Кривые увлажнения зерна

14.07.2015

При иммерсионном увлажнении интенсивность поглощения воды увеличивается при повышении температуры, в особенности выше 40° С (рис. 59). Вторым интересным фактом является ступенчатое развитие кривых при умеренных температурах. Такое развитие кривых наблюдается для всех образцов зерна, в особенности высокостекловидных, причем для многих образцов границы «ступенек» одинаково расположены по оси времени. Это убеждает в том, что ступенчатое развитие кривых увлажнения обусловлено не случайным разбросом экспериментальных точек, а особым механизмом взаимодействия зерна с водой, связанным со структурными особенностями зерна и его анатомических частей и, возможно, свойствами зерна как живого организма.

Кривые увлажнения зерна
Кривые увлажнения зерна

На рисунке 60 показаны кривые сорбции паров воды зерном кукурузы Воронежской 80. С одним и тем же образцом было проведено шесть последовательных циклов сорбции-десорбции. В течение первых трех циклов наблюдается резкое изменение интенсивности поглощения воды через определенные промежутки времени. При этом интересно, что «ступеньки» наиболее четко выражены на кривой первой сорбции, затем постепенно сглаживаются, а после третьей практически исчезают.
Возможно, что периодичность процесса влагопоглощения вообще свойственна некоторым высокополимерам.
Резкие колебания количества сорбированной воды обнаружены в опытах с синтетическим (глицил-пролил-оксипролином) n. Авторы связывают эти колебания со структурными изменениями взятого в опыте высокополимера, в частности с изменением степени его кристалличности (рис. 61).
Все исследования показали, что в первые минуты, даже секунды, зерно поглощает 3—5% влаги, а затем в течение некоторого периода влажность зерна остается неизменной. Так появляется первая «ступенька» на кривой увлажнения.
Для объяснения этого была предложена гипотеза о существовании в зерне некоторого слоя, препятствующего перемещению влаги из оболочек в эндосперм, так называемого влагонепроницаемого слоя. В качестве такого слоя разные авторы предлагали алейроновый, пигментный, гиалиновый. Видимо, на формирование заключения о существовании влагонепроницаемого слоя оказало влияние следующее. Физиологи установили, что оболочки некоторых семян в условиях покоя непроницаемы для газов. Так, П.Ю. Шмидт цитирует Беккереля, в опытах которого оболочки семян люпина и акации остались газонепроницаемыми в течение двух лет. Однако влажный воздух оболочки пропускали легко. С этими наблюдениями согласуются результаты других ученых, которые обнаружили, что коэффициент проницаемости для листов чистой целлюлозы при увеличении относительного давления паров воды в атмосфере от 0,27 до 0,85 возрастает почти в 20 раз. Таким образом, влагу оболочки зерна внутрь семени должны пропускать хорошо, что полностью отвечает биологическим потребностям зерна.
Наличие у зерновки влагонепроницаемого слоя необъяснимо с физиологической точки зрения. Зерно — живой организм, призванный дать начало новому растению; поэтому оно должно располагать системой, обеспечивающей быстрое поглощение и прочное удержание воды, необходимой для развития физиологических процессов.
Кривые увлажнения зерна

Первоначально воду «захватывают» плодовые оболочки, располагающие большим количеством капилляров, пор и пустот. Они служат резервуаром для первичного накопления влаги. Расчет показывает, что при полном насыщении их водой влажность зерна должна повыситься примерно на 4%, что совпадает с опытными данными.
Ho, как известно, поглощенная плодовыми оболочками вода связана непрочно и легко может испариться в атмосферу. Прочное удержание воды и предотвращение ее потерь достигаются благодаря высокой гидрофильности семенной оболочки и алейронового слоя, в которые вода быстро перемещается и прочно связывается белками и углеводами.
Имеющиеся данные свидетельствуют, что пшеница, у которой толщина алейронового слоя больше, поглощает влагу в большем количестве; при влагонепроницаемости этого слоя все должно быть наоборот.
В дальнейшем вода перемещается внутрь эндосперма. Можно утверждать, что скорость этого переноса должна быть очень небольшой. Это следует из того, что в эндосперме нет макрокапилляров. В связи с этим коэффициент диффузии влаги очень мал, примерно 10в-11—10в-12 м2/с. В результате получается, что с насыщенными влагой семенной оболочкой и алейроновым слоем соседствуют имеющие невысокую влажность клетки субалейронового слоя и центральной части эндосперма. Возникает огромный градиент влагосодержания (до 10в4—10в5 %/м) и создаются опасные напряжения в теле зерновки.
После достижения закритических значений напряжений эндосперм зерна раскалывается микротрещинами, которые служат для быстрого транспортирования воды внутрь эндосперма.
Интенсификация внутреннего влагопереноса в зерне, подвергнутом обработке в обоечных машинах, также указывает на решающее значение для этого процесса наличия микротрещин в эндосперме. Ho в этом случае дополнительное влияние может оказать и нарушение целостности покровов зерна.
Таким образом, можно объяснить особенности развития кривых увлажнения зерна. Скорее всего они обусловлены периодичностью процесса образования трещин в эндосперме, связанного со структурными особенностями зерна.
С технологической точки зрения большое практическое значение имеет выявление механизма внутреннего влагопереноса и характера распределения влаги по зерну при разных вариантах сушки и гидротермической обработки. Это связано с необходимостью повысить интенсивность влагоотдачи в процессе сушки, а также с обеспечением оптимальных условий внутреннего влагопереноса при гидротермической обработке. Зная механизм процесса, можно управлять им. Это достигается выбором соответствующих режимных параметров.
Влага в зерне всегда распределена неравномерно; это вытекает из неравенства термодинамических характеристик влагопереноса основных анатомических частей зерна (удельной влагоемкости и др.), что, в свою очередь, обусловлено различием их структуры и химического состава.
Некоторые авторы указывают, что бородочная зона зерна по влагопоглощению далеко отстает от зародышевой; при иммерсионном увлажнении разность может достигать 40% (в абсолютном исчислении) через 24 ч от начала процесса и 20% уже через 2 ч. Наши данные показывают, что при сорбционном поглощении влаги зародышевая зона зерна увлажняется быстрее и накапливает влагу в большем количестве. Это обусловлено повышенной влагоемкостью зародыша. Имеются данные, что чистый зародыш в три раза быстрее сорбирует влагу из атмосферы, чем эндосперм. То же установил Е.Д. Казаков и для алейронового слоя, который в этом отношении близок к зародышу.
Кривые увлажнения зерна

Однако эти сведения дают только общую картину распределения влаги в зерне. Многие исследователи пытались установить характер распределения влаги в зерне. Ho основываться на выводах этих авторов нельзя, исходя из многих факторов. Главным недостатком этих работ было сравнительное измерение влагосодержания, которое проводили на основе изученной предварительно зависимости некоторого свойства тканей зерна от содержания влаги. Например, измеряли плотность отсеченных частиц эндосперма, регистрировали интенсивность окраски влажного среза зерна в результате взаимодействия с парами йода или другими веществами или же в результате миграции в толщу зерновки красителя, определяли степень смещения интерференционных полос на влажном срезе зерна по сравнению с сухим и т. п. Ho только Э.В. Сахаров нашел метод прямой регистрации содержания влаги в данной точке внутреннего объема зерновки.
В опытах Э.В. Сахаров использовал вместо обычной воды тритиевую, в молекуле которой атом водорода замещен его радиоактивным изотопом — тритием. По химическим свойствам заметных различий эти жидкости не имеют. Ho применение тритиевой воды позволяет получить авторадиограмму, на которой четко показано распределение влаги в зерновке в момент опыта (рис. 62).
Авторадиограммы наглядно передают особенности развития процесса внутреннего влагопереноса при отволаживании или же при прогреве зерна. Обращает внимание повышенное по сравнению с центральными слоями эндосперма содержание влаги в зародышевой и бородочной зонах, а также вдоль бороздки и алейронового слоя зерновки.
Кривые увлажнения зерна

Кривые увлажнения зерна

Подробное изучение большого количества авторадиограмм показывает, что содержание влаги в поверхностных слоях зерновки длительное время остается постоянным, в то время как из зародышевой и бородочной зон происходит вынос ее в эндосперм. Видимо, это связано с особой ролью жизнедеятельных клеток алейронового слоя. По ним вода мигрирует по направлению к зародышу или от него, в зависимости от регулирующего воздействия биологической системы зерна, осуществляющей управление всеми протекающими в нем процессами.
Посредством фотометрирования авторадиограмм можно получить точную количественную кривую распределения влаги по любому сечению зерна (рис. 63). Имея эталонную характеристику этих кривых, можно определить содержание влаги в любой точке зерна.
Таким образом, разработанная методика позволяет выявить не только качественные особенности процесса распределения влаги по зерну, но и описать его количественно. Об этом наглядно говорят кинетические кривые влагосодержания в зародыше, оболочках с алейроновым слоем и центральной части эндосперма пшеничной зерновки (рис. 64). Как видно из рисунка, на интенсивность внутреннего влагопереноса очень сильно влияет температура. Так, например, если при температуре 5° С в течение 6 ч отволаживания зерна изменения содержания влаги в анатомических частях невелики, то уже при температуре 20° С за этот же промежуток времени содержание влаги во всех трех частях зерна почти уравнивается. Это происходит в результате перемещения влаги в эндосперм из оболочек и в особенности из зародыша. При температуре 60° С такого результата достигают уже через 2 ч. Все это подтверждает, что на коэффициент диффузии влаги влияет температура.
Метод авторадиографии позволил четко выявить, что влага в эндосперм проникает не только из оболочек, но и из зародыша, как это было установлено ранее в наших опытах. Расположенный на границе зародыша с эндоспермом слой вытянутых клеток выполняет роль передатчика влаги в первые часы отволаживания в направлении к относительно сухому эндосперму от высоковлажного зародыша. Однако при прорастании зерна эти же клетки транспортируют влагу, а также продукты гидролиза белков и крахмала из эндосперма в зародыш.
При гидротермической обработке зерна процесс распределения влаги происходит в соответствии с термодинамическими характеристиками влагопереноса основных анатомических частей зерна и регулируется соотношением уровней свободной энергии, т. е. термодинамическим потенциалом влагопереноса. При развитии зародыша, прорастании зерна все характеристические функции резко изменяются и процессы переноса определяются прежде всего физиологическими потребностями организма.
В любом случае процесс переноса влаги и других биологически активных веществ (витаминов, ферментов, неорганических соединений) подчинен регулирующему влиянию биологической системы зерна. Весь приведенный выше материал наглядно подтверждает это. Так, пористое строение плодовой оболочки зерна хорошо приспособлено для быстрого поглощения влаги, что и происходит при самом кратковременном контакте зерна с водой. Это нужно для того, чтобы был создан запас влаги для развития физиологических процессов, связанных с прорастанием зерна. Однако удержать влагу оболочки не могут. Этой дели служит семенная оболочка, особенно алейроновый слой эндосперма и сам зародыш. Влага быстро перемещается в них и прочно связывается их высокополимерами, что гарантирует использование поступившей влаги для жизненных нужд зерна. Перенос влаги в эндосперм необходим для гидролиза его белков и углеводов, продукты которого транспортируются затем к зародышу и расходуются на построение тканей ростка и корешков нового растения.
Механизм внутреннего влагопереноса в зерне построен биологически целесообразно. Причем эта целесообразность заложена уже в структурных особенностях зерновки, в связи с чем и у зерна, потерявшего жизнеспособность, этот механизм в общих чертах остается неизменным.
Важную роль в организации внутреннего влагопереноса играет алейроновый слой. Э.В. Сахаров установил, что влагосодержание поверхностных слоев зерна длительное время (при температуре 20° С до 4 ч) остается неизменным, хотя в зародыше и эндосперме четко регистрируются изменения. Это может быть только следствием обмена влагой между зародышем и алейроновым слоем.
Таким же образом можно истолковать данные А.А. Алявдиной. Проведенные опыты показали, что скорость поступления воды внутрь зерна кукурузы остается неизменной и не зависит от того, покрыта область зародыша влагоизолирующим веществом или нет. Это является следствием взаимного обмена влагой между алейроновым слоем и зародышем, так как изоляция снаружи зерна эту транспортировку нарушить не может.
Известно несколько математических выражений, предложенных для описания кривых увлажнения или же сушки зерна. Подавляющее большинство выражений удовлетворяет только ограниченному отрезку графиков, т. е. действительно лишь для небольшого промежутка процесса. Наиболее удачным является предложенное М.С. Смирновым уравнение:
Кривые увлажнения зерна

Если обозначить z = т/W0-Wi, то график z—т должен быть прямолинейным. Проверка показывает, что это выполняется для самых различных условий процесса сушки и увлажнения зерна. Из уравнения (91) получено уравнение скорости сушки, которое также удовлетворительно соответствует опытным кривым:
Кривые увлажнения зерна