3.8. Гидротермическая обработка зерна

Основная цель ГТО на мукомольных за­водах состоит в направленном изменении исходных технологических свойств зерна в заданном размере для стабилизации их на оптимальном уровне.

Поступающее на переработку зерно обычно имеет большую влаж­ность, структурно-механические свойства эндосперма и оболочек разли­чаются незначительно. Вследствие этого разделить их трудно, результа­ты переработки такого зерна получаются невысокими. При проведении ГТО стремятся прежде всего усилить различие свойств оболочек и эндо­сперма (ядра). При этом на мукомольном заводе процесс ведут так, чтобы снизить прочность эндосперма и повысить прочность оболочек. Чем более интенсивно произойдут эти изменения, тем выше будет эффективность переработки зерна в му­ку или крупу. Степень изменений технологических свойств зерна опре­деляется конкретным способом ГТО (методом и режимом процесса) и прежде всего особенностями взаимодействия зерна с водой. ГТО на ком­бикормовых заводах проводят для повышения усвояемости и питатель­ной ценности зерновых компонентов комбикормов.

Направленное изменение технологических свойств зерна и потреби­тельских достоинств готовой продукции обеспечивается посредством из­менения влажности и температуры зерна при атмосферном или повы­шенном давлении.

Особенности взаимодействия зерна с водой. Изменяя влажность зерна в процессе ГТО, инженер-технолог направленно изменяет весь комплекс его свойств, чтобы обеспечить в дальнейшем максимальную технологическую и экономиче­скую эффективность переработки зерна в муку и крупу. Для изменения технологических свойств зерна строго в заданном размере необходимо знать особенности развития процессов взаимодействия зерна с водой в различных условиях, а также особенности развития процессов в зерне, сопровождающих внутренний влагоперенос.

Условия, при которых зерно увлажняется (режим процесса), могут быть различными. Однако независимо от этого взаимодействие воды с биополимерами зерна в общих чертах остается неизменным.

Особенностью высокополимеров является отсутствие прочной крис­таллической решетки, в связи с чем в глубь нее могут внедряться ад­сорбированные молекулы. Это вызывает набухание веществ, в особен­ности при образовании водородных связей, как это наблюдается в слу­чае с водой. Благодаря беспорядочному расположению активных центров в объеме зерна сорбированные молекулы воды не образуют сплошного, непрерывного (мономолекулярного) слоя, но группируются вокруг ак­тивных центров в виде гроздьев. Существуют некоторые значения влаж­ности, при которых резко изменяется характер взаимодействия зерна с водой. Несомненно, это должно отражать те изменения свойств зерна, которые происходят вслед за изменением его влажности.

Анализ показывает, что первая критическая область располагается при 7...9 % влагосодержания; она соответствует такому состоянию, ког­да возле каждого активного центра биополимеров удерживается одна молекула воды («мономолекулярный слой»).

Вторая критическая область находится при 15...19 % влагосодержания (т. е. влажности на сухую массу зерна; это соответствует 13...16 % влажности). Эти обла­сти влагосодержания получили название критических, так как здесь наблюдаются существенные изменения всех свойств зерна, в особенности структурно-механических и технологических. Обусловлено это раз­личной реакцией биологической системы зерна на уровень увлажнения белков и углеводов, изменением свойств анатомических частей и биопо­лимеров зерна и свойств поглощенной зерном воды.

Перенос влаги внутри зерна может проходить в различном направ­лении и с разной интенсивностью в зависимости от параметров конкрет­ного процесса. Изучение его особенностей имеет большое практическое значение, так как с ними связаны изменения структуры и технологичес­ких свойств зерна.

Современная теория устанавливает, что в качестве термодинамиче­ского потенциала влагопереноса в зерне выступает энергия связи влаги.

Энергия связи влаги быстро снижается с увеличением влажности зерна, в особенности до 15...17 %. При этих значениях влажности уровень ее становится незначительным, что определяет высокую подвижность воды и активное воздействие на все свойства зерна. Повышение температуры оказывает дополнительное влияние на понижение энергии связи влаги.

Уровень энергии связи влаги для анатомических частей зерна не­одинаков и также зависит от параметров процесса. Значения энергии связи влаги совпадают только в области 15...17 % влагосодер­жания. При меньших значениях в поверхностных слоях зерна влага свя­зана слабее, чем в эндосперме, при более высоких — наоборот.

Практическое равенство уровней энергии связи влаги для анатоми­ческих частей зерна во второй критической области влагосодержания способствует активному переносу ее не под воздействием термодинамического потенциала, а благодаря управляющему влиянию биологической системы зерна как живого организма. Вследствие этого поглощение во­ды зерном при ГТО и распределение ее по анатомическим частям зерна имеет особенности, важные для технологии муки.

Особенности кинетики поглощения воды зерном. Поглощение зерном воды в жидком состоянии имеет особенности. В первые несколько секунд зерно поглощает 3...5 % влаги, а затем в течение некоторого периода влажность зерна остается неизменной. Этот первоначальный захват воды осуществляется плодовыми оболочками, которые имеют большое количество капилляров, пор, пустот, служащих резервуаром для пер­вичного накопления влаги. Вода, поглощенная плодовыми оболочками, связана непрочно и легко может испариться в атмосферу. Прочное удер­жание воды и предотвращение ее потерь обеспечиваются благодаря вы­сокой гидрофильности семенной оболочки, зародыша и алейронового слоя, в которые вода быстро перемещается и прочно связывается белка­ми и углеводами.

Дальнейшее перемещение воды направлено внутрь эндосперма. Скорость этого переноса должна быть низкой в связи с тем, что коэффициент диффузии влаги в зерне очень мал — всего 10^-11…10^-12 м²/с. В ре­зультате получается, что рядом с семенной оболочкой и алейроновым слоем, насыщенными влагой, находятся клетки субалейронового слоя и центральной части эндосперма, имеющие невысокую влажность. Возни­кает огромный градиент влагосодержания — до 10⁴…10⁵ %/м и созда­ются опасные напряжения в зерновке. При критическом напряжении в эндосперме зерна появляются микротрещины и он раскалывается на части. Интенсивность образования микротрещин определяется условия­ми процесса и свойствами зерна.

Одновременно с перемещением влаги внутрь зерна, гидратацией его биополимеров в нем развивается комплекс различных процессов, резуль­татом которых является полностью или частично необратимое изменение его структуры и свойств. Развитие этих процессов, их интенсивность и направленность зависят от режима и значений параметров ГТО. Важ­нейшим из этих процессов является разрыхление эндосперма, сопровож­дающее внутренний влагоперенос.

Общая схема взаимодействия зерна с водой Процесс влагопереноса в зерне при увлажнении и протекающие при этом физические, коллоидные и биохимические про­цессы развиваются так, что могут быть четко выделены три периода (табл. 23).

Таблица 23. Общая схема взаимодействия зерна пшеницы с водой

Период	Продолжительность, ч	Особенности процесса влагопереноса в зерне	Изменение характеристик физико – химических свойств зерна	Изменение структуры анатомических частей зерновки	Изменение технологических свойств зерна
Начальный (подготовительный)	0,25…1	Захват влаги плодовыми оболочками, гидратация тканей семенной оболочки, алейронового слоя и зародыша	Удельный объем зерна резко возрастает	Набухает ткань поверхностных слоев зерна	Изменения незначительны
Основной (период активного разрыхления эндосперма)	5…16	Переход влаги из поверхностных слоев внутрь эндосперма	Удельный объем достигает максимума	Разрушается исходная структура зерна в результате образования микротрещин	Изменения существенны
Заключительный (релаксационный)	48…72	Распределение влаги по тканям в равновесном соотношении	Изменения практически прекращаются	Изменяется конформация молекул биополимеров зерна до равновесной	Изменения незначительны

Первый, начальный, период характеризуется концентрацией погло­щенной влаги в поверхностных слоях зерна: плодовой и семенной оболочках, алейроновом слое и зародыше.

Вследствие набухания этих слоев удельный объем зерна быстро (скачком) увеличивается. Резко не­равномерное распределение влаги по сечению зерна приводит к уста­новлению высокого градиента влагосодержания, что влечет за собой возникновение в зерновке напряжений. Изменение технологических свойств зерна невелико, поскольку структурные превращения затронули только поверхностные слои. Таким образом, заканчивается подготовка к интенсивному переносу влаги внутрь зерна. Поэтому первый период мо­жно определить как подготовительный.

Во втором периоде напряжения, возникшие в зерновке, достигают закритических значений, из-за чего в эндосперме появляются микротре­щины и он раскалывается. Влага перемещается по микротрещинам внутрь эндосперма. Появление в нем большого количества воды вызы­вает физико-химические процессы, причем их развитие характеризуется высокой интенсивностью. Преобразование всех свойств зерна сущест­венно и после второго периода практически завершается. В связи с этим второй период является основным.

Третий, заключительный, период характеризуется постепенным рас­пределением влаги по анатомическим частям зерновки в равновесном соотношении в соответствии с их структурными особенностями и термо­динамическими характеристиками влагопереноса. Макромолекулы бел­ков н углеводов постепенно принимают равновесную конформацию, в связи с чем напряжения в зерновке релаксируются. Этот период можно назвать также релаксационным.

Все физико-химические процессы в зерне протекают взаимосвязанно и завершаются одновременно, причем продолжительность их развития не зависит от режима увлажнения при постоянной температуре, а опре­деляется индивидуальными свойствами зерна.

Степень изменения различных свойств зерна непосредственно зависит от параметров режима его обработки: влагосодержания, темпе­ратуры и продолжительности процесса, а также от особенностей зерна. Разрыхление эндосперма представляет собой суммарный результат ком­плексного воздействия физических, коллоидных и биохимических процессов, сопровождающих внутренний влагоперенос и приводящих к необратимым изменениям структуры. В общем механизме разрыхления эндосперма основная роль принадлежит разрушению его микротрещинами.

Факторы, влияющие на разрыхление эндосперма. Главными факторами, под воздействием которых эн­досперм разрыхляется, являются изменения влажности, температуры и продолжительности процесса. Сочетание первых двух факторов усили­вает эффект, под влиянием температуры продолжительность процесса сокращается.

Основным проявлением разрыхления эндосперма является разру­шение его структуры в результате образования микротрещин. Образу­ются они только в стекловидном зерне пшеницы, риса, кукурузы (в ро­говидном слое). При увлажнении зерна пшеницы интенсивное развитие микротрещин наблюдается при влажности 14...17 %, при 17,5 % образо­вание микротрещин не обнаружено; очевидно, это обусловлено сущест­венным снижением хрупкости эндосперма, повышением его пластично­сти вследствие сильного набухания белковых матриц.

На рис. 18 приведены два ряда микрофотографий продольного сечения стекловидного зерна пшеницы I типа.

Наибольшее количество трещин в эндосперме образуется через 8 ч после увлажнения. Через 16 ч часть мелких трещин исчезает, а через 48 ч остаются только наиболее крупные, появившиеся в начале про­цесса.

Это «залечивание» структуры эндосперма, ее восстановление обус­ловлено набуханием увлажненных белковых матриц, а частично и крах­мальных гранул.

Вода в образовавшиеся микротрещины проникает не сразу после их возникновения, а че­рез 8 ч отволаживания. Очевидно, это является следствием диффузион­ного влагопереноса внутри зерна.

В результате образования микротрещин в эндосперме стекловидность зерна при отволаживании после увлажнения быстро снижается; особенно интенсивно это происходит при 15...17% влажности. В течение первых 8 ч стекловидность уменьшается на 15…25 %.

Однако твердозерность пшеницы сохраняется такой же.

Рис. 18 . Процесс разрушения плотной стекловидной структуры эндосперма зерна пшеницы при отволаживании: 1- исходное зерно; 2…8— через 3, 4, 6, 7, 8, 16 и 48 ч

Изменение микроструктуры зерна. Под воздействием ГТО микро­структура анатомических частей зерна претерпевает необратимые изме­нения, которые усиливаются при повышении температуры процесса, а также в случае применения пара, СВЧ-обработки, использования ин­фракрасных лучей в т.п. Некоторые из этих методов уже широко при­меняют в мукомольном и крупяном производстве, другие проходят раз­работку и опытную проверку. Возможности влияния на микроструктуру зерна посредством раз­личных вариантов обработки демонстрирует рис. 19.

Рис. 19. Изменение микроструктуры эндосперма ячменя при различной обработке: а — исходное зерно; б — пропаренное при 0,2МПа в течение 3 мин; в — обработанное ИК-лучами в течение 50 с; г — пропаренное в течение 3 мин с последующей ИК-обработкой

На нем представлены микрофотографии центральной части эндосперма зерна ячменя, полученные на электронном сканирующем микроскопе. При пропаривании зерна наблюдается изменение только белковых матриц в связи с денатурацией белка. Инфракрасное облучение существенно влияет на крахмальные гранулы и на белковые прослойки. Но особенно резко изменяется микроструктура при совместном воздействии инфра­красного облучения и пропаривания. В этом случае наблюдается зна­чительная клейстеризация крахмальных гранул, практически полная их деградация. Биохимический анализ устанавливает повышение содер­жания декстринов, а физиологические испытания — повышение усвояе­мости продуктов.

2 5

3 6

Рис. 20. Изменение структуры центральной части эндосперма зерна пшеницы стекловидной консистенции при отволаживании: 1—исходное зерно; 2...6 — через 1, 4, 8, 12 и 16 ч

На микрофотографиях, изображенных на рис. 20, показано, как происходит разрушение плотной стекловидной структуры центральной части эндосперма зерна пшеницы при отволаживании. Первые микротрещины появляются уже через 1 ч, а затем их развитие происходит в интенсивном режиме.

Изменение физико-химических свойств зерна. Под влиянием ГТО из­меняются все физико-химические свойства зерна, за исключением массы 1000 зерен.

Это обусловлено набуханием зерна при увлажнении, не-обратимым изменением его структуры, разрыхлением эндосперма в мукомольном производ­стве.

При холодном кондиционировании зерно пшеницы набухает так, что объем зерна мелкой фракции возрастает сильнее, чем крупной. В связи с этим повышается выравненность партии зерна, что положи­тельно влияет на результаты всех дальнейших технологических операций.

Натура зерна при отволаживании вначале резко снижается, а за­тем несколько возрастает. Это связано не только с набуханием зерна, но и с изменением влажности оболочек.

Стекловидность зерна в условиях мукомольного производства сни­жается в зависимости от влажности, температуры процесса и его про­должительности.

Коэффициент объемного расширения увлажненного зерна пшеницы под влия­нием температуры изменяется по слож­ной кривой, с максимумом в области 35...45°С. Очевидно, эта область опреде­ляет наиболее интенсивное развитие в зерне физико-химических процессов.

Изменение биохимических свойств зерна. ГТО зерна существенно влияет на биохимические свойства зерна и готовой продукции. Для дан­ной партии зерна эти изменения зависят от метода и режимов обработки. При изменении влажности и температуры в зерне развиваются биохими­ческие процессы, под влиянием которых происходит перераспределение химических веществ по анатомическим частям зерновки, появляются продукты гидролиза биополимеров и т. п.

Установлено, что клейковина слабой и сильной пшеницы не разли­чается по химическому составу, а имеет один и тот же набор аминокис­лот и одинаковое соотношение глиадина и глютенина. Это позволяет при правильно подобранном режиме направленно изменять ее свойства. На­пример, при скоростном кондиционировании можно укрепить слабую клейковину, а крепкую ослабить при холодном кондиционировании или при проведении обработки при температуре 30...35°С.

Определенное значение для характеристики муки имеет содержание механически поврежденных при размоле крахмальных гранул. Уста­новлено, что при влажности зерна пшеницы I типа 14,5...15,5 % крах­мальные гранулы в наибольшей степени подвержены повреждению, а при повышении влажности до 16...16,5 % эта их способность резко сни­жается.

Под влиянием ГТО и биохимических процессов в зерне изменяется содержание в муке биологически активных соединений, а также мине­ральных веществ.

Изменение структурно-механических свойств зерна. Одной из основ­ных задач ГТО является направленное изменение структурно-механиче­ских свойств анатомических частей зерна. Это вытекает из технологи­ческой цели переработки зерна в муку и крупу; необходимо обеспечить разделение эндосперма (ядра) зерна и остальных анатомических час­тей, так как мука и крупа должны получаться преимущественно из эн­досперма.

В исходном состояний структурно-механические свойства эндоспер­ма зерна и оболочек (или цветковых пленок) заметно различаются. Но различие не столь велико, поэтому при переработке сухого зерна невоз­можно достигнуть высоких технологических результатов.

На структурно-механические свойства зерна существенное влияние оказывают влажность, температура, продолжительность отволаживания. В таблице 24 приведена зависимость некоторых показателей струк­турно-механических свойств зерна пшеницы I типа от влажности при де­формации сжатия и температуре 20 °С.

Таблица 24. Влияние влажности на величину относительной деформации  и модуль упругости Е пшеницы

Показатели	Влажность, %
	8,4	11,5	13,1	15,3	16,7	18,3	19,2
, %	17,8	17,9	18,0	18,4	19,3	22,6	24
Е, МПа	33,6	33,2	32,8	31,2	29,5	26,6	25

При температуре выше и ниже 0°С темп изменения этих показателей различен. При отрицательных температурах упругие свойства зерна вы­ражены сильнее, чем при положительных. При дальнейшем повышении температуры до 55 °С величина  продолжает возрастать по прямоли­нейному закону, достигая при этом 32 %.

При повышении влажности возрастает пластичность зерна, вслед­ствие чего увеличивается пластическая и общая деформация зерна при сжатии, а упругость снижается. Особенно резкие изменения наступают при влажности 15...16 %. Влияние температуры на структурно-механические свойства зерна при 15,3 % влажности показано в таблице 25.

Таблица 25. Зависимость показателей структурно– механических свойств зерна пшеницы I типа от температуры при деформации сжатия

Показатели	Температура, оС
	-20	-15	-10	-5	0	10	20
έ, %	17,5	17,5	17,6	18,0	18,1	18,3	18,6
Е, МПа	34,6	33,8	33,0	32,3	31,6	31,4	31,2

Продолжительность отволаживания при холодном кондиционирова­нии также влияет на структурно-механические свойства зерна. Для пше­ницы I типа при температуре 20 °С, влажности 15,1 % и деформации сжатия установлено, что относительная деформация возрастает в тече­ние 12 ч, затем остается постоянной. Это указывает на завершение, в ос­новном, к этому моменту преобразования структуры и связанных с ней свойств зерна.

При изучении преобразования структурно-механических свойств крупяных культур под влиянием ГТО получено следующее. Для ядра риса влажностью 12,8 % до обработки έ =6,7 %, а после пропаривания и подсушивания до той же влажности έ =7,3 %, т.е. относительная де­формация несколько возросла; при 14,8 % после пропаривания έ =17,0%, а после отволаживания в течение пяти суток снизилась до 4%. Это хорошо отражает происходящие в зерне преобразования.

При правильно подобранных режимах ГТО структурно-механиче­ские свойства зерна и его анатоми­ческих частей изменяются в необхо­димом направлении.

Изменение технологических до­стоинств зерна. Происходящие в зерне ГТО затрагивают все свойст­ва зерна. В конечном счете это от­ражается на его технологических свойствах вследствие зависимости их от биохимических, структурно-механических и других свойств. Преобразование исходных техноло­гических свойств зерна, их оптими­зация — главная цель ГТО.

Для выявления влияния разрыхления эндосперма на технологические свойства зерна были проведены опыты. Опыты были проведены при холодном кондиционировании пшеницы I типа, причем зерно имело различную исходную температуру (от -20 до +20 °С). Не­зависимо от этого влияние изучаемого фактора на технологические свойства зерна оказалось одинаковым. С увеличением разрыхления эн­досперма возрастает извлечение продуктов 1-го качества и снижается их зольность.

Влажность зерна при холодном кондиционировании — один из ре­шающих факторов оптимизации технологических свойств зерна. Боль­шое значение имеет не только степень увлажнения зерна, но и величи­на изменения исходной влажности. Опыты показывают, что наилучшие результаты получаются при повышении влажности зерна на 4,5...5,5 %, причем не за один прием, а в два этапа. Для обеспечения такого изме­нения влажности необходимо, чтобы исходное значение было 11...12 %.

Следует иметь в виду, что различные способы ГТО в разной степе­ни воздействуют на свойства зерна. Обычно применение тепла хорошо сказывается на технологических свойствах зерна. Для примера в таб­лице 26 приведены данные по пшенице I типа, полученные при лабо­раторном помоле.

Таблица 26. Выход муки (%) и ее зольность при трехсортном

помоле зерна пшеницы I типа

Кондиционирование	Сорт муки			Общий выход муки
	высший	первый	итого
Холодное	24,0/0,49	34,2/0,65	58,2/0,58	77,2/0,72
Скоростное	26,6/0,41	32,4/0,58	59,0/0,50	78,0/0,67

Результаты помола зерна, прошедшего скоростное кондиционирова­ние, заметно выше, чем при холодном кондиционировании. Повысился общий выход муки, причем за счет муки высшего сорта. Заметно сни­зилась зольность муки.

Влияние температуры при холодном кондиционировании на муко­мольные свойства зерна следующее. Если зерно поступает в охлажденном (ниже 0°С) состоянии, то оболочки его становятся хрупкими и при размоле измельча­ются, в результате чего ухудшается качество муки. При снижении тем­пературы зерна заметно возрастает зольность муки, а выход высоких сортов муки уменьшается.

Наиболее благоприятные для технологии помола значения влажности - от 15,5 до 16,5 %. Эта зона влажности получила название зоны технологи­ческих оптимумов. Оптимальная продолжительность отвола­живания зависит от исходной характеристики партии зерна: типа, стекловидности, крупности, а также его температуры.