Классификация технологических свойств пшеницы по показателям твердозерности

Статья посвящена оценке твердости пшеницы и предварительной классификации её по структурно-механическим характеристикам, контролируемым при протекании операции измельчения зерна. Инструментальная интегрального оценка технологических свойств пшеницы осуществлялась на основе анализа динамики крутящего момента на приводе измельчителя при дезинтеграции определённой пробы зерна с использованием прибора «Полиреотест ПРТ-1». Математическая обработка кривых измельчения сводилась к установлению следующих показателей: число пиков N; максимальный и средний крутящие моменты Мкрmax, Мкрс (Н∙м); размах колебаний крутящего момента при измельчении ∆Мкр (Н∙м); количество удельной механической энергии, затрачиваемой на измельчение зерна Аизмуд (Дж/г); продолжительность измельчения зерна τизм (с). При классификации пшеницы по твердозерности был принят показатель – индекс твёрдости Ih, который является относительным показателем и рассчитывается как частное от деления Мкрср (Н∙м) на содержание сухих веществ. На основании анализа экспериментальных данных была проведена предварительная классификация пшеницы по твердозерности в соответствии с полученными значениями показателя индекса твёрдости Ih (Н∙мм/%): >25 – высокотвердозерная пшеница; ≤25≥22 – среднетвердозерная пшеница; <22 – мягкозерная пшеница.

Технологические свойства пшеницы обусловлены содержанием белка, микрогетерогенными свойствами зерна, его цветом и морфологическими показателями. На качество помола твёрдых сортов пшеницы оказывают влияние содержание белка и стекловидность зерна. Мучнистый эндосперм в твёрдых сортах пшеницы с низким содержанием белка оказывает негативное влияние на качество помола и выработку макаронных изделий, при использовании зерна с высоким содержанием белка можно улучшить качество помола.

В настоящее время наиболее распространены методы идентификации зерна пшеницы по показателю стекловидности и твердозерности на приборе SKCS (Perten Instruments, Швеция). Существует способ определения твердозерности при испытаниях на статическое сжатие и на изгиб в трёх точках с использованием анализатора текстуры.

В соответствии с твердостью пшеницы можно с высокой точностью спрогнозировать распределение частиц по размерам. Помол зерна зависит от твердости зерна пшеницы, зазора между валками и расположения валков.

По мере увеличения твёрдости увеличивается энергия, затрачиваемая на помол, зернистость муки, количество повреждённого крахмала, водопоглощение, а так же общая и дополнительная мощность газообразования. Твёрдость зерна пшеницы связана с различиями как в прочностных, так и в пластических свойствах эндосперма. На прочность при сжатии эндосперма зерна пшеницы влияют содержание влаги, скорость деформации и направление сил напряжения. Исследования Kaliniewicz Z. показали, что содержание сырого протеина и общая зольность не влияют на механические свойства зерна пшеницы. Твёрдость зерна коррелирует с длиной ядра, стекловидностью, силой разрыва и энергией разрыва.

Оперативная интегрального оценка технологических свойств пшеницы может быть осуществлена на основе анализа показателей реодинамики операции измельчения зерна, реализованная с помощью информационно-измерительной системы, включающей прибор «Полиреотест ПРТ-1» с установленной на нём дополнительно оснасткой – измельчителем зерна.

Характерная кривая процесса измельчения зерна пшеницы, показывает, что деформация зерновок, находящихся в межвальцовом зазоре, приводит в начале к нарастанию напряжения до определённого уровня, характеризуемого появлением трещин и инициирующих релаксацию возникающего напряжения. При этом сдвиговая деформация разрушает зерновки на отрубистые частицы и частицы эндосперма и процесс дезинтеграции зерна сопровождается уменьшением величины крутящего момента на приводе измельчителя относительно установившегося среднего значения.

Далее наблюдаются колебательные изменения крутящего момента с определенным размахом, обусловленные выходом шрота из межвальцового зазора и поступлением новой локальной порции измельчаемого зерна. Смена локальных объёмов массы зерна, поступающих в межвальцовый зазор при помоле фиксируется количеством экстремумов (пиков) на кривой измельчения. Окончание измельчения зерна отражается падением крутящего момента на приводе измельчителя до нулевого значения.

Энергетический баланс хрупкого разрушения зерна пшеницы может быть представлен в виде уравнения Ребиндера:

А = Ау + Аs, (1)

где:   А – подведённая к телу энергия, кДж;

Ау – предельная энергия упругой деформации, кДж;

Аs – предельная энергия образования новой поверхности, кДж.

Таким образом, процесс измельчения связан с расходом энергии, который условно можно разделить на две части.

Первая часть – упругое разрушение определённого объёма V (м3) измельчаемой пшеницы, которое весьма приближённо можно оценить законом Кика-Кирпичёва:

Ау = kv ∙ V,   (2)

где, коэффициент kv – энергетическая плотность (Н∙м/м3), которая определяется как отношение квадрата предела прочности σ (кПа) к модулю упругости Е (кПа):

kv =.     (3)

Вторая часть – предельная энергия образования новой поверхности АS (кДж), которая определяется увеличением поверхности измельчаемой пшеницы от исходной Sн до конечной Sк площади поверхности и оценивается законом Реттингера:

As= ks(Sк–Sн) = ks∆S.      (4)

Статья подготовлена:

В.Я. Черных, доктор техн. наук, ФГАНУ «Научно-исследовательский институт хлебопекарной промышленности»,
А.С. Максимов, канд. техн. наук, ФГБОУ ВО «Российский биотехнологический университет (РОСБИОТЕХ)»,
Х.А. Балуян, канд. техн. наук, ФГАНУ «Научно-исследовательский институт хлебопекарной промышленности»