замочкой перед I драной системой, для того чтобы выровнять и повысить влажность оболочек, пониженную вследствие длительного соприкосновения с воздухом.
Указанные выводы подкрепляются результатами, полученными при определении влажности продуктов переработки зерна, но своей технологической характеристике отражающими гигроскопические свойства той или иной преобладающей в продукте части зерна. В этом отношении представляют интерес опыты Соседова, выполненные в 1937 г. 50%-ная мука, отруби и более или менее очищенная масса зародыша сохранялись в одних и тех же атмосферных условиях в течение ряда дней (до 18). Хотя такую муку нельзя рассматривать как чистый эндосперм (правильнее было бы взять муку с меньшим выходом, примерно 10—15%, в которой зольность уменьшилась бы до 0,35%), а отруби всегда содержат некоторый процент муки, да и в очищенной массе зародыша содержится примесь других частей зерна, всё же полученные результаты по своей сравнительной характеристике близко подходят к приведённым выше выводам в опытах Сорвачёва.
Из рис. 5 мы видим, что по быстроте приращения влаги на первом месте идет зародыш, затем отруби и, наконец, мука, причём через сутки влажность отрубей увеличивается на 40% по сравнению с влажностью муки, а через 10 дней разница доходит до 100%, причём приращение влаги в зародыше в 2 % раза больше, чем у муки. Причина кроется, с одной стороны, в химическом составе зародыша, в наличии значительного процента солей, сахара и белков, жадно впитывающих водяные пары из воздуха, а затем их конденсирующих, с другой, —здесь, несомненно, играет роль также и разница в структуре отдельных частей зерна, преобладание в зародыше капилляров.
В производственных условиях при объяснении причин различной влажности отрубей и муки нужно учитывать также и технологические условия переработки.
В мукомольной лаборатории МТИПП осенью 1941 г. Куприц и Копейкиной были проведены опыты по изучению сравнительной характеристики влажности оболочечных продуктов и эндосперма на различных ступенях технологического процесса переработки (по системам).
Для опытом была взята пшеница Мелянопус 069 с исходной естественной влажностью 10%, стекловидностью 99%, подвергнутая искусственному увлажнению до 17,4% при отлёжке в 36 часов.
Переработка зерна производилась на 6 драных и 12 размольных системах с отбором крупных отрубей па последней драной системе, а мелких на последней размольной, т. е. так, как это имеет место и производстве. При этом на каждой системе определялась влажность: 1) верхнего схода, в котором преобладающими являются оболочечные продукты, и 2) муки, где основную массу составляют частицы эндосперма.
Полученные результаты приведены в табл. 10.
На рис. 6 дано графическое изображение результатов, приведенных в таблице.
Как видно из рисунка, на драных системах перепад влажности в сходах и муке изменяется более или менее равномерно, постепенно уменьшаясь с 4,3 до 1,5%, всё время давая значительную разницу, что понятно, так как в сходах преобладают оболочки зерна, а крупка и мука постепенно отводятся в сторону.
При размоле отмеченные явления имеют место лишь на первых размольных системах, причём на 3-й системе происходит перелом и картина получается обратная: влажность муки становится выше влажности сходов. Объясняется это тем, что схода продолжают домалываться, подвергаясь неоднократному воздействию и сильному нажиму на вальцах. Последнее обстоятельство, естественно, отражается на нагреве продукта, понижая его влажность. Лишь на 6-й системе кривая влажности сходов подымается. Это объясняется тем, что 6-я размольная система является сходовой, принимающей верхние сходы всех предыдущих систем, подчас целиком состоящие из оболочечных продуктов.
Таким образом, на тех мельницах, где при сортовом помоле зерно подвергается правильному кондиционированию, где технологический процесс достаточно развит и имеет соответствующую протяжённость, из всех продуктов максимальную влажность имеют крупные отруби, снимаемые на VI драной системе, т. е. в первой трети процесса помола. Минимальный же процент влажности имеют мелкие отруби, получающиеся в результате длительной переработки продукта на вальцевых станках. Таким образом, дифференцированное распределение влаги в продуктах переработки одного и того же зерна в данном случае характеризуется следующим неравенством:
где В — величина влажности, а индекс —характеристика продукта.
На американских мельницах, например, перепад влаги у крупных отрубей и у муки I сорта, по данным автора, достигает 2—2,5%. На наших же мельницах в современных условиях, при упрощённом помоле и небольшой протяжённости размольной линии, когда отруби получаются на последней системе, влажность их. естественно, меньше влажности муки, причём разница составляет 0,5—1%.
В отличие от мукомольного производства на крупозаводах, где идёт только процесс шелушения, где ядро зерна находится в большем соприкосновении с рабочими органами машин и весь процесс протекает сравнительно быстрее, наблюдается другая картина:
При переработке, например, гречихи с влажностью 13,5% на крупозаводах Челябинска влажность ядра составляла 14%, а лузги 13,2%.
Таксе же дифференцированное распределение влаги наблюдается и при переработке проса, где влажность соответственно распределена следующим образом: 13—15,4—12,8%.
Как видим, картина распределения влаги и в отдельном зерне, и в зерновой массе, поступающей в переработку, и, наконец, к продуктах переработки весьма пёстрая и зависит от физической характеристики и химического состава отдельных частей зерна, технологических условий переработки и методов проникновения влаги — путём адсорбции или гигроскопическим путём.
Ни о какой равномерности распределения влаги в зерне, о чём часто говорят авторы, давая определение кондиционирования, как мы уже указывали, не может быть и речи ни в условиях естественной влажности зерна, поступающего с поля, ни в условиях искусственного увлажнения. Последнее же, как неоднократно указывалось, преследует именно цели создания дифференцированного распределения влаги как в отношении различных сортов, участвующих в зерновой смеси,поступающей на I драную систему, так и в пределах самого зерна, резко увеличивая влажность оболочек. Поэтому при кондиционировании мы. вправе говорить о перераспределении влаги в сторону искусственного более сильного увлажнения оболочек.