Механизм разрыхления эндосперма зерна при гидротермической обработке

14.07.2015

Воздействие водой и теплом на зерно вызывает преобразование его физико-химических свойств. Степень этих преобразований зависит от параметров режима обработки, а также от индивидуальных свойств образца. Направление происходящих в зерне изменений таково, что снижается его плотность, т. е. наблюдается разрыхление первоначальной плотной структуры зерна.
Важно выяснить механизм разрыхления эндосперма, т. е. вскрыть конкретный вид происходящих преобразований исходной структуры зерна в зависимости от начальных и граничных условий процесса.
Можно утверждать, что разрыхление эндосперма является результатом следующих основных процессов: разрушения эндосперма микротрещинами; изменения надмолекулярной структуры биополимеров зерна и конформации их макромолекул; биохимических процессов, прежде всего гидролитического характера.
Проанализируем роль каждого из этих процессов. Влияние тонких жидких пленок на образование в различных материалах микротрещин теоретически обосновано в трудах Б.В. Дерягина и П.А. Ребиндера. В частности, устанавливается, что расклинивающее давление жидкой пленки определяется соотношением

Механизм разрыхления эндосперма зерна при гидротермической обработке

Указывается, что при поглощении воды расклинивающее действие проявляется на расстоянии до 7 мкм. С увеличением толщины пленки расклинивающее давление снижается. Так, при ее толщине 1,5 мкм давление равно 4,1 кГ/см2 (4,1*10в5 Н/м2), при 2,8 мкм — 3,3кГ/см2, при 4,6 мкм — 2,8 кГ/см2, при 4,7 мкм— 1,3 кГ/см2. Теорию образования микротрещин в различных твердых телах постоянно разрабатывают наши ученые. Образование микротрещин в зерне разных культур при увлажнении изучено в работах.
Грош, Милнер и др. установили, что увлажнение зерна пшеницы обязательно связано с образованием микротрещин в эндосперме, посредством которых последний необратимо разрушается. Процесс образования трещины развивается с переменной интенсивностью: первые трещины в эндосперме появляются через 0,5 ч, к 8—12 ч образование их прекращается. В дальнейшем наиболее тонкие микротрещины смыкаются, т. е. частично восстанавливается исходная структура.
Наиболее интенсивное образование микротрещин в эндосперме пшеницы наблюдается при увлажнении до 14—16,5%, при 17,5% образование микротрещин не зарегистрировано.
Для риса также установлена 8-часовая длительность интенсивного образования микротрещин, после которой наблюдается уменьшение количества трещиноватых зерен. И для пшеницы, и для риса стабильное состояние наступает примерно через 24 ч. Для зерна кукурузы найдено, что трещиноватость его резко увеличивается при нагреве выше температуры 40—45° С.
В.А. Каргин и Г.Л. Слонимский указывают, что образование микротрещин является следствием характерной для полимеров неоднородности распределения напряжений. Они считают, что в качестве условия развития трещины выступает соотношение скорости ориентации макромолекул полимеров и скорости роста трещины: трещина растет, если вторая превышает первую, и наоборот. Это в полной мере применимо к зерну.
Я.Б. Фридман и Е.М. Морозов отмечают, что для образования трещины в твердом теле требуется максимум скорости релаксации напряжений («трещинная» релаксация в отличие от пластической релаксации). Развитие трещины происходит по направлению наибольшего энергоснабжения и наименьшего энергопоглощения. Они указывают, что трещины должны располагаться перпендикулярно свободной границе тела, что действительно наблюдается. Ho при вязких разрушениях трещины идут по линиям сдвига, наклонным к поверхности тела.
При увлажнении зерна первые трещины направлены перпендикулярно главной оси зерна и раскалывают его в поперечном направлении. Вдоль зерна, а также под некоторыми углами к его оси трещины развиваются лишь после нескольких часов (при «холодном» кондиционировании), т. е. при достаточной гидратации биополимеров, расположенных в объеме зерна.
X.Л. Кешаниди проанализировал влияние увлажнения и последующей сушки на трещиноватость зерна риса. Оказалось, что по мере поступления влаги (в условиях иммерсионного увлажнения) вначале, в течение всего 1—2 ч, происходит резкое разрушение структуры эндосперма микротрещинами. В дальнейшем до 11—14 ч длительности процесса их количество сохраняется неизменным, а затем быстро снижается до исходного значения. Однако при последующей десорбции влаги все образовавшиеся в первые часы увлажнения трещины появляются вновь. Таким образом, в зерне риса не происходит «залечивания» микротрещин. По-видимому, это связано с низким содержанием белков, благодаря чему эндосперм риса характеризуется низкой прочностью, что заставляет технологов искать такие способы и приемы его обработки при производстве крупы, которые отличаются небольшим механическим воздействием на зерновку.
Процесс образования микротрещин всегда сопровождает процесс внутреннего переноса влаги и оказывает огромное влияние на структуру зерна и его технологические свойства. Даже при увлажнении и обезвоживании зерна в мягком режиме сорбции-десорбции происходит образование микротрещин в эндосперме; при десорбции интенсивность этого процесса выше.
Изложенный материал логически приводит к заключению, что интенсивность внутреннего влагопереноса и интенсивность процесса образования трещин в теле зерна должны быть взаимосвязаны; это получено подтверждением.
Второй по важности причиной, определяющей разрыхление эндосперма, является изменение надмолекулярной структуры биополимеров зерна и конформации их макромолекул. Полимеры при изменении внешних условий легко переходят из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот. В результате перемещения боковых цепей (или же при разворачивании глобул) структура их макромолекул «разрыхляется». Основным возмущающим фактором при этом является внедрение молекул воды между цепями макромолекул биополимеров зерна, в результате чего изменяется их исходное равновесное расположение. По мере завершения процесса внутреннего переноса влаги в зерне, связывания воды устанавливается новое равновесное состояние, при котором укладка цепей макромолекул отличается от предыдущей, существовавшей до увлажнения зерна.
Изменяется в этом процессе и тот вклад, который вносят также физико-химические преобразования на молекулярном уровне в общую степень разрыхления эндосперма зерна: с течением времени, а также при увеличении температуры он повышается. В некоторых случаях этот вклад может быть существенным, в особенности при обработке зерна в условиях повышенной температуры.
Биохимические процессы, развивающиеся в зерне при увлажнении и прогреве, также влияют на степень разрыхления его эндосперма. Однако этих сведений недостаточно для количественных рассуждений. Предположительно, роль этих процессов меньше, чем трещинообразования или же структурных преобразований макромолекул белков и углеводов зерна.
Для практики гидротермической обработки зерна особое значение имеет продолжительность периода активного разрыхления эндосперма; в соответствии с вышеизложенным она соответствует завершению процесса раскалывания эндосперма микротрещинами. Прекращение образования трещин свидетельствует о локализации молекул воды на активных центрах макромолекул и переходе ее в связанное состояние.
При анализе термодинамических особенностей взаимодействия зерна с водой было показано, что связывание воды характеризуется отрицательным приростом энтропии, свободной энергии и энтальпии. При равновесном состоянии изменение этих термодинамических параметров прекращается. При увлажнении это условие выполняется после достижения гигроскопического влагосодержания, когда все активные сорбируюшие центры становятся полностью насыщенными, а микрокапиллярные межмолекулярные промежутки зерна — заполненными водой. В процессе иммерсии воды это состояние также должно наступить при влагосодержании зерна, равном гигроскопическому. Это и понятно, поскольку поглощение воды зерном сопровождается энергическим эффектом только до гигроскопического влагосодержания.
Итак, можно констатировать, что степень изменения физико-химических свойств зерна непосредственно зависит от параметров режима его обработки: влагосодержания, температуры и продолжительности процесса, а также от индивидуальных особенностей образца зерна.
Наиболее наглядно происходящие преобразования в зерне отражает изменение его плотности или обратной ей величины — удельного объема. Эти преобразования известны как разрыхление эндосперма, которое представляет собой суммарный результат комплексного воздействия физико-коллоидно- и биохимических процессов, сопровождающих внутренний тепло-влагоперенос и приводящих к необратимым изменениям его структуры. В общем механизме разрыхления эндосперма основная роль принадлежит разрушению его микротрещинами, возникающими в результате расклинивающего действия проникающей в зерно воды.
Между различными показателями физико-химических свойств зерна и величиной прироста влагосодержания и температуры существует тесная взаимосвязь. Это позволяет для некоторых важных случаев предложить математическое выражение для описания этой взаимосвязи. В частности, получено уравнение регрессии степени разрыхлений эндосперма по величине прироста влагосодержания зерна.
Анализ развития различных физико-химических процессов в зерне при увлажнении позволяет выявить существенное значение критических точек изотермы сорбции воды зерном и для этого случая.