Миграция влаги в зерне
Переходя к кинетическим основам поглощения воды зерном, нужно сказать, что эта область изучена ещё слабо; имеются лишь отдельные разрозненные данные, не объединённые в одну систему закономерностей.
В первую очередь нас интересует скорость поглощения воды зерном. В сравнении с другими хлебными злаками пшеница выделяется интенсивным начальным поглощением волы и постепенным понижением скорости поглощения по мере развития процесса напухания.
На это обстоятельство ещё в 1913г. указал Оппавский, экспериментировавший с семенами различных злаков и поставивший пшеницу на первое место среди подвергнутых испытанию семян по скорости поглощения воды в пределах времени, обычно затрачиваемого в производстве для отволаживания (24—48 часов).
Говоря о скорости проникновения воды в зерно, мы рассмотрим этот весьма важный в технологическом смысле вопрос сначала по отношению к отдельному зерну, а затем перейдем к зерновой массе в целом.
Поглощение воды отдельными зёрнами нужно также рассматривать дифференцировано, расчленив его по элементам анатомии зерна, с учётом как их морфологических особенностей, так и физико-химических свойств, обусловливающих различный кинетический эффект.
В наиболее благоприятных условиях в этом отношении находится зародыш, поглощающий воду быстрее других частей зерна, вследствие:
1) физических особенностей его структуры — пластинчатого строения, связанного с наличием воздушных прослоек, капиллярных каналов с радиусом от 2*10в-7до 100*10в-7 см и пустот с большим сечением, допускающим наличие свободной воды;
2) более благоприятного в этом отношении химического состава с преобладанием гидрофильных белковых веществ, в процентном отношении в несколько раз превышающих содержание этих веществ в эндосперме.
Упомянутые выше опыты Сорвачёва показали (см. табл. 9), что при искусственном увлажнении пшеницы Мелянопус, приведённой затем в течение более или менее длительного периода (30 дней) в состояние полного гигроскопического равновесия с окружающей средой, количество влаги в зародышевой части (по условиям опыта имевшей даже примесь эндосперма) превышает в отдельных опытах содержание влаги во всём зерне на 7,5—15%.
Иначе обстоит дело со скоростью проникновения воды в оболочку и дальше в эндосперм. Тут скорость движения воды в направлении, перпендикулярном к наружным и внутренним слоям зерна, значительно меньшая вследствие сопротивления отдельных слоев оболочки, а также эндосперма, обладающих сравнительно слабой водопроницаемосью.
Крайняя оболочка зерна — перикарпий, — составляющая основную массу покровов зерна, имеет ясно выраженную клеточную структуру с относительно большим количеством водопроводящих каналов. При этом значительную роль здесь играет явление одревеснения, с одной стороны, уплотняющего оболочку, с другой, — создающего большое количество капиллярных каналов. Сорта мягкой пшеницы обладают, но Александрову, более тонкой плодовой оболочкой при более широком распространении одревеснения, чем сорта твёрдой пшеницы.
Движущие силы при проникновении воды в оболочку — межмолекулярная диффузия и явления капиллярности — весьма различны у разных оболочек и находятся в зависимости от их строения. Поперечные клетки оболочки, например, впитывают влагу слабее, чем «мешковые», но наиболее слабо реагирует алейроновый слой, находящийся на грани эндосперма.
Одно время считали даже алейроновый слой водонепроницаемым, образующим как бы плотину, задерживающую движение воды в эндосперм. Однако ряд исследователей показал, что такое категорическое утверждение неверно и что алейроновый слой следует отнести лишь к трудно проводящим воду частям зерна. Правильнее назвать его полупроницаемой частью зерна.
Таким образом, частью через оболочку, частью через пустоты, непосредственно примыкающие к зародышу, вода проникает в эндосперм, своеобразное строение и химический состав которого предопределяют ещё более медленное проникновение влаги внутрь.
Крахмальные зёрна, составляющие основную массу эндосперма, при сравнительно низкой температуре, с которой оперируют при безмашинном кондиционировании (15—20°), не представляют благоприятного материала для миграции влаги. С другой стороны, структура эндосперма базируется на наличии тонкостенной сетки, пронизывающей все ядро. К стенкам этой сетки, состоящей из клетчатки, примыкаем белковая масса, легко впитывающая влагу. Поэтому процесс миграции влаги можно представить в следующем виде,
Вода, проникнув в эндосперм, движется сначала по стенкам основных крупных клеток и одновременно впитывается белковой массой, а затем уже, по насыщении таковой, начинает медленно передаваться крахмальным зёрнам. Здесь на помощь миграции воды приходят пустоты в эндосперме. В этом отношении можно провести аналогию с движением влаги при увлажнении дерева.
Стилвелл на основе ряда многочисленных опытов, проведённых над образцами дуба, установил, что движение воды, особенно через толщу древесины, проходит слабо, почти незаметно по сравнению с проникновением воды через пустоты, являющиеся основными водопроводящими каналами. Таким образом, основная масса влаги проникает через пустотелые пространства, а не через массу вещества, через его волокна.
Если применить это суждение к зерну, то этим фактом можно объяснить явление медленного поглощения здоровым зерном воды, равно и различие в поглотительной способности сортов твёрдой и мягкой пшеницы, а в пределах зерна большую водопоглотительную способность оболочек по сравнению с эндоспермом, понимая под поглотительной способностью сочетание двух факторов — скорости проникновения воды и количества поглощенной воды.
Оболочки благодаря своему волокнистому строению, наличию воздушных каналов, капиллярных сосудов обладают значительным процентом пустот, по которым вода движется быстрее, чем по эндосперму, отличающемуся по своему строению слабой межмолекулярной диффузией и капиллярностью. Сорта мягкой мучнистой пшеницы в этом отношении находятся в лучших условиях, — они быстрее поглощают влагу, потому что у мучнистой пшеницы в отличие от стекловидной имеются внутренние пустоты в эндосперме, что и влияет на увеличение скорости проникновения воды. С другой стороны, по данным Александровых, промежутки между крахмальными зёрнами у стекловидной пшеницы в большей степени заполнены белковыми веществами, сильнее впитывающими воду. Поэтому сорта твёрдой пшеницы обладают большей водопоглотительной способностью в количественном отношении, чем сорта мягкой, но скорость поглощения у них меньшая, чем у мягкой пшеницы. Этим и объясняется не только более высокая оптимальная влажность у твёрдой пшеницы, но и необходимость большего промежутка времени для отволаживания.
Подтверждение этому можно найти и в упомянутых выше опытах Соседова, установившего различные скорости поглощения водяных паров различными частями зерна. Максимальная скорость наблюдается у зародыша, затем у оболочки (проверено на отрубях) и, наконец, у эндосперма (мука 50%-ного выхода). Через 24 часа, например, при одинаковых прочих условиях приращение влаги у отрубей составило 138, у зародыша 168, если приращение у эндосперма принять за 100. Через 2 суток эта разница ещё больше усиливается и по отдельным частям зерна выражается соотношением 100—155—175, а через 10 суток 100—160—190.
Переходя к числовому выражению приведённых результатов, вернёмся к работе Свансона и Пэнса, которые одновременно с установлением места проникновения воды в зерно определили и скорость её проникновения для отдельных зёрен различных сортов, погружённых в воду на различное время (от 10 секунд до 48 часов).
Опыты эти, интересные по своей тщательности и контрольным приёмам, включающим математический анализ правильности полученных отклонений от средней цифры, дали весьма важные выводы. Опыты эти показали, что пшеница, будучи погружена в воду, впитывает её вначале быстро, по затем, по мере удлинения времени, количество впитываемой воды постепенно уменьшается, т. е., по мере того как пшеница наполняется водой, сила всасывания падает.
Исследователи установили также положительную роль температуры воды, применяемой при увлажнении.
Позднее один из указанных исследователей проверил влияние температуры на скорость адсорбции воды зерном и получил результаты, приведённые в табл. 14.
Образцы пшеницы подогревались и затем охлаждались до температуры воды. Как видно из таблицы, при температуре годы в 60° и 40-минутной продолжительности пребывания зерна в воде адсорбировалось воды почти в 2 раза больше, чем при экспозиции в 10 минут.
При нагревании поверхностное натяжение воды уменьшается и проникновение идёт быстрее; у отдельных зёрен мягкой пшеницы при температуре воды более 16,5° вода распространялась по всему зерну уже через 2 часа.
Эти исследования ещё раз отчётливо подтвердили проницаемость оболочки. В этом отношении роль оболочки иллюстрируется примером семян белого клевера, медленность прорастания которых объясняется физическими особенностями оболочки, обладающей слабой водопроницаемостью. Если снять эту оболочку, то семена того же клевера всходят быстрее. У пшеницы делать это нет надобности, так как вода свободно впитывается через оболочку и прорастание происходит через 24—48 часов при достаточном количестве воды и надлежащей температуре. У твёрдой пшеницы скорость проникновения воды через оболочку значительно меньшая.
Весьма любопытны опыты по определению влажности зерновой массы, выполненные с помощью электровлагомера, работа которого основана на измерении диэлектрической постоянной (ДК-аппарат), которая при одной и той же влажности равна для клетчатки 6,5, для крахмала 10, а для воды больше 80. Так как химический состав зерна во время увлажнения в количественном отношении почти не меняется, то в основном величина этой диэлектрической постоянной зависит главным образом от процентного содержания воды, являющегося в процессе увлажнения величиной переменной.
При медленном проникновении воды в зерно влажные оболочки резко влияют на показания аппарата. Поэтому при определении влажности непосредственно после увлажнения показания электровлагомера будут завышены,указывая на то, что равновесие ещё не наступило и что процесс проникновения воды внутрь эндосперма продолжается.
Это обстоятельство использовали многие исследователи для определения времени проникновения плат в зерно.
Гальтмейер, производя опыты с различными сортами местной пшеницы, получил устойчивые показания ДК-аппарата, определявшего влажность для мягкой пшеницы через 9 часов, а для Млинтобы лишь через 36 часов.
Другие исследователи, оперировавшие другими сортами пшеницы, получили ещё большие величины длительности проникновения воды в зерновую массу.
Фаррель исследовал скорость увлажнения зёрен пшеницы различных сортов тёплой водой (40°) при помощи электровлагомера, работающего на принципе использования электропроводности зерна. Исследователь определил, что у твёрдой красной озимой пшеницы при постепенном повышении процента влажности при кондиционировании с 12 до 17% и времени отволаживания с % часа до 9 часов устойчивое показание электровлагомера наступает лишь через 9 часов; это говорит о том, что влага успела распространиться по всему зерну лишь после этого отрезка времени (рис. 7).
Фаррель также установил, что на миграцию влаги через оболочку у мягкой пшеницы тратится не менее 3—3,5 часов, а у твёрдой 5—6 часов, т. е. скорость проникновения воды у последней почти в 2 раза меньше.
Скорость распространения воды в зерновой массе для некоторых сортов советской пшеницы была исследована ещё в 1925 г. В. Смирновым (Менделеевский институт), изучавшим влажность различных продуктов переработки. Позднее детальные исследования проводил Соседов. Увлажнению подвергалась пшеница сортов Ставрополька (5-й подтип), Украинка (1-й и 5-й подтипы) и Мелянопус, причём вода была взята комнатной температуры (15—17°). При этих опытах полное поглощение воды зерном наблюдалось у мягкой пшеницы через б—8 часов, а у Мелянопус через 24 часа влага ещё не находилась в равновесном состоянии.
К сожалению, опыты были ограничены наблюдением лишь в течение 24 часов, что не даёт полной картины для пшеницы Мелянопус, так как, по нашим опытам, для полного проникновения в неё воды нужен более длительный промежуток времени — около 30—36 часов, что и приводит к необходимости отволаживать эту пшеницу в течение 48 часов и даже более. Американские мельницы для некоторых сортов твёрдой пшеницы практикуют время отволаживания, доходящее до 72 часов.
Полученные результаты лишний раз подтверждают необходимость вести кондиционирование пшеницы раздельно в зависимости от её твёрдости, что и практикуется, как правило, на более благоустроенных мельницах, особенно на вновь построенных, обладающих достаточным количеством закромов, обеспечивающих проведение в жизнь этого, бесспорно, правильного с точки зрения технологии требования. На более старых предприятиях это элементарное требование часто не проводится в жизнь, зерно вопреки здравому смыслу смешивается на завальной яме и вся смесь различных по качеству сортов пшеницы замачивается и отволаживается в одинаковой степени, что не может обеспечить нужного технологического эффекта кондиционирования.