Изменение вязкости оболочек зерна
Переходя к более детальному рассмотрению влияния увлажнения на механические свойства зерна, следует к этому вопросу подойти дифференцировано, отдельно изучая изменения у оболочек и у эндосперма. Как увидим ниже, механический эффект здесь различен, и мы вовсе не стремимся его уравнять. Наоборот, мы заинтересованы в углублении этого различия, на котором в значительной степени основано и различие этапов технологического процесса переработки зерна.
Что касается оболочек, своевременному и полному удалению которых из муки по соображениям физиологическим и техническим уделяется особое внимание в процессе переработки, то здесь мы идём разными путями, используя как аэродинамические свойства частиц оболочки, обладающих значительной удельной поверхностью, так и до известных пределов их размеры, применяя для этого сита, и, наконец, используя физико-механические свойства, в первую очередь величину сопротивления измельчению.
Мы не заинтересованы в том, чтобы это сопротивление оболочек измельчению было невысоким, так как хрупкость оболочек привела бы к их тонкому размельчению. Наоборот, технологу выгодно усилить сопротивляемость оболочки в первой стадии дробления, для того чтобы на первых драных системах оболочки дробились крупными частицами и направлялись в сход. С одной стороны, мы тем самым избегаем засорения муки оболочечной пылью, мелкие частицы которой весьма трудно, а на известной стадии и невозможно удалить из мучной массы. С другой стороны, мы усиливаем резкость просеивания, что приводит на последних драных системах к получению более крупных отрубей, которые особенно ценятся животноводами. На английских мельницах, например, даже установлены специальные станки для спрессовывания сходов, чтобы получать более крупные отруби.
Усиление сопротивляемости оболочек измельчению идет за счёт повышения их вязкости. Говоря о вязкости твёрдых веществ, нужно подчеркнуть, что в этой области технической физики (реологии) в смысле терминологии не все обстоит благополучно. Если в области жидкостей и газов термин «вязкость» получил вполне определённое значение ещё со времён Ньютона, то по отношению к твёрдым телам нет единого мнения ни у физиков, ни тем более у технологов, пользующихся, однако, этим термином весьма часто.
В литературе и у нас и за границей нет до сих пор единой точки зрения на вязкость в применении к твёрдому телу. Термин этот часто смешивают с родственными, но не идентичными понятиями и особенно понятием «пластичности». Такой разнобой замечается не только в специальных изданиях по той или иной отрасли промышленности, но и в работах, посвящённых теоретическим вопросам. Так, автор большой работы «Физика твёрдых тел» Кузнецов предлагает объединить термины «вязкость» и «пластичность» в один. Такого же мнения придерживается и Ванин, автор курса «Древесиноведение», отождествляющий оба эти термина. Некоторые авторы понимают под вязкостью способность сопротивляться ударам и т. д.
Такую нечеткость в терминологии, отсутствие единой точки зрения нужно в известной степени объяснить тем, что в противоположность теории упругости теория пластично-вязкого течения дисперсных масс ещё весьма мало разработана.
Некоторое упорядочение в этот вопрос вносится определением «хрупкости», как свойством, обратном вязкости. Хрупкость рассматривается как «способность материала разрушаться без остаточных деформаций, т. е. без заметного поглощения механической энергии в необратимой форме до разрыва», тогда как вязкость определяется как способность материала сильно и необратимо деформироваться, «течь», не разрушаясь, поглощая в значительном количестве механическую энергию в необратимой форме. Пластичность же представляет свойство твёрдого тела сохранять значительные остаточные деформации, получившиеся под действием внешних сил, по прекращении этого действия.
Перелыгин рассматривает вязкость материала, в частности древесины, как сопротивляемость нарушению связи между частицами. Правильнее определить вязкость материала как сопротивление пластической деформации или течению (нарастанию деформации со временем). Вязкость можно выражать удельной работой деформации, производимой внешними силами и отнесённой к единице объёма деформируемого тела. Размерность этого показателя характеризуется выражением кГсм/см3, т. е. тем же выражением, что и временное сопротивление кГ/см2.
Таким образом, показателем вязкости является удельная работа деформации, и чем больше эта удельная работа, тем больше вязкость, как свойство, противоположное хрупкости. Такое определение вполне подходит к явлениям деформации оболочек зерна.
Специальных работ, посвящённых изучению вязкости оболочек зерна в указанном выше направлении (на базе определения удельной работы, затрачиваемой на деформацию оболочек), насколько нам известно, не опубликовано. Имеются в этой области лишь работы, посвящённые определению разрывных усилий, но нет работ, связанных с определением удельной работы деформации, как основной характеристики вязкости.
Приводимые далее опыты автора по гидромеханической обработке зерна подтвердили зависимость удельного расхода энергии от вязкости оболочки, а в отдельных случаях и от вязкости эндосперма (рожь).
Можно также привести исследования в родственной области с материалами другого порядка, но имеющими одно и то же исходное сырьё —зерно. Мы имеем в виду работы по определению технологической характеристики пшеницы путём изучения физических свойств теста при помощи альвеографа. Как видно из рис. 12, в альвеограмме ординаты показывают усилия, необходимые для растяжения вплоть до разрыва пластинки теста. Это усилие, отражающее упругость теста, изображаемое графически в альвеограмме, пропорционально высоте водяного столба, под влиянием которого происходит деформация пластинки теста; абсциссы же показывают время деформации,что при равномерной скорости движения бумажной ленты эквивалентно длине диаграммы и отражает растяжимость, или деформацию, теста.
Таким образом, площадь альвеограммы F характеризует работу, затрачиваемую на деформацию пластинки теста до момента её разрыва. Удельная величина этой работы деформации Wm, отнесённая к единице объёма и отражающая в системе координат не только упругость и растяжимость теста, но и их соотношение, является показателем вязкости теста —одним из важнейших факторов его хлебопекарных качеств.
Исследования автора в лаборатории МИИМП пшеницы разных сортов—Мильтурум, Цезиум, Гордеи форме, Мелянопус, Крымка, Лютесценс, Украинка, Заря — дают богатый материал для суждения о вязкости теста, диапазон которой получается в очень широких пределах: работа деформации Wm колеблется в данном случае в пределах от 48,3*10в3 для Зари, до 382*10в3 для Цезиума, с разницей больше чем в 8 раз. Этим показателем вязкости технологи пользуются не только при оценке пшеницы, поступающей в переработку, но и при составлении смесей, что имеет большое технологическое значение.
Вязкость теста, как видно из указанной работы, поддаётся воздействию в сторону усиления путём предварительной гидромеханической обработки зерна. Так как вязкость теста является основным элементом его характеристики, непосредственно связанным с хлебопекарными качествами, то мы при смешивании зерна и ставим перед собой задачу дать зерновую смесь с определённым Wm не менее установленного лимита. Таким образом, вязкость, являющаяся физическим качеством теста, присущим данному сорту зерна, характеризует его технологическую ценность в хлебопекарном отношении и поддаётся воздействию в зерне в нужную технологам сторону либо путём кондиционирования того или иного сорта, либо путём смешивания исходных сортов, предварительно подвергнутых кондиционированию.
Характерный пример усиления вязкости путём увлажнения можно привести из области древесиноведения. Таким примером может служить так называемый «морёный дуб», извлекаемый из русел рек после длительного, исчисляемого, вероятно, столетиями, пребывания в воде.
Как показали исследования Н. Кузнецова, влажность такого морёного дуба часто превышает 100%, считая на абсолютно сухое вещество. При влажности морёного дуба, например в 99,3%, объёмный вес его почти вдвое больше в сравнении с древесиной этого дуба, высушенной до 10% (0,934 против 0,544). При испытании образца с указанной влажностью В=99,3% древесина при сжатии давала большую усадку, не оказывая сопротивления сжимающим усилиям ещё задолго до своей деформации, которая характеризуется выпучиванием боков без разрыва волокон. Это указывает на то, что стенки клеток от долгого лежания в воде пришли в состояние крайней вязкости благодаря тому, что вода заполнила все полости клеток и пустоты и с течением времени растворила, а может быть, и вымыла содержимое клеток. Обратное явление наблюдается у того же морёного дуба, высушенного до абсолютно-сухого состояния. В этом случае необычно высокая вязкость сменилась обратным явлением —хрупкостью, и образцы такого морёного дуба разлетаются на мелкие кусочки даже при слабом ударе.
Эти теоретические предпосылки можно применить и по отношению к оболочкам зерна, которые, будучи в сухом состоянии (8—10%), отличаются, как известно, значительной хрупкостью. При увлажнении же оболочек вязкость увеличивается, причём чем ближе В к точке насыщения волокон (гигроскопическая точка), тем вязкость становится больше и работа деформации, естественно, растёт. Как мы видели, влажность оболочки при нормальном холодном кондиционировании доходит до 20—24%, т. е. близко подходит к состоянию насыщения волокон водой.
Усиление вязкости оболочки в результате искусственного понижении влажности имеет свои и положительные и отрицательные стороны.
Первое выражается в том, что более вязкие, т. е. менее хрупкие, оболочки труднее поддаются размельчению, не крошатся при дроблении зерна нарезными валками драных систем. В результате получаются более ценные для животноводства крупные отруби, а главное, мука не засоряется мелкими частицами отрубей, благодаря чему ослабляется основная причина высокой зольности и, как показали опыты, последняя уменьшается на 0,1—0,05%, а мука приобретает лучший цвет.
Отрицательная сторона усиления вязкости оболочек характеризуется резким повышением удельной величины работы, затрачиваемой на дробление оболочек, что влечёт за собой увеличение удельного расхода энергии на тех участках технологического процесса, где оболочки принимают большое участие как объект дробления.
Поэтому с увеличением В удельный расход энергии, затрачиваемой на драной процесс, увеличивается, так как при сортовых помолах мы стремимся на этих системах щадить эндосперм, получая не более 10—15% драной муки. Аналогичная картина наблюдается и при переработке зерна в муку с выходом в 96%, 85%, где весь процесс происходит па нарезных валках при значительном измельчении оболочек; поэтому с повышением В увеличивается общий расход энергии на помол.