CC BY
38
663.532:661.185
РЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАМЕСОВ ИЗ ЗЕРНА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА
Л.К. ГРОМКОВСКАЯ
Воронежская государственная технологическая академия
Гибридная зерновая культура все более широко применяется для получения этилового спирта. Проведены исследования по оптимизации технологического режима переработки тритикале на спирт, изучению углеводного состава различных сортов тритикале и определению выхода спирта из них [1]. Однако, несмотря на наличие в зерне тритикале активной а-амилазы и вероятную способность его к самодекстринированию, почти не изучены реологические свойства замесов из этого зерна [1, 2].
Отмечено, что крахмальные гранулы тритикале имеют на своей поверхности трещинки, наличие которых облегчает расщепление крахмала а-амила-зой и обеспечивает более легкую атакуемость крахмала тритикале по сравнению с другими зерновыми культурами [2]. Благодаря этому зерно тритикале образует менее вязкие, более текучие замесы, чем другие зерновые культуры. Вязкость играет большую роль в процессе водно-тепловой обработки зерна, поскольку от нее зависят возможность использования вторичного пара и величина расхода электроэнергии на перемешивание и транспортирование замеса.
Цель работы — изучение и сравнительная оценка реологических показателей замесов, полученных из тритикале, пшеницы и ржи.
Для исследования были взяты тритикале сорта Тальва-100, пшеница Тарасовская-29 и рожь Талов-ская-15. Массовая доля условного крахмала в зерне составляла соответственно 64,51, 62,21 и 57,84% в расчете на абсолютно сухое вещество.
При проведении эксперимента моделировали производственные условия. Замесы готовили смешиванием зерна среднеизмельченного помола (проход через сито с диаметром отверстий 1 мм составлял 55%) с теплой водой в соотношении 1:3,5. Полученные замесы подваривали, после чего на ротационном вискозиметре системы М.П. Вола-ровича измеряли их реологические показатели. Измерение вязкости замесов производили при различных градиентах скорости и различных напряжениях сдвига.
Известно, что в производственных условиях предварительный нагрев замеса (подваривание) производится вторичным паром до температуры 50-80'С. При этом вязкость замеса резко возрастает из-за клейстеризации крахмала, вызывающей образование структуры в замесе. При дальнейшем
нагреве подваренного замеса до 100°С и выше происходит растворение крахмала, разрушение структуры замеса и уменьшение его вязкости.
Рис. 1
Для реологической классификации исследуемых замесов построены кривые течения — графики зависимости числа оборотов вращающегося в замесе цилиндра вискозиметра N от напряжения сдвига г (рис. 1). Значения напряжений сдвига определяли по формуле
г = КР- 10~\ (1)
где К — константа вискозиметра;
р — суммарный груз, вращающий цилиндр вискозиметра, г;
10 —• коэффициент пересчета дин/см‘ в
Па.
Кривые течения строили при температурах: 50 (•); 60 (О); 70' 'С С5**-), близких к температурному интервалу клейстеризации тритикале (кривые 1, 2, 3), пшеницы (4, 5, 6) и ржи (7, 8, 9).
Анализ графиков свидетельствует о неньюто-новском характере течения всех исследуемых замесов, принадлежности их к различным реологическим системам.
Для характеристики реологического поведения замесов в экспериментах и при их обработке определялись следующие физико-механические показатели: минимальный предел текучести, предел текучести по Бингаму, максимальный предел текучести и эффективная вязкость. Минимальный предел текучести, или предельное статическое напряжение сдвига, соответствующее началу разрушения структуры, определяли по формуле (0, но для минимального груза, при котором начиналось вра-
щение цилиндра вискозиметра. Предел текучести по Бингаму, или динамическое напряжение сдвига, находили по отрезку на оси абсцисс, отсекаемому продолжением прямолинейного участка кривой (рис. 1). Максимальный предел текучести определяли по отрезку на оси абсцисс, отсекаемому перпендикуляром, опущенным из точки перехода кривой в прямую линию (рис. 1). Он представляет собой то напряжение, при котором структура в жидкости разрушена полностью [3]. Вязкость замесов рассчитывали по формуле
р=КхР- \0 '/Ы, (2)
где К, — константа вискозиметра, зависящая от его размеров;
N — число оборотов цилиндра вискозиметра, об/с;
КГ1 — коэффициент пересчета пуаз в Па-с.
Реологические показатели исследуемых замесов приведены в таблице. Из рис. 1 и таблицы видно, что замесы из тритикале не имеют статического напряжения сдвига. Они имеют лишь небольшой участок течения с переменной вязкостью, далее их течение идет с постоянной вязкостью (кривые 1-3). Таким образом, замесы из тритикале можно отнести к псевдопластическим системам. Напротив, зависимость N = /(г) для замесов из пшеницы (кривые 4-6) и особенно ржи (кривые 7-9) имеет четко выраженный криволинейный характер. У этих замесов. минимальный предел текучести: 130-165,8 у пшеницы и 130-266,75 Па у ржи. Очевидна принадлежность подваренных пшеничных и ржаных замесов к структурированным системам Шведова—Бингама [3].
Таблица
Вид замеса Предел текучести, Па Минимальная эффективная вязкость, Па-с
мини- мальный по Бингаму макси- мальный
= 50° С
Тритнкалевый - 53,00 70.50 2,11
Пшеничный 150,00 329,00 342,00 8,43
Ржаной 246,70 530,00 553,33 13,55
= 60°С
Тритнкалевый - 59.00 78,50 2,08
Пшеничный 165,80 320,00 338,00 9,56
Ржаной 266,75 733,33 766,67 19,03
= 70°С
Тритккалевый - 42,75 47,00 1,15
Пшеничный 130,00 230,00 262,00 6,21
Ржаной 130,00 183,70 216,70 7,58
Структура тритикалевых замесов разрушается быстро уже при небольших значениях напряжения сдвига. Предел текучести по Бингаму для них составляет от 42,75 до 59 Па, а максимальный предел текучести — от 47 до 78,5 Па, т.е. в 5-6
раз меньше пшеничных и в 8-12 раз — ржаных. Следует отметить, что эта разница несколько уменьшается при температуре 70°С, при которой в результате термического воздействия на структуру замесов происходит их разжижение. Медленнее всех разрушается структура ржаного замеса при 60°С (кривая 9). Начинается это разрушение при статическом напряжении сдвига 266,75 Па и заканчивается при напряжении сдвига 766,67 Па.
Поскольку все исследуемые замесы относятся к неньютоновским системам, вязкость их является переменной величиной, уменьшающейся при увеличении напряжения сдвига до минимального постоянного значения, соответствующего замесу с полностью разрушенной структурой. Из таблицы видно, что в зависимости от температуры минимальная вязкость тритикалевых замесов меняется от 1,15 до 2,11 Па-с, т.е. она в 4-5 раз меньше, чем у пшеничных, и в 6-9 раз меньше, чем у ржаных замесов. Кривые изменения вязкости замесов в зависимости от напряжения сдвига при различных температурах приведены на рис. 2.
Видно, что для замесов из тритикале кривые вязкости (1-3) расположены значительно ниже, чем для пшеничных (4—6) и ржаных (7—9) замесов. Наибольшие значения имеет вязкость ржаного замеса при 60°С (кривая 9): она изменяется от 420,6 (замес с неразрушенной структурой) до 19,03 Па-с (замес с полностью разрушенной структурой). Вязкость тритикалевого замеса при этой же температуре уменьшается от 6,5 до 2,08 Па-с (кривая 2). Наименьшие значения — от 3,2 до 1,15 Па-с — имеет вязкость тритикалевого замеса при 70°С (кривая 1).
Выпуклый характер кривых 5, 6,8,9 и разброс точек на кривых 8, 9 (рис. 2) указывают на протекание тиксотропных процессов в пшеничных и ржаных замесах при 50 и 60°С. Тиксотропное восстановление структуры замедляется в этих за-
їзньіх. адлько орой в ктуру іеннее :а при іе при и за-' Па.
т
ятся к
ІЯЄТСЯ
и уве~ 1Г0 по іесу с Злицы мини-
ІЯЄТСЯ ньше, чем у ти за-а при 2.
эивые
ниже,
ЙЄСОВ.
;аного хя от й) до :трук-этой ! Па'с о 1,15 а при
ізброс іроте-:ых и зпное їх за-
месах при 70°С и полностью отсутствует в замесах из тритикале.
ВЫВОДЫ
Экспериментально показана принадлежность тритикалевых замесов к псевдопластическим, а ржаных и пшеничных замесов — к структурированным системам.
Установлено, что благодаря способности к само-разжижению зерно тритикале образует замесы, вязкость и пределы текучести которых значительно меньше, чем пшеничных и ржаных. Поэтому водно-тепловая обработка зерна тритикале должна проходить с меньшими энергозатратами, что свидетельствует о целесообразности использования
нового высокоурожайного сорта тритикале Таль-ва-100 для получения этилового спирта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чередниченко B.C., Пискареза Е.Н., Громов С.И., Рухлядева А.П., Воробьева Т.Н., Абрамова И.Н. Физико-химический состав тритикале и использование его в биотехнологических процессах / / Междунар. агропром. журн. — 1990. — № 3. — С. 22.
2. Калиниченко Е.А., Голенков В.Ф. Состав и свойства крахмала, выделенного из зерна тритикале, пшеницы и ржи / / Прикл. биохимия и микробиология. — 1981. — XVII. — Вып. 5. — С. 748.
3. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. — М.: Химия, 1975. — С. 329.
Кафедра биотехнологии Поступила 15.07.94
664.144:532.517.2
ВОЗНИКНОВЕНИЕ КОАГУЛЯЦИОННЫХ СТРУКТУР В КОНДИТЕРСКИХ МАССАХ
А.В. ЗУБЧЕНКО
Воронежская государственная технологическая академия
На начальной стадии смешивания пищевых порошков с жидкой фазой происходит их гидратация молекулами воды. На поверхности частиц образуются прослойки иммобилизованной воды с особой структурой, отличной от структуры объемной жидкости. В прослойках структурированной воды, разделяющих твердые частицы, возникают диполь-ди-польные и ионодипольные взаимодействия с образованием пространственной сетки водородных связей.
Сильное структурирование водных прослоек вызывает первоначальное ’’схватывание”, упрочнение структуры. В этот момент наблюдается резкий ’’пик” расхода мощности на перемешивание конфетной массы [1].
Особое состояние воды в тонких пленках, разделяющих твердые частицы, обусловлено влиянием дальнодействующих поверхностных сил, распространяющихся на десятки и сотни слоев молекул от поверхности раздела фаз.
Термодинамической характеристикой особого состояния воды в тонких пленках является зависимость расклинивающего давления от толщины пленки — изотерма П(к). В зависимости от толщины пленки к в ней могут преобладать молекулярные Пм, электростатические Пзл или структурные Пз силы, определяющие соответствующие составляющие расклинивающего давления Я. При к -* 0 и /г -»оо преобладают силы молекулярного притяжения, на промежуточных расстояниях — электростатического отталкивания. При сближении твердых частиц на расстояние, когда происходит разрушение граничных слоев жидкой фазы, возникают структурные силы отталкивания.
Рассмотрим с помощью изотермы П(1г) (рис. 1), как изменяются поверхностные силы при утонче-
Рис. ).
нии пленок воды, покрывающих гидрофильные поверхности твердых частиц. Ветви изотермы, где йП /йк<0, отвечают устойчивым состояниям пленки. При перемешивании массы, за счет трения твердых частиц друг о друга, стенки и лопасти мешалки толщина гидратных оболочек постепенно уменьшается и может достигнуть равновесной для /2-пленок толщины к1, при которой расклинивающее давление равно внутреннему (капиллярному) (Я = Ра). Как видно из рис. 1, в этой области ход изотермы определяется фактически только одной составляющей расклинивающего давления — электростатической {Пэл»Пм и Пэл>>Пз).
При дальнейшем утончении гидратных оболочек (к<к.) расклинивающее давление резко уменьшается до отрицательных значений, при йП/йк -~ 0 происходит разрыв /3-пленок, скачкообразное
