1 — ФГАНУ Научно-исследовательский институт хлебопекарной промышленности, Москва, Россия
2 — ФГБОУ ВО Российский биотехнологический университет (МГУПП), Москва, Россия
2 — ФГБОУ ВО Российский биотехнологический университет (МГУПП), Москва, Россия
Черных В.Я1., Максимов А.С2., Балуян Х.А1.
УДК 664.6/.7
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПШЕНИЦЫ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ТВЕРДОЗЕРНОСТИ
Введение
Рис. 1 — Изменение величины крутящего момента на приводе измельчителя при дезинтеграции зерна пшеницы
Технологические свойства пшеницы обусловлены содержанием белка, микрогетерогенными свойствами зерна, его цветом и морфологическими показателями.
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» и измельчитель зерна [1,2]. Характерная кривая процесса измельчения зерна пшеницы приведена на рис. 1. Из рис. 1 видно что деформация зерновок, находящихся в межвальцовом зазоре, приводит в начале к нарастанию напряжения до определенного уровня, предопределяемого появлением трещин и инициирующих релаксацию возникающего напряжения. Присутствующая 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 определенного установившегося среднего его 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 объемов 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 пшеницы может быть представлен в виде уравнения Ребиндера:
А = Ау + Аs. кДж, (1)
где: А — подведенная 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 — это упругое разрушение, определенного объема (V, м3), измельчаемой пшеницы, которое весьма приближенно можно оценить законом Кика-Кирпичева:
Ау = kv ∙ V, кДж (2)
где, коэффициент kv — это энергетическая плотность, которая определяется как отношение квадрата предела прочности (σ, кПа) к модулю упругости (Е, кПа):
kv =, Н∙м/м3 (3)
Вторая часть (АS) определяется увеличением поверхности измельчаемой пшеницы от исходной (Sн) до конечной (Sк) площади поверхности и оценивается законом Реттингера:
As = ks ∙ (Sк — Sн) = ks ∙∆S, кДж (4)
Тогда в соответствии с законом Ребендера:
A = kv ∙V + ks ∙ ∆S, кДж (5)
При этом коэффициенты kv и ks определяют экспериментально.
Крутящий момент измеряемый с помощью прибора «Полиреотест ПРТ-1» на приводе измельчителя позволяет рассчитывать количество энергии, затраченное на измельчение определенной пробы зерна пшеницы.
Таким образом, анализируя динамику изменения показателя величины крутящего момента на приводе измельчителя, при дезинтеграции пробы пшеницы, можно устанавливать показатели твердозерности, отражающие её технологические свойства.
Целью настоящей работы является проведение оценки твердозерности пшеницы и предварительной классификации её по структурно-механическим характеристикам, контролируемым при протекании операции измельчения зерна.
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» и измельчитель зерна [1,2]. Характерная кривая процесса измельчения зерна пшеницы приведена на рис. 1. Из рис. 1 видно что деформация зерновок, находящихся в межвальцовом зазоре, приводит в начале к нарастанию напряжения до определенного уровня, предопределяемого появлением трещин и инициирующих релаксацию возникающего напряжения. Присутствующая 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 определенного установившегося среднего его 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 объемов 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 пшеницы может быть представлен в виде уравнения Ребиндера:
А = Ау + Аs. кДж, (1)
где: А — подведенная 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 — это упругое разрушение, определенного объема (V, м3), измельчаемой пшеницы, которое весьма приближенно можно оценить законом Кика-Кирпичева:
Ау = kv ∙ V, кДж (2)
где, коэффициент kv — это энергетическая плотность, которая определяется как отношение квадрата предела прочности (σ, кПа) к модулю упругости (Е, кПа):
kv =, Н∙м/м3 (3)
Вторая часть (АS) определяется увеличением поверхности измельчаемой пшеницы от исходной (Sн) до конечной (Sк) площади поверхности и оценивается законом Реттингера:
As = ks ∙ (Sк — Sн) = ks ∙∆S, кДж (4)
Тогда в соответствии с законом Ребендера:
A = kv ∙V + ks ∙ ∆S, кДж (5)
При этом коэффициенты kv и ks определяют экспериментально.
Крутящий момент измеряемый с помощью прибора «Полиреотест ПРТ-1» на приводе измельчителя позволяет рассчитывать количество энергии, затраченное на измельчение определенной пробы зерна пшеницы.
Таким образом, анализируя динамику изменения показателя величины крутящего момента на приводе измельчителя, при дезинтеграции пробы пшеницы, можно устанавливать показатели твердозерности, отражающие её технологические свойства.
Целью настоящей работы является проведение оценки твердозерности пшеницы и предварительной классификации её по структурно-механическим характеристикам, контролируемым при протекании операции измельчения зерна.
Объекты и методы исследования
в)
б)
а)
Рис. 3 Вальцы измельчителя зерна:
- валец подвижный (а);
- валец неподвижный (б);
- вальцы измельчителя, в зазоре между которыми находится зерно при его дезинтеграции (в)
Объектами исследования являлись двадцать проб пшеницы ботанических видов «Triticum durum» и «Triticum aestivum», подготовленные в условиях ОАО «Омская макаронная фабрика».
Показатели твердозерности пшеницы определяли с использованием информационно-измерительной системы (ИИС), представленной на рис.2.
ИИС обеспечивает мониторинг динамики величины крутящего момента на приводе конического вальца, расположенного с определенным зазором внутри кольцеобразного неподвижного вальца измельчителя. На рис. 3 показаны конструктивные особенности вальцов измельчителя, который используется в составе информационно-измерительной системы.
Показатели твердозерности пшеницы определяли с использованием информационно-измерительной системы (ИИС), представленной на рис.2.
ИИС обеспечивает мониторинг динамики величины крутящего момента на приводе конического вальца, расположенного с определенным зазором внутри кольцеобразного неподвижного вальца измельчителя. На рис. 3 показаны конструктивные особенности вальцов измельчителя, который используется в составе информационно-измерительной системы.
Валец подвижный представляет собой усеченный конус (а) с 6-ю косонаправленными крупными канавками, каждая из которых заканчивается ближе к основанию конуса 6-ю мелкими косонаправленными ребрами, т. е. по окружности основания подвижного вальца располагается 36 мелких ребер. Валец неподвижный изготовлен в виде кольца, верхняя часть которого имеет 12 косонаправленных крупных ребер, а нижняя часть — 40 мелких ребер.
Масса зерна, засыпаемая в воронку измельчителя составляет 100 г, а масса зерна, находящегося между вальцами в процессе измельчения составляет в среднем 5 г и она обусловлена натурой пшеницы. Частота вращения вальца составляет 2с-1.
Масса зерна, засыпаемая в воронку измельчителя составляет 100 г, а масса зерна, находящегося между вальцами в процессе измельчения составляет в среднем 5 г и она обусловлена натурой пшеницы. Частота вращения вальца составляет 2с-1.
Рис 2 — Информационно-измерительная система на базе прибора «Полиреотест ПРТ-1» для определения твердозерности зерна пшеницы.
Таким образом очевидно, что результаты исследования прочностных характеристик зерновок в статических условиях полностью соответствуют результатам, полученным в условиях динамических нагрузок, возникающих при размоле партий зерна.
На мельницах одним из основных параметров, с помощью которого можно регулировать технологические свойства муки, является средний эквивалентный диаметр её частиц, поэтому подготовка помольной смеси зерна должна вестись с учетом твердозерности перерабатываемых партий пшеницы.
На мельницах одним из основных параметров, с помощью которого можно регулировать технологические свойства муки, является средний эквивалентный диаметр её частиц, поэтому подготовка помольной смеси зерна должна вестись с учетом твердозерности перерабатываемых партий пшеницы.
Анализ диаграмм показал, что поведение зерновок из разных партий существенно отличаются. Так, для зерновок из более твердозерной партии характерно однократное разрушение, после чего нагрузка падает практически до нуля, а затем равномерно нарастает за счет сопротивления сжатию осколков зерновки (рис. 6а). При этом отмечается, что при нагрузке свыше 5000 гс характер зависимости усилия от времени и от деформации практически линейный, т. е. зерновка ведет себя как твердое упругое тело. Это позволило количественно оценить упругость в относительных единицах кгс/мм. Среднее значение данного параметра для партии высокой твердозерности составило 18,5 кгс/мм, среднее квадратическое отклонение для выборки составило 2,1 кгс/мм. Среднее усилие разрушения для той же выборки составило 13,8 кгс.
Характер диаграммы разрушения зерновки менее твердозерной (рис. 6б) показывает, что структура зерновки не такая однородная, как для предыдущей партии. После начального момента разрушения наблюдаются еще несколько пиков, наличие которых объясняется тем, что при разрушении зерновки образуются несколько частей, которые при продолжении сжатия оказывают заметное сопротивление оказываемому механическому воздействию. Среднее значение показателя упругости для партии с низкой твердозерностью уменьшилось до 16,4 кг∙с/мм, при этом среднее квадратическое отклонение для выборки составило 1,6 кг∙с/мм. Среднее усилие разрушения для той же выборки также уменьшилось и составило 10,3 кг∙с.
Для визуальной оценки дисперсии показателя прочности при сжатии зерновки на рис. 7 показаны гистограммы показателя прочности зерновок из разных партий. Красные линии показывают уровень среднего значения показателя для выборки.
Характер диаграммы разрушения зерновки менее твердозерной (рис. 6б) показывает, что структура зерновки не такая однородная, как для предыдущей партии. После начального момента разрушения наблюдаются еще несколько пиков, наличие которых объясняется тем, что при разрушении зерновки образуются несколько частей, которые при продолжении сжатия оказывают заметное сопротивление оказываемому механическому воздействию. Среднее значение показателя упругости для партии с низкой твердозерностью уменьшилось до 16,4 кг∙с/мм, при этом среднее квадратическое отклонение для выборки составило 1,6 кг∙с/мм. Среднее усилие разрушения для той же выборки также уменьшилось и составило 10,3 кг∙с.
Для визуальной оценки дисперсии показателя прочности при сжатии зерновки на рис. 7 показаны гистограммы показателя прочности зерновок из разных партий. Красные линии показывают уровень среднего значения показателя для выборки.
В мягкозерных сортах пшеницы зерна крахмала и белковые вещества слабо связаны между собой. Белковая же матрица высокотвердозерных сортов пшеницы полностью охватывает гранулы крахмала, цементируя их в единое целое. Твердозерность является устойчивым сортовым признаком пшеницы. Сорт сохраняет эту характеристику при любых условиях вегетации зерна, почвенно-климатических условиях и используемых агротехнических приемов.
Таким образом, на основании проведенных исследований все пробы пшеницы были разделены на три группы: высокотвердозерная; среднетвердозерная и мягкозерная. Чем выше значение индекса твердости, тем меньше значения величины удельной поверхности и соответственно больше средний размер частиц, что подтверждается меньшим выходом муки после просеивания шрота через сито с размерами ячеек 160мкм. Как видно из табл. № 1, выход муки у пшеницы высокотвердозерной в среднем в два раза меньше, чем у остальных проб пшеницы.
Для оценки поведения зерновки из двух партий зерна различной степени твердозерности и визуализации процесса разрушения зерновки при деформации сжатия использовали прибор «Струкутрометр СТ-2» (рис. 5).
Как видно из рисунка зерновку помещали между двумя плоскостями и сжимали со скоростью 0,5 мм/с до усилия нагружения 18кгс. При этом усилие на тензодатчике регистрировали с периодичностью 10 раз в секунду. В результате получали диаграммы сжатия, на которых четко прослеживаются моменты разрушения зерновки (рис. 6).
Таким образом, на основании проведенных исследований все пробы пшеницы были разделены на три группы: высокотвердозерная; среднетвердозерная и мягкозерная. Чем выше значение индекса твердости, тем меньше значения величины удельной поверхности и соответственно больше средний размер частиц, что подтверждается меньшим выходом муки после просеивания шрота через сито с размерами ячеек 160мкм. Как видно из табл. № 1, выход муки у пшеницы высокотвердозерной в среднем в два раза меньше, чем у остальных проб пшеницы.
Для оценки поведения зерновки из двух партий зерна различной степени твердозерности и визуализации процесса разрушения зерновки при деформации сжатия использовали прибор «Струкутрометр СТ-2» (рис. 5).
Как видно из рисунка зерновку помещали между двумя плоскостями и сжимали со скоростью 0,5 мм/с до усилия нагружения 18кгс. При этом усилие на тензодатчике регистрировали с периодичностью 10 раз в секунду. В результате получали диаграммы сжатия, на которых четко прослеживаются моменты разрушения зерновки (рис. 6).
На основании анализа экспериментальных данных, представленных в табл. № 1 и № 2, была проведена предварительная классификация пшеницы по твердозерности в соответствии с полученными значениями показателя индекса твердости (Ih, Н∙мм/%):
На рис. 4 приведены кривые измельчения зерна пшеницы, разной по степени твердости.
- >25,0 — высокотвердозерная пшеница;
- ≤25,0≥22,0 — среднетвердозерная пшеница;
- <22,0 — мягкозерная пшеница.
На рис. 4 приведены кривые измельчения зерна пшеницы, разной по степени твердости.
Математическая обработка кривой измельчения сводилась к установлению следующих показателей: число пиков N; максимальный и средний крутящие моменты Мкрmax, Мкрср , 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 статистическом анализе полученных экспериментальных данных было установлено, что наименьшее значение коэффициента вариации от 0,3 до 3,0% было у показателя среднего крутящего момента, который и был выбран за основной первичный показатель твердости.
При проведении исследований, кроме показателей операции измельчения зерна, определяли следующие его физико-химические характеристики: количество белка Gб, %, стекловидность зерна, СТз; глютен-индекс, GI, %; вязкость клейковины, τ, с (время сдвиговой деформации клейковины, измеряемое с помощью прибора «Glutograph-E» при использовании системы измерения плоскость-плоскость, посредством поворота подвижной плоскости — пуансона на постоянный угол, равный 800BU); выход муки, Вм, % (после просеивания шрота через сито № 43).
При оформлении сводной таблицы физико-химических характеристик пшеницы был принят показатель индекс твердости Ih, который является относительным показателем и рассчитывается как частное от деления Мкрср, Н∙м на содержание сухих веществ (100 — Wз).
При статистическом анализе полученных экспериментальных данных было установлено, что наименьшее значение коэффициента вариации от 0,3 до 3,0% было у показателя среднего крутящего момента, который и был выбран за основной первичный показатель твердости.
При проведении исследований, кроме показателей операции измельчения зерна, определяли следующие его физико-химические характеристики: количество белка Gб, %, стекловидность зерна, СТз; глютен-индекс, GI, %; вязкость клейковины, τ, с (время сдвиговой деформации клейковины, измеряемое с помощью прибора «Glutograph-E» при использовании системы измерения плоскость-плоскость, посредством поворота подвижной плоскости — пуансона на постоянный угол, равный 800BU); выход муки, Вм, % (после просеивания шрота через сито № 43).
При оформлении сводной таблицы физико-химических характеристик пшеницы был принят показатель индекс твердости Ih, который является относительным показателем и рассчитывается как частное от деления Мкрср, Н∙м на содержание сухих веществ (100 — Wз).
Результаты исследований
Рис. 5 Размещение зерновки пшеницы на металлическом цилиндре, установленном на столике прибора «Струкутрометр СТ-2»
Таблица №2 Показатели реодинамики измельчения зерна
Таблица №1 Физико-химические характеристики пшеницы
б)
Рис. 7. Гистограммы показателя прочности при сжатии зерновок:
а) с высокой и б) с низкой твердозерностью.
а) с высокой и б) с низкой твердозерностью.
а)
б)
Рис. 6. Динамика усилия нагружения (F, гс), отражающая разрушение зерновки при сжатии: из партий пшеницы с высокой (а) и низкой (б) твердозерностью
а)
в)
б)
Рис. 4 – Кривые измельчения зерна пшеницы:
- высокотвердозерной (а);
- среднетвердозерной (б);
- мягкозерной (в)
а)
Выводы.
На основании анализа полученных данных можно сделать следующие выводы:
- Реализован многопараметрический метод контроля технологических свойств пшеницы, дополнительно включающий определение показателей реодинамики операции измельчения зерна пшеницы и динамики сжатия её зерновок;
- Сформулировано концептуальное представление о протекании процесса измельчения пшеницы на основе анализа динамики величины крутящего момента на приводе измельчителя;
- Установлена взаимосвязь между показателями измельчения зерна между вальцами и показателями при его сжатии между плоскостями;
- Проведена предварительная классификация исследованных сортов пшеницы по группам в соответствии с установленными значениями показателя индекса твердости (Ih, Н∙мм/%): I группа — >25,0 — высокотвердозерная пшеница; II группа — ≤25,0 — ≥22,0 — среднетвердозерная пшеница; III группа — <22,0 — мягкозерная пшеница.
- В соответствии с предварительно проведенной классификацией пшеницы по степени твердозерности её технологические свойства ориентированы для разных отраслей пищевой промышленности: I группа — для макаронной промышленности; II группа — для хлебопекарной промышленности; III группа — для кондитерской промышленности.
Список литературы
- Черных В.Я Информационно-измерительная система на базе прибора «Полиреотест ПРТ-1» для контроля твердозерности пшеницы /Черных В.Я., Карпушина Е.В., Быкова Н.Ю., Максимов А.С. / Хлебопродукты. – 2020. №8 С. 57.
- Черных В.Я., Максимов А.С., Агамалов С.В. Современный метод определения твердозерности пшеницы. Сборник статей III Международной научно-практической конференции: «Пищевые технологии будущего: Инновации в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции. с.590-598 г. Саратов, ГАУ им. Н.И.Вавилова, 16-17 марта, 2022г.