CC BY
286
4. Федеральный закон от 27.10.2008 г. №178-ФЗ. Технический регламент на соковую продукцию из фруктов и овощей. - М., 2008.
5. Поверин А.Д. Создание серии функциональных напитков из натурального растительного сырья // Пиво и напитки. - 2006. - №4. - С.34-35.
'--------♦-----------
УДК 631.361.74 Н.И. Куриленко
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КЕДРОВОГО ОРЕХА
К физико-механическим свойствам единичных семян относятся геометрическая форма и линейные размеры, абсолютная масса, относительная плотность, аэродинамические, диэлектрические и другие свойства. Они важны при разработке и проектировании нового технологического оборудования для хранения и особенно технологической переработки семян. В статье приведены результаты исследований физико-механических свойств кедрового ореха, которые позволят спроектировать оптимальное устройство для его переработки.
Ключевые слова: физико-механическое свойство, кедровый орех, технологическое оборудование, переработка семян.
N.I. Kurilenko
RESEARCH OF THE PINE NUT PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES
Physical and mechanical properties of individual seeds are geometrical form and linear sizes, absolute mass, relative density, aerodynamic, dielectric and other properties. They are important at the development and designing the new process equipment for storage and especially technologic seeds processing. The results of the research of the pine nut physical and mechanical properties which will allow to design the optimum device for its processing are given in the article.
Key words: physical and mechanical property, pine nut, process equipment, seeds processing.
К физико-механическим свойствам единичных семян относятся геометрическая форма и линейные размеры, абсолютная масса, относительная плотность, аэродинамические, диэлектрические и другие свойства [1]. Они важны при разработке и проектировании нового технологического оборудования для хранения и особенно технологической переработки семян.
При скоплении в большой массе семена приобретают новые, отличные от единичных семян, свойства. К ним относятся сыпучесть, насыпная плотность, скважистость, объемная масса и др.
Исследования физико-механических свойств кедрового ореха проводились по методике, изложенной в источниках [1-3]. Полученные результаты по кедровому ореху сравнивались с масличными культурами, используемыми в пищевой промышлености.
Геометрическая форма и линейные размеры. От геометрической формы и линейных размеров семян зависят тип хранилища, размеры рабочих органов технологических машин, а также способ хранения и переработки семян.
Формы семян рекомендуется определять соотношениями длины, ширины и толщины. Семена бывают шаровидные, когда все размеры близки или одинаковы (в этом случае характеристикой семян является диаметр), эллиптические, удлиненные и треугольные (характеристиками являются длина - наибольший размер, толщина - наименьший размер и ширина). Схема существующих форм масличных семян приведена на рисунке [1].
Форма масличных семян:
1 - шаровидные; 2 - чечевицеобразные; 3 - эллиптические; 4 - удлиненные; 5 - треугольные; а - толщина семян (наименьший размер); Ь - ширина; / - длина (наибольший размер)
При колебаниях влажности семян меньше всего изменяется длина семян. Влажные семена всегда крупнее, чем сухие, по ширине и толщине и практически не отличаются от сухих по длине (табл. 1).
Таблица 1
Средние размеры семян масличных культур, мм
Культура, сорт Длина Ширина или диаметр Толщина
Удлиненная форма
Кедр сибирский 11,4 6,75 5,9
Подсолнечник ВНИИМК 8931 11,1 5,8 3,5
Шаровидная форма
Соя: Приморская 529 5,3
Салют 216 5,4
Для характеристики формы семян введены понятия «коэффициент формы» и «показатель сферичности». Коэффициент формы - это отношение площади поверхности семени несферической формы к поверхности эквивалентного шара, объем которого равен объему семени.
Показатель сферичности - это отношение площади поверхности равновеликого по объему шара (Рш) к площади внешней поверхности семени несферической формы (Рс). Для шарообразных частиц эти характеристики равны 1, для частиц иной формы, в частности, семян, коэффициент формы всегда больше 1, а показатель сферичности меньше 1. Средние значения коэффициента формы семян кедрового ореха 1,391,48, показателя сферичности - 0,6-0,9.
При расчете этих характеристик семян необходимо знать поверхность семян Рс. Ее можно определить, исходя из объема единичного семени, который устанавливаем экспериментально пикнометрическим методом или другими.
Отсюда
_ 5а + 6Ь Рс=4ттР(1 + 3(3); Д = ———,
60
где I, а, Ь - линейные размеры семян.
Если форма семян близка к шаровидной, то
Рс - ^(а + Ь + 1) « 0,35(а + Ь + 1).
В некоторых случаях для расчетов пневмотранспорта семян, теплотехнических и других необходимо знать эквивалентные диаметры с1э единичных семян, которые также рассчитывают, исходя из величины объема единичных семян: иэ =1,24-’ ---------,
V п
где IW — суммарный объем п семян, мм3.
Как правило, чем крупнее семена масличной культуры, тем выше их технологическое качество. Мелкие семена обычно составляют до 40 % от массы поступивших на хранение семян.
Масса 1000 семян. Размеры, особенно толщина семян и плодов, тесно связаны с их массой. Для характеристики массы семян введено понятие «абсолютная масса» - масса 1000 семян при нулевой влажности.
Ее определяют при фактической влажности семян, а затем пересчитывают на нулевую влажность, т. е. на сухое вещество (г):
где А - масса 1000 семян с фактической влажностью, г; Ьс - влажность семян, %.
По величине абсолютной массы семена подразделяют на тяжелые, средние и легкие, кедровый орех относится к тяжелым, так как А равна от 160 до 220 г.
Относительная плотность. Этот показатель связан с химическим составом, влажностью и относительной плотностью различных тканей семян. Величина относительной плотности семян зависит также от количества воздуха, содержащегося в тканях.
Относительная плотность семян и плодов большинства масличных растений, особенно высокомасличных, меньше 1 (плотности воды). В них преимущественно содержатся липиды с относительной плотностью 0,92. Кроме массовой доли липидов, относительная плотность зависит также от особенностей анатомического строения, пористости тканей и наличия воздухоносной полости между покровными и основными тканями.
Первая группа Вторая группа
Подсолнечник - 0,65-0,84 Кунжут - 1,08
Если относительная плотность сухих семян меньше 1, то при увлажнении семян относительная плотность увеличивается, если больше 1, то при увлажнении семян она снижается.
Аэродинамические свойства. Зависят от формы, абсолютной массы и относительной плотности масличных семян. Состояние семян при продувании воздуха через их слой (при очистке, тепловой сушке, активном вентилировании, пневмотранспортировании и некоторых других технологических процессах) определяется скоростью воздуха.
При небольшой скорости воздуха семена неподвижны, воздух как бы фильтруется через слой семян. При ее увеличении семена, оставаясь в слое, перемещаются относительно друг друга и объем слоя увеличивается. Такой слой называется кипящим или псевдо-ожиженным. В кипящем слое каждое семя испытывает воздействие воздушного потока, равное его весу. Скорость воздуха, при которой семена находятся во взвешенном состоянии, называется критической, или скоростью витания. При еще большей скорости семена уносятся воздушным потоком.
Величина скорости витания зависит от парусности семян - отношения площади проекции наибольшего сечения семени на плоскость, перпендикулярную воздушному потоку, к массе семени. Между критической скоростью Vкp (м/с) и коэффициентом парусности Кп (м-1) существует обратная зависимость:
где dэ - эквивалентный диаметр семян, м; Yс и Yв - относительная плотность семян и воздуха, кг/м3; К - коэффициент аэродинамического сопротивления семян (учитывает отклонение формы семян от шарообразной, шероховатость поверхности, стесненность движения семян в замкнутом пространстве воздуховода и др.).
А = (100 - Ьс)/100,
Конопля Кедровый орех
0,87-0,92
0,83-0,88
Мак
Соя
1,14
1,15-1,35
где д - ускорение свободного падения, д = 9,8 м2/с. Критическую скорость можно также рассчитать по формуле:
Таблица 2
Аэродинамические свойства семян
Культура Критическая скорость, м/с Коэффициент парусности, м-1
Кедровый орех 8,8-16,9 0,03-0,06
Подсолнечник 3,2-8,9 0,24
Арахис 12,5-15,0 0,04-0,06
Соя 9,5-12,5 0,06-0,24
В таблице 2 приведены величины критической скорости и коэффициента парусности некоторых масличных плодов и семян.
Диэлектрические свойства. При разработке перспективной технологии, в частности, новых методов отделения ядра семян от плодовых и семенных оболочек, внимание исследователей привлекали диэлектрические свойства масличных семян. Было замечено, что диэлектрические постоянные кедрового ореха, имеющих масличность 65 %, лузчистость 43,7 % и абсолютную массу 95,62 г, возрастали у ядер от 3,67 до 18,41 и у плодовой оболочки от 2,47 до 36,00 при изменении влажности их тканей от 6,5 до 11,51 % и от 10,84 до 19,50 % соответственно. Относительная плотность ядер исследуемых семян была равна 1,08, оболочки - 0,88. Свойства семенной массы отличаются от свойств составляющих ее семян.
Сыпучесть. Плоды и семена большинства масличных культур за исключением средневолокнистого хлопчатника в насыпи связаны между собой очень слабо. Для семенных масс масличных культур характерна хорошая сыпучесть - подвижность отдельных семян и их слоев при перемещении по наклонной поверхности. Благодаря сыпучести, семена и плоды без значительных трудностей удается загружать на хранение, заполняя почти весь объем хранилища из одной или немногих точек, легко разгружать хранилища с наклонными днищами и перемещать семена без затрат энергии по наклонным трубам и желобам сверху вниз.
Степень сыпучести характеризуется углом естественного откоса и углом самотека. Угол естественного откоса (угол внутреннего трения) - это угол между диаметром основания и образующей конуса семян при свободном падении семенной массы на горизонтальную плоскость. Величина его определяет геометрическую форму насыпи семян. Угол самотека - это наименьший угол, при котором семенная масса начинает скользить по какой-либо поверхности. Тангенс угла самотека называется коэффициентом трения. Как следует из сказанного, угол самотека семян по слою таких же семян равен углу их естественного откоса.
На степень сыпучести семенной массы влияют форма семян, характер и состояние поверхности, влажность, содержание и вид посторонних примесей, материал и состояние поверхности, по которой перемешаются семена. Так, чем ближе форма семян к шару и чем более гладкая их поверхность, тем сыпучее семена. С увеличением влажности семян увеличиваются коэффициент их трения по железу и дереву и угол естественного откоса. Примеси, как правило, снижают сыпучесть семян. При большом содержании примесей, особенно органических, семенная масса может почти полностью потерять сыпучесть. Сыпучесть семян сильно снижается в результате самосогревания.
Ниже приведены значения угла естественного откоса некоторых семян и плодов масличных культур (град):
кедровый орех - 26-35;
соя - 24-32;
подсолнечник - 31 -45.
Самосортирование. Следствием сыпучести семенной массы является ее способность к самосорти-рованию при перемещении. Особенно значительным может быть самосортирование семенной массы при падении с большой высоты, например при заполнении хранилищ силосного типа, когда падение семян осложняется движением встречного воздушного потока из заполняемого хранилища.
В результате различий массы и аэродинамических свойств семян, наличия примесей с другой относительной плотностью происходит рассортирование семенной массы. В образующейся насыпи тяжелые компоненты семенной массы располагаются по оси конуса, легкие - у образующих конуса.
Самосортирование семенной массы происходит также при перевозке семян насыпью автомобильным и железнодорожным транспортом. Тяжелые семена и примеси в этом случае скапливаются на дне вагона или кузова автомашины, а легкие «всплывают» в верхние слои. Эту особенность следует всегда учитывать при отборе проб семян для оценки качества семенной массы.
Плотность укладки и скважистость. Семенная масса, занимающая какое-либо пространство, не заполняет его целиком, так как между отдельными семенами остаются промежутки, заполненные воздухом. Объем, занимаемый семенной массой, состоит из объема собственно семян и примесей и объема воздушных
прослоек между ними. Объем собственно семян и примесей, выраженный в процентах от общего объема, называется плотностью укладки семенной массы, а объем воздушных промежутков - скважистостью.
Физико-механические свойства семян и семенных масс некоторых видов масличных растений приведены в табл. 3-4.
Между многими физико-механическими свойствами семян существуют тесные корреляционные зависимости. Так, выявлены значимые корреляционные связи между линейными размерами и абсолютной массой семян (для кедрового ореха коэффициент корреляции 0,95), между относительной плотностью и критической скоростью семян, между скважистостью, объемом и их линейными размерами.
В технологических расчетах для расчета физико-механических характеристик семян - относительной плотности и абсолютной массы семян по величине эквивалентного диаметра семян или их линейным размерам - используются эмпирические формулы.
Таблица 3
Основные физико-механические параметры кедрового ореха в сравнении с другими масленичными
культурами. Ч. 1
Культура Влажность семян, % Абсолютная масса, г. Относительная плотность семян, г/см3 Масса 1 м3 семян, кг
Кедровый орех 8-12,5 219-354 0,801-0,889 320-450
Подсолнечник 4,3-9,2 40,0-98,1 0,651-0,827 330-470
Соя 7,8-11,6 76,1-197,8 1,214-1,326 680-780
Арахис 5,6-7,4 487-1440 0,454-0,754 230-360
Таблица 4
Основные физико-механические параметры кедрового ореха в сравнении с другими масленичными
культурами. Ч.2
Культура Объем 1 т семян, м3 Истинный объем 1т семян, м3 Скважистость, % Обеспеченность семян воздухом, м3/т
Кедровый орех 2,3-3,3 1,2-2,4 38,5-41,8 0,9-1,68
Подсолнечник 2,1-3,1 1,2-1,5 40-52 0,8-1,5
Соя 1,3-1,5 0,75-0,82 38-46 0,52-0,67
Арахис 2,8-4,3 1,33-2,90 48-60 1,45-2,34
Проведенные исследования позволяют нам подойти к переработке кедрового ореха на более глубоком и качественном уровне.
Литература
1. Щербаков В.Г., Лобанов В.Г. Биохимия и товароведение масличного сырья. - М.: КолосС, 2003.
2. . Меликян А.П., Николаева М.Г., Комар Г.А. Семя // Жизнь растений. Т. 5. Ч. 1. Цветковые растения /
под ред. А.Л. Тахтаджяна. - М.: Просвещение, 1980. - С. 84-91.
3. Товароведение продовольственных товаров: учеб. для товаров / В.И. Варибрус, Ю.Т. Жук, В.А. Руш [и др.]. - М.: Экономика,1976. - 374 с.
'-------♦------------
