Качественная характеристика различных форм связи влаги с коллоидными материалами зерна
Количественная характеристика состояния воды в отдельных зёрнах, а тем более в зерновой массе, и качественная оценка весьма различны. Поэтому и технологическое воздействие воды на зерно также весьма различно, и с этим воздействием то в качестве положительного фактора, то в качестве отрицательного мы встречаемся на всех стадиях технологического процесса переработки, начиная от первых приёмов хранения на глубинных заготпунктах, затем на элеваторах, кончая выпуском готовой продукции на мельницах. Тем не менее нельзя сказать, что сущность этого воздействия полностью выяснена, несмотря на то, что этим вопросом занимаются и физиологи растений, исследующие вопросы произрастания семян, и биологи, изучающие работу ферментов в зерне различной влажности, и, наконец, технологи, для которых зерно является исходным материалом для получения муки.
Впервые вопрос о различных формах связи воды с коллоидными материалами зерна был поднят Ньютоном для объяснения зимостойкости пшеницы. Ньютон высказал предположение, что вода, связанная с мицеллами коллоидов, находится в ином состоянии, имеет другие свойства, чем обычная капельно-жидкая вода, в частности не замерзает при температуре 0°. Ту же мысль высказал одновременно известный физиолог Рубнер, поддерживающий гипотезу о «связанной» воде в зерне.
Однако до сих пор классификацию форм состояния воды в зерне нельзя считать окончательно установленной. Обычно принято воду, находящуюся в коллоидных системах, в зависимости от характера молекулярной связи с коллоидным материалом, условно делить на связанную воду и свободную воду. Эта классификация вполне приемлема по отношению к зерну.
По Думайскому, имеет место непрерывный и постепенный переход от связанной к свободной воде, вследствие чего точное разграничение связанной и свободной воды невозможно. Эту оговорку нужно учесть при дальнейшем рассмотрении вопроса.
Связанная вода своим строением напоминает кристаллическую воду и в соответствии с многочисленными исследованиями обладает характерными свойствами, из которых наиболее интересующие нас следующие:
1) связанная вода не является растворителем;
2) не замерзает и ниже 0°:
3) обладает большой плотностью;
4) имеет пониженную теплоёмкость (около 0,6);
5) имеет меньшую величину диэлектрической постоянной (по Маринеско равную 2,2 против 81 для обыкновенной воды);
6) трудно испаряется;
7) очень трудно отпрессовывается благодаря наличию сил притяжения, измеряемых тысячами атмосфер.
Удаление связанной воды из зерна механическим путём представляет значительные трудности, и при опытах, например, по обезвоживанию приходилось пользоваться давлением в 400 ат.
К свободной воде в зерновой массе следует отнести не только воду, находящуюся в пустотах зерна, но и воду, проникшую в межзерновые пространства, а также скопившуюся на поверхности зерна, где она концентрируется, как это легко установить под микроскопом, не только в виде плёнок, но и в виде мельчайших, а также более крупных капель вследствие неполного смачивания поверхности водой. Это капельное состояние воды на оболочке зерна в технологическом отношении, как увидим ниже, представляет нежелательное явление, так как ухудшает равномерное проникновение воды внутрь зерна через всю всасывающую поверхность.
Преобладание свободной воды особенно заметно в сыром зерне, поступающем с поля в годы с неблагоприятными метеорологическими условиями для уборки урожая. Кроме того, вода попадает в зерно во время мойки и является уже не естественной, а «благоприобретенной». Насколько слабо связана эта вода с зерном, видно из того, что она легко удаляется в основной своей части на отжимных колонках моечного агрегата либо путём вентиляции, приводящей зерно в соприкосновение с воздухом определенной температуры и определённой относительной влажности.
Таким путём действует аспирация в зерноочистительных машинах, понижающая влажность зерновой массы в зависимости от интенсивности воздействия на 0,75—1 %. В этом направлении действует и активная вентиляция, которая, как показали опыты Дрогалина на Старо-Минском элеваторе в 1938 г., в зависимости от условий работы, первичной влажности зерна, относительной влажности воздуха, длительности вентилирования, понижает процент влаги на 2—3%.
Наконец, в специальных случаях, когда речь идёт о необходимости удаления более значительного количества свободной влаги (при весьма влажном зерне), приходится пользоваться термическим воздействием при помощи сушилок.
Во всех этих случаях мы имеем дело в первую очередь с удалением в основном свободной воды, присутствие которой в избыточном количестве является нежелательным явлением.
Кроме свободной и указанных выше форм связанной воды, мы в зерновой массе также имеем дело с третьей весьма важной формой состояния воды —капиллярной. Эта вода всасывается капиллярным давлением в тончайшие каналы, смачиваемые водой, — капилляры. Капиллярная вода значительно сильнее связана с веществом зерна, чем свободная.
Многие авторы относят капиллярную воду к свободной, однако более правильно считать капиллярную воду переходной формой от связанной к свободной.
По Гортнеру жизнедеятельность клеток зерна регулируется в весьма широких пределах и в значительной степени подвижным равновесием между связанной и свободной водой; под влиянием внешних условий это равновесие передвигается в том или ином направлении.
При изучении активных проявлений жизнедеятельности клеток мы принимаем в расчёт только свободную воду и примыкающую к ней капиллярную воду. С уменьшением же количества свободной воды деятельность клеток падает и при наличии лишь связанной воды наступает состояние покоя, в котором не заинтересованы ни агротехники, ни технологи.
Более того, технолог-мукомол в отличие от зерновика-элеваторщика заинтересован в обратном — в наличии в зависимости от природных качеств зерна определённого процента капиллярной воды, воздействующей, как увидим далее, механически на ткани зерна в нужном технологу направлении.
Этим обстоятельством и вызвано применение искусственного увлажнения, в задачу которого входит установить определенное соотношение различных форм состояния воды и зерне — в первую очередь капиллярной воды, имеющей, как мы уже указывали, технологическое значение.
Кривая увлажнения, как увидим далее, проходит через несколько характерных точек, являющихся переломными в развитии изменения состояния влаги в зерне. Однако нельзя говорить о резка выраженных точках: кривые увлажнения имеют плавный характер, что в известной мере объясняет трудность определения указанных точек.
Первая критическая точка была впервые определена ещё 27 лет назад Бэйли и Гурджаром, использовавшими при установлении перелома резкое усиление дыхания зерна при приближении к этой точке (табл. 12).
Из таблицы видно, что для исследованных сортов пшеницы эта критическая точка находится в зоне 14—15%, причём, как повторно показали исследования других авторов, низший предел относится к мягкой пшенице, а высший — к твёрдой.
С русскими сортами пшеницы аналогичный опыт был проведён Некрасовым, а с американскими позднее автором первых опытов Бойли, подтвердившим свои первоначальные цифры.
Диалогичные опыты были проведены в том же 1940 г. Кретовичем и Ушаковой, исследовавшими пшеницу Гордеиформе 0432, Новозыбковскую рожь и Московский овёс Г-49-71, причём был применён манометрический метод Смирнова-Чигирёва.
Опыты Кретовича и Ушаковой подтвердили, что критическая влажность зерна пшеницы, ржи и овса указанных сортов находится в пределах 14,5—15%.
Все перечисленные авторы подтвердили, что первая критическая точка, которую мы назовём гидратационной, лежит в зоне 14—-16%, в зависимости от сорта, причём характерным является нерезкость этого перелома, связанного с пробуждением ферментативной деятельности, развёртыванием биохимических превращений, выявляющихся на различных участках зерна. Кроме общего процента влажности, здесь играет роль и температурный фактор (воды и дерна), как показали исследования Васильевой и Цыганковой.
При влажности зерна ниже гидратационной точки в соответственной зоне преобладает почти исключительно связанная вода. Сначала Гатчек, а потом Ширк и Апильман доказали, что на известной ступени процент связанной воды чрезвычайно велик. По опытам последних авторов, выполненных всего лишь 5 лет назад, процент связанной воды для исследованных ими сортов пшеницы при влажности последней 15,6% составил 93,13 всего содержания воды в зерне.
При таком резком преобладании связанной воды, естественно, замирают биохимические и физиологические процессы в зерне, и последнее приобретает большую стойкость при хранении. Таким образом, экспериментально доказан и научно обоснован вошедший и практику хранения лимит влажности 14—15%.
В зоне, следующей за гидратационной точкой, появляется в первую очередь капиллярная вода, которая, с одной стороны, создаёт предпосылки для проявления ферментативной деятельности и возникновения биохимических превращений в зерне, а с другой, — и это особенно важно для технолога, — кладёт начали механическому воздействию на ткани зерна — ею оболочку и эндосперм. Как увидим ниже, это влияние протекает в разных направлениях в зависимости от физико-химической характеристики той или иной части зерна.
Таким образом, сфера работы технолога-мукомола начинается там, где заканчивается работа по хранению. Оба этапа производственного процесса находятся во взаимной связи. Получается определённая преемственность, увязывающая все технологические этапы в одно целое с определённой последовательностью работы.
При этом нужно отметить, что увеличение количества связанной поды в зоне, предшествующей критической точке, невыгодное для технолога, становится полезным иногда в агротехническом отношении, например при выращивании зимостойких пшениц, как это доказали опыты Мартина, установившего, что морозостойкость пшеницы весьма тесно связана со способностью отдельных сортов более интенсивно связывать воду. Аналогичный вы под сделан другими авторами по отношению и к сортам засухоустойчивой пшеницы.
Переходя к искусственному увлажнению зерна, позволяющему, как мы видели, изменять в нужную технологу сторону подвижное равновесие между свободной и связанной водой, отмечаем, что в технологическом процессе это увлажнение осуществляется последовательно путём увязки между собой ряда технологических приёмов.
В настоящее время существуют различные методы искусственного увлажнении зерна в производственных условиях:
1) смешивание более влажного зерна с менее влажным для передачи последнему влаги;
2) использование гигроскопичности зерна путём применения кондиционирования воздуха:
3) непосредственное погружение зерна в воду, осуществляемое в моечных установках;
4) введение влаги в зерновую массу с помощью распылительных приспособлений в виде замочных аппаратов;
5) Гидромеханическая или гидротермическая обработка зерна на специальных аппаратах — кондиционерах.
Первый приём, широко практиковавшийся на мельницах в начале текущего столетия, в настоящее время вследствие своей слабой технологической эффективности, нерентабельности почти не применяется; второй приём имеет пока лишь теоретическое значение, к практическое его осуществление, за исключением отдельных мельниц в США, не получило развития, хотя, по данным автора, этот метод увлажнение зерна имеет ряд преимуществ и должен быть, безусловно, изучен и опробован на наших мельницах.
В настоящее время мы пользуемся главным образом третьим приёмом, к которому добавляется сопряжённая сушка зерна при сильной его влажности, и одновременно четвёртым и пятым методами, которые, как мы указывали, объединяются в один, так называемый «водяной узел».
Конечная цель всего этою комплекса приёмов увлажнения следующая:
1) повысить в целом влажность зерна, идущего в переработку, до определённого предела, связанного, как мы указывали, со специфическими особенностями данного сорта и диктуемого технологическими соображениями — в основном его сопротивлением размолу;
2) распределить влагу дифференцировано по отдельным частям зерна, что вытекает, как уже указывалось, из различной физико-химической характеристики отдельных частей зерна и различных технологических требований к ним;
3) способствовать явлению релаксации — установлению определённого воздействия влаги на зерно во времени, чтобы сообщить зерну нужные механические свойства: с одной стороны, усилить вязкость оболочек, а с другой, — уменьшить сопротивление размалыванию эндосперма;
4) использовать влияние теплового фактора на параметры увлажнения.
По важности, значимости преследуемой технологической задачи этот «водяной узел» на мельнице является сейчас решающим звеном — основой правильно построенной технологической схемы и потому должен стоять в центре внимания производственника.