Теплофизические характеристики пшеничной муки

Подобно зерновой массе, мука, отруби и крупа обладают низкой теплопроводностью и температуропроводностью. Передача тепла в массе муки путем конвекции воздуха наблюдается в меньшей степени, чем в зерновой массе. Это связано со специфической структурой ее скважистости. В связи с плохой теплопроводностью муки целесообразно охлаждать ее перед закладкой на хранение как в силосы при бестарном хранении, так и в штабеля при хранении в мешках.

Перемещение влаги в муке при наличии перепада температур создает предпосылки для образования конденсационной влаги в определенных участках и возникновения активных микробиологических очагов.

В числе теплофизических свойств муки большое значение имеет ее теплоемкость. Ее учитывают при замесе теста для получения в нем сразу же температуры, необходимой для брожения.

Сорбционные свойства. Мука и крупа обладают значительной способностью к сорбции и десорбции водяных паров, а также других паров и газов. Однако сорбционная емкость у муки и крупы значительно меньше, чем у зерновой массы. Это объясняется как характером скважистости, так и нарушением структуры зерна.

Удаление оболочек в процессе размола или шелушения зерна приводит к тому, что доля капиллярной влаги в муке и крупе по сравнению с ее содержанием в зерне резко уменьшается. В связи с этим мука, а часто и крупа быстрее сорбируют влагу из окружающего воздуха благодаря увеличению скорости внешней диффузии молекул пара к активной поверхности, однако имеют меньшую равновесную влажность, чем зерно. Влага связывается с частицами муки в основном путем адсорбции и абсорбции.

Опыты в лабораторных условиях показали, что в малых навесках муки процессы сорбции и десорбции протекают быстрее, чем в таких же навесках зерновой массы. Поэтому возникло представление о большой сорбционной емкости муки и, в частности, о ее большой гигроскопичности. Однако такое представление неправильно.

Общая величина активной поверхности муки на единицу массы действительно больше, чем у зерна, в результате увеличения суммарной поверхности частиц, образовавшихся при размоле. В связи с этим мука значительно быстрее поглощает пары воды из воздуха и скорее достигает равновесной влажности, чем зерновая масса. Однако величина равновесной влажности муки всегда меньше, чем зерна, так как в муке в значительно меньшей степени происходит капиллярная конденсация.

При хранении муки в производственных условиях в мешках весьма быстрое изменение влажности происходит лишь в слоях муки, прилегающих к мешковине (максимум до 10 см). Внутри мешка влажность муки довольно постоянна.

Влагообмен между воздухом и зерном прекращается, когда парциальные давления водяного пара в воздухе и над зерном равны. В этом случае наступает состояние динамического равновесия. Влажность зерна, соответствующая этому состоянию, называется равновесной.

При постоянной температуре зависимость между влажностью зерна и давлением водяных паров в воздухе (или его относительной влажностью) выражается в виде изотерм сорбции и десорбции.

Максимальная равновесная влажность зерна, устанавливающаяся при его пребывании в воздухе, насыщенном водяными парами (относительная влажность равна 100 %), является тем пределом, до которого зерно может сорбировать пары воды из воздуха. Дальнейшее увлажнение может происходить только в результате впитывания капельно-жидкой влаги.

Если зерна, содержащие гигроскопическую влагу, поместить в атмосферу, свободную от водяных паров, и все время поддерживать ее в таком состоянии, т. е. удалять пары, выделяемые зерном, то вся вода из зерен постепенно испарится.

В практике равновесная влажность зерна всех злаковых культур и гречихи колеблется в пределах от 7 до 33...36 %. Влажность зерна 7 % является равновесной для воздуха влажностью 15...20 %; влажность зерна 33...36 % — равновесной для воздуха, предельно насыщенного водяными парами.

Влажность зерна и семян наиболее резко возрастает при контакте их с воздухом, сильно или полностью насыщенным водяными парами.

Так, в условиях относительной влажности воздуха 75 % равновесная влажность зерна злаковых находится на уровне 15...16 %, а при относительной влажности равной 100% она достигает 33...36 %, т. е. увеличивается в 2 раза.

Подобный процесс сорбции паров воды типичен для зерна и семян всех культур. Изотермы сорбции и десорбции имеют одинаковый характер. Они аналогичны изотермам других коллоидно-пористых материалов и показывают, что в условиях повышенной влажности воздуха большое значение имеет капиллярная конденсация.

Кроме химического состава зерна, его структуры и параметров окружающего воздуха, на величину равновесной влажности влияет и явление сорбционного гистерезиса, характеризующееся несовпадением изотерм сорбции и десорбции.

Муке свойственно явление сорбционного гистерезиса. В результате десорбции влаги снижаются ее гидратные свойства. Такая мука, помещенная в склад с влажным воздухом, будет меньше сорбировать пары воды и будет иметь меньшую равновесную влажность. Замечено также, что мука при помещении ее в сухой воздух значительно быстрее отдает ему влагу, чем восстанавливает свою исходную влажность при помещении ее в среду с влажным воздухом. Снижение равновесной влажности муки наблюдается в партиях, пролежавших в обычном складе в течение лета. Влажный воздух осенне-зимнего периода уже в меньшей степени увлажняет муку.

Удлинение срока хранения муки сопровождается снижением ее равновесной влажности на 1...1,5 %.

Различные пробы одного и того же зерна, находясь в состоянии равновесия с одной и той же средой, могут иметь различную влажность. Это обусловлено влиянием способа, которым достигается равновесие (увлажнение или подсушивание), и теми воздействиями, которые уже испытывала данная проба или партия зерна.

Для зерна и продуктов его переработки изотерма десорбции в системе координат располагается выше, чем изотерма сорбции. Поэтому влажность зерна, характеризуемая по изотерме сорбции, будет всегда меньше, чем по изотерме десорбции, для одной и той же относительной влажности воздуха. Другими словами, если зерно после сушки вновь увлажнить, то для получения той же равновесной влажности необходима более высокая влажность воздуха. Наибольшее расхождение между изотермами сорбции и десорбции наблюдается на участке с относительной влажностью воздуха от 20 до 80 %.

В результате сорбционного гистерезиса разница в равновесной влажности по изотермам сорбции и десорбции зерна пшеницы и пшеничной муки достигает 1,2...1,3 %.

В связи с явлением сорбционного гистерезиса в зерновой массе никогда не наблюдается естественного полного выравнивания влажности между отдельными зернами. Это обстоятельство необходимо учитывать в практике хранения и обработки зерновых масс.

Установлено, что процесс сорбции водяных паров зерном, свободно общающимся с воздухом, длится несколько суток. Однако в первый период влажность зерна изменяется наиболее интенсивно. Сорбционное равновесие и равновесная влажность зерна устанавливаются при стационарном режиме на 7...20-е сутки.

В условиях влажности воздуха, равной 70 %, у семян с исходной влажностью 13,5...17,2 и около 21 % равновесная влажность установилась на десятые сутки. В практике хранения различных партий и в разных условиях процесс установления равновесной влажности может быть весьма длительным.

Общие сведения о дыхании зерна: Известно, что каждый организм для поддержания жизни нуждается в систематическом притоке энергии. В хранящихся зернах и семенах последняя появляется в результате распада и преобразования содержащихся в них веществ, т. е. в процессе диссимиляции органических веществ, и главным образом сахаров. Расходуемые при этом сахара пополняются в организме в результате гидролиза или окисления более сложных запасных веществ. Так, в зернах, богатых крахмалом, последний расщепляется при участии ферментов до сахаров. В семенах масличных культур происходит окисление жира (входящих в него жирных кислот) до сахаров.

Диссимиляция сахара (гексоз) в организме происходит аэробно, т. е. окислением, либо анаэробно — брожением. Тесная связь между этими процессами подробно рассматривается в курсах биохимии растений и зерна. С точки зрения организации хранения зерновых масс существенный интерес представляет изучение преобладающего вида диссимиляции, влияния процессов диссимиляции на качество и состояние зерновых масс при хранении и факторов, влияющих на интенсивность процессов диссимиляции.

Виды дыхания у зерна и семян. При хранении зерна и семян в них наблюдаются оба вида диссимиляции, конечный результат которой может быть суммарно выражен следующими уравнениями, получившими название уравнений дыхания:

С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + энергия. (1)

C6H12О6 = 2СО2 + 2С2Н5ОН + энергия. (2)

Первое уравнение характеризует аэробный процесс диссимиляции — аэробное дыхание, когда наблюдается полное окисление гексозы с образованием исходных продуктов фотосинтеза — диоксида углерода и воды. Второе — типичное уравнение спиртового брожения, т. е. анаэробного процесса, когда гексоза расщепляется с образованием такого малоокисленного органического продукта, как этиловый спирт.

При нормальном хранении зерновых масс, достаточном доступе к ним воздуха в зернах и семенах преобладает процесс аэробного дыхания. Однако им свойственно и анаэробное дыхание. Последнее иногда рассматривают как приспособительный процесс зерна и семян к неблагоприятным условиям окружающей среды.

Представление о типе дыхания можно получить, определяя дыхательный коэффициент К = СО2/О2 — отношение объема выделенного семенами диоксида углерода к объему кислорода, поглощенного при дыхании. При полностью аэробном процессе, протекающем по первому уравнению, дыхательный коэффициент равен единице. Наличие анаэробных процессов увеличивает количество выделяемого диоксида углерода (без потребления кислорода атмосферы). В тех случаях, когда семена расходуют часть кислорода не только непосредственно в процессе дыхания по приведенному уравнению (1), но и на другие нужды, например окисление жиров, дыхательный коэффициент бывает меньше единицы. Примером могут служить семена масличных культур.