Глава II. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗЕРНА
Наиболее важными для конструктора с точки зрения определения динамических параметров рабочих органов машин по переработке зерна являются физико-механические свойства. Однако они зависят от целого ряда менее важных, с нашей точки зрения, свойств и характеристик, которые рассмотрим ниже.
2.1. Характеристики, определяющие свойства зерна
Свойства зерна и семян разделяются на семь крупных разделов: анатомические, физико-химические, структурно-механические, биологические, теплофизические, электрофизические и технологические. Каждый из этих разделов делится на более мелкие подразделы.
Опуская анатомические и биологические свойства, которые подробно будут рассмотрены ниже, рассмотрим физико-химические (рис.2.1) и структурно-механические (рис.2.2) свойства зерна.
Рис 2.1 Характеристики, определяющие физико-химические свойства зерна
Рис 2.2 Схема взаимосвязи характеристик, определяющих структурно-механические свойства зерна
Наиболее важной из описанных характеристик структурно-механических свойств зерна является прочность. Прочность единичных зёрен оценивается величиной разрушающего напряжения, равного временному сопротивлению при сжатии. Из зерновых культур наибольшей прочностью обладает ячмень, который может быть принят за эталон для сравнительной оценки.
При проектировании машин и аппаратов, регулирующих процессы теплообмена в зерносмесях, наиболее важными являются теплофизические свойства (рис.2.3).
Рис 2.3. Характеристики, определяющие теплофизические свойства зерна
При проектировании электросепараторов и установок по снятию нежелательных эффектов электростатических зарядов важное значение приобретают электрофизические свойства зерна. Зависимость электрофизических свойств зерна от ряда характеристик показана на рис 2.4.
Рис 2.4. Характеристики, определяющие электрофизические свойства зерна
На выбор технологического процесса, его организацию и управляемость влияют общетехнологические свойства зерна. Зависимость технологических свойств зерна и семян от ряда характеристик зерна показана на рис. 2.5.
Рис 2.5. Характеристики, определяющие технологические свойства зерна
Рассмотрим основные свойства и характеристики зерна и семян, которые представляют наибольший интерес для конструктора, проектирующего рабочие органы машин по переработке зерна и определяющего рациональную конфигурацию технологических линий, состоящих из этих машин.
2.2. Особенности строения зерна как сырья для производства муки, круп и комбикормо
2.2.1. Микроструктура зерна
Свойства зерна как сырья в значительной мере определяются его структурой и химическим составом, а также распределением химических веществ по сечению зерна и его анатомическим частям. Эти свойства оказывают решающее влияние на организацию технологического процесса, конструкцию, и параметры рабочих органов оборудования мукомольных и крупяных предприятий.
Анатомически зерновка разделена на три главные части (рис.2.6.), резко отличающиеся друг от друга по своим свойствам и структуре: эндосперм, зародыш и окружающие их оболочки. Зерно пленчатых культур покрыто цветочной пленкой, облегающей плотно (ячмень) или с просветом (рис, овес, просо, гречиха и др.). Внешняя оболочка зерна имеет сложное строение, состоящее из нескольких слоев: наиболее ценный, прилегающий к эндосперму - элейроновый слой, затем слои - гиалиновый, пигментный, трубчатый, поперечных клеток, продольных клеток и наружная кутикула. Большинство зерен в поперечном сечении имеют бороздку сложной формы (см.рис. 2.6).
|
|
Рис.2.6. Анатомическое строение зерна пшеницы: 1 - эндосперм; 2 - оболочки; 3 - зародыш; 4 - щиток; 5 - бороздка; 6 - бородка
Наличие цветочных пленок на зерне требует перед размолом процесса шелушения. Глубоко проникающая бороздка в зерне требует организации сложного технологического процесса размола для производства высокосортной муки. Сложная форма, различная структура и химический состав оболочек, зародыша и эндосперма определяют процессы тепло - и массообмена, внутреннего переноса влаги, тепла и биологически активных веществ. В процессе производства муки и крупы поверхностные покровы зерна и зародыш должны быть выделены в виде самостоятельных продуктов (отруби, мучка, лузга и т.п.) для использования при выработке комбикормов.
Взаиморасположение крахмалистых гранул в плоскости среза, их форма, размеры, соотношение гранул различных размеров определяют характерную мозаику эндосперма. С ней связана стекловидность зерна, определяющая технологические свойства. Слишком большое или слишком малое процентное соотношение мелкозернистого крахмала соответствует невысоким хлебопекарным свойствам.
Белок эндосперма делится на две категории. Белок, заполняющий промежутки между крахмальными гранулами, называется промежуточным, а белок, тонким слоем обволакивающий крахмальные гранулы, называется прикрепленным. Между промежуточными и прикрепленными белками находится липидная прослойка. Разделяя тонко измельченную муку по плотности, можно выделить фракцию, содержащую почти чистый промежуточный белок. Это лежит в основе получения высокобелковой муки пневмосепарированием. По соотношению количества белка стекловидный (в большем количестве присутствующий в пшенице твердых сортов) и мучнистый эндосперм резко отличаются друг от друга. В стекловидном - белка значительно больше, его технологические качества выше.
Соотношение крахмальных гранул в эндосперме, особенности его мозаики влияют на свойства зерна при измельчении. Немаловажное значение имеет и толщина белковых прослоек между крахмальными гранулами.
Зерно располагает развитой сетью капилляров, посредством которых происходит перемещение воды внутрь зерна при увлажнении и наружу - при сушке. В качестве микрокапилляров здесь выступают межмолекулярные промежутки, которые достигают 300 А0.
Типичные макрокапилляры и поры присутствуют лишь в плодовых оболочках зерна. Значительны промежутки между отдельными группами клеток трубчатого слоя, а также между этими клетками и семенной оболочкой. Размеры таких пустот намного превышают 10-5 см.
Такое различие в строении и, как следствие, в физико-механических свойствах эндосперма и внешних покровов существенно влияет на процессы увлажнения и обезвоживания зерна. Особое значение в этих процессах имеет наличие бороздки в зерне, идущем на производство круп и высокосортной муки, идущей на производство макаронных и хлебобулочных изделий (см. рис. 2.6).
2.2.2. Соотношение частей зерна и распределение химических веществ
Результаты переработки зерна во многом определяются относительным соотношением его анатомических частей, естественно, с различными физико-механичесими свойствами. Предельный выход муки, крупы и побочных продуктов стремится к теоретическому соотношению частей, однако добиться этого чрезвычайно сложно, так как требует усложнения и тонкой настройки технологического оборудования. Кроме того, все значения анатомических соотношений существенно варьируются как для отдельных зерен и партий одного сорта, так и в междусортовом соотношении. Например, содержание крахмалистого эндосперма пшеницы разных партий различается на 8%, во ржи - почти на 7% и т.д. В связи с этим и потенциально возможный выход муки будет различным. Для пшеницы можно принять оптимальным, что содержание крахмалистого эндосперма до 82,5%, плодовых и семенных оболочек алейронового слоя - до 8%, зародыша со щитком - до 2,5%. Тем не менее, на реально существующих производствах выход муки высшего сорта (зольность 0,53-0,55 %) составляет 60-65%, а выход отрубей (оболочек) - 22-25%. Однако суммарный выход муки высшего, первого и второго сортов при многосортовых потоках составляет до 75% (при средней зольности 0,75-0,90%).
В крупяной промышленности теоретически возможный выход овсяной крупы соответствует содержанию ядра 65-70%, но выход недробленой овсяной крупы - только 45%. Для гречихи содержание ядра 71-77%, а выход крупы ядрицы и продела (сечки) в сумме равен 66%, в том числе продела - 5-10%.
В зерне различных культур содержится белок, крахмал, липиды, витамины и микроэлементы, имеющие разные физико-механические свойства, а их соотношение имеет важное значение для выхода высококачественного продукта.
Повышенное содержание клетчатки и минеральных веществ наблюдается в зерне таких культур, как просо, рис и т.д. Однако все эти химические вещества распределены по анатомическим частям зерна неравномерно. Так, в крахмалистом эндосперме пшеницы содержится более 70% всего белка, в то время как в алейроновом слое оболочки - 20%. В оболочках сосредоточено более 70% всей клетчатки и около 70% золообразующих минеральных веществ.
В оболочках содержатся главным образом неусваемые человеком вещества. Зародыш и алейроновый слой также содержат много белка, но в них много и лепидов, присутствие которых в готовой продукции резко уменьшает возможный срок ее хранения. Поэтому алейроновый слой и зародыш должны быть удалены в отруби в процессе производства муки или же в мучку - при производстве шлифованной крупы. Крахмал присутствует только в крахмалистой части эндосперма. В эндосперме также находится особо важный для хлебопекарных свойств белок, способный формировать клейковину.
Резко отличаются крахмалистый эндосперм и остальные анатомические части зерна по зольности. Это различие, как уже упоминалось выше, является основанием для организации контроля качества мукомольного производства по зольности готовой продукции.
Неравномерно распределены вещества и в пределах каждой анатомической части. Например, по сечению крахмалистого эндосперма зерна содержание всех биологически активных веществ увеличивается в направлении от центральной части к периферии, что существенно влияет на их содержание в готовой продукции. В сортовую муку при размоле пшеницы переходит только 30-40% витаминов от общего количества их в зерне. Значительно снижается содержание витаминов и минеральных веществ в крупе в процессе шлифования, в результате удаления алейронового и субалейронового слоев, богатых этими веществами.
Наибольшее количество белка, способного формировать клейковину, приходится на субалейроновый слой. Поэтому при сортовом помоле очень важно так организовать технологический процесс, чтобы клетки субалейронового слоя пошли в муку, а не в отруби.
Количество золообразующих веществ также неравномерно распределено по сечению зерна пшеницы. Это наблюдается для всех культур и обусловлено тем, что все биологически активные вещества содержатся в большем количестве в поверхностных слоях, чем в центральной части эндосперма.
Также на высоком уровне существует связь между зольностью зерна и его частей и содержанием в них витаминов.
В процессе переработки основное количество биологически активных веществ удаляется вместе с алейроновым слоем и зародышем в отруби и мучку. Поэтому важно организовать процесс производства сортовой муки и крупы так, чтобы обеспечивалось их обогащение биологически активными веществами при сохранении всех остальных показателей качества (белизна, зольность и т.д.) на высоком уровне.
2.3. Параметрические свойства зерна
Параметрические свойства сыпучих материалов, какими являются зерно и ингредиенты комбикормов, оценивают большим количеством показателей, многие из которых мы рассматривали в предыдущей главе. В частности, для зерна как сыпучей массы важное значение имеют: геометрическая характеристика частиц, их плотность, особенности строения, состояние поверхности. Эти свойства определяют выбор конкретных режимов различных технологических процессов и конструкцию рабочих органов оборудования мукомольного, крупяного и комбикормового производства.
2.3.1. Геометрическая характеристика зерна
Форма и линейные размеры зерна влияют на выбор сит сепараторов и ячеистой поверхности триеров, а также на конструкцию и параметры размольных или шелушильных машин. Кроме того, геометрическая характеристика зерна определяет плотность укладки его при формировании слоя, имеющую важное значение при хранении зерна и определяющую особенности перемещения зерна при транспортировке. Важное значение имеют эти характеристики для переноса тепла и влаги, в особенности при скоростных процессах гидротермической обработки. Геометрические характеристики зерна разных культур приведены в табл.2.1.
Таблица 2.1
Геометрическая характеристика зерна хлебных и крупяных культур
| Культура |
Линейные размеры, мм |
Объем V, мм3 |
Площадь внешней поверхности Fз, мм2 |
Сферичность f |
Отношение V/F3, мм |
||
| длина l |
ширина а |
толщина b |
|||||
| Пшеница |
4,2–8,6 |
1,6-4,0 |
1,5-3,8 |
19-42 |
40 - 75 |
0,82-0,85 |
0,49 - 0,84 |
| Рожь |
5,0-10 |
1,4-3,6 |
1,2-3,5 |
10-30 |
30 - 45 |
0,45-0,75 |
0,28 - 0,42 |
| Ячмень |
7,0-14,6 |
2,0-5,0 |
1,4-4,5 |
20-40 |
35 - 60 |
0,8 |
0,45 - 0,65 |
| Овес |
8,0-16,6 |
1,4-4,0 |
1,2-3,6 |
19-36 |
30 - 65 |
0,72 |
0,36 – 0,54 |
| Рис |
5-12 |
2,5-4,3 |
1,2-2,8 |
12-35 |
30 - 55 |
0,84 |
0,35 – 0,6 |
| Кукуруза |
5,5-13,5 |
5,0-11,5 |
2,5-8,0 |
140-260 |
80 - 145 |
0,55 - 0,8 |
0,7 - 0,9 |
| Просо |
1,8-3,2 |
1,2-3,0 |
1,0-2,2 |
5-6 |
10 - 18 |
0,9 |
0,5 - 0,8 |
| Сорго |
2,6-5,8 |
2,4-5,6 |
2,0-5,0 |
50-85 |
60 - 95 |
0,95 |
0,75 - 0,85 |
| Горох |
4,0-10 |
3,7-10 |
3,5-10 |
114-320 |
150 - 270 |
0,96 |
0,8 – 0,95 |
| Гречиха |
4,4-8,0 |
3,0-5,2 |
2,0-4,2 |
9-20 |
30-55 |
0,60 |
0,5-0,7 |
Анализ данных таблицы показывает, что все показатели геометрической характеристики зерна изменяются в широких пределах. Это обусловлено тем, что зерно - биологическое образование, на процесс формирования которого влияет большое количество внешних факторов.
Большое влияние оказывают характеристики частиц ингредиентов комбикормов на процесс их производства: смешивание, гранулирование. Чем меньше различаются показатели сферичности, тем выше эффективность этих процессов.
2.3.2. Крупность и выравненность зерна в партии
Чем крупнее зерно, тем больше относительное содержание в нем эндосперма, следовательно, может быть более высокий выход муки и крупы. При этом особенно ценным в технологическом смысле является зерно, у которого сферичность выше, что определяет более высокое содержание эндосперма.
С увеличением объема зерна пшеницы (т.е. крупности) мукомольные свойства улучшаются, так как возрастает комплексный показатель k, равный отношению извлечения крупок первого качества к их зольности. В зерне пшеницы крупной фракции содержание крахмалистой части эндосперма превышает 83,5%, а в мелкой фракции – составляет около 72,5%. Зольность мелкой фракции зерна на 0,1-0,3% выше, чем крупной. Это снижает выход муки высших сортов.
Внешняя поверхность мелкого зерна более развита, чем у крупного (в среднем на 50%). Следовательно, мелкое зерно быстрее увлажняется и прогревается, распределение влаги в нем завершается раньше, чем в крупном.
Выравненность партии зерна по крупности имеет важное значение для организации технологического процесса. Чем равномернее по крупности партия зерна, тем больше возможности обеспечить одинаковое воздействие на каждое зерно и выдерживать параметры обработки на неизменном уровне.
2.3.3. Стекловидность зерна
Понятие стекловидность используют при оценке технологических свойств пшеницы, ржи, ячменя и риса. Чем выше стекловидность, тем больше при дроблении получается крупок и дунстов и меньше мучки, которая идет в отход вместе с отрубями.
Стекловидное зерно риса и ячменя дает крупу высокого качества, которая при варке лучше сохраняет форму.
Стекловидное и мучнистое зерно требует разных режимов ведения технологического процесса. Классификация пшеницы по стекловидности следующая: менее 40% - низкостекловидная, от 40 до 60% - среднестекловидная и свыше 60% - высокостекловидная.
2.3.4. Масса 1000 зерен
Чем выше масса 1000 зерен, тем ценнее зерно и, как правило, при этом возрастают его крупность, стекловидность, содержание эндосперма и снижается пленчатость.
Основные физико-механические характеристики, взаимосвязанные с массой 1000 зерен для разных зерновых культур, приведены в табл.2.2.
Таблица 2.2
Основные физико-механические характеристики зерновых культур
| Показатели |
Просо |
Гречиха |
Рис |
Овес |
Ячмень |
Горох |
Кукуруза |
Пшеница |
| Масса 1000 зерен,(г) |
5,2…7,6 |
18…20 |
23…34 |
20…32 |
20…50 |
150..180 |
123..200 |
30….45 |
| Пленчатость |
12.0..22 |
20,6..26 |
17…20 |
22…37 |
10…12 |
6….9,5 |
6….7 |
5,5..7,5 |
| Натура, г/л |
680..820 |
550..690 |
480..550 |
450..560 |
550..750 |
700..800 |
700..820 |
650..780 |
| Размер зерна (средние) (мм): |
||||||||
| длина |
2,5 |
5,2 |
7,3..7,8 |
7…15 |
5….9 |
6….7 |
10,2 |
6…7 |
| ширина |
1,7 |
3,2 |
3,6 |
3,0 |
2,8 |
6,5 |
8,5 |
2,9 |
| толщина |
1,6 |
2,9 |
3,0 |
2…2,5 |
2,5..2,8 |
6,0 |
3,0 |
2,7 |
2.3.5. Объемная масса зерна
Значение объемной массы q (кг/м3) или культуры rv (г/л), см.табл.2.2, зависит от многих факторов, влияющих на плотность укладки зерен в насыпи: сферичности, состояния поверхности, коэффициента трения, влажности, плотности, крупности и т.п. Существует прямая связь между объемной массой зерна пшеницы и крупностью, содержанием эндосперма, выполненностью зерна, его сферичностью и т.п. и обратная с повышением влажности зерна (рис.2.7).
2.3.6. Плотность зерна
Рис.2.7. Изменение объемной массы rV от влажности W: 1 - пшеница; 2 - подсолнечник; 3 - пшеничные отруби
Показатель плотности ρП [г/см3] суммарно отражает комплекс характерных свойств зерна, таких как масса 1000 зерен, структура, химический состав, соотношение анатомических частей, стекловидность и т.п. В этой связи плотность зерна находится в достаточно высокой корреляционной взаимосвязи с основными показателями технологических свойств зерна.
Плотность зерна с повышенным содержанием крахмала увеличивается, а с содержанием белка - уменьшается.
Плотность зерна находится также в тесной корреляции со стекловидностью и, как следствие этого, мукомольными свойствами зерна.
Таким образом, плотность зерна представляет собой показатель, комплексно отражающий физико-химические и технологические свойства зерна.
2.3.7. Коэффициент внутреннего трения зерна и продуктов помола
Этот вопрос в общем для сыпучих материалов был рассмотрен в предыдущей главе, здесь можно только отметить особенность смесей ингредиентов комбикормов, у которых могут друг от друга резко отличаться коэффициенты внутреннего трения: от 0,11 у метионина до 0,67 у сернокислого кобальта. Кроме того, большинство обогатителей - трудносыпучие продукты, резко реагирующие на повышение влажности. Так, например, для пшеничных отрубей при 14% влажности коэффициент внутреннего трения fв = 0,18, а при ее возрастании доходит до 1,0 – 1,4. Такой широкий диапзон разброса характеристик требует разработки конструкций дозирующих устройств, удовлетворяющих этим требованиям. Количественные характеристики коэффициентов трения для различных зерновых культур приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Трибометрические характеристики зерновых культур
| Показатели |
Просо |
Гречиха |
Рис |
Овес |
Ячмень |
Горох |
Кукуруза |
Пшеница |
| Коэф. внутр.трения при W=11..14% |
0,37….0,43 |
0,56.. 0,66 |
0,6..0,74 |
0,61..0,7 |
0,43… 0,58 |
0,4…0,6 |
0,46… 0,72 |
0,54… 0,76 |
| Коэф. внешнего трения при W=12..15% |
||||||||
| по стали |
0,23.. 0,34 |
0,3..0,4 |
0,36… 0,44 |
0,4..0,45 |
0,35… 0,37 |
0,25… 0,35 |
0,28… 0,35 |
0,36…. 0,42 |
| по абразиву |
0,38… 0,47 |
0,38…. 0,47 |
0,5…. 0,61 |
0,44… 0,49 |
0,41… 0,45 |
0,28… 0,41 |
0,38… 0,47 |
0,46…. 0,53 |
| по резине |
0,32…. 0,36 |
0,35… 0,41 |
0,44… 0,55 |
0,4..0,48 |
0,4..0,43 |
0,26… 0,43 |
0,28..0,4 |
0,36… 0,46 |
2.3.8. Влияние параметров режимов гидротермической обработки на свойства зерна
Свойства зерна не остаются неизменными, а зависят от внешних условий. Особенно заметно влияние влаги и тепла в процессе гидротермической обработки, цель которой запланированное изменение физико-механических и связанных с ними технологических свойств зерна. Параметрами данной обработки, меняющей состояние исходного материала, являются: величина изменения влажности DW; величина изменения температуры Dt0; продолжительность процесса обработки Dt.
При увеличении влажности и температуры зерно как гидрофильный материал набухает, у него меняются физико-механические свойства, как, например, увеличиваются геометрические размеры, объем и плотность. Эти изменения наиболее заметны в диапазоне 15 - 19% влажности, 45 – 55 0С и в течение первых 6 - 12 часов отволаживания.
Рис.2.8. Изменение стекловидности пшеницы с повышением влажности W
В связи с набуханием зерна крупность его при увеличении влажности возрастает.
Стекловидность зерна при увлажнении снижается, что является следствием структурных изменений, сопровождающих его набухание. В это время в эндосперме образуются микротрещины, снижающие его прочность, что связано с перераспределением воды внутри зерна. Наиболее интенсивно разрушение стекловидности (разрыхление его эндосперма) происходит в диапазоне влажности 17 - 19% (см. рис.2.8). Повышение температуры обработки зерна влагой усиливает этот процесс.
Интенсивность уменьшения стекловидности зерна при поглощении влаги во времени непостоянна. При увлажнении при достижении определенной влажности происходит резкое снижение стекловидности, а затем, в течение определенного времени выдержки, структура зерна несколько восстанавливается. Наметившиеся и появившиеся трещины залечиваются вследствие набухания биополимера эндосперма. Минимальное значение стекловидности при отволаживании достигается через 8-12 часов.
Плотность зерна при возрастании влажности снижается. Изменение плотности минимально в диапазоне температур 40-50 0С и зависит также от влажности (рис.2.9).
Рис.2.9. Изменение плотности пшеницы в зависимости от температуры t0 при влажности W: 1-12%; 2-14%; 3-16%;4-18%; 5-19% |
Рис.2.10. Изменение удельного объема зерна DVуд пшеницы в зависимости от времени увлажнения t: 1 - стекловидное зерно; 2 - мучнистое зерно |
Таким образом, плотность зерна является показателем, подверженным существенным изменениям при комплексном воздействии на зерно водой или теплом. Изменение плотности суммарно отражает происходящие преобразования структуры зерна и изменение физико-механических свойств в результате комплекса физико-, коллоидно- и биохимических процессов, развивающихся в зерне при гидротермической обработке. Формально снижение плотности и прочности, как уже было сказано выше, может быть истолковано как разрыхление структуры зерна.
Если уменьшение плотности представить её обратной величиной - увеличением удельного объема DVуд, то через этот показатель удобно количественно сравнивать влияние режимов обработки на свойства зерна.
На рис.2.10 показано, как изменяется удельный объем стекловидного и мучнистого зерна в процессе увлажнения. Из рисунка видно, что в течение первых 5 часов наблюдаются "волны", т.е. идет периодичный процесс разрушения исходной плотности структуры эндосперма.
Следует иметь в виду, что все изменения свойств зерна необратимые. При циклической обработке наиболее интенсивные изменения происходят в течение первого цикла, а в течение последующих трех циклов гидротермической обработки практически завершаются все преобразования свойств зерна.
2.4. Структурные физико-механические и реологические
свойства зерна и продуктов помола
Структурные, физико-механические свойства определяют особенности поведения зерна при механическом воздействии. Эти свойства определяют процессы измельчения, шелушения и шлифования крупяных культур, выход и качество продуктов дробления, и как следствие конструкцию и параметры рабочих органов, расход энергии.
Зерно пшеницы относится к коллоидным капиллярно-пористым телам, отдельные части которого (оболочка, эндосперм, зародыш), как уже было сказано выше, имеют различную структуру, различные физические и химические характеристики. Химическое строение зерна неоднородно, его свойства в различных направлениях неодинаковы (проявление анизотропии).
Зерно пшеницы относится к органическим телам, является биополимером и отличается весьма сложной конфигурацией. Эти особенности структуры зерна значительно влияют на механические свойства и на его поведение в процессе деформирования и измельчения. Поэтому изучение и описание свойств зерна сильно осложняется и практически возможно только с некоторыми допущениями.
Исследования показали, что зерно злаковых культур является упругопластичным телом, обладает прочностью, упругостью и пластичностью. Соотношения между этими свойствами зерна в значительной степени зависят от его состояния т.е. от влажности, температуры и приложенной нагрузки, причем вода в зерне является основным фактором, определяющим свойства зерна.
К прочностным, или механическим, свойствам зерна относятся его статическая и динамическая прочность. Они представляют собой способность зерна противостоять разрушению под воздействием приложенных усилий.
2.4.1. Статическая прочность
Статическая прочность - определяется расходом энергии на единицу вновь образованной поверхности:
кДж/м2,
где ЕП – энергия образования новых поверхностей; ΔFП – приращение поверхности.
Прочность зерна оценивают также величиной разрушающего усилия или напряжения (пределом прочности), притом сопротивляемость сжатию, срезу, скалыванию неодинакова.
Прочность зерна разных культур различна, прочность мелкого выше крупного и эти различия достигают 50%.
Прочность различных анатомических частей также резко отличается: оболочки значительно прочнее эндосперма. Прочность оболочек может достигать (260-325)105 Па, в то время как прочность эндосперма - (10-30)105 Па.
При повышении влажности и температуры разрушающее усилие сжатия снижается, причем основное влияние оказывает влажность. При ее возрастании зерно до разрушения деформируется сильнее, что указывает на постепенное увеличение пластичности зерна и уменьшение его хрупкости. Однако одновременно повышается абсолютная деформация, которую зерно претерпевает до разрушения. В результате сопротивляемость зерна измельчению возрастает. Так, при увеличении влажности зерна пшеницы с 10,5 до 18% сопротивляемость измельчению мучнистого зерна повышается с 3,0×105 до 6,0×105 Па, а стекловидного - с 4,6×105 до 6.1×105 Па.
Рис.2.11. График "усилие P –деформация Dg" при сжатии зерна пшеницы различной влажности W (кривые 1-4-влажность увеличивается от 13 до 18%)
При отрицательной температуре (промораживании) усилие разрушения возрастает, а деформация уменьшается.
Таким образом, разрушение влажного зерна происходит иначе, чем сухого. Это графически обозначено на рис.2.11.
Первый участок графика, представляющий собой наклонную прямую, соответствует упругим деформациям зерна, которые полностью обратимы, а зерно разрушается как хрупкое тело. На втором участке при незначительном увеличении усилия в зерне развиваются пластические свойства и деформация обратима неполностью. При увеличении влажности протяженность второго участка графика все более возрастает за счет первого, что соответствует снижению хрупких, упругих и увеличению пластических свойств зерна. Так, например, при увеличении влажности зерна с 13 до 18% деформация зерна перед разрушением увеличивается в 2 раза.
При некоторых значениях влажности зерно может быть или полностью хрупким, или полностью пластичным, что показано на рис.2.11 линией ОА.
Подвергнутое гидротермической обработке зерно требует менее интенсивного воздействия рабочих органов, так как разрушается легче, причем снижение усилий заметнее в стекловидном зерне. Горячее кондиционирование, по сравнению с холодным, снижает энергозатраты на измельчение для стекловидного зерна до 25%. Холодное кондиционирование свыше 24 часов не вызывает улучшения качества зерна.
Рис.2.12. Изменение прочности зерна кукурузы при сжатии s в зависимости от продолжительности отволаживания t:
1-сорт Воронежский; 2-сорт Одесская 27
Одна из задач повышения выхода сортовой муки на мукомольных заводах - это повышение прочности оболочек и, наоборот, снижение прочности эндосперма. Это достигается тем, что в процессе обработки водой и теплом происходит разрыхление эндосперма, и прочность его снижается. Незначительное увлажнение и кратковременное отволаживание зерна перед первой драной системой значительно повышает прочность оболочек. В этом случае получаются крупные, хорошо вымолачиваемые отруби.
Прочность зерна заметно изменяется при отволаживании. В начале она снижается до минимума, а затем начинает возрастать (рис.2.12). Это обусловлено особенностями разрушения исходной плотной структуры эндосперма микротрещинами, образующимися в зерне в процессе внутреннего переноса влаги.
В крупяном производстве, наоборот, режимы работы процесса нужно выбирать такими, чтобы прочность ядра была повышена, а прочность цветковых пленок - снижена. Это необходимо для улучшения шелушения зерна и повышения выхода целого ядра. Прочность ядра большинства крупяных культур невысока и падает с увеличением влажности (табл.2.4), поэтому шелушению подвергают зерно низкой влажности.
Таблица 2.4
Разрушающее напряжение при сжатии (107 Па)
| Культура |
Тип зерна |
Культура |
Тип зерна |
||
| Стекловидное |
Мучнистое |
Стекловидное |
Мучнистое |
||
| Ячмень |
4,1 – 4,2 |
3,8 – 3,9 |
Просо |
2,9 – 3,0 |
2,4 – 2,5 |
| Овес |
3,2 – 4,1 |
2,9 – 3,4 |
Рис |
2,2 – 2,3 |
2,0 – 2,1 |