Физические свойства зерновой массы

      Физические  свойства зерновой массы

        Сыпучесть и самосортирование относят к физическим свойствам зерна. Зерновая масса состоит из множества отдельных твердых частиц, различных по размеру и плотности, поэтому обладает большой подвижностью - сыпучестью. Наибольшей сыпучестью обладают округлые зерна с гладкой поверхностью (просо, горох), у зерна продолговатого с шероховатой поверхностью сыпучесть снижается.

 С  сыпучестью связана способность  зерновой массы к самосортированию. При любом перемещении или встряхивании зерновая масса «расслаивается». Тяжелые компоненты - минеральная примесь, крупные зерна как бы «тонут», опускаются вниз, а легкие - органический сор, семена сорняков и щуплые зерна «всплывают». Это может оказать отрицательное влияние на сохранность, так как обычно семена сорных трав и щуплое зерно имеют повышенную энергию дыхания, что может привести к порче зерна при хранении. Способность зерновой массы к самосортированию учитывается при отборе проб для анализов.

      Скважистость  - заполненные воздухом промежутки между зернами в насыпи. Обычно скважистость выражают в процентах к общему объему данной насыпи. Плотность укладки зерновой массы в объеме хранилища и, следовательно, ее скважистость зависят от формы, размеров и состояния поверхности зерен, от количества и характера примесей, от массы и влажности зерновой насыпи, формы и размеров хранилища. Однородное по крупности зерно, а также зерно с шероховатой поверхностью имеют скважистость большую, чем зерна разной крупности и округлой формы. Так, скважистость составляет (в %): ржи и пшеницы - 35 - 45, гречихи и риса (зерна) - 50 - 65, овса - 50 - 70.

      Запас воздуха в межзерновых пространствах имеет большое значение для сохранения жизнеспособности семян. Большая газопроницаемость зерновых масс позволяет проводить активное вентилирование, регулировать состав газовой среды в межзерновых пространствах, вводить пары ядохимикатов для борьбы с амбарными вредителями. Однако наличие межзерновых пространств и кислорода в них благоприятствует развитию амбарных вредителей.

      Сорбционные свойства зерна также относят к физическим. Зерно всех культур и зерновые массы в целом обладают сорбционной емкостью, т. е. способностью поглощать газы и пары различных веществ. Эта способность зерна обусловлена его капиллярно-пористой структурой, что делает активную поверхность зерновки в 200 - 220 раз больше истинной. Кроме того, для биополимеров (белков, слизей, крахмала) характерно отсутствие прочной кристаллической решетки, поэтому молекулы воды и других веществ могут легко внедряться в них, взаимодействуя с активными центрами. В белках этими центрами являются такие функциональные группы, как - NН -, Н₂N -, - СООН, - СОNН₂, - ОН; в углеводах - ОН и - 0 -. При изменении условий окружающей среды зерно может частично отдавать поглощенные им вещества - десорбировать их. Однако полностью десорбция не происходит.

      Явления сорбции принято подразделять на две группы: сорбция и десорбция  различных газов и паров, кроме  воды; гигроскопичность - сорбция и  десорбция паров воды.

      Способность зерна и продуктов его переработки  активно сорбировать газы и пары различных веществ обязывает руководителей заботиться о чистоте транспорта и хранилищ, иначе продукты по вкусу и запаху могут стать непригодными для пищевых целей. При борьбе с амбарными вредителями можно применять лишь такие пестициды, которые менее вредны для теплокровных и более полно десорбируются.

      Гигроскопичность  зерновой массы оказывает наибольшее влияние на стойкость зерна при  хранении. Хорошо сохраняет свои исходные свойства только то зерно, в котором вся влага находится в связанном коллоидами состоянии. Между относительной влажностью (~) воздуха в хранилище и влажностью зерна через определенное время устанавливается динамическое равновесие. Каждому значению относительной влажности воздуха и его температуры соответствует определенная равновесная влажность продукта.      Например, при температуре около 20 С и ~= 15 - 20 % равновесная влажность зерна устанавливается около 7 %, а при ~= 100 % достигает 33 - 36 %. Оптимальный интервал влажности воздуха при положительной температуре (10 - 20'С) находится в пределах от 60 до 70 %. В этих условиях равновесная влажность продуктов равна 13 - 14 %.    

      Влажность продукта, при которой в нем  появляется свободная вода, носит  название критической. Для большинства  культур критическая влажность  лежит в интервале 14,5 - 16 %. Зерно, достигшее ее, может заплесневеть.   

      Гигроскопичность  зерна и продуктов его переработки  зависит от содержания в них белков и высококомолекулярных пентозанов, способных поглощать влаги больше, чем другие вещества.    

      Теплопроводность  и температуропроводность зерна также относят к физическим свойствам. Тепло в зерновой массе распространяется двумя способами: от зерна к зерну при их соприкосновении - теплопроводность зерна и перемещением воздуха в межзерновых пространствах - конвекция. Зерно имеет теплопроводность, близкую к древесине, т. е. обладает низкой теплопроводностью. Воздух также характеризуется небольшой теплопроводностью. Поэтому суммарный показатель теплопроводности зерновой массы в целом невелик и колеблется в пределах от 0,12     до 0,2 ^ккал   

      Скорость  нагревания зерновой массы -  температуропроводность зависит от теплопроводности и также невелика. Таким об-, разом, зерновая масса характеризуется большой тепловой инерцией, изменение температуры зерна в средних слоях насыпи происходит очень медленно. Поэтому зерно в зимние месяцы можно охладить, проведя активное вентилирование насыпи холодным сухим воздухом. Низкая температура его сохраняется в течение большей части лета, в результате чего замедляются биохимические процессы, протекающие в нем, и прекращается размножение амбарных вредителей. Если же на хранение засыпано теплое зерно, то в нем долго сохраняются благоприятные условия для: активной жизнедеятельности самого зерна, амбарных вредителей и микроорганизмов. В весенне-летний период, а также в осенне-зимний наблюдается большая амплитуда колебаний температуры между отдельными слоями зерновой массы, что может привести к конденсации влаги на отдельных ее участках, увлажнению зерна.

      Биохимические процессы, происходящие в зерновой массе 

      Зерно - живой организм, находящийся в  покое и, следовательно, как и  в любом живом организме, в  нем совершается постоянный, хотя и медленный, обмен веществ, поддерживающий жизнь зародышевой клетки. Характер и интенсивность физиологических  процессов, протекающих в зерновой массе при хранении, зависят не только от активности ферментативного комплекса зерна, но и от условий окружающей среды. Основным, важнейшим физиологическим процессом, протекающим в зерне, является дыхание.

       Дыхание обеспечивает энергией клетки семян за счет окисления органических веществ, главным образом сахаров, под действием окислительно-восстановительных ферментов. При достаточном доступе кислорода в зерне преобладает аэробное дыхание, которое можно выразить суммарным уравнением С₆Н₁₂О₆+6О₂      6СО2+6Н2О+674 ккал (2821,9 кДж) на 1 грамм-молекулу (180 г) израсходованной глюкозы.

      ²Казаков Е.Д., Кретович В.Л. Биохимия зерна и продуктов его переработки М.: Колос,1980.

      При недостатке кислорода полного окисления  органических веществ не происходит, в зерне идет процесс анаэробного (интрамолекулярного) дыхания (спиртового брожения), выражаемого суммарным уравнением: С₆Н₁₂О₆     2С2H5OH+2СО2+ 28,2 ккал (118 кДж) на 1 грамм-молекулу израсходованной глюкозы. При анаэробном дыхании параллельно со спиртовым брожением частично может идти и молочно-кислое, при котором из глюкозы образуется молочная кислота²: С₆Н₁₂О₆     2СН₃СН (ОН) СООН+ 22,5 ккал (83,5 кДж), что приводит к медленному нарастанию титруемой кислотности продукта. Анаэробное дыхание зерновой массы нежелательно, так как накопление этилового спирта и других промежуточных продуктов дыхания может привести к гибели зародыша, т. е. потере всхожести семян.

       Вид дыхания зерна можно определить по его дыхательному коэффициенту - отношению объема выделенного диоксида углерода к объему поглощенного кислорода. При отношении, равном единице, идет аэробное дыхание, если это отношение меньше единицы, то часть кислорода расходуется на другие процессы в зерновой массе; дыхательный коэффициент больше единицы бывает в том случае, когда наряду с аэробным идет и анаэробное дыхание, и чем больше выделяется углекислого газа и меньше поглощается кислорода, тем больше его доля. Интенсивность дыхания зависит от влажности, температуры и качества зерна.

Сухое зерно имеет невысокую интенсивность  дыхания. За год хранения при температуре 10 - 20 'С 1 т сухого зерна (с влажностью до 14 %) теряет за счет дыхания 100 г (0,01 %) массы. У зерна средней сухости (от 14,1 до 15,5 %) интенсивность дыхания примерно в 1,5 - 2 раза выше, чем у сухого. Влажное зерно ' (влажность 15,5 - 17%) разных культур резко увеличивает интенсивность дыхания (кратное): пшеница - в 4 - 8, овес - в 2 - 5, кукуруза - в 8,5 - 17 по сравнению с зерном средней сухости. На рис. 3 показана зависимость интенсивности дыхания от влажности зерна проса.

      Температура хранения оказывает существенное влияние  на интенсивность дыхания. Зерно, хранящееся при температуре, близкой к 0 'С, дышит  с исчезающе малой интенсивностью, как это видно на рис. 3. По мере повышения температуры интенсивность дыхания возрастает, достигая максимума при 50 - 55'С, после чего начинает резко падать. Падение совпадает с началом тепловой денатурации белков, инактивации ферментов, т. е. началом гибели зерна. На рис. 4 видно, что при температуре около 0 'С можно хранить определенное время даже, зерно с повышенной влажностью.

      Качество  зерна оказывает существенное влияние  на энергию его дыхания. Чем хуже качество зерна, тем труднее его  хранить.

      Следствия дыхания зерна при хранении. Каким  бы способом ни дышало зерно, этот процесс  вызывает:

      потерю  сухого вещества (убыль массы) зерна. Расходуемая, при дыхании глюкоза  постоянно пополняется за счет ферментативного гидролиза крахмала;

      изменение состава воздуха межзерновых пространств за счет выделения диоксида углерода и расходования кислорода, что в конечном итоге может вызвать анаэробное дыхание;

      увеличение  количества гигроскопической влаги  в зерне и повышение относительной  влажности воздуха в межзерновых пространствах. Образующаяся при аэробном дыхании вода остается в зерновой массе и при высокой интенсивности дыхания может существенно увлажнить ее, приводя тем самым к еще большему увеличению интенсивности дыхания;  

      образование тепла в зерновой массе особенно при высокой интенсивности аэробного  дыхания мотает быть весьма существенным. Известно, что зерновая масса обладает низкой теплопроводностью, поэтому  образующееся тепло вызывает повышение  температуры и, следовательно, интенсивности дыхания. Два последних названных следствия дыхания являются причинами возникновения самосогревания зерновой массы, приводящего ее к порче, а иногда и к полной гибели.

      Самосогревание  - результат высокой интенсивности дыхания зерновой массы, развития в ней плесеней, а иногда и амбарных вредителей. В начальной стадии самосогревания (повышение температуры до 30 'С) зерно приобретает солодовый запах и сладковатый вкус, свойственные прорастающему зерну. Поверхность зерна сначала обесцвечивается, затем приобретает красноватый оттенок, а эндосперм - сероватый. В нем повышаются доля моносахаридов, титруемая кислотность и кислотное число жира. Активность ферментов существенно возрастает. Объемный выход хлеба снижается, мякиш получается более темным, чем из нормального зерна. При переработке пшеницы с солодовым запахом ее смешивают с нормальным зерном.

      При развитии самосогревания и повышении  температуры до 40 - 50 'С и выше поверхность  зерна темнеет вплоть до полного  почернения, иногда полностью покрывается мицелием плесеней. Темнеет, а затем чернеет эндосперм. Запах становится плесневым, а потом гнилостно-затхлым, изменяется соответственно и вкус, увеличиваются титруемая кислотность (в болтушке), кислотное число жира, растет содержание аммиака. Интенсивность дыхания достигает максимума и начинает падать, снижается всхожесть зерна вплоть до полной ее утраты. Содержание клейковины в пшенице резко снижается, а ее качество ухудшается. Эти изменения говорят о распаде в греющемся зерне углеводов, белков и липидов под действием собственных и плесневых ферментов, а также длительным воздействием повышенных температур. Если самосогревание возникает в поверхностном слое насыпи (до 0,7 м от поверхности), то главной причиной порчи зерна является его плесневение.