Некоторые свойства зерна как объекта сушки

24.06.2015

Влажность зерна. Состояние влажных материалов, в том числе и зерна, принято оценивать двумя параметрами — влажностью и температурой.
Влажность имеет большое значение для всех жизненных процессов зерна. Так, например, жизнедеятельность и дыхание сухого зерна происходят медленно (почти приостанавливаются), и хранение такого зерна протекает нормально.
При увеличении влажности жизнедеятельность зерна усиливается и создаются благоприятные условия для развития микроорганизмов и вредителей зерна. Все это приводит к самосогреванию зерновой массы, в результате чего качество зерна ухудшается.
Усилению жизнедеятельности зерна способствует также повышение температуры. Массу влажного зерна M (кг) можно представить в виде суммы

M = Mс.в + W,

где Mс.в — масса сухого вещества зерна; W — масса влаги, содержащейся в зерне.
Отношение массы влаги к массе влажного зерна (%) принято называть относительной влажностью и обозначать
w = (W/M)100.

Отношение массы влаги к массе сухого вещества зерна (%) принято называть абсолютной влажностью и обозначать
wc = ( W/ Мс.в) 100.

Для того чтобы перейти от влажности на общую массу w к влажности на массу сухого вещества wс (%) и наоборот, воспользуемся формулами:
wc = w/100-w * 100; w = wc/100+wc * 100.

Дополнительно используется такое понятие, как влагосодержание.
Под влагосодержанием u (кг/кг) понимают отношение массы влаги W, содержащейся в зерне, к массе сухого вещества зерна Mс.в, т. е.
u = W/Mc.в = wc/100.

Гигроскопичность и равновесная влажность зерна. Под гигроскопичностью понимают способность материалов (зерна) поглощать или отдавать воду.
Поглощение водяных паров (или каких-либо газов) зерном называют сорбцией, а испарение влаги из зерна и переход ее в окружающую среду (воздух) — десорбцией. Десорбция протекает только в том случае, если давление водяных паров у поверхности зерна больше давления водяных паров в окружающей среде. В противном случае зерно увлажняется вследствие сорбции.
В состоянии равновесия с влажным воздухом температура зерна равна температуре воздуха, а давление паров воды на поверхности зерна равно давлению водяных паров в воздухе. В этот момент влажность зерна имеет определенное значение, называемое равновесной влажностью (иногда ее называют равновесным влагосодержанием).
Равновесная влажность зависит от температуры, влажности воздуха и способа достижения равновесия. Если зерно отдает влагу, равновесие достигается путем десорбции или сушки; если же зерно поглощает влагу, равновесие наступает в результате сорбции или увлажнения.
При равновесном состоянии в среде с относительной влажностью воздуха, равной 100 %, зерно приобретает максимальную сорбционную влажность, называемую гигроскопической влажностью (влагосодержанием).
Необходимо отметить, что гигроскопическая влажность всегда меньше максимальной влагоемкости, которая достигается при непосредственном контакте зерна с жидкостью (в результате намокания или смачивания).
Количество поглощаемой материалом влаги зависит от его химических свойств. Например, семена масличных культур имеют меньшую гигроскопичность, чем семена злаковых, причем чем больше масличность, тем меньше гигроскопичность. Даже стекловидные и мучнистые зерна пшеницы значительно отличаются друг от друга по гигроскопическим свойствам, что объясняется различным строением их крахмальных клеток.
Формы связи влаги с зерном. Согласно классификации П.А. Ребиндера, в основу которой положено количество энергии, необходимой для удаления влаги из данного материала, все формы связи влаги делятся на три группы: физико-механическую, физико-химическую и химическую.
Физико-механическая — наименее прочная связь влаги с материалом зерна. К ней относится влага смачивания, т.е. влага, заполнившая капилляры в результате непосредственного соприкосновения зерна с водой или путем сорбции пара из влажного воздуха. Физико-механически связанная влага обладает свойствами обычной воды, и ее можно удалить механическим способом или испарением.
Физико-химическая связь влаги прочнее физико-механической. К ней относят адсорбционно- и осмотически связанную. Адсорбционносвязанная влага образует с содержимым зерна твердый раствор и утрачивает свойства обычной воды. Осмотически связанная влага (влага набухания) под действием осмотического давления через полупроницаемые оболочки проникает внутрь коллоидного тела, каким является зерно. Осмотически связанная влага обладает всеми свойствами обычной воды.
Химическая связь влаги образуется в результате химических реакций и является наиболее прочной. В этом случае вода входит в состав веществ зерна в точных количественных соотношениях и ее можно удалить только химическим путем либо прокаливанием материала.
Наличие тех или иных форм связи влаги предопределяется структурой материала и его химическим составом. Все материалы подразделяют на три группы: капиллярно-пористые, коллоидные, коллоидные капиллярно-пористые. В капиллярно-пористых материалах влага удерживается капиллярными силами (силами поверхностного натяжения), в коллоидных преобладает осмотическая влага, коллоидные капиллярно-пористые материалы содержат в себе как капиллярную, так и осмотическую влагу. Как известно, зерно относится к группе коллоидных капиллярно-пористых тел.
Термоустойчивость зерна. Показателем термоустойчивости принято считать максимально допустимую температуру нагрева, при которой сохраняется качество зерна в соответствии с его назначением.
Многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых установлено, что величина допустимой температуры нагрева зерна ограничена и зависит от очень многих факторов, в том числе от сорта, степени зрелости, назначения, влажности зерна, состояния его белкового комплекса, а также от способа и режима сушки.
Для оценки термоустойчивости в зависимости от назначения зерна могут учитываться различные показатели: энергия прорастания, всхожесть и жизнеспособность, образование трещин, количество и качество клейковины, а также химический состав.
Органические и неорганические вещества, входящие в состав зерна, по-разному реагируют на нагревание в процессе сушки.
Крахмал в сухом состоянии можно нагревать до 70 °С, и состояние его при этом не изменяется. При наличии воды крахмал набухает. При этом нагревание крахмала до температуры выше 62 °C сопровождается растрескиванием крахмальных зерен и клейстеризацией.
Жиры более устойчивы к нагреванию, чем крахмал. Однако при нагревании выше 70 °C они частично распадаются, в результате чего повышается их кислотное число. Последнее является следствием повышения содержания свободных жирных кислот.
Клетчатка наиболее устойчива к воздействию температур и может без изменений выдерживать температуру до 200 °С.
Белки зерна при наличии воды набухают, что положительно сказывается при прорастании семян. При температуре нагревания выше допустимой белок подвергается денатурации (свертыванию), при которой уменьшается его водопоглотительная способность (способность к набуханию), причем водорастворимые белки зародыша менее термоустойчивы, чем клейковинные белки эндосперма. Поэтому для семенного зерна допустимы более низкие температуры нагревания и меньшая продолжительность выдержки, чем для продовольственного зерна. По этой же причине менее зрелое зерно имеет пониженную термоустойчивость по сравнению с зерном в состоянии полной спелости и прошедшим стадию послеуборочного дозревания. При сушке такого зерна приходится применять пониженные температурные режимы, допуская тем самым снижение производительности сушилки.
По мере снижения влажности зерна термоустойчивость его повышается. По данным В.П. Горячкина, всхожесть сырого зерна пшеницы теряется полностью уже при температуре 60...65 °С. Однако нагрев зерна влажностью 3 % до 110...120 °C в течение 20 мин на всхожесть зерна не влияет.
Исследованиями И.И. Ленарского установлено, что различие в термоустойчивости сухого и сырого зерна основано на неодинаковой скорости тепловой денатурации белков, причем с повышением влажности на 3...4 % или температуры на 10 °C скорость денатурации белков зерна возрастает в 2...4 раза.
При оценке термоустойчивости зерна нельзя ограничиваться указанием только предельно допустимой температуры нагрева зерна независимо от условий сушки, поскольку в условиях, сопровождающихся снижением влажности, зерно может переносить более высокие температуры нагрева. Следует учитывать и то, что зерно легче переносит кратковременный нагрев, в течение которого белки не успевают претерпеть заметных изменений.