2.4.2. Динамические характеристики прочностных свойств зерна

Применительно к технологии измельчения зерна и ингредиентов комбикормов наибольший интерес представляют показатели прочности, получаемые в условиях динамических нагружений и с учетом  скоростей деформации (динамическая прочность).

В теории нагружения при описании динамических нагрузок, которым зерно подвергается  при измельчении, вводится новый термин - сопротивляемость зерна измельчению, под которым понимают работу  разрушения  А_{р -} (кг/с×см), приходящуюся на единицу вновь образованной поверхности,

,

где А - работа разрушения; F - вновь образованная поверхность.

Зная законы изменения сопротивляемости зерна измельчению в зависимости от различного его состояния (влажности, температуры, времени выдержки под нагрузкой и др,),можно подобрать его оптимальное состояние для получения продукции заданного качества при минимальном расходе энергии.

По данным исследований С.В.Мельникова, при динамическом разрушении происходит снижение предела прочности  зерна относительно статического в 2-3 раза до 11,5-13,8 МПа.

Процесс разрушения зерна носит вероятностный характер, и гарантированное его разрушение зависит от скорости удара рабочих органов. В результате многократных опытов установлено, что при скорости удара 26,1 м/с разрушается только 18%  зерен ячменя, при скорости 65,5 м/с – 65 % и при скоростях удара 100 -114 м/с происходит гарантированное разрушение всех зерен. Необходимое разрушающее усилие зависит как от скорости деформации , так и от влажности зерна W в котором вода имеет повышенные формы связи.

Современная классификация форм связи влаги с материалом, построенная на принципе величины энергии связи, разработана академиком П.А.Ребиндером. Согласно этой классификации, различают следующие виды связи.

Химическая связь характеризуется точными количественными соотношениями материала и влаги. Химическую связанную влагу можно удалить только химическим взаимодействием или  особо интенсивной тепловой обработкой (прокаливанием).

Физико-химическая связь, к этой группе связи относят адсорбционную влагу и осмотически связанную влагу. Адсорбционная влага удерживается молекулярным полем на внешней и внутренней поверхности мицелия коллоидного тела. Из-за прочной связи с материалом ее называют связанной водой. Адсорбция влаги сопровождается выделением тепла, которое называют теплом гидротации. В результате присоединения адсорбционной влаги вещество изменяет свойства, т.е. происходит его пластификация вследствие внедрения влаги в межмолекулярные пространства, а также снижение его твердости. К осмотически связанной влаге (влаге набухания) относят влагу, находящуюся в клетках растительных тканей. В результате осмотического поглощения влаги тело набухает и пластифицируется.

Механическая связь. К этой группе связи относят влагу в микрокапиллярах и влагу смачивания, которая наимение прочно связана с материалом и легко удаляется из него.

Переход влаги из одной формы связи в другую влияет на изменение прочностных, биохимических и технологических свойств зерна.

В табл.2.5 приведены данные о влиянии влажности и скорости деформации на технологические свойства пшеницы, а в табл.2.6 приведены данные о величине деформации в зависимости от влажности и температуры при скорости нагружения испытываемого образца зерна50 г/с для ржи Харьковской и пшеницы, выращенной в Казахстане.

Величина деформации для зерна ржи при одинаковой влажности (и температуре) больше, чем для пшеницы, а разрушающие усилия меньше. Это указывает на то, что рожь в сравнении с пшеницей менее прочна, но более пластична (табл.2.6).

       Таблица 2.5

Влияние влажности W и скорости деформации  на механические

свойства пшеницы

Влажность W, %	Скорость деформации , м/с	Разрушающее усилие Р, 10Н	Абсолютная деформация g, мм
13	11.6	9,0	0,35
13	100	12,7	0,91
16	11,6	1,2	0,50
16	100	8,2	0,40
18,5	11,6	4,9	0,60
18,5	100	5,5	0,68

Таблица 2.6

Влияние температуры и влажности на основные механические

характеристики ржи и пшеницы

Культура	Температура, C	Влажность, %	Относительная деформация	Разрушающее усилие, кг
Рожь Харьковская      194	29 22 22 22	11,0 12,0 13,0 14,0	0,067 0,070 0,073 0,078	3,7 3,5 3,3 3,1
Пшеница I (технологического) типа	22 22 22 22	11,0 12,0 13,0 14,0	0,048 0,056 0,065 0,073	4,5 4,1 3,5 3,2
Рожь Харьковская       194	22 30 40 50	10,0 10,0 10,0 10,0	0,062 0,068 0,075 0,082	3,5 3,3 3,2 3,0
Пшеница I (технологического) типа	22 30 40 50	11,2 11,2 11,2 11,2	0,047 0,060 0,065 0,077	4,5 4,3 3,8 3,5

 

С увеличением нагрузки на зерно (при одинаковой влажности) предел прочности и величина относительной деформации резко увеличиваются.

Для пшеницы III (технологического) типа из Оренбургской области установлено, что с увеличением скорости нагружения разрушающее усилие повышается, а величина деформации снижается(табл.2.7).

Таблица  2.7

Влияние скорости нагружения на величину разрушающего усилия,

деформацию и время, затраченное на разрушение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для стекловидного зерна величина разрушающего усилия выше, чем для мучнистого, а величина относительной деформации меньше. Это свидетельствует о том, что стекловидное зерно не только прочно, но и более хрупко.

При увлажнении свыше 16,5% качество круподунстовых продуктов и муки 70%-ного выхода ухудшается, так как зерно приобретает вязкопластичные свойства, что приводит к снижению степени измельчения, к повышению расхода энергии. Наряду с изменением мукомольных свойств зерна изменяются и его структурно-механические (прочностные) свойства; так, величена относительной деформации возрастает, а разрушающее усилие снижается более интенсивно до влажности 15,5-16,5%, а затем несколько медленнее. С увеличением влажности зерно становится более пластичным в результате снижения плотности и упругих свойств составляющих зерно веществ.

При большой скорости приложения нагрузки(время, затрачиваемое на разрушения зерна, мало)не успевают нарушиться многие межмолекулярные связи, упругие напряжения в зерне не успевают релаксироваться и сравнительно мало развивается пластическая деформация. В результате зерно разрушается как хрупкое тело.

При медленной деформации зерно проявляет в большей степени пластические свойства. Это объясняется тем , что в большей мере  успевают возникать не только упругие но и пластические деформации из-за релаксации напряжений и ползучести. Прочность такого зерна ниже, чем при быстрой деформации, а деформируемость выше, т.е. зерно разрушается как упругопластическое тело.

Установлено, что напряжения перед динамическим разрушением равны динамическому пределу текучести s_тд материала, а при разрушении достигают динамического предела прочности s_пд, который может быть определен по формуле

,                                        (2.1)

где r - плотность, кг/м³; V_уд -скорость соударения зерна с рабочими органами, м/с; , x₁ - линейные размеры целого зерна (длина) и оставшейся недеформированной части после удара соответственно.

Как следует из формулы (2.1), значение динамических разрушающих напряжений зависит от квадрата скорости соударения и величин деформации зерна.

Установлено, что динамический предел текучести для ячменя s_пд находится в пределах 9-10 МПа.

Динамическая диаграмма напряжение s - деформация e, отражающая основной закон деформирования упруговязкого тела, внешне не отличается от статической диаграммы (s = Еe), но в пластической области располагается над ней и тем выше, чем выше скорость удара.

Из-за сложности экспериментального определения динамических характеристик прочности материалов в инженерной практике можно использовать статические характеристики, хотя известно, что они недостаточны для оценки динамических рабочих режимов машин. Для учета динамичности  режимов  в расчетные формулы нужно вводить поправку, называемую коэффициентом  динамичности k_Д и равную отношению динамического предела прочности s_пд к предельному напряжению разрушения s_раз:

.

По опытным данным, для зерновых k_Д =1,6 – 2,0.

2.4.3. Твердость зерна

 

Под ней понимаются способность поверхностных слоев зерна сопротивляться местным деформациям. Макротвердость зерна оценивают по величине отпечатка алмазной пирамидки на поверхности среза зерна. Для этого используют прибор ПМТ-3.

Микротвердость оболочек воздушно-сухого зерна  пшеницы равна (5-7)×10⁷ Па, а эндосперма - (7-17)×10⁷ Па. При повышении влажности W до 16-17%  микротвердость оболочек снижается до (2-3)×10⁷ Па, эндосперма - до (4-7)×10⁷ Па. При влажности около 25%  микротвердость эндосперма зерна разных культур одинакова – не более 2×10⁷Па (рис.2.13.). При снижении температуры микротвердость  зерна  возрастает, что соответствует повышению хрупкости зерна.

Для пшеницы и ржи, прошедших гидротермическую обработку, наблюдается снижение микротвердости эндосперма, особенно значительное при скоростном кондиционировании.

2.4.4. Релаксационные свойства зерна

Можно напомнить, что явление релаксации – это постепенное уменьшение напряжений во времени при неменяющейся деформации (характеризуется временем релаксации), см. также п.1.6.1.

Рассмотрим релаксационные свойства отдельного зерна и их влияние на процессы разрушения зерна, параметры рабочих органов и режимы работы технологических машин.

Одна из характерных особенностей поведения зерна как биополимера при механической обработке (как и вообще всех полимерных материалов) – это сильно выраженное явление релаксации. Механические процессы в зерне, связанные с релаксацией, под влиянием приложенной нагрузки имеют две формы:

   - релаксация напряжения - убывание напряжения со временем при поддержании постоянной величины деформации;

   - увеличение деформации - возрастание ее при непрерывном и постоянном по величине механическом напряжении.

Возможен также случай убывания ранее развившейся деформации после снятия внешнего напряжения. Изменение деформации носит название ползучести, а релаксация напряжения называется упругим последействием или эластичностью.

Релаксационные свойства зерна с достаточным приближением могут быть описаны уравнением последействия Больцмана, которое для одноосного напряженного состояния, а также для  сдвига имеет вид

,

где g - деформация;  - напряжение; t - время; x - переменная интегрирования, учитывающая  строение материала и влияние температуры; Е - модуль упругости материала.

Скорость релаксации зависит от температуры и влажности. В табл.2.8. и 2.9 приведены данные о влиянии разных факторов на релаксационные свойства зерна.

Таблица 2.8

Влияние разных факторов на релаксационные свойства стекловидной пшеницы различных сортов

Сорт пшеницы	Влажность W,%	Температура t, 0C	Скорость деформации g’, 103 с-1	Модуль упругости Е, кг/см2
Мильтурум 553	14,0 16,0	20 20	0,100 0,610	1595 1240
Саратовская 29	14,0 16,0 16,0	20 20 45	0,205 0,540 0,970	1590 1435 1375

Таблица 2.9

Влияние влажности W на релаксационные свойства пшеницы сорта Мильтурум 553 в зависимости от стекловидности зерна

Тип зерна	Влажность W, %	Температура t, 0С	Скорость релаксации  VТ, кг/(см2∙с)	Время релаксации  Трел, мин
Стекловидное	12,5 16,8	20 20	0,0151 0,0324	22,0 10,2
Мучнистое	12,5 16,8 16,8	20 20 45	0,0328 0,0675 0,0920	11,8 6,7 4,8

Как видно из таблиц, скорость деформации  при увеличении влажности W значительно повышается, а модуль упругости Е снижается. Все это свидетельствует о развитии пластических свойств увлажненного зерна, причем температура отволаживания оказывает дополнительное влияние.

Рис. 2.14. Кривые ползучести пшеницы от действия постоянной нагрузки при холодном кондиционировании в течение различных промежутков времени отволаживания: 1 - исходный образец;  2 - после 0,5 часов отволаживания;  3 - после 4 часов; 4 - после 8 часов отволаживания

С повышением  в  процессе  кондиционирования,  пластических свойств зерна скорость релаксации V_т увеличивается, а время релаксации Т_рел снижается. Это лежит в основе выбора технологических режимов обработки зерна в процессе производства муки и эти параметры должны быть обеспечены технологическими машинами.

На рис.2.14 показаны кривые ползучести пшеницы IV (технологического) типа Безостая I, увлажненной до 16% и прошедшей различную продолжительность отволаживания при холодном кондиционировании. Распределение влаги по анатомическим частям зерна, гидратация его биополимеров заметно изменяет физико-механические и технологические свойства. В течение первых 4 часов отволаживания происходит нарастание пластических свойств зерна в результате повышения пластичности оболочек,  затем к 8 часам отволаживания  пластичность несколько снижается, и далее постепенно свойства зерна стабилизируются.

На рис.2.15 показано изменение скорости нарастания ползучести V_n, определяемой как тангенс угла наклона касательной к кривой ползучести  V_n = dg/dt. График наглядно отражает изменение пластических свойств зерна и стабилизацию их после 14-16 часов отволаживания t_отв.

2.4.5. Влияние  различных структурно-механических свойств зерна на формирование схемы технологического процесса

Для оптимального построения технологического процесса производства муки, крупы и комбикормов необходимо, чтобы в технологическом процессе подготовки на этапе гидротермической обработки свойства анатомических  частей  зерна были бы подвергнуты направленному изменению. Это необходимо для того, чтобы разница между прочностью оболочек и эндосперма достигала возможно большей величины.

 

Для того чтобы направленно изменить режимы гидротермической обработки, необходимо иметь сведения об изменении прочности и других показателей под влиянием влажности, температуры и продолжительности процесса.

На рис.2.16 показано, как изменяется общая деформация сжатия пшеницы двух сортов в пределах влажности 3-17%. По мере увеличения пластичности более влажного зерна деформация возрастает, стабилизируясь на некотором постоянном уровне при достижении определенной влажности.  Это значение выбирают как оптимальную технологическую влажность для данной помольной партии зерна (сорта, размеров и т.п.).

Повышение температуры, а также продолжительность отволаживания влияют на повышение пластичности зерна. Графически   для стекловидного зерна это показано на рис.2.17, 2.18.

Рис.2.17. Изменение общей деформации сжатия  стекловидного зерна пшеницы в зависимости от температуры t0: 1- I тип; 2- IV тип

Рис.2.18. Изменение деформации зерна на сдвиг g в зависимости от продолжительности отволаживания tотв при холодном кондиционировании пшеницы: 1 - IV тип; 2 - I тип

Общая пластичность зерна - это сумма пластичности его анатомических частей, изменяющаяся в зависимости от характера распределения влаги в данный момент процесса. При достижении оптимальной технологической продолжительности отволаживания свойства зерна стабилизируются, и это определяет выбор схемы технологического процесса режима обработки зерна.

Изменение структурно-механических свойств зерна существенно влияет на его  технологические свойства. Например,  при повышении пластичности измельчение зерна протекает иначе. Извлечение крупок в драном процессе уменьшается (рис.2.19.), но одновременно снижается их зольность, (это обусловлено разрыхлением эндосперма и возрастанием прочности оболочек), что также используется при формировании схемы технологического процесса.

2.5. Теплофизические и гидротермические свойства зерна

В мукомольно-крупяном производстве режим гидротермической обработки увязывают с необходимостью придания оптимальных физико-механических свойств зерна. С этой целью рассмотрим механизмы переноса тепла и влаги в зерне и зерновом слое.

Зерно представляет собой мобильную систему, чутко реагирующую на малейшие изменения атмосферной влажности и температуры посредством ответного изменения комплекса своих свойств. Эти изменения пропорциональны приложенному воздействию, т.е. изменению параметров внешней среды. Большое  влияние на величину изменения свойств зерна оказывает также интенсивность процессов переноса тепла и влаги в зерне: изменение тепло - и гидротермических свойств существенно возрастает при ее повышении.

Особенности переноса тепла определяют удельная теплоемкость, температуропроводность и теплопроводность, взятые в зависимости от влажности и температуры, а также коэффициент теплообмена. Их комбинация друг с другом, а также с некоторыми другими величинами позволяет составить  комплексные и обобщенные  переменные  (критерии)  Био (Bi); Фурье (F₀); Кирпичева (Ki); Лыкова (Lu).

Для анализа процесса переноса влаги необходимо иметь сведения по термодинамическим характеристикам  влагопереноса (удельная изотермическая влагоемкость, потенциал влагопереноса и его температурный коэффициент) и его кинетическим коэффициентам, к которым относятся коэффициенты диффузии влаги, влагопроводности и термоградиента.

Особое место занимает критерий Лыкова. Этим критерием оценивают интенсивность развития полей влагосодержания и температуры внутри материала, поэтому он является определяющим  при  анализе различных вариантов гидротермической обработки зерна.

2.5.1. Обобщенные переменные влагопереноса

Перенос влаги внутри зерна сопровождается комплексом различных физико -, коллоидно - и биохимических процессов, развитие которых приводит к необратимым изменениям структуры и  гидротермических свойств зерна.

Термодинамические характеристики биополимеров зерна и связанной воды также непрерывно изменяются. Определенное влияние на внутренний влагоперенос оказывают также индивидуальные свойства зерна и параметры режима процесса.

Применение метода обобщенных переменных, выраженных в форме критериев, позволяет выявить существующие взаимосвязи  между  группами факторов, определяющих конкретное развитие изучаемого процесса. Благодаря этому можно не только качественно, но и количественно анализировать процесс.

Значения критериев Фурье зависят от влажности и не превышают 0,1 (рис.2.20.).  Следовательно,  процесс внутреннего переноса влаги в зерне полностью лежит в нестационарной области.

Рис.2.20. Изменение массообменного критерия Фурье F0 для зерна пшеницы в зависимости от влажности W, %

Рис.2.21. Изменение критерия Лыкова Lu для зерна пшеницы в зависимости от влажности W, %

Рис.2.22. Изменение  критерия  Кирпичева  К_i в зависимости от влажности W,%: 1 - при температуре 45 ⁰С;

2 - при температуре 20 ⁰С

Значения критерия Лыкова L_u = a_m/a (отношение коэффициента диффузии влаги а_m к коэффициенту температуропроводности а) в зависимости от влажности W равны (1,0-1,5)10^-4 (рис.2.21). Таким образом, интенсивность развития температурного поля в зерновке в 10⁴ раз превышает интенсивность развития  поля  влагосодержания. Это значит, что на практике термовлагопроводность не играет существенной роли во внутреннем влагопереносе.

Величина массообменного  критерия Кирпичева К_i для изотермических условий изменяется от 0,4 до 0,6. При этом, чем ниже его значение, тем меньше сопротивление переносу влаги и тем меньше вероятность растрескивания зерна. На рис.2.22 показана зависимость критерия Кирпичева К_i от влажности в процессе обезвоживания зерна пшеницы в разных температурных режимах. Во всех случаях графики проходят через максимумы.

2.5.2. Влияние влажности и температуры на удельную

теплоемкость, температуропроводность и теплопроводность

Удельная теплоемкость, C [кДж/(кг×⁰С)], возрастает с увеличением влажности, причем после 14% наклон графика становится круче (рис.2.23.).

Теплопроводность, l [Вт/(м×⁰C)], прямо зависит от влажности, а температуропроводность, а [ м ²/⁰С], вначале возрастает, в диапазоне 17,0-19,0% проходит через максимум, а затем снижается.

Таким образом,  изменение температуры зерна при его прогреве или охлаждении происходит  с  максимальной  интенсивностью при 15-20% влагосодержания, что соответствует 13,0-16,5% влажности.

2.5.3. Влияние теплофизических и гидротермических свойств зерна на выбор режима технологического процесса

Перенос тепла и влаги в зерновом слое и единичном зерне имеет свои особенности.  Это обусловлено сложной формой, анатомическим строением зерновки, неравномерностью распределения по его сечению химических веществ,  а также физиологическими потребностями зерна как живого организма.

При построении процесса тепловой или водно-тепловой обработки необходимо учитывать вышеописанные показания, решая различные задачи в зависимости от поставленной конечной цели.  Однако при гидротермической обработке  необходимо  обеспечить высокую интенсивность внутреннего тепло-влагопереноса, это является технологически и экономически целесообразным, так как степень преобразования исходных свойств зерна пропорциональна интенсивности указанного процесса.

Перенос тепла и влаги взаимосвязаны. Для зерна диффузия влаги сильно зависит от температуры. Но развитие полей влагосодержания и температуры в единичном зерне происходит независимо, причем второе опережает первое по скорости в 10³ –10⁴ раз, что следует из величины критерия Лыкова.

Таким образом, условия ведения процесса гидротермической обработки требуют:

- обеспечения интенсивного внутреннего влагопереноса и быстрого достижения заданной степени изменения технологических свойств зерна, т.е. применения аппаратов высокой производительности;

 - быстрого прогрева  зерна  до заданной температуры с тем, чтобы сразу же, в самом начале процесса, обеспечить нужное значение коэффициента температуропроводности а.

Конструкции аппаратов для гидротермической  обработки  зерна используют конвективный и  кондуктивный способ теплопередачи, а также нагрев зерна насыщенным паром.

Для повышения производительности аппаратов необходимо вести обработку зерна при оптимальной влажности, которая соответствует максимальной величине коэффициента температуропроводности а, то есть при 15-19%. Кроме этого интенсивность прогрева единичного зерна выше, чем зернового слоя. Поэтому при разработке конструкций аппаратов для гидротермической обработки зерна предпочтение следует отдавать таким, в которых обеспечен контакт теплопереноса с каждым отдельным зерном.

Для увеличения  интенсивности  процесса  тепло-влагопереноса желательно обрабатывать зерна при повышенной температуре, так как значение коэффициента диффузии влаги а_m резко возрастает при повышенной температуре 50-60 ⁰С.

Процессы гидротермической  обработки при повышенной температуре заметно ускоряются, и эффективность их повышается относительно ведения процессов при комнатной температуре.

2.6. Биохимические свойства зерна, муки и крупы

2.6.1. Зерно как биологический объект

Биологические свойства  зерна  определяются  его  химическим составом, распределением химических веществ по анатомическим частям, активностью некоторых ферментов (амилаз, протеиназ, липаз) и биологически активных веществ. Биологические свойства зерна могут существенно изменяться  благодаря  воздействию  тепла и влаги при гидротермической обработке.

Ввиду того,  что зерно представляет собой живой организм, в подходящих условиях при достаточном наличии  влаги  и  тепла оно прорастает, развивается в новое растение. Зерно дышит, производит обмен с окружающей средой, в нем происходит распад одних и синтез других веществ.  Эти  процессы  регулируются  ферментной системой зерна.

Сухое зерно  находится в состоянии покоя (анабиоза). Но при повышении влажности и температуры активность ферментов  возрастает, в зерне начинаются процессы, ведущие к развитию зародыша в новое растение. Активность ферментов достигает максимума при температуре 45-55 ⁰С. Поэтому, регулируя внешние условия, можно осуществить определенные биохимические процессы в зерне, изменить его биохимические свойства. Особенно важны в этом отношении сушка и гидротермическая обработка зерна.

2.6.2. Влияние влажности и температуры на биохимические свойства

Главными факторами, определяющими состояние зерна, являются его влажность и температура, а также степень отклонения этих величин от равновесных значений, определяемых параметрами состояния окружающей среды.

Критическое значение  влажности равно 14-15%.  Ее превышение влечет за собой увеличение интенсивности проявления физиологической активности зерна. Температура влияет через изменения активности ферментивной деятельности, а также непосредственно воздействуя на белки зерна. Существует следующая градация температурного влияния: до 30 ⁰С - увеличение активности ферментов зерна; 30-40 ⁰С - некоторое ослабление  клейковинного комплекса;  45 ⁰С – увеличение эластичности клейковины; 50-60 ⁰С - уменьшение растяжимости клейковины;  60 ⁰С - снижение активности ферментов; выше 60 ⁰С - частичная или полная денатурация белков.

Однако эти температурные пределы связаны с влажностью зерна: чем она выше, тем сильнее влияние температуры. Поэтому для процесса тепловой обработки существуют пределы безопасного нагрева зерна.

Зерно разных культур различается по термоустойчивости.  Так, при влажности 16%  кукуруза переносит нагрев до температуры 75 ⁰С, рожь - до 65 ⁰С, пшеница - до 55 ⁰С, семенное зерно и пивоваренный ячмень - только до 49 ⁰С.

Подвергнутое термообработке в процессе сушки, будучи однажды влажным, зерно претерпевает необратимые изменения. Поэтому  возможности направленного изменения технологических  свойств зерна ограничены. И самое главное, если зерно потеряло  всхожесть, то улучшить биохимические свойства зерна гидротермической обработкой практически нельзя.

2.6.3. Повышение биологической ценности муки и крупы

Наиболее полезен пшеничный хлеб из обойной муки. Но при повышении сортности муки заметно снижается в ней количество витаминов. Хлеб из муки первого сорта содержит в 2 раза меньше тиамина и в 5 раз меньше никотинамида, чем из обойной муки.

Особое значение  имеет  содержание  незаменимой  аминокислоты - лизина. Если обогащать хлеб лизином, то значительно повышается усвояемость его белков. Например, при увеличении содержания лизина в 2 раза  показатель усвояемости белков хлеба возрастает в 3 раза.

Зерно содержит  биологически  активные  вещества в небольшом количестве, а распределены они по анатомическим частям  так, что при переработке в основном остаются в отрубях и мучке (рис. 2.26.).

Рис.2.26. Распределение витаминов  Вт по  анатомическим частям зерна пшеницы: а - оболочка; б - алейроновый слой;  в - зародыш; г - крахмалистый эндосперм; 1 - тиамин; 2 - рибофлавин; 3 - никотинамид

В результате этого в сортовую муку или крупу переходит лишь небольшая доля от общего содержания этих веществ,  имеющихся в зерне. Поэтому важно повысить питательную ценность муки и крупы, что возможно при соответствующей гидротермической обработке зерна (табл.2.10).

Таблица 2.10

Содержание (мг, %) витаминов в муке 70%-ного выхода

Кондициони- рование	Тиамин	Рибофлавин	Никотинамид
Холодное	0,28	0,11	2,75
Горячее	0,34	0,14	3,14
Скоростное	0,40	0,14	3,74

При холодном кондиционировании зерна наибольшее содержание витаминов наблюдается при влажности 16-16,5% (рис.2.27), но их заметное увеличение начинается после того, как влажность зерна на I драной системе достигает 14-15%.

Рис.2.27. Изменение содержания витаминов в муке 70%-ного выхода в зависимости от влажности W: 1 – тиамин (В1); 2 - никотинамид (PP)

Биологическая полноценность муки изменяется также в зависимости от продолжительности отволаживания зерна при холодном кондиционировании, достигая максимума после 12-16 часов  (рис.2.28).

Рис.2.28. Изменение содержания никотинамида (РР) в муке 70%-ного выхода в зависимости от продолжительности отволаживания tотв при холодном кондиционировании

Рис. 2.29. Изменение содержания никотинамида (РР) в муке 70%-ного выхода в зависимости от продолжительности пропаривания tпр при скоростном кондиционировании

Весьма значительно влияет на содержание витаминов в муке высших сортов тепловая обработка зерна. На рис.2.29 показан график, отражающий влияние продолжительности пропаривания при скоростном кондиционировании зерна.

Рис.2.30. Взаимосвязь между зольностью Z и содержанием никотинамида РР в муке 70%-ного выхода при кондиционировании: 1 - холодное кондиционирование (отволаживание); 2 - скоростное кондиционирование (пропаривание)

На мукомольном заводе при формировании сортов муки можно учитывать содержание в потоках муки витаминов, белков, незаменимых аминокислот, микроэлементов и регулировать их количество смешиванием их потоков. Распределение различных веществ по индивидуальным потокам муки корреляционно взаимосвязано (рис.2.30).

Знание вышерассмотренных характеристик позволяет оптимально спроектировать технологический процесс обогащения витаминами производимой муки и определить технические параметры проектируемых кондиционеров.

Обогатить муку можно и синтетическими витаминами. Такой процесс тоже осуществляют на некоторых мукомольных заводах.

2.7. Технологические свойства зерна

 Технологические свойства сырья на мукомольно-крупяных предприятиях определяются  следующими основными показателями: выходом готовой продукции суммарно и по сортам; качеством готовой продукции; удельными эксплуатационными расходами.

Кроме этих показателей в мукомольном производстве используют дополнительные: извлечение и зольность продуктов первого качества (с первых  трех  драных  систем), показатель К (отношение выхода продукта к его зольности) и некоторые другие.

Технологические свойства  зерна  и  ингредиентов комбикормов определяются комплексом всех вышерассмотренных, физико-химических, структурно-механических, теплофизических, биохимических свойств. Они подвержены изменению под воздействием  гидротермической обработки. Готовую  муку,  крупу  и комбикорма оценивают по сумме потребительских свойств.

2.7.1. Влияние различных факторов на выход и качество продуктов помола

Выход и качество готовой продукции объективно оценивают технологические свойства сырья. Эти показатели заметно изменяются под влиянием различных факторов, характеризующих физико-механические свойства и состояние зерна: крупности зерна, его выполненности и выровненности, относительного содержания эндосперма, влажности и т.п.

Большую роль играет крупность зерна и его выравненность. Мелкое зерно содержит меньше эндосперма, а зольность его  выше, вследствие чего потенциальные возможности зерна снижаются.

На рис.2.31 показано, насколько снизилась кумулятивная кривая зольности муки при помоле пшеницы I (технологического) типа в результате выделения 12% мелкого зерна.

Рис.2.31. Кривая зольности муки Z в зависимости от суммарного извлечения И при помоле пшеницы I типа: 1 - исходная партия; 2 - та же партия после удаления мелкого зерна

Рис.2.32. Влияние влажности W на технологические свойства зерна I типа: 1 - зольность муки 70%-ного выхода Z, %; 2 - удельный расход энергии N, Вт×ч/кг; 3 - объемный выход хлеба V, см3

Важное значение имеет крупность зерна и в крупяном производстве. С уменьшением крупности зерна  заметно снижается выход целого ядра в результате увеличения выхода лузги: для крупной фракции выход лузги составил 12%,  для самой мелкой – 19,6%. Крупа разной крупности  отличается  и по кулинарным достоинствам. Так, набухаемость рисовой крупы, выработанной из крупных фракций зерна, выше, чем из мелких фракций.

Различные показатели технологических свойств зерна тоже изменяются под влиянием  влажности  (рис.2.32). Эти показатели имеют оптимальное значение в  диапазоне 16-18%. Особенно  резко возрастает удельный  расход энергии на помол при увеличении влажности зерна свыше 18%.

Заметно изменяются технологические свойства зерна и под влиянием температуры. Роль температуры определяется тем, что с  ее повышением возрастает интенсивность внутреннего влагопереноса, в результате чего увеличивается степень разрыхления эндосперма. Более заметному, чем при комнатной температуре, изменению подвергаются и такие показатели физико-механических свойств зерна, как плотность, стекловидность, объем. Кроме того, изменяется и активность ферментов, что в конечном итоге влияет и на хлебопекарные свойства муки. Даже простой подогрев перед обработкой на первой драной системой существенно улучшает свойства зерна.

Технологические свойства  крупяных  культур также зависят от режимов гидротермической обработки. Например, при оптимальном режиме пропаривания кукурузы выход крупной крупы увеличивается на 9%, эффективность от деления зародыша повышается на 20-25%. Положительно влияет пропаривание и на потребительские свойства крупы: время развариваемости сокращается на 20%, содержание водорастворимых веществ  возрастает на 20-30%, а содержание жира (наличие которого приводит к снижению допустимого срока хранения) снижается на 25-35%. Зародышевый продукт, полученный при переработке пропаренного зерна, также отличается повышенной стойкостью при хранении, что связано с активизацией его ферментов.

Быстрая высокотемпературная сушка овса и гречихи тоже существенно улучшает процесс шелушения.

Влияние температуры  на  технологические свойства зерна особенно наглядно проявляется при  отрицательных  температурах. При понижении температуры зерна повышается извлечение крупок, но качество их резко ухудшается,  что связано с  повышением  хрупкости оболочек в результате их промораживания.

В комбикормовом производстве, работающем на отходах мукомольно-крупяного производства, свойства различных ингредиентов должны обеспечивать высокие показатели ведения основных процессов, а именно:

1) измельчение до необходимой крупности частиц  при  условии низкого удельного расхода энергии;

2) хорошую смешиваемость ингредиентов; 

3) высокую взаимную адгезию частиц, что  необходимо для обеспечения достаточно высокой прочности брикетов и гранул,  а также постоянство состава рассыпных комбикормов (отсутствие самосортирования при хранении и транспортировании).

Практика показывает, что вследствие значительного различия физико-механических  свойств  отдельных ингредиентов комбикормов указанные требования редко выполняются, это и приводит к снижению качества.

2.7.2. Расход энергии на переработку зерна, обладающего различными свойствами

Расход энергии - это один из основных показателей эффективности технологического   процесса. Величина расходуемой энергии определяется физико-механическими свойствами сырья, но может зависеть и от организации процесса  измельчения, конструктивных параметров измельчающих машин, вида воздействия их рабочих органов на зерно и другие измельчаемые материалы. Особенно велик расход энергии при сортовом помоле пшеницы и ржи. На долю процесса  измельчения при таком помоле тратится до 70% энергии. Поэтому важным является направленное изменение физико-механических свойств измельчаемого зерна посредством  гидротермической обработки с тем, чтобы максимально снизить его прочность при условии сохранения или приобретения  высоких  технологических свойств.

На рис.2.33 показано, как влияют влажность зерна и продолжительность отволаживания  при холодном кондиционировании на удельный расход энергии. Хорошо выявляются оптимальные значения  этих параметров, отступление от которых приводит к существенному повышению расхода энергии.

Рис.2.33. Изменение удельного расхода энергии N на измельчение зерна пшеницы IV (технологического) типа в зависимости от влажности W(а) и продолжительности отволаживания tотв (б) при холодном кондиционировании

2.7.3. Взаимосвязь  технологических  показателей  и различных свойств зерна

Технологические свойства зерна реализуются  в  процессе  его переработки в  муку и крупу.  Чем больше выход конечных продуктов и чем лучше их качество, а также чем ниже удельные затраты на производство, тем выше оценивают технологические свойства перерабатываемой партии зерна. Зная исходные показатели физико-механических свойств зерна, можно судить не только о потенциальных возможностях получения из него определенного  выхода муки  или  крупы, но и выбирать параметры режимов основных этапов технологического процесса (измельчения, шелушения и т.п.), а также правильно проектировать рабочие органы.

Зная особенности поведения зерна данной партии при воздействии на него водой и теплом, можно спроектировать или подобрать оборудование и задать режим гидротермической обработки, обеспечивающий направленное изменение технологических свойств зерна в заданном диапазоне.

Располагая данными о структурно-механических свойствах зерна и его анатомических частей,  можно направленно проектировать и выбирать режим работы измельчающих или шелушильных машин так, чтобы обеспечивалась максимальная их эффективность при минимальных затратах энергии.

Сведения о биохимических свойствах зерна позволяют при выборе режимов гидротермической обработки, формировании потоков муки по сортам и т.п. обеспечить высокое качество готовой продукции.

Таким образом, технологические свойства зерна являются производными комплекса различных свойств, которые по отношению к технологическим будут первичными. Следовательно, между показателями, определяющими различные свойства зерна, должна существовать взаимосвязь. К настоящему времени эта взаимосвязь выражена, а во многих случаях и оценена количественно.

Особенно важна  та взаимосвязь между физическими, химическими и технологическими свойствами зерна, которая может быть определена непосредственно в производственной лаборатории с незначительными затратами времени и труда.

Анализ показывает, что важнейшим из этих свойств является плотность зерна. Этот и другие  показатели  физико-механических свойств зерна между собой в тесной взаимосвязи. Так, коэффициент корреляции r для разных показателей следующий: плотность r - масса тысячи зерен r=+0,91270,038; плотность r - объемная масса q r=+0,63870,100; плотность r - общая стекловидность r=+0,68870,94; плотность r - содержание стекловидных зерен r=+0,92570,036; плотность r - содержание  белка  r=0,1870,068.

Таким образом,  корреляционная взаимосвязь находится на уровне средней или же высокой. Этим и обусловлена высокая взаимосвязь плотности зерна  и его мукомольных свойств, так как последние в той или иной степени зависят от массы 1000 зерен, объемной массы q, стекловидности и т.п. Например, коэффициент множественной корреляции между общим выходом муки и комплексом показателей,  включающим объемную массу, крупность зерна, выравненность партии по размерам, общую стекловидность и зольность,  равен +0,970 для пшеницы IV  типа  и +0,900 - для I типа.

Извлечение крупок первого качества возрастает при  повышении плотности зерна, что представлено на рис. 2.34.

Рис.2.34. Взаимосвязь  между суммарным извлечением крупок и дунстов первого качества Икр и плотностью зерна r при обработке на I драной системе при холодном и скоростном кондиционировании

Рис.2.35. Изменение  общего  выхода  муки И_об (1) и выхода муки высоких сортов И_вс (2) в зависимости от плотности ρ пшеницы I типа при обработке на I драной системе при скоростном кондиционировании

 Также высокая взаимосвязь наблюдается и для других показателей мукомольных свойств зерна, в том числе и выхода муки (рис.2.35).

Таким образом, взаимосвязь между плотностью зерна и его мукомольными свойствами близка к функциональной. По величине плотности зерна и изменению ее при гидротермической  обработке  можно с высокой достоверностью судить о мукомольных свойствах зерна.

Мукомольные свойства  зерна  тесно связаны с его состоянием и структурно-механическими свойствами, приобретенными в результате его гидротермической обработки. Это показано на рис.2.36. Можно выделить оптимальные зоны влажности и продолжительности процесса гидротермической обработки,  по обеим сторонам которых технологические свойства заметно ухудшаются.

Рис.2.36. Изменение  показателей  мукомольных свойств зерна в зависимости от влажности W(а) и продолжительности отволаживания tотв (б) при холодном кондиционировании: 1 - показатель k (отношение выхода продукта к его зольности) для суммарного извлечения крупок; 2 - средневзвешенная зольность крупок первого качества Zср.вз.,%; 3 - удельный расход энергии на измельчение N, Вт×ч/кг; 4 - зольность муки 70%-ного выхода Zм,%

Наличие взаимосвязи  между  показателями  различных  свойств зерна позволяет судить о его мукомольных свойствах, не подвергая зерно специальному испытанию, т.е. без проведения опытных помолов.

 

<<

Оглавление

>>