Твердость зерна
Из всех элементов физической характеристики зерна твёрдость привлекает к себе наибольшее внимание исследователя и производственника. Это происходит, с одной стороны, потому, что этот показатель наиболее тесно связан с режимом помола, а с другой стороны, потому, что он является основным энергообразующим фактором и находится в тесной взаимосвязи с влажностью зерна.
Несмотря на это, до сих пор нет исчерпывающего определения термина «твёрдость» по отношению к зерну.
Ботанические определения в данном случае идут вразрез с обычными физическими представлениями о твёрдости, называя некоторые сорта пшеницы (например Цезиум 0III) мягкими стекловидными, в то время как с физической точки зрения они характеризуются именно повышенной твёрдостью. С другой стороны, до сих пор не пользуются объективным методом при определении твёрдости зерна и прибегают к помощи таких неустойчивых признаков, как стекловидность.
Подойдя к этому вопросу так, как это принято в материаловедении, и определяя твёрдость как способность материала сопротивляться разрушению при проникновении в него другого, не получающего остаточной деформации тела (в нашем случае рифлей нарезных валков), мы можем измерить твёрдость зерна величиной среднего разрушающего момента М, определяемого на описанном выше дробильном приборе.
В качестве адсорбционного «понизителя твёрдости» выступает влага, проникающая в зерно. Кроме того, на понижение твёрдости зерна влияет также увеличение его «трещиноватости».
Характеристика твёрдости М наиболее тесно связана с влажностью В. Мы видели, что у всех культур M=f(В), причём зависимость эта обратная, т. е. М падает с увеличением В. Величина понижения М, отнесённая на )% повышения влажности, сохраняет своё постоянное значение в пределах I зоны увлажнения, но весьма различна у разных культур. Если у пшеницы этот градиент составляет 5—6%, то у ржи он почти удваивается, достигая В—10%.
Причина понижения твёрдости с увеличением влажности была выяснена выше и кроется в расклинивающем действии воды при проникновении её в межмицеллярные пространства вещества зерна, приводящем к явлениям набухания, ослаблению сил сцепления, разрыхлению и меньшему сопротивлению эндосперма измельчению, что в конечном итоге вызывает уменьшение прочности зерна в целом.
Набухание зерна связано с уменьшением плотности вещества зерна, уменьшением его удельного веса γ, в установлении которого как средневзвешенной величины участвуют разнородные составные части зерна, начиная от наиболее плотного, в данном случае крахмала (γ=1,63—1,48), клетчатки (γ=1,45—1,25), кончая водой (γ=1) и, наконец, воздухом (γ=0,001293). Поэтому даже для одного и того же сорта у зерна сильно колеблется в зависимости от того, какие зёрна подвергаются исследованию — стекловидные, полустекловидные или мучнистые.
Опыты, проведённые в 1940 г. в мукомольной лаборатории МТИПП с пшеницей Гордеиформе 010 из Казахстана, образцы которой были получены с Сельскохозяйственной выставки, показали, что γ при В=12% даже для чистого зерна колеблется в пределах 1,399—1,342. С повышением же влажности и усилением явлений набухания, естественно, увеличивается роль воздушных прослоек, что ведет к уменьшению γ. С освобождением же зерна от оболочек при его шелушении γ, наоборот, увеличивается. Этим и объясняется на первый взгляд парадоксальное явление увеличения М как удельной величины у шелушёного зерна при одном и том же значении влажности.
По нашим опытам, между γ и В для одного и того же сорта зерна существует линейная зависимость, сохраняющая свою устойчивость в пределах сорта в I зоне. Зависимость эта может быть при увлажнении зерна представлена в следующем виде:
где γ2 и γ1 — удельный вес при соответствующей влажности В2 и В1, а с — коэффициент, зависящий от сорта. У мучнистых стекловидных пшениц, например типа. Украинка, с=0,005.
Эта закономерность между В и γ дала основание многим авторам рассматривать удельный вес у как показатель мукомольной ценности зерна, в частности его механических свойств. Одно время пытались использовать у для установления режима кондиционирования (Бэйли).
Попытки же использовать для этой цели объёмный пес G0 (более известный под названием «натуры» зерна) нужно считать несостоятельными: G0 является неустойчивым фактором, связанным, кроме В, с целым рядом обстоятельств, не имеющих прямого отношения к мукомольной ценности зерна, — формой, состоянием поверхности, выровненностью, выполненностью и т. д.
Что касается развития кривой М как f (В), то здесь мы имеем различные характеристики в зависимости от того, в какой зоне протекает увлажнение и с какой формой состояния воды это увлажнение связано.
В I зоне (см. рис. 32), ограниченной вертикалью, проходящей через гидратационную точку и, характеризующейся преобладанием связанной воды, кривая М представляет линейную функцию типа:
где В — влажность, а b — константа, связанная с культурой зерна, а в пределах культуры с сортом. При В=0 величина М=М0, т. е. представляет величину твёрдости абсолютно сухого зерна. В числовом выражении для исследованных нами сортов М0 колеблется в пределах 0,40—0,25 кГм, причём верхний предел относится к более твёрдой пшенице в механическом смысле (например Мелянопус), нижний — к мягкой (например Заря).
Коэффициент b= tg а, где а — угол наклона прямой М к оси абсцисс, представляет параметр, характеризующий интенсивность уменьшения М при увеличении В. У исследованных нами сортов пшеницы колеблется в пределах 0,5—0,75 для твёрдых и 0,25—0,35 для мягких пшениц, т. е.,чем тверже пшеница, тем круче прямая линия М, тем быстрее уменьшается этот показатель, тем резче реагирует пшеница на увлажнение уменьшением твёрдости. Таким образом, в этом направлении подтверждается приведённое выше положение, по которому технологическая эффективность кондиционирования сильнее сказывается у твёрдой пшеницы, чем у мягкой.
При переходе во II зону увлажнения рассматриваемый параметр уменьшается для исследованных нами сортов пшеницы на 25—50% и падение М с увеличением В замедляется. Прямая линия М переходит в кривую с выпуклостью в сторону оси абсцисс.
С переходом же в III зону tg а=0, т. е. после минования второй критической точки, кривая W асимптотически приближается к линии, параллельной оси абсцисс, т. е. М достигает определённой устойчивости, и этот показатель прочности зерна при увеличении влажности дальнейшему заметному изменению не подвергается.
В этом отношении кривая изменения М у зерна вполне совпадает с аналогичными кривыми, имеющими место при увлажнении древесины, где коэффициент прочности, связанный с твёрдостью, также надает с повышением влажности, но лишь до известного предела, соответствующего критической точке влагонасыщения волокон древесины (25—30%), после чего дальнейшее изменение механических свойств прочности прекращается.
К этому выводу пришёл ряд исследователей Медиссоновской лаборатории США, доказавших, что с увеличением влажности древесины при искусственном её увлажнении модуль упругости уменьшается. Аналогичные результаты получены одновременно и у нас в России, где ряд исследователей установил коэффициент прочности на сжатие дуба, сосны, ели и других пород древесины. У всех этих пород древесины наблюдается падение коэффициента прочности с увеличением В до момента насыщения волокон. В этой стадии кривая является, по данным Чулицкого, гиперболой, а затем переходит в горизонтальную прямую линию. Таким образом мы видим, что зерно, богатое капиллярными каналами с определённым процентом клетчатки, подчиняется в рассматриваемом отношении той же закономерности, что и древесина.
Производстве иное значение фактора М весьма значительно, так как М, как уже указывалось, является одним из основных показателей режима помола, представляющего, как известно, функцию трёх переменных величин: 1) удельной нагрузки на вальцевые станки; 2) процента извлечения И и 3) давления между валками р, осуществляемого усилением нажима через штурвал вальцевого станка. Для правильного ведения технологического процесса переработки данного вида сырья при определённом требуемом качестве конечной продукции давление р имеет существенное значение, являясь основой того «налаживания» вальцевых станков, которое до сих пор базируется на эмпирических данных, отражая опыт крупчатника, его навыки, «искусство молоть». Последующий лабораторный контроль получаемого продукта является запоздалым, не отражает сущности данного производственного приёма, не позволяет регулировать процесс на ходу.
Лишь определение величины р, выявление её связи с величиной М даст научное обоснование для установления определенного режима помола и позволит от эмпирических приёмов перейти к научно обоснованным.
До сих пор, однако, это обстоятельство в должной мере не учитывалось ни конструкторами при проектировании вальцевого станка, ни технологами при его эксплуатации, несмотря на то, что практика работы вальцевых станков давала ряд сигнализирующих указаний в этом направлении. Известно, например, что при искусственно увлажнённом зерне в так называемых «головных» драных системах (I—III), т. е. там, где мы имеем дело либо еще с целым зерном, либо со сравнительно крупными частями зерна, нажим на размалываемый продукт при одинаковых прочих условиях размола требуется меньший, чем для сухого зерна.
В 1924 г. в США на мельнице в Noblesville нам пришлось ознакомиться с опытами Медж, стремившегося установить то значение давления р между валками, при котором при определенной нагрузке вальцевого станка достигается максимальное извлечение промежуточных продуктов. Медж производил свои опыты при одной и той же влажности зерна, и в этом его ошибка.
Наши опыты показали, что кривая И является экстремальной и проходит через свой максимум при определенном значении р лишь для данной влажности зерна.
Появившийся в последние годы статиметр позволяет, как это уже делается на вальцепрокатных станках, устанавливать давление между палками мельничных вальцевых станков во время работы. Мы полагаем, что наши опыты по применению статиметра дают основание выдвинуть предложение об использовании этого прибора для «налаживания» вальцев, которое ещё до сих пор проводится вручную. Таким образом, осуществится механизация одного из немногих, оставшихся ещё не автоматизированным, этапов технологического процесса переработки зерна на мельнице.
Пользуясь приведёнными ниже данными характеристических кривых, мы составили шкалу «технологической» твёрдости для различных культур при постоянной влажности В=12% (табл. 42). Все величины этой таблицы (значения М) получены опытным путём для урожая одного и того же года, и в этом заключается производственное значение этой та блины.
Теоретически было бы правильнее составить эту таблицу для М=Мо, т. е. при влажности, равной нулю, что исключило бы влияние влажности при сопоставлении разных значений М для различных культур и сортов.
Однако в этом случае значение Мо пришлось бы устанавливать расчётным путём, пользуясь приведённым выше уравнением:
что могло бы привести к некоторым отклонениям от действительности, Поэтому мы и сочли более правильным для производственных целей установить шкалу твёрдости зерна при В=12%, получив значения М экспериментальным путём.
При сравнительной оценке мы приняли за 100 значение М для мягкой мучнистой пшеницы Заря, имевшей раньше распространение на некоторых украинских мельницах. При этих условиях твёрдость у овса составляет 43%, а у его антипода по твёрдости — кукурузы — увеличивается до 185 %.
Величины, приведенные в этой шкале, вносят резкие изменения в обычные наши представления о твёрдости зерна. Оставляя в стороне кремнистую кукурузу, давшую, естественно, максимальное значение М, мы видим, что в отношении технологического понимания твёрдости пшеница Мелянoпус определённого района почти не отличается по твёрдости от пшеницы Лютесценс, а Цезиум даже превосходит по твёрдости Саррубру. Между тем действующий у нас стандарт не различает твёрдозёрности пшеницы, как это имеет место, например, в США, поэтому наш стандарт не отражает твёрдости Цезиума.
Поэтому при установлении оптимального режима помола, базирующегося на твёрдости зерна, по-разному нужно расценивать роль в л а ж и о с т и к а к адсорбционного понизителя твёрдости с различными оптимальными значениями В для отдельных сортов.
Понятно, что данные, приведённые в табл. 42, относятся к урожаю определённого года (в нашем случае 1941 г.) и что для урожая других лет необходимо будет вносить коррективы в числовые значения шкалы.
Приведённые в этой шкале данные указывают на необходимость подвергнуть ревизии установившуюся точку зрения на твёрдость зерна. Согласно этой шкале общепринятую классификацию пшеницы по твёрдости нужно признать неправильной в технологическом отношении. Гораздо целесообразнее в пределах определённого района ежегодно составлять для сортов пшеницы урожая данного года шкалу технологической твёрдости, исходя из величины показателя твёрдости М, определяемой лабораторным путём.
С учётом оптимальной технологической влажности сорта указанная шкала технологической твёрдости зерна предопределяет режим помола отдельных сортов пшеницы.
Несомненно, что в будущем весьма важный для технологов вопрос о твёрдости зерна в указанном выше смысле должен найти отражение в нашем стандарте.