Вопросы набухания зерна
Как и все семена, зёрна пшеницы при воздействии на них воды набухают, т. е., впитывая воду, увеличивают свои линейные и объёмные размеры. Явление гигроскопичности, о котором мы говорили, можно рассматривать как первую стадию набухания.
Благодаря тому, что мы в данном случае имеем дело с анизотропным телом сложной архитектоники, здесь наблюдается как поглощение воды гидрофильными коллоидами зерна, например его белковыми веществами (т. е. внедрение воды в вещество самой пшеницы), так и проникновение молекул воды между отдельными частицами зерна, т. е. внедрение дисперсионной среды в межмицеллярные пространства .
Механизм набухания можно представить себе в следующем виде.
В момент соприкосновения воды с поверхностью тела происходит смачивание этой поверхности и одновременно гидратация полярных групп мицелл, находящихся как на самой поверхности, так и ближайших мицелл, расположенных в поверхностном слое тела. Затем в первый момент соприкосновения частиц с водой, поверхностные слои их белее или менее быстро насыщаются водой, увеличивают свою влажность, а внутренние слои продолжают оставаться в состоянии первичной низкой влажности.
Этот перепад влаги создаёт подчиняющуюся закону Фика гидродиффузию молекул воды из наружных уже насыщенных поверхностных слоёв внутрь частицы, что продолжается до уравнения влаги, до исчезновения разницы в водопоглотительной силе в разных слоях.
При этом для более или менее равномерного распределения данною количества прибавленной к зерну воды требуется определённый промежуток времени, обусловливающийся в основном двумя факторами: 1) длиной диффузионного пути и 2) скоростью гидродиффузии. Первый фактор можно рассматривать как физический, а второй фактор связан с химическим составом зерна.
Наиболее активным вмешательством в производственных условиях для усиления весьма интересующей нас скорости гидродиффузии является, как мы уже видели, тепловое воздействие, имеющее целью переход гидродиффузии в более интенсивную, более активную термогидродиффузию.
При этом нельзя упускать из вида, что при распределении влаги в зерновой массе играет роль также и механический фактор подачи и смешивания воды с зерном, осуществляемый преимущественна транспортными приспособлениями, в частности шнеками, то одинарными, то (для лучшего перемешивания) двойными.
Общий эффект набухания слагается из набухания отдельных частей коллоидной системы и, как показали исследования Гандовского и Вейля, а также Цигельмайера, из взаимодействия набухших отдельных частей системы между собой.
Наружные покровы зерна — семенные и плодовые оболочки — состоят в основном из клетчатки и гемицеллюлозы в комбинации с инкрустирующими веществами, например лигнином. По своим физическим свойствам целлюлоза и лигнин резко отличаются друг от друга. В то время как целлюлоза характеризуется упругостью (эластичностью) и высокой прочностью на разрыв, лигнин, наоборот как показали, например, опыты Хухрянского и Рейхерта по гнутью и прессованию древесины, характеризуется хрупкостью и высоким сопротивлением на сжатие. Такое различие в физических свойствах отдельных составных частей оболочки вместе с их взаиморасположением делает обоснованным сравнение целлюлозного скелета в оболочке зерна, пропитанного лигнином, с железным остовом в арматуре железобетонной стройки.
Оптические данные показали, что лигнин, Как и вода, при набухании клетки внедряется аморфно между мицеллами в межмицеллярные пространства и, таким образом, вызывает набухание оболочки.
Это обстоятельство представляет для нас большое значение, так как влияние одревеснения в зерне пшеницы связано с распределением лигнина, не растворимого в воде. Как мы уже указывали, по данным Александрова, в перикарпии мягкой пшеницы одревеснение распространяется в большей степени и выражено более резко, чем у твёрдой, что отражается на мукомольных качествах зерна.
Относительно природы набухания органических веществ нет окончательно установленной точки зрения. Борьба разных теории в этой области идёт с 1890 г., когда появились первые исследования Гофмейстера (Hofmeister) по вопросу набухания, не потерявшие своего значения и до сих пор. По Гофмейстеру, процесс набухания состоит из: 1) капиллярного всасывания жидкости, не меняющей объёма тела; 2) осмотическою всасывания и 3) молекулярного всасывания. Позднее Катц (Katz) в своих интересных работах, выполнявшихся на протяжении многих лет (1910—1932) исключил возможность осмотического всасывания и выдвинул лишь два основных процесса: 1) поглощение жидкости поверхностью мицелл — мицеллярное набухание; 2) поглощение жидкости за счёт её проникновения внутрь молекулы — молекулярное набухание, по аналогии с адсорбцией и абсорбцией.
Однако утверждение Катца о поглощении влаги исключительно за счёт гидратации вызвало многочисленные возражения. Дюкло своими опытами показал, наоборот, возможность набухания за счёт осмотического всасывания, особенно для органических соединении смешанных структур, состоящих из кристаллических и аморфных веществ, которые различно реагируют на соприкосновение с водой, так как одни из них растворимы, другие нерастворимы. Последние, т. е. нерастворимые, образуют замкнутые ячейки, внутри которых и заключаются растворимые фракции, обусловливающие осмотическое всасывание. Кристаллическое строение клетчатки даёт основание присоединиться к мнению Дюкло о роли осмотического всасывания при увлажнении зерна.
В 1936 г. Липатов предложил свою обобщающую теорию набухания, в которой основное место также отводится осмотическому всасыванию. В отношении зерна точка зрения Липатова являете наиболее приемлемой: зерно пшеницы представляет чрезвычайно сложный осмотический комплекс, состоящий из зародыша, эндосперма с прилегающим алейроновым слоем и, наконец, оболочки, что создаёт определенное осмотическое давление внутри зерна, предопределяющее наличие водопритягивающей силы.
Из работ Липатова и других исследователей вытекает следующая общая закономерность процесса набухания физически гомогенных, химически индивидуальных веществ, заключающаяся в следующем: 1) при набухании имеет место явление контракции, т. е. сильно увеличенный объем набухшего тела, как правило, меньше суммы объёмов исходного сырого вещества и поглощённой им воды; 2) в результате уменьшения объёма выделяется тепло, т. е. процесс набухания является процессом экзотермическим; 3) максимальная скорость набухания наблюдается в начале процесса, а затем, по мере приближения к равновесному состоянию, постепенно падает; 4) с повышением температуры скорость набухания увеличивается, но приращение объёма уменьшается.
Все эти закономерности имеют место и при искусственном увлажнении зерновой массы, что подтверждается рядом опытов с зерном, с некоторыми, понятно, поправками.
В 1939 г. американские исследователи Фишер и Гайнс произвели эксперименты с пшеницей Манитоба № 1, дурум, а также с английской местной и австралийской пшеницей (Jeomann). При этом у всех образцов наблюдалось одно и то же явление: в течение первых 1—1,5 часов объём увлажнённого зерна несколько увеличивается против расчётного, а затем уменьшается. Так, пшеница Манитоба N° 1 с первичной влажностью 13,39% была увлажнена до 16,08%; объём фиксировался каждые 1/4 часа; через 1,5 часа можно было констатировать увеличение объёма, после чего последний начал уменьшаться и через 2,5 часа пришёл к исходному состоянию. Затем продолжалось дальнейшее уменьшение объёма, который достиг наименьшей величины через 24—48 часов в зависимости от сорта. У пшеницы Манитоба, например, после 48 часов объём уменьшился на 3,2% всего объёма зерна и воды, а у более мягкой пшеницы, например австралийской, после 5 дней суммарный объём уменьшился на 5,2% в сравнении с исходным объёмом.
Первоначальное незначительное увеличение объёма авторы склонны объяснить повышением температуры благодаря реакции между коллоидным веществом зерна и водой. После того как смесь достигла температуры окружающей среды, начинается уменьшение суммарного объёма, что цитируемые авторы относят за счёт наличия трещин в зерне, заполняющихся водой без увеличения объёма. Это уменьшение объёма продолжается до тех пор, пока вода не распространится равномерно по зерну.
Своеобразная структура зерна как анизотропного тела, разнообразие в химическом составе отдельных частиц позволяют предположить анизотропию и в явлениях набухания. Наиболее характерно в этом процессе набухания поведение оболочек, где так же, как и при механическом воздействии, нужно различать набухание по большой и набухание по малой осям, по аналогии с тем, как это имеет место при изучении набухания древесины, где такое явление дифференцировано, в зависимости от того, имеем ли мы дело с направлением по длине волокон или по их ширине.
В области изучения набухания оболочки зерна имеется ещё мало исследований, из которых мы назовём лишь те, которые имеют отношение к кондиционированию. По исследованиям Шаройко, произведенным в 1940 г. при кондиционировании твёрдой пшеницы Mелянопус 069 со стекловидностью 95% и мягкой Украинка со стекловидностью 50% при увлажнении первой до 17% и второй до 16%, общая толщина оболочки увеличивалась у мягкой на 14—15%, а у твёрдой лишь на 5—10%; в отдельных случаях это увеличение толщины оболочки у мягкой пшеницы при холодном кондиционировании достигало 25%. Характерно, что при этом толщина алейронового слоя оставалась мало изменённой (55,74 микрона у контрольного образца пшеницы Мелянопус и 56,72 микрона у увлажнённого), что подтверждает приведённое выше положение о полупроницаемости алейронового слоя в сравнении с наиболее влагоёмкой толстостенной плодовой оболочкой.
Фотоснимки срезов при опытах Шаройко показывают, что изменение толщины оболочки происходит вследствие набухания тканей и увеличения полостей между отдельными слоями оболочек. Явление это у зерна напоминает аналогичное явление, возникающее при гнутье древесины, с которым, как увидим ниже, в отдельных случаях можно провести полную аналогию.
Пэнс, исследовавший в 1936 г. физические изменения, происходящие с пшеницей при кондиционировании, установил объемное приращение зерна в зависимости от времени и температуры кондиционирования. Как видно из табл. 16, в течение первых 15 минут происходит увеличение объёма зерна примерно на 4%, а полное набухание заканчивается в течение 2 часов. Кривые, приведенные на рис. 10, показывают зависимость между степенью набухания и периодом кондиционирования. При условии перепада влаги от 9,5 до 15% набухание происходило наиболее интенсивно при 29° в первые 40 минут, выразившись в увеличении объёма на 8%, а в последующие 1 ч. 20 м. приращивание не превышало 1,5%; полностью набухание закончилось и течение 2 часов.
В этом же опыте Пэнс выяснил и влияние температурного фактора, установив, что при наиболее высокой температуре в течение 15 минут достигаются такие же размеры набухания, для которых при холодном кондиционировании требуется 2 часа.
Экзотермичность процесса набухания пшеницы подтверждена опытами Андерсона (Anderson), произведёнными в 1937 г. в лаборатории Сельскохозяйственного института в Канзасе. Была взята пшеница Turkey с естественной влажностью 10,3%, увлажнённая искусственно в пределах от 14 до 24%. Повышение температуры при отлёжке фиксировалось каждый час. Из табл. 17 и рис. 11 видно, что при увлажнении, например, до 16% кривая приращения температуры проходит через свой максимум в первые 2,5—3 часа, после чего начинает спадать. В зависимости от процента увлажнения приращение температуры колеблется в пределах от 4 до 7%, что координирует с результатами уже приведённых выше опытов Фишера и Джонса.
Величина максимума в кривой температуры при увлажнении зависит от скорости сорбции, что констатировано при аналогичных опытах с другими материалами, например торфом, бумагой, кожей, сосной.
В зависимости от физического строения и коллоидной характеристики материала, как установил в 1935 г. Лыков, приращение температуры колеблется в пределах 2,5—10%, причём для одного и того же материала приращение температуры зависит от степени увлажнения. Последний вывод подтверждается и для зерна упомянутыми опытами Андерсона, а также аналогичными опытами с крахмалом, выполненными Родевальдом и позднее Винклером и Гедсом (Winkler und Ged des), определившими теплоту смачивания при увлажнении пшеничной муки.