Критические точки кривых увлажнения зерна

09.05.2015

Изучая влияние повышения влаги в зерне при искусственном его увлажнении на физико-химические свойства зерновой массы и связанные с ними технологические показатели, мы видим, что кривые увлажнения проходят через три критические точки, являющиеся переломными в процессах хранения и переработки зерна.
На рис. 32, представляющем технологическую гидрограмму зерна, приводится технологическая характеристика этих критических точек. Первую из них мы назвали гидратационной, так как, помимо связанной воды, она сопряжена с появлением новой формы состояния воды в зерне — капиллярной, наличие которой является основным условием нормального развития технологического процесса переработки зерна.
Наличие этой переломной точки подметили впервые ещё в 1918 г. Бэйли и Гурджар, установившие, что до этой критической точки в зерне имеется лишь связанная вода, а затем подвижное равновесие нарушается и появляется также капиллярная вода, после чего резко усиливаются биохимические и физиологические процессы, в связи с чем зерно становится менее стойким при хранении, но, прибавим от себя, более пригодным для размола.
Из русских исследователей этим вопросом занимались Некрасов, Гордиенко, а в последние годы Кретович и Ушакова, работавшие с сортами пшеницы Гордеиформе 0432, Мильтурум 0321 и другими. Указанные авторы, применявшие манометрический метод Смирнова-Чигирёва и определявшие как поглощаемый кислород, так и выделяемую углекислоту, пришли к выводу, что для этих сортов пшеницы гидратационная точка лежит в пределах 15—16% влажности, причём нижний предел относится к мягкой пшенице, а верхний — к твёрдой.
Косвенное доказательство правильности полученных результатов даёт произведённое нами определение объёмного (насыпного) веса G0 пшеницы при разной влажности, приведённое в виде кривой для пшеницы Гостианум на рис. 32.

Критические точки кривых увлажнения зерна

Взятый нами образец был предварительно очищен от посторонних примесей, рассортирован по фракциям крупноты с удалением крайних фракций (крупной и мелкой). Выровненная таким образом средняя фракция и была подвергнута изучению.
Таким образом, были приняты меры к тому, чтобы экспериментальные результаты действительно отражали объёмный вес лишь в зависимости от влияния влажности, а не от других случайных и привходящих факторов.
С этой оговоркой и нужно отметить, что кривая G0, как видим на рис. 32, сначала подымается, проходит через свой максимум в зоне B=14—15%, после чего начинает падать.
Этому явлению можно дать следующее объяснение: с точки зрения мицеллярной теории, подкреплённой в вопросах набухания зерна рентгенограммами, взятыми из родственной области древесиноведения, отдельные мицеллы, или макромолекулы, не впитывают воды в I, по нашей терминологии, зоне.
До первой критической точки имеет место приращение лишь связанной воды, скопляющейся в стенках каплиляров. Увеличение в этой зоне количества воды, тем более связанной, с плотностью более 1, утяжеляет вещество зерна, увеличивает G0, почему кривая подымается.
Увеличение же при переходе во II зону количества капиллярной воды, заполняющей каналы капилляров, сопровождается первичным явлением набухания, приводящего к увеличению объёма при уменьшении плотности вещества, в результате чего кривая G0 начинает падать.
Необходимо также указать на возможное влияние трения зёрен друг о друга на величину объёмного веса зерновой массы G0. Понижение этого трения при образовании тонкой адсорбционной плёнки влаги на внешней поверхности зерна должно вызывать увеличение объёмного веса, что имеет место в I зоне. При дальнейшем повышении влажности появление менисков воды между зёрнами должно вызвать сцепление последних, т. е. повышение трения между зернами и, следовательно, уменьшение объёмного веса. Это и происходит во II зоне.
Таким образом, переломная точка кривой G0, лежащая в зоне В=14—16%, является в тоже время критической точкой кривой увлажнения, связанной с появлением капиллярной воды.
Технологическое значение этой переломной точки заключается не только в появлении биохимических превращений в зерне, но главным образом в возникновении механического воздействия на ткани зерна —основной базы подготовительных операций для последующего измельчения.
Вторая критическая точка кривой увлажнения, характеризующая предельное насыщение вещества зерна водой и тесно связанная с видом пшеницы является гигроскопической точкой. Технологическое значение её основано на том, что в зерне начинает преобладать уже свободная вода, которую в данном случае нужно рассматривать в отличие от капиллярной как тормозящий в производстве фактор, с которым необходимо бороться, ослабляя его влияние механическим или термическим путём (пользуясь отжимными колонками или сушилками).
По аналогии с древесиной, у которой, по данным Селюгина, гигроскопическая точка в зависимости от породы дерева находится при температуре, равной 20°, в пределах В=28—33%, мы получаем для зерна такие же значения влажности. Для разных сортов пшеницы гигроскопическая точка, соответствующая относительной влажности воздуха φ=100%, находится в пределах В=28—35%, причем нижний предел относится, естественно, к сортам мягкой пшеницы, а верхний — к твёрдым. На мельницах приходится встречаться с зерном, у которого влажность равна не только 20—25%, по, как исключение, даже и 30—35%. Таким образом, при наличии такой высокой влажности технолог уже на первой стадии технологического процесса (при поступлении зерна) имеет дело с зерном, в котором в большой степени преобладает свободная вода, наиболее вредная при хранении, и при размоле вносящая тормозящее начало в производство.
Нужно указать, что эта III зона уже в первой стадии связана с прорастанием зерна, явлениями соложения, имеющими значение в другом производстве — пивоварении.
Наконец, третья критическая точка, характеризующая предельное Насыщение водой всего зерна в целом, соответствует В=50%, после чего скопление свободной воды происходит преимущественно вне зерна — на его поверхности и в межзерновых пространствах. Тут наступают в технологическом отношении резко отрицательные явления.
Нужно подчеркнуть, что переломные значения кривых увлажнения, отмечаемые критическими точками, не имеют резко очерченного характера. Эту нерезкость критических точек можно объяснить анизотропностью зерна по отношению к влажности, воздействие которой различно сказывается на различных частях зерна. Кроме того здесь играет роль температурный фактор (для воды и зерна). Числовое значение критической точки зависит от указанной температуры.
Переломные точки делят кривую увлажнения зерна на три зоны. I зона, в которой мы имеем дело преимущественно со связанной водой, соответствует зоне хранения зерна. П зона, в которой преобладает капиллярное состояние воды, представляет зону размола зерна, причём в своей начальной стадии, примыкающей к первой, переломной, гидратационной точке, зона эта является мукомольной; в ней, как увидим ниже, сосредоточены оптимальные условия работы мельниц. Во второй же стадии этой зоны имеются предпосылки для более благоприятного развития хлебопекарных качеств зерна, с тем, понятно, чтобы к моменту размола обеспечить после подсушки оптимальную в мукомольном отношении влажность зерна. Наконец, III зону, где преобладает свободная вода, следует рассматривать как зону аварийную, требующую специального воздействия технолога, быстрого вмешательства во избежание окончательной порчи зерна и потери его как сырья для мельниц.
В технологическом отношении особый интерес представляет II зона, которую, нужно разделить на две неравные части из которых первая — IIа — является зоной технологических оптимумов, а вторая — 116, наоборот, характеризуется отрицательными показателями в мукомольном отношении, представляя зону переувлажнения эндосперма.
Зона технологических оптимумов является для нас решающей, так как в ней сосредоточены экстремальные точки характеристических кривых И, W и зольности односортной муки из того или иного сорта зерна.
Последнее обстоятельство особенно характерно, так как в этой зоне устанавливается наиболее выгодное в технологическом смысле соотношение между вязкостью оболочек и хрупкостью эндосперма.
Это соотношение при размоле зерна приводит к максимальному сохранению оболочек в неизмельченном состоянии, что при последующем удалении их из муки уменьшает зольность последней.
Нужно отметить, что технологическое значение этой зоны подкрепляется ещё тем, что кроме экстремальных точек кривых изменения приведённых выше показателей М, W, И и зольности, в этой области лежат также переломные точки других показателей, в определённом значении которых мы заинтересованы как технологи.
Речь может итти, например, об удельной теплоёмкости зерна, величина которой в зоне 14—15% влажности претерпевает резкое изменение, что важно для нас при расчёте количества тепла, необходимого при горячем кондиционировании. Аналогичное экстремальное развитие имеют кривые упругих свойств зерна и других физико-механических констант.
Таким образом, в зоне, названной нами зоной технологических оптимумов, сосредоточивается комплекс показателей в их оптимальном выражении, обусловливающий наиболее выгодное ведение процесса переработки зерна в технологическом и энергетическом отношениях.
Характерно, что экстремальные точки характеристических кривых не лежат на одной вертикали, и оптимальное значение процента влажности, например у Мелянопус, для удельного расхода энергии равно 16%, для зольности 18%, а для извлечения 19%. Такое несовпадение оптимальных значений влажности объясняется тем, что при достижений оптимума в том или ином случае играют роль различные факторы. Если процент извлечения И, например, в основном зависит от структуры эндосперма, то в формировании W решающую роль играют оболочки, механические свойства которых подчиняются другим законам зависимости от влажности, что отражается на удельном расходе энергии для размола.
Такое же явление несовпадения оптимальных точек мы наблюдаем и при кондиционировании зерна в целом, когда, например, для усиления хлебопекарных качеств муки от зерна требуется значительно большая влажность при переработке, чем для максимального использования его мукомольных свойств. Наши опыты показали, что здесь расхождение достигает 5—8% в зависимости от сорта. Последнее обстоятельство используется при применении вакуумного кондиционирования, позволяющего довести влажности зерна до 24—26% как оптимума для достижения наилучших хлебопекарных качеств с последующим уменьшением влажности зерна до 16—17%, имея в виду мукомольный оптимум влажности.
Это обстоятельство и заставляет технолога выбирать промежуточные значения оптимальной влажности, тем более, что в наших условиях технологические возможности ограничены лимитом влажности муки по ОСТ в 15%. Поэтому мы вынуждены при установлении оптимальной влажности зерна на I драной системе не выходить за пределы В=16—16,5%, хотя исследования мукомольных качеств отдельных сортов пшеницы указывают на необходимость большего увлажнения зерна на I драной системе. Например для Мелянопус и Горденформе требуется влажность порядка 18—19%.
В этом отношении английские мельницы находятся в более благоприятных условиях, так как благодаря климатическим и метеорологическим условиям они не стеснены низким лимитом влажности муки. Поэтому в Англии на I драную систему направляют зерно с влажностью 18 и даже 19%, Последнее обстоятельство и является отчасти причиной того, что англичане применяют четырёхкратное драньё при одновременном уменьшении удельной нагрузки на драные станки.
Сказанное подтверждает наличие потерь и количественных, и качественных — недобор муки, плохое использование качественных показателей, если увлажнение происходит вне зоны технологических оптимумов. Поэтому назревает вопрос о пересмотре стандарта на влажность муки для отдельных районов.
Приведённые выше соображения относятся к первой стадии размольной зоны IIа, которая сосредоточивает, как мы видели, положительные моменты при размоле зерна.
Не менее важное значение в технологическом отношении, но с отрицательной стороны, имеет и другая часть зоны размола — IIб — зона переувлажнения эндосперма.
Как известно, явления клейстеризации крахмала — основной составной части эндосперма, — наблюдающиеся на вальцевых станках и в самотёчных трубах при некультурном ведении режима помола, ведут к отрицательным явлениям технологического процесса размола: понижению производительности, повышению удельного расхода энергии, а главное, — к порче продукта и технологического оборудования.
Основными предпосылками возникновения указанных явлений являются высокая влажность эндосперма, порядка 18—20%, и повышенная температура — свыше 50°. Что касается температуры, то при значительной нагрузке вальцевых станков и связанном с ней сильном нажиме валков температура последних может выйти за пределы 40—45° и приблизиться, таким образом, к 50°. Влажность же эндосперма 18—20% обусловливается высокой естественной влажностью зерна в целом или переувлажнением эндосперма при нерациональной замочке. Таким образом, возникают явления, предшествующие непосредственно клейстеризации, — явления «комкования» — слипания отдельных частиц эндосперма между собой.
В зависимости от особенностей сорта явления комкования начинают появляться уже при влажности эндосперма 15—16%.
Выше говорилось о возникновении таких отрицательных явлений при размоле пшеницы Ферругинеум, когда уже при 15% общей влажности зерна и неудачном распределении влаги в самом зерне при размоле этой пшеницы на вальцах появлялись «лепёшки» и рифли начинали замазываться.
Аналогичное положение вещей имело место, как мы уже указали, при помоле пшеницы Лютесценс 062 с низкой стекловидностью 8—10%, у которой в отличие от обычного удельный расход энергии на размольных системах увеличивался с повышением влажности зерна даже в пределах 15—16%.
Указанные явления говорят о том, что мы вступаем в зону переувлажнения эндосперма, и задача технолога — бороться с этим отрицательным явлением, учитывая особенности сорта.
Вот почему так важно не только придерживаться оптимальной величины увлажнения, но и следить за распределением влаги в зерне.
Суммируя сказанное выше, можно утверждать, что производственное значение рассмотренной выше системы постепенного возрастания влажности в зерне чрезвычайно велико. Система эта, отражающая изменения формы состояния воды и её связи с коллоидными материалами зерна, изображена в виде технологической гидрограммы зерна. Гидрограмма эта характеризует условия нормального развития технологического процесса использования зерна и продуктов его переработки на трёх основных этапах — элеваторе, мельнице и хлебозаводе.