Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние процесса сушки на технологические свойства зерна 10
1.1. Изменение биологических свойств зерна в процессе сріки 10
1.2. Внутренний влагоперенос в зерне и методы его исследования 12
1.3. Методы определения коэффициента диффузии влаги в зерне 15
1.4. Перенос водорастворимых веществ в зерне при сушке и увлажнении 22
1.5. Сушка, как возможный источник загрязнения зерна канцерогенными соединениями 26
1.6. Влияние процесса сушки на микрофлору зерна 28
2. Исследование механизма влагопереноса в зерне в процессе сушки 31
2.1. Исследование коэффициента диффузии влаги анатомических частей зерна 31
2.1.1. Теория эксперимента 31
2.1.2. Методика эксперимента 33
2.1.3. Результаты экспериментальных исследований . 35
2.2. Влияние режимов сушки и параметров зернового слоя на качество сушки 43
2.3. Исследование механизма влагообмена в слое зерна 61
3. Экспериментальное исследование миграции микроэлементов в зерне пшеницы в процессе сушки 66
3.1. Методы определения микроэлементов в биологических объектах 66
3.2. Методика атомно-абсорбционного анализа 72
3.3. Кинетика переноса микроэлементов при сушке зерна в плотном слое 77
3.4. Механизм переноса микроэлементов в процессе сушки зерна 90
3.5. Кинетика переноса микроэлементов при сушке зерна в рециркуляционных пневмогазовых установках 94
4. Влияние режимных параметров и способа сушки на микрофлору зерна и степень поглощения продуктов сгорания топлива 101
4.1. Исследование насыщения зерном канцерогенных соединений в процессе сушки 101
4.1.1. Методика определения
3.4 Бензпирена в зерне. 102
4.1.2. Результаты экспериментальных исследований . 107
4.2. Влияние высокотемпературного нагрева в трубе - сушилке рециркуляционных пневмогазовых установок на заселенность зерна микрофлорой 114
Основные результаты и выводы 124
Список условных обозначений 126
Литература
- Внутренний влагоперенос в зерне и методы его исследования
- Результаты экспериментальных исследований
- Кинетика переноса микроэлементов при сушке зерна в плотном слое
- Результаты экспериментальных исследований
Введение к работе
Продовольственная программа СССР, принятая 24 мая 1982 года Пленумом Центрального комитета КПСС наметила довести производство зерна в II пятилетке до 238-243 млн.т, в 12 пятилетке до 250-255 млн.т. Поставленная задача должна быть решена не только за счет увеличения валовых сборов, но и за счет сокращения потерь и повышения качества сельскохозяйственной продукции путем широкого внедрения прогрессивных технологий производства.
Проблема сушки зерна остается одной из наиболее острых во всей системе мероприятий послеуборочной обработки зерна. Своевременная и качественно проведенная сушка ускоряет процесс послеуборочного дозревания зерна, сокращает физические потери и обеспечивает сохранность технологических свойств после сушки.
Технический прогресс в зерносушении в последнее десятилетие характеризуется переходом от традиционной сушки в барабанных и шахтных сушилках к высокопроизводительным рециркуляционным агрегатам. Шахтные сушилки имеют неплохие показатели по расходу энергии, но обладают весьма серьезным недостатком: в них происходит ухудшение качества зерна - снижение количества и качества клейковины и семенных свойств вследствие неравномерности нагрева массы зерна. К серьезным недостаткам шахтных сушилок следует отнести и невозможность высушивания в них за один проход без резкого ухудшения качества зерна высокой влажности. Этот недостаток особенно ощущается в дождливых районах страны, когда значительная часть поступающего зерна имеет влажность 25-35 %.
Впервые предложенный в ИТМО АН БССР метод сушки зерна, основанный на принципе рециркуляции и сушки в осциллирующем режиме был призван интенсифицировать процесс и устранить указанные выше недостатки.
Внедрение современного зерносушильного оборудования базируется на научно обоснованном выборе рационального способа сушки зерна, обеспечивающего заданные технологические свойства в зависимости от его назначения (семенное, продовольственное). Сложный химический и структурный состав отдельных частей зерна - зародыша и эндосперма - определяет различие влагопереносных характеристик и, как следствие, скорости удаления влаги. Поэтому технологическая обработка зерна неизменно протекает с трансформацией его биологических свойств, чем и определяется качество зерна после сушки.Степень изменения этих свойств обусловлена как параметрами процесса, так и условиями влагопереноса.
При сушке зерна важно осуществить такие режимы, при которых зона испарения находится у поверхности зерна, а внутренний влаго-перенос осуществляется в виде жидкости. В этом случае растворенные питательные вещества и, в частности, микроэлементы накапливаются в зародыше зерна, что создает благоприятные условия для дальнейшей его жизнедеятельности.
Поскольку перенос растворимых веществ осуществляется вместе с „удаляемой влагой, то рост концентрации микроэлементов в зародыше зерна определяется скоростью удаления влаги из эндосперма. Интенсивность внутреннего влагопереноса определяется коэффициентом диффузии - основным кинетическим коэффициентом в уравнении для потока влаги. Знание его величины и зависимости от параметров процесса с учетом анизотропии позволяет научно обосновать способы и режимы сушки, при которых происходит'максимальное накопление микроэлементов в зародыше зерна.
В последнее время появились данные отечественных и зарубежных исследователей, свидетельствующие о наличии в продуктах питания, в том числе и зерне, полициклических ароматических углеводородов, обладающих канцерогенным действием. В зерне практически
всегда присутствует фоновое содержание канцерогенного углеводорода - 3,4 бензпирена, которое во многом определяется степенью удаления полей произрастания от промышленных предприятий. В то же время отмечается, что это содержание может возрастать во много раз в результате термообработки зерна.Предварительные данные свидетельствуют о том, что степень насыщения зерна канцерогенными соединениями определяется в первую очередь видом топлива и режимом работы топочного устройства, а также способом и режимом сушки.
Учитывая, что зерно является сырьем для производства наиболее массовых продуктов питания, выявление источников и путей попадания в зерно канцерогенных соединений, а также разработка мероприятий по предотвращению этого явления представляется одной из важных задач в охране здоровья человека.
Среди ряда задач, преду смотренных Продовольственной программой СССР, особое место занимает создание новых эффективных средств защиты растений от болезней и вредителей. Такие повсеместно распространенные болезни зерновых, как пыльная головня, корневая гниль, фузариозы способны нанести огромный вред сельскому хозяйству. Достаточно сказать, что ежегодные потери ячменя от корневой гнили в БССР составляют 10 % от общего урожая.
В последнее время наметилось направление проведения обеззараживания зерна нагретым воздухом, то есть совмещения его с сушкой. Это вызвано энергоемкостью термического и химического способа обеззараживания и недостаточной их эффективностью.
Целью настоящей работы явилось изучение влияния способов и режимных параметров процесса сушки на качество семенного зерна. Главной задачей работы явился выбор рационального способа сушки.
Для ее решения были поставлены следующие задачи: - разработать методику исследования кинетики переноса микроэлемен-
тов в процессах сушки;
исследовать влияние режимных параметров и способа сушки (в плотном слое, комбинированным способом) на кинетику переноса микроэлементов к зародышу зерна;
изучить механизм переноса на основе сравнительного анализа диффузии микроэлементов и влаги;
изучить влияние способа сушки на закономерности развития полей влагосодержания;
исследовать кинетику сорбции канцерогенных соединений в процессе сушки зерна в плотном слое и комбинированным способом;
исследовать влияние температуры агента сушки в трубе - сушилке пневмогазовой установки на микрофлору зерна;
апробация комбинированного способа сушки в установках 3II-I0 в совхозе "Карповичи" Минской обл. и экспериментальной базе'іодино".
Поставленные в работе задачи решались посредством следующих методов: метода стационарного потока вещества при изотермических условиях; метода определения концентрации микро- и макроэлементов Си, 7/г , ґ/п , С a , Fe в различных частях зерна с использованием атомно-абсорбционного анализа; метода определения в зерне канцерогенного углеводорода 3,4 бензпирена по квазилинейчатым спектрам люминисценции в парафиновых углеводородах при температуре жидкого азота, количественного их анализа методом стандартов с установкой по фону;
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые разработан метод изучения переноса микроэлементов в зависимости от режимов и способа сушки и установлены закономерности, связывающие режимы термообработки со степенью накопления микроэлементов в зародышевой части зерна;
на основе расчета критерия Киршчева и градиента влагосодержав ния проведен сравнительный анализ сушки зерна в плотном слое и
комбинированным способом;
выявлено влияние способов и режимов сушки зерна на накопление канцерогенного углеводорода 3,4 бензпирена;
впервые исследовано и выявлено влияние температуры агента сушки в трубе - сушилке пневмогазовой рециркуляционной зерносушилки на степень обеззараживания зерна от микрофлоры.
Практическая ценность работы: полученные данные по миграции микро- и макроэлементов к зародышу зерна использовались при выборе оптимальных параметров сушки семенного зерна и анализа работы рециркуляционной зерносушилки. Осуществлено дальнейшее развитие методики по определению ряда микро- и макроэлементов в зерне. Полученные данные по влиянию температуры теплоносителя на патогены рода Зіроагі4 $ookLnlQnQ и плесневых грибов родов й-ірегдеі-ііи<> 4р.р. ,Репісійит ір.р, послужили основой при выборе режимов сушки, при которых происходит обеззараживание зерна. Результаты работы по исследованию кинетики сорбции зерном канцерогенных соединений могут быть использованы при выборе оптимального способа сушки.
Результаты диссертационной работы использованы СКБ и ОП ИТМО АН БССР при разработке рециркуляционной зерносушилки ЗП - І0Л для совхоза "Карповичи" Вилейского района БССР. Экономический эффект составил 90698 рублей.
Диссертационная работа выполнена в сушильно-термической лаборатории ордена Трудового Красного Знамени Институте тепло- и мас-сообмена им.А.В.Лыкова АН БССР по теме "Создать и внедрить в производство технологию для сушки зерновых культур, обеспечивающую повышение всхожести семенного зерна и сохранения количества и качества клейковины для продовольственного зерна, а также исключающих попадание в семена канцерогенных соединений", выполненную по заданию ГКНТ СССР (№ гос.регистрации 77066574), по теме "Разрабо-
тать новые методы элитного семеноводства перспективных сортов и технологию производства высокопродуктивных семян зерновых, уточнить нормативные требования стандартов на семена сортовых посевов (№ гос.регистрации 0182.1037284), выполняемой по заданию СМ БССР; в соответствии с хоздоговором № 394 "Исследование метода обеззараживания семян и посевных качеств при сушке на пневмогазовой сушилке, заключенному между ИТМО АН БССР и Институтом земледелия МСХ БССР (J6 гос.регистрации 81000966).
По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, получено 3 авторских свидетельства и одно положительное решение.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Дальнейшее совершенствование теории, технологии и техники сушки" (г.Чернигов, 1981), и на научно-техническом семинаре комитета по сушке (ЕРСНТО) (г.Минск, 1983).
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения. При этом общий объем диссертации составляет 176 с, в том числе - 38 рисунков, 17 таблиц, 36 с. приложения. Библиография насчитывает 125 наименований.
I. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШИ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ЗЕРНА
I.I. Изменение биологических свойств зерна в процессе
сушки
Влажные пищевые материалы, как объекты сушки, имеют различные специфические особенности, которые обусловлены их структурой, химическим составом, методами предварительной обработки.
Поэтому первостепенное значение приобретает изучение таких свойств влажных материалов, как теплофизические, электрофизические, структурно-механические, физико-химические, биологические и др. Следует также отметить и такие свойства некоторых материалов, как термолабильность и влагоинервдонность, при наличии высокой теплопроводности в таких материалах происходит значительный перегрев при малой влагоотдаче. Это особенно свойственно материалам биологического происхождения с наличием термочувствительных белковых соединений / I, 2 /.
При сушке зерна стремятся к сохранению, а во многих случаях и к повышению его качества. Для семенного зерна в первую очередь обращают внимание на энергию прорастания и всхожесть, а при сушке зерна продовольственного назначения - на количество и качество клейковины. Хотя для продовольственного зерна и не ставится задача сохранить семенные свойства, однако их снижение служит сигналом изменения хлебопекарных свойств клейковины / 3 /.
Зерно, как объект сушки, относится к коллоидным капиллярно-пористым телам с анизотропией как по строению, так и по химическому составу, который определяется наличием белков, углеводов, жиров, золы, витаминов и ферментов. Все перечисленные соединения выполняют определенные функции ж жизненных процессах зерна и их активность после сушки зависит от степени нагрева зерна / 4-9 /.
- II -
Белки являются более термолабильными, чем жиры и углеводы, поэтому при нагреве сырой пшеницы до 60С в течение длительного времени наблюдается постепенное уплотнение белков клейковины, в результате чего последние теряют способность удерживать первоначальное количество влаги /4,5/. Дальнейший рост температуры нагрева до 180С приводит к резкому снижению гидратации белков, и, как следствие, к падению активности каталазы - фермента, который определяет хлебопекарные свойства / 6 /. Но еще быстрее повреждаются ферментные системы, контролирующие поглощение кислорода зерном, что приводит к снижению жизнедеятельности семян / 5 /.
Изменение технологических свойств зерна, высушенного при высоких температурах, продолжается и в период его последующего хранения. Так при нагреве зерна до 68 и 76С снижается количество отмываемой сырой и сухой клейковины, причем изменения в ее физических свойствах наблюдается в течение последующих 5-Ю суток хранения / 7 /.
Таким образом, наличие термочувствительного белкового комплекса определяет для зерна пшеницы безопасную температурную зону 45-55С / 8 /. Причем нижний предел 45-47С относится к зерну с нормальной и крепкой по качеству клейковиной, а верхний предел 52-55С - к з.ерну со слабой по качеству клейковиной / 9 /.
Допустимая температура нагрева зерна определяется в зависимости от его влажности и продолжительности нагрева по формуле, предложенной Птициным С.Д. / 10 /,
5 0,5?'(100-wJ-hW У
Уточненная формула, предложенная Катковой О.Н. / II /, учитывает не только влажность зерна и температуру нагрева, но и массовую скорость агента сушки VjO -
За допустимую температуру нагрева зерна в этой работе принимали такую, при которой всхожесть зерна сохранялась полностью или снижалась не более, чем на 10$. Это во всех случаях гарантировало полное сохранение качества и количества клейковины.
Наряду с максимально допустимой температурой нагрева зерна необходимо учитывать также скорость доведения продуктов до этой температуры, продолжительность выдержки при максимальной температуре, которая определялась способом сушки. Так,при сушке в рециркуляционных пневмогазовых зерносушилках средняя температура нагрева зерна может быть несколько повышена благодаря кратковременности контакта агента сушки с материалом, в то время как при сушке зерна в плотном слое такой нагрев приведет к биохимическим изменениям в зерне и, как следствие, к потере его качества / 2 /.
1.2. Внутренний влагоперенос в зерне и методы его
исследования
Зерно по своему строению относится к материалам, для которых скорость теплопереноса превышает скорость влагопереноса. Характеристикой влагоинерционности материала является критерий Лыкова / 12 /:
Lu = -*- . (1.3)
Для зерна пшеницы значение Lu составляет 0,3»I0 . При сушке зерна пшеницы в плотном слое температура нагрева в течение 5-Ю минут практически сравнивается с температурой агента сушки ) 13 /, в то время как процесс испарения и поступления влаги из
- ІЗ -
центра зерна протекает очень медленно.
Увеличение скорости движения агента сушки в плотном слое в пределах 0,15-1,5 м/с не приводит к заметной интенсификации процесса сушки. Таким образом, скорость сушки зерновых культур лимитируется не внешним тепло- и массообменом, а скоростью перемещения влаги внутри зерна, которая обусловлена связью поглощенной влаги с его клетками / 12 /.
Процесс перемещения влаги в зерне оценивали по интенсивности окраски влажного среза зерна парами йода или другими красителями / 14 /, или измеряя плотность отсеченных частиц эндосперма / 15 /. Однако ввиду недостаточной точности эксперимента данные методы не получили широкого распространения. Таким же недостатком обладает метод определения влажности зерна по смещению интерференционных полос / 16 /, поскольку он не учитывает влияния биополимеров зерна на коэффициент преломления.
В ряде работ по исследованию механизма переноса влаги в материалах в процессе сушки был использован метод радиоактивных индикаторов, основанный на регистрации излучения радиоактивных изотопов, вводимых в исследуемый материал / 18-22 /. Этот метод обладает рядом достоинств: а) имеет чрезвычайно высокую чувствительность, б) присутствие нерадиоактивных веществ не влияет на измерение активности образца / 17 /.
Разработка данного метода для исследования механизма перено
са влаги в коллоидных капиллярно-пористых телах (торф, увлажнен
ный ) позволила получить как качественную
картину, так и провести количественную оценку значений величин
О и 0<5и на различных этапах сушки / 18 /. В дальнейшем с помощью этого метода была показана специфика удаления влаги из торфа в зависимости от энергии связи ее с твердой фазой / 19 /.
Для исследования процесса увлажнения зерна Сахаровым Э.Б.
был разработан метод прямой регистрации влаги в любой точке зерна по авторадиограммам / 20-22 /. Зерно пшеницы увлажняли тритиевой водой, помещали в криостат и после заморозки нарезали на микротоме в продольном и поперечном направлениях. Срезы зерна помещали на ядерную фотопластинку. Полученные авторадиограммы обрабатывали на микрофотометре. Этим методом были получены кривые изменения влагосодержания в различных частях зерна в зависимости от температуры и длительности процесса увлажнения, рассчитаны коэффициенты диффузии влаги в зерне.
Автором показано, что влагосодержание зародыша линейно снижается вследствие миграции влаги в эндосперм. По его мнению это связано с биологической особенностью клеток эндосперма, примыкающих к щитку / 20 /.
Процесс миграции влаги усиливается с ростом температуры нагрева зерна. Если при температуре 5С при увлажнении зерна в течение 6 часов наблюдаются незначительные изменения в содержании влаги в эндосперме, то уже при температуре 20С содержание влаги во всех частях зерна уравнивается за этот же промежуток времени. При температуре 60С такого результата достигают уже через 2 часа / 21 /.
Особенности строения зерна - размер зерновки и анизотропность
создают большие трудности при исследовании внутреннего влагопере- і
носа при термообработке. Поэтому важное значение приобретают анали
тические методы расчета полей влагосодержания на основе экспери
ментально изученной зависимости коэффициента диффузии влаги от
влагосодержания и температуры нагрева. '
Проведенные в работе ) 23 / расчеты массообменного критерия Кирпичева А2/77 » градиента влагосодержания QZud U и критерия гомохронности Fom позволили изучить характер изменения полей влажности на поверхности и в центре зерна при сушке высоко-
влажного зерна С W = 30 %) в кипящем слое. Поскольку процесс сушки такого зерна протекал в период постоянной скорости, должны были выполняться условия параболического распределения влаги, а именно: Fo > 0,5, 8 <Кіт -с 2 / 12 /.
Однако как показали исследования авторов, при сушке зерна в кипящем слое такой картины не наблюдалось. В ряде экспериментов значения /^ для первых 15-30 с сушки превысили 2 и достигли 3,7. В последующие промежутки времени величина riL/n резко уменьшается в связи с ростом Qm . Кроме того, при данном способе сушки при нагреве зерна до допустимой температуры, критерий /О^ ожидаемого значения 0,5 не достигает.
В итоге в работе сделан вывод, что распределение влаги в зерне при сушке в кипящем слое отличается от параболического, что может быть объяснено специфическими свойствами зерна Действительно, в экспериментах по определению U^ структурные особенности зерна не учитывались, а исследовалось влияние на значение Ою влаго-содержания зерна и температуры нагрева. Однако наличие двух разных по строению структур - оболочки и крупки, на наш взгляд, также должно сказаться на значении От , что необходимо учитывать в аналитических расчетах при обосновании способов сушки.
1.3. Методы определения коэффициента диффузии влаги в зерне
Как было показано в 1.2 аналитическое исследование полей влажности в зерне опирается на знание зависимости Qm (W, t) Ввиду особенностей строения зерна исследование основного кинетического коэффициента связано с большими трудностями. Практически все существующие методики неприменимы к зерну ввиду малости его размера.
Аналитическая задача исследования коэффициента диффузии влаги в зерне была решена в работах / 24,25 /. Авторы воспользова-
лись уравнением диффузии, выразив концентрацию через содержание влаги на сухое вещество:
7^ exp(-rfM-*Qm-b)% (1.4)
_ т-ms
At =^
m0-ms ?i
где ЇЇ) - конечная влажность, %; ЇЇ?0 - начальная средняя влажность, %\ ms - поверхностная влажность, %.
Зерно просушивали в кипящем слое и определяли среднюю скорость сушки за 20 минут. Начальная влажность в опытах изменялась в пределах 17-33,0 % на сухой вес, температура агента сушки изменялась в пределах 24,7-79,5С. В расчетах зерно принимали за шар эквивалентного размера. Решив уравнение диффузии для шара(1.4), авторы определяли коэффициент диффузии Qm из графика
"-А^ЧъЧ-
&*Qm г
В результате авторы пришли к выводу, что Qm практически не зависит от влажности зерна и является функцией только температуры нагрева. При t - 24,7 и 79,5С Qm соответственно равен 0,097-Ю""10 м2/с и 0,277-Ю-9 n^/c.
В работе J 25 / правая часть уравнения диффузии для шара (1.4) представлена в виде ряда
ms - л?*? цуг
где JC = -у- Щт Т ' ,В; котором $/У - отношение поверхности к объему, 1/см; 3 - безразмерная константа, Л /77; = 0,053-0,00046 t - поправка, учитывающая влияние температуры t на первоначальный прирост влажности зерна.
При малых значениях X уравнение (1.5) перепишется в виде
/ -/v = 7^x ^-^
Коэффициент диффузии определяли по формуле:
Zm =
5 т« -т0
(1.7)
\[Т
Рассчитанное по этой формуле значение Qm при t = 20С составило 1,6-10-8 сы^/с.
Величина коэффициента диффузии влаги в зерне зависит от его сортовых особенностей / 26 /. По описанной выше методике / 25 / авторы определяли Qm для четырех сортов пшеницы с начальной влажностью 11,05-15,6 % на сухой вес. Анализ полученных результатов показал, что, если при t - 26-30С разницы в значениях для четырех сортов нет, то уже при температурах 89-98,3С влияние сортовых различий существенно ( Qт ~ 0,246'1СГ9-0,75'1СН9 иг/с и 0,07510-0,089-10-9 ь^/с соответственно).
Из приведенных работ следует, что коэффициент диффузии не зависит от влажности зерна и, следовательно, от формы связи влаги с материалом, что противоречит выводам других авторов.
Экспериментальные исследования коэффициента диффузии влаги в зерне базируются в основном на методах нестационарного массообме-на, как наиболее приемлемых к зернистым материалам.
Никитина Л.М. и Кучмель М.А. использовали метод нестационарного потока вещества при изотермических условиях / 12 / в модификации Ермоленко В .Д. / 28 / для определения коэффициентов массо-переноса ряда зерновых культур / 27 /. Предложенный А.В .Лыковым,
этот метод основан на решении задачи теплопроводности для двух полуограниченных тел (исследуемого и эталонного) при граничном условии четвертого рода, соответствующего идеальному контакту тел. Решение этой задачи при малых перепадах потенциала массопереноса внутри исследуемого тела записывается в виде:
"<(х-У-"г = ег/ ^=, (1.8)
а формула для йт имеет вид:
Q">= ~TF (1-9)
где 6 - to угла наклона прямой, проходящей через начало координат аргумент функции Є&/ - точки тела ОС .
Таким образом, для определения Qm исследуемого тела необходимо знать распределение влажности в момент Z в ряде точек X вдоль образца. Методика упрощается, если вместо нахождения влаго-содержания вдоль образца определять прирост или убыль влаги через определенный промежуток времени / 28 /. Тогда йт находится из выражения
/і,
(І.Ю)
а *
Полученные в / 27 / данные позволили авторам сделать вывод, что коэффициент диффузии влаги Qm определяется температурой процесса и начальной влажностью зерна. С ростом температуры (Хт увеличивается (для гречихи при LL = 0,2 кг/кг t = 45 С
Qm= 0,222-10-8 и?/с, а при t = 60С Qm = 0,272-10-8 м2/с) С повышением начальной влажности зерна Пт падает (для пшеницы при t = 20С й = 0,13 кг/кг Qm = 0,377-10-^/0, а при й= 0,27 кг/кг ат « 0,01-10-8 м^с).
Необходимо отметить, что значения Qm , полученные в этой
работе, на несколько порядков выше данных других авторов, что, по-видимому, объясняется нарушением идеального контакта исследуемого и эталонного материала при проведении экспериментов.
Этого недостатка можно избежать, если исследуемое зерно спрессовать в образец протяженной формы до плотности, соответствующей плотности единичного зерна. Такая предварительная обработка обычно применяется при исследовании мелкодисперсных материалов. Естественно, что при этом нарушается структура исследуемого материала, что вносит некоторую погрешность в измерения. Гинзбург JLC. и др. / 29 / определяли коэффициенты диффузии влаги в зерне высокого начального влагосодержания LL = 0,283-0,436 кг/кг. На основе метода Лыкова А «В. была создана установка, в которой влагосо-держание отдельных слоев запрессованного зерна находили по изменению электрического сопротивления.
Результаты опытов показали сложную зависимость Qm (й-, ) , обусловленную формой связи влаги с зерном. Следует отметить, что в отличие от результатов работы / 27 /, с ростом LL коэффициент диффузии растет, причем его максимальное значение приходится на область LL около 0,323 кг/кг, что близко к гигроскопической точке зерна пшеницы. Обобщенная зависимость Qm (їй. , t ) , полученная в работе,имеет вид:
а>»-Лй'Лй + с Ш* '"'' (ІДІ)
где /I , В и С - коэффициенты, зависящие от области влагосодержания зерна:
при LL = 0,283 - 0,324 кг/кг А = 558, = -382, С = 67,8; при LL = 0,324 - 0,360 кг/кг /I = 3620, В = 2340, С = 38064; Т0 - абсолютная температура зерна, при которой экспериментально определяли значения Qm , К - коэффициент,зависящий от влагосодержания зерна:
/< = 179 LL - 41,5 при 0,283 < U < 0,324; К = 16,5 LL + 11,72 при 0,324 <. LL < 0,436.
Как было показано в 1.2, в ряде работ по исследованию внутреннего влагопереноса, был использован метод радиоактивных изотопов. Меленевской Н.А. и Ленским Л.А. была изучена кинетика изотопного обмена водорода "влагонасыщенных зерен пшеницы и определены коэффициенты диффузии влаги в зерне различных культур / 30,31 /. Согласно этим исследованиям, коэффициент диффузии существенно зависит от влажности зерна, причем при изменении последней от 60 до 6% на сухой вес Qm уменьшается в 10-10 раз. С ростом температуры нагрева зерна Qm увеличивается по экспоненциальному закону.
Полученные в этой работе значения Qm на один-два порядка меньше, чем в / 27-29 /. Объясняют это меньшей скоростью перемещения меченой влаги в зерне и определением влажности по данным изотопного обмена / 29 /.
Аналогичные данные были получены в работе / 22 /, в которой в качестве индикатора использовали тритиевую воду. Влажность зерна определяли расчетным путем по чернению фотопластинки. Такой метод расчета существенно зависит от многих опытных факторов -экспозиции и условия проявления фотопластинки, в итоге ошибка измерения может быть больше 30 % / 32 /.
Для определения коэффициентов диффузии влаги в зерне без учета структурных особенностей удобно применять метод Горобцовой Н.Е., основанный на определении среднеинтегральной скорости сушки образца / 33,34 /. В период постоянной скорости сушки Qm определяется по выражению
U Г(й.-й.)(йк-ин) ' алг)
где A/j - среднеинтегральная скорость сушки в период постоянной скорости; Я, /Zv - характерный размер и гидравлический радиус образца; Г - геометрический параметр:для неограниченной пластины Г = 3, неограниченного цилиндра / = 4, для шара Ґ = 5; LLn , LL , LL„9 LLM- начальное, текущее, критическое и макси-мальное гигроскопическое влагосодержание.
Принимая й ~ир=Ви0, из (I.I2) следует:
/
и0 а -з)
(I.I3)
(/-6)/ я/г
д =
L ВГ(й0-й)
или при UM = Up I(/ -В)
Гй.
(I.I4)
где = (7 -j/[ (/ - и/и0) .
Для исследования изменения Q.m от влагосодержания во втором периоде Горобцова Н.Е. воспользовалась формулой Ермоленко В.Д. для неограниченной пластины, а для упрощения задачи применила численный метод определения локальных полей влагосодержания по сред-неинтегральной кривой сушки:
Расчетная формула для определения Qm во втором периоде сушки имеет вид:
_0,5А/ЯИУ \<5йах Ви0
(S-3J
Ід~^г--Л. (і.іб)
Анализируя данные различных авторов, можно сделать вывод о существующем разногласии в оценке величины коэффициента диффузии влаги и степени его зависимости от влагосодержания и температуры,
Кроме того, недостаточно полно изучены диффузионные свойства анатомических частей зерна - оболочки и крупки.
В инженерных расчетах процесса сушки с различным состоянием зернового слоя (плотный, кипящий, взвешенный) анизотропность зерна необходимо учитывать при обосновании рационального способа сушки. Таким образом, очевидна необходимость дополнительного исследования влияния влажности и температуры нагрева на коэффициент диффузии влаги в оболочках и центральной части зерна.
1.4. Перенос водорастворимых веществ в зерне при сушке
и увлажнении
Достижения современной теории сушки дают возможность регулировать и направлять процессы, протекающие внутри материала путем изменения механизма переноса влаги. Влага различных материалов содержит растворимые вещества, которые при сушке накапливаются в зоне испарения.
Впервые экспериментально это явление было исследовано Лыковым А.В. в опытах по сушке кожи / 12 /. Кривые кинетики концентрации таннинов для трех слоев кожи (лицо, бахтарма, середина) показывают, что их концентрация на поверхности кожи непрерывно растет, а внутри уменьшается (рис.1.1). После такой обработки кожа становится ломкой и сухой. Для получения качественного материала необходимо сократить поток жидкости за счет увеличения потока пара. Поставленная задача может быть решена двумя путями: I) за счет уменьшения коэффициента диффузии влаги при одновременном росте интенсивности сушки, 2) за счет увеличения градиента температуры
Д Z внутри материала. При понижении относительной влажности кр агента сушки, интенсивность сушки растет, а коэффициент диффузии падает, что способствует испарению влаги внутри материала.
С увеличением скорости агента сушки увеличивается At ,при-
Зависимость между количеством водных вымываемых в коже и временем в процессе сушки
20 Т, М
Режим сушки
Рис. I.I : t = 30С, \р = 0,7, 1/= 0,5 м/с / 12 /
чем наличие испарения внутри материала будет способствовать его росту. Опытная проверка полностью подтвердила эти выводы: кожи, высушенные при невысокой влажности и низкой температуре агента сушки, движущегося с высокой скоростью, обладают хорошим качеством.
Таким образом, обоснование режимов сушки должно осуществляться в зависимости от конкретных свойств материала и требуемых технологических задач.
При сушке зерна эффективен путь создания условий, при которых градиент температуры АЬ меняет направление. Такое явление наблюдается при осциллирующих режимах сушки (комбинирование циклов нагрева и охлаждения), этот принцип положен в основу разработанного в ШМО АН БССР способа сушки во взвешенном состоянии /35/. Существует мнение, что наблюдаемое повышение всхожести и энергии прорастания зерна, высушенного таким способом, происходит за счет переноса влаги в виде жидкости, а с ней и минеральных веществ по направлению к поверхности зерна и к его зародышу / 29,35 /.
Качественная картина переноса была получена в работах Максимова Г.А. / 36,37 /. При проращивании в семена тыквы вводился радиоактивный кальций Си . Семена нагревали в высокочастотном поле (у = 50 мГц)в течение 1,5-3,0 минут до температуры 50-55С. После этого снимали авторадиограммы семян, из которых видно, что LQ. концентрируется в области зародыша. Объясняют этот факт тем, что при сушке в: высокочастотном поле внутри зерна тыквы генерируется энергия и температура центра выше температуры поверхности. Направление температурного градиента и влаги совпадает, что усиливает процесс переноса влаги вместе с растворенными веществами к его поверхности. Всхожесть зерна после такой обработки возросла по сравнению с необработанным / 37 /. Это связано с тем,что с влагой в область зародыша переносятся вещества, необходимые для
роста растений. Особенно важно наличие среди них микро- и макроэлементов - веществ, содержащихся в растительных организмах в малых количествах (в тысячных долях процента) / 38 /.
Для осуществления основных жизненных функций растениям необходим целый ряд элементов, в первую очередь медь, бор, молибден, марганец, цинк, железо ) 38 /. Они оказывают значительное действие на физиологические функции растительных организмов, осуществляющиеся через ферментные системы путем активирования продуктов промежуточного обмена. Например, бор, марганец, цинк, медь повышая гидрофильность протоплазменных коллоидов, способствуют удержанию растениями свободной и связанной влаги, благодаря чему повышается засухоустойчивость растений. Железо, марганец непосредственно участвуют в построении молекул ферментов, катализирующих процессы обмена белков, углеводов, нуклеотидов и других соединений в клетке. Присутствие в структуре микроэлементов качественно изменяет каталитические свойства белка / 39 /.
Минеральные вещества распределены по зерну неравномерно.Зольность оболочек с алейроновым слоем составляет 5,3-9,5 %, зародьша со щитком 4,3-6,4 %, крахмалистого эндосперма 0,22-0,46 % / 3 /.
В процессе технологической обработки содержание микроэлементов в различных частях зерна может изменяться / 40-43 /. Так при холодном увлажнении изучаемые микроэлементы разделились на две группы. Содержание Fo. возросло в зародышевой части зерна, в то время, как /1л , М , Zn мигрировали в срединную часть из верхушечной и, в большей мере, из зародышевой части / 41 /. Увлажнение с подогревом привело к перемещению всех указанных элементов из срединной части в зародышевую / 42 /.
Анализ этого явления показал, что процесс переноса минеральных веществ в зерне нельзя рассматривать как результат только биологических свойств. Теплофизические явления, сопровождающие
процессы набухания, приводят к созданию направленной массопровод-ности и, как следствие, к обогащению зародышевой части зерна микроэлементами.
Из приведенных работ следует важный вывод о зависимости переноса микроэлементов от режима обработки зерна. Однако остается невыясненным вопрос о механизме такого переноса. Утверждение о выносе микроэлементов вместе с влагой должно быть обосновано экспериментально. Очевидно, что, если такой перенос существует, то он связан со структурой зерна и дать ответ на этот вопрос можно только путем сравнения диффузионных особенностей влаги в зерне и растворимых веществ. В настоящее время, насколько нам известно, в литературе нет работ, рассматривающих этот перенос в процессе сушки в зависимости от режимных параметров и состояния зернового слоя. Представляется, что учет переноса микро- и макроэлементов наряду с известными способами определения качества зерна после сушки позволит обосновать новую технологию сушки зерна.
1.5. Сушка, как возможный источник загрязнения зерна канцерогенными соединениями
Качество зерна после сушки тесно связано с проблемой загрязнения зерна продуктами сгорания топлива. Давно замечено, что пищевые продукты, подвергнутые сушке в условиях непосредственного контакта с агентом сушки, накапливают на своей поверхности канцерогенные вещества, такие как I.I2 бензперилен и 3,4 бензпирен / 47-50 /.
Исследования, проведенные Ленинградским институтом онкологии им.Петрова показали, что наличие в агенте сушки 3,4 бензпирена зависит от типа и режима работы промышленных горелок. На возможность образования 3,4 бензпирена при сгорании природного газа влияют такие факторы как коэффициент избытка первичного воздуха о, ,
степень однородности газовоздушной смеси и совершенство организации подвода вторичного воздуха / 44 /. Сжигание природного газа при коэффициенте избытка воздуха, меньше I без подвода вторичного воздуха сопровождается появлением значительных количеств 3,4 бенз-пирена в продуктах сгорания (до 1-2 мкг на І м сгоревшего газа). Еще большее количество 3,4 бензпирена и других полициклических ароматических углеводородов образуется при сжигании других видов топлива - жидкого и твердого. Многочисленные данные свидетельствуют о том, что в действующих установках практически очень трудно создать такой режим горения перечисленных видов топлива, при которых не происходило бы образование 3,4 бензпирена и других полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) / 45,46 /.
Как правило, агент сушки является основным источником поступления ПАУ в пищевые продукты. Исследования по сушке семян подсолнечника показали значительное увеличение содержания ПАУ в семенах после сушки. Если до сушки в пробах масла содержалось 0,8 мкг/кг 3,4 бензпирена, то после сушки его концентрация возросла до 11,3 мкг/кг масла / 47 /. Как показали авторы, основным источником поступления 3,4 бензпирена в масло после сушки семян явилась семенная оболочка, часть которой (иногда до 20-30 %) идет на переработку.
При сушке фруктов ^чернослив) также наблюдали значительное увеличение концентрации 3,4 бензпирена от 1,0 до 16,0 мкг/кг / 48 /. Особенно значительное накопление ПАУ имеет место в случае копчения мясных продуктов. По данным Городысского В.И. в окороке после соответствующей обработки содержание 3,4 бензпирена возросло до 16,5-29,2 мкг/кг / 49 /.
Обследование ряда шахтных сушилок страны показало существенное увеличение 3,4 бензпирена в высушенном зерне / 47,50,51 /. Установлено, что при сушке озимой пшеницы в барабанной сушилке
СЗПБ - 2 содержание 3,4 бензпирена увеличилось в 3,5 раза / 50 /, а сушка в шахтной сушилке СЗС - 8 увеличила содержание 3,4 бензпирена по сравнению с контролем в 36 раз / 51 /. По данным других авторов наличие 3,4 бензпирена в зерне после сушки не было, обнаружено вообще / 52 /.
Резюмируя, отметим, что появление ПАУ в зерне в процессе сушки является результатом взаимодействия многих факторов. Выяснить роль каждого на производственной установке практически невозможно. К наиболее существенным факторам можно отнести длительность контакта агента сушки с зерном, состояние зернового слоя -плотный, взвешенный. Кроме того, возможно влияние влажности зерна и температуры теплоносителя на степень накопления 3,4 бензпирена. Несмотря на свою актуальность, эти вопросы до сих пор не изучены и, несомненно, требуют детального исследования. Следует также указать, что поставленная проблема важна не только для продовольственного, но и для зерна семенного назначения, поскольку накопление в почве 3,4 бензпирена приводит к росту его фонового содержания в растениях.
Внутренний влагоперенос в зерне и методы его исследования
Как было показано в 1.2 аналитическое исследование полей влажности в зерне опирается на знание зависимости Qm (W, t) Ввиду особенностей строения зерна исследование основного кинетического коэффициента связано с большими трудностями. Практически все существующие методики неприменимы к зерну ввиду малости его размера.
Аналитическая задача исследования коэффициента диффузии влаги в зерне была решена в работах / 24,25 /. Авторы воспользова - 16 лись уравнением диффузии, выразив концентрацию через содержание влаги на сухое вещество: где ЇЇ) - конечная влажность, %; ЇЇ?0 - начальная средняя влажность, %\ ms - поверхностная влажность, %.
Зерно просушивали в кипящем слое и определяли среднюю скорость сушки за 20 минут. Начальная влажность в опытах изменялась в пределах 17-33,0 % на сухой вес, температура агента сушки изменялась в пределах 24,7-79,5С. В расчетах зерно принимали за шар эквивалентного размера. Решив уравнение диффузии для шара(1.4), авторы определяли коэффициент диффузии Qm из графика
В результате авторы пришли к выводу, что Qm практически не зависит от влажности зерна и является функцией только температуры нагрева. При t - 24,7 и 79,5С Qm соответственно равен 0,097-Ю""10 м2/с и 0,277-Ю-9 N /C. В работе J 25 / правая часть уравнения диффузии для шара (1.4) представлена в виде ряда ms - л? цуг где JC = -у- Щт Т ,В; котором $/У - отношение поверхности к объему, 1/см; 3 - безразмерная константа, Л /77; = 0,053-0,00046 t - поправка, учитывающая влияние температуры t на первоначальный прирост влажности зерна.
Рассчитанное по этой формуле значение Qm при t = 20С составило 1,6-10-8 сы /с.
Величина коэффициента диффузии влаги в зерне зависит от его сортовых особенностей / 26 /. По описанной выше методике / 25 / авторы определяли Qm для четырех сортов пшеницы с начальной влажностью 11,05-15,6 % на сухой вес. Анализ полученных результатов показал, что, если при t - 26-30С разницы в значениях для четырех сортов нет, то уже при температурах 89-98,3С влияние сортовых различий существенно ( Qт 0,246 1СГ9-0,75 1СН9 иг/с и 0,07510-0,089-10-9 ь /с соответственно).
Из приведенных работ следует, что коэффициент диффузии не зависит от влажности зерна и, следовательно, от формы связи влаги с материалом, что противоречит выводам других авторов.
Экспериментальные исследования коэффициента диффузии влаги в зерне базируются в основном на методах нестационарного массообме-на, как наиболее приемлемых к зернистым материалам.
Никитина Л.М. и Кучмель М.А. использовали метод нестационарного потока вещества при изотермических условиях / 12 / в модификации Ермоленко В .Д. / 28 / для определения коэффициентов массо-переноса ряда зерновых культур / 27 /. Предложенный А.В .Лыковым, - 18 этот метод основан на решении задачи теплопроводности для двух полуограниченных тел (исследуемого и эталонного) при граничном условии четвертого рода, соответствующего идеальному контакту тел. Решение этой задачи при малых перепадах потенциала массопереноса внутри исследуемого тела записывается в виде:
Результаты экспериментальных исследований
В табл.2.2 и 2.3 представлены данные расчета Qm по формуле (2.II) для оболочек и крупки зерна пшеницы при изменении начального влагосодержания и температуры нагрева. Из этих таблиц следует, что при одном и том же влагосодержании и температуре нагрева наблюдается определенное различие в значениях Q для рассматриваемых структур, которое усугубляется с ростом температуры нагрева.
Как показали расчеты структурной кривой капилляров зерна по изотермам десорбции / 65 /, в зерне отсутствуют макрокапилляры, то есть капилляры, радиус которых больше ICP- см. Расчеты эти также показали, что в качестве капилляров крупки зерна выступают межмолекулярные промежутки, которые могут достигать 300 А. Там же отмечено, что с повышением температуры нагрева зерна диаметр капилляров уменьшается, так для зерна пшеницы при t = 25 и 50С d - 2,5«Ю" и 2,0»КП см соответственно.
Таким образом, различие в значении Qm обусловлено структурой зерна. Центральная часть, представляющая собой коллоидное тело, обезвоживается намного слабее, чем оболочки, пронизанные капиллярами. При повышении температуры нагрева выше технологически допустимой, это различие приводит к перекаливанию поверхности зерна и в конечном итоге к его гибели.
Исходя из вышесказанного, характер зависимости Qm от влаго-содержания и температуры отражает изменения, происходящие как в поверхностном слое, так и в центральной части зерна в процессе его обезвоживания, причем значительную роль в этом процессе играет температура нагрева.
С ростом начального влагосодержания в зерновке развиваются микротрещины. Такие структурные изменения в крупке зерна пшеницы наблюдаются с LL - 0,15 кг/кг, что соответствует второй точке перелома на изотерме сорбции / 65 /. Общеизвестно, что в области высоких влагосодержаний при сушке преобладающую роль играет капиллярный массоперенос, для которого характерна сильная зависимость Qjyj от температуры. По мере высушивания зерна эластичные стенки микрокапилляров сужаются и, начиная с некоторого времени, когда поверхностные поры становятся соизмеримы с межмолекулярными промежутками крупки, удаление влаги происходит в основном по типу молекулярной диффузии. Энергия нагрева, затрачиваемая на отрыв молекулы воды увеличивается, в итоге Qm уменьшается. Следует также отметить, что для указанного типа переноса характерна слабая температурная зависимость.
Из экспериментальных данных (табл.2.2 и 2.3) следует, что как для крупки, так и для оболочек зависимость Qm ( ) нелинейна, причем в логарифмических координатах имеем функцию вида д Qm - К + д I , что позволяет сделать вывод о степенной зависимости Qm(t) (рис.2,1). Подобная зависимость характерна для ряда коллоидных капиллярно-пористых тел, в частности, для древесины и некоторых строительных материалов / 27 / и целого зерна / 20,23,27,30 /. С ростом влагосодержания Q.m изменяется также по степенному закону (рис.2.2).
На основе экспериментальных данных (табл.2.2 и 2.3) получена обобщенная эмпирическая зависимость коэффициента диффузии влаги от влагосодержания и температуры:
Существующие на зернообрабатывающих предприятиях сушилки весьма разнообразны по своему устройству и способам подвода тепла - конвективный, радиационный и т.д. Наибольшее распространение получили сушилки с конвективным подводом тепла. Способ сушки определяется двумя существенными факторами, оказывающими решающее влияние на качественные характеристики зерна. Это, во-первых, экспозиция процесса сушки, то есть фактор, определяющий длительность теплового воздействия агента сушки на зерно, и, во-вторых, состояние зернового слоя в процессе сушки - плотный, кипящий, взвешенный.
Экспозиция процесса тесно связана с термоустойчивостью зерна и является важнейшим фактором, определяющим его качество. Рост температуры нагрева выше предельно допустимой приводит к резкому снижению таких технологически важных свойств, как всхожесть и энергия прорастания (рис.2.6) / II /.
Особенно чувствительно к перегреву высоковлажное зерно (рис.2.7). При одной и той же температуре нагрева в 60С всхожесть зерна начальной влажностью 30 % сократилась на 27 % по сравнению со всхожестью зерна начальной влажностью 17 %,
Кинетика переноса микроэлементов при сушке зерна в плотном слое
Из теории адсорбции известно, что в обычном состоянии вода в материалах, адсорбируясь на активных центрах, становится связанной и теряет способность к растворению / 89 /. При нагреве происходит разрыв связей адсорбированных молекул воды с материалом, часть их десорбируется, образуя свободную воду. Появление последней может привести к растворению химических веществ, создавая условия для переноса влаги и растворенных веществ в виде потока / 64 /.
Исходя из этих предпосылок, следует ожидать, что любой технологический процесс обработки зерна (сушка, увлажнение) приводит к перераспределению растворенных веществ и, тем самым, к изменению качества зерна.
Как указывалось в 1.4, использование меченых атомов в экспериментальных исследованиях, позволило получить качественную картину содержания влаги в различных частях зерна (рис. 3.4) и выявить направление переноса при увлажнении / 20-22 /. Было отмечено, что интенсивность процесса переноса определяется его температурой, так как при повышении последней возрастает коэффициент диффузии влаги.
С целью выявления влияния режимов сушки на процесс переноса, в проведенном исследовании кинетики накопления микроэлемен
Кривые локального распределения воды при t = 20С / 21 /. 5 LMM а 4 7. Рис. 3.4 a - по длине зерновки, б - по ширине зерновки - 79 -тов в зародышевой части зерна увязывалась с кинетикой процесса сушки / 90 /. Полученные экспериментальные данные приведены в приложении 3.
Анализ литературных источников, проведенный в 1.4, свидетельствует об отсутствии данных по оценке микроэлементного состава зерна пшеницы, что связано в первую очередь с выбором необходимой методики и оборудования. Применявшаяся ранее методика состояла в определении весового количества золы по частям зерна без уточнения его микроэлементного состава / 91-93 /. Внедрение в практику лабораторных исследований атомно-абсорбционного анализа позволяет не только точно определить количественный состав микроэлементов в зерне, но и проследить их локализацию в процессе технологических операций.
В таблице 3.3 приведен количественный состав ряда важнейших микроэлементов для двух частей зерна - зародышевой и срединной. Для сравнения в таблице помещены данные для зародышевой муки / 85 / и для целого зерна сорта Куйбышевская / 43 /.
Характер распределения микроэлементов по зерну неодинаков, так Си. и Zn распределены равномерно, в то время как Си . F& и ҐІЛ концентрируется в области зародыша. По сравнению с американскими сортами пшениц Мироновская 8С8 отличается повышенным содержанием Си , Fe и Си. и пониженным содержанием Мп и Zn . В целом по зерну сорт Мироновская 808 оказался богаче в микроэлементном составе по сравнению с пшеницей Куйбышевская.
На рис. 3.5-3.7 приведены кривые роста концентрации ряда микроэлементов: Fe , /in , С а , Си , Zn в зародышевой части зерна при сушке в плотном слое. Данные были получены путем последовательного наложения ряда опытов, проведенных с образцами одной партии зерна при одинаковой начальной влажности. По оси ор С С динат отложена относительная концентрация С = — 5—— /00/ где С0 - опытные данные, Сн - начальное содержание, определяемое перед сушкой. На рис. 3.8 показано изменение концентрации Fo в зародышевой и срединной части зерна при сушке в плотном слое.
Характерно, что при одной и той же начальной влажности и температуре нагрева кинетика выноса для всего спектра элементов одинакова, что свидетельствует о независимости переноса микроэлементов от их химической природы. Наблюдаемое явление объяснимо, если предположить, что перенос микроэлементов происходит вместе с удаляемой влагой. При сравнении кривой удаления влаги из эндосперма и кинетики выноса FG В зародышевую часть зерна (рис. 3.9), отмечается идентичный характер кривых / 94 /.
На перенос микроэлементов влияет как влажность, так и степень нагрева. Чем выше начальная влажность зерна, тем интенсивнее испарение с поверхности и меньше внутренний массоперенос. Вследствие этого при одном и том же значении удаляемой влаги, количество выносимых микроэлементов больше при меньшей начальной влажности (рис. ЗЛО).
Результаты экспериментальных исследований
Полициклический ароматический углеводород 3,4 бензпирен является конденсированным углеводородом Lg0 Н , который при нормальных условиях находится в виде твердых кристаллов желтого цвета. Имеет температуру плавления 179С, температуру кипения 310-312С при 10 мм ртутного столба, плотность О = 1351 кг/м3 при 20С, обладает способностью возгоняться при сравнительно низких температурах. 3,4 бензпирен при замораживании в парафиновых растворах обладает ярко выраженной флуоресценцией, благодаря чему возможно точное количественное определение этого соединения в исследуемом материале.
Ориентировочный расчет размера молекулы 3,4 бензпирена по методу Стюарта-Бригглеба показывает, что при адсорбции на поверх о ности они могут проникать в поры диаметром больше 9 А, т.е. молекулы этого вещества будут активно сорбироваться на поверхности средне и крупнопористых сорбентов / НО /.
Зерно пшеницы можно рассматривать как адсорбент с общей величиной активной поверхности 200-250 NT/Г И среднеэффективным о диаметром пор 20-25 А / 64 /. В то же время отличительной особенностью зерна как адсорбента является изменение характера пористого пространства при адсорбции, а также в зависимости от режима и способа сушки, обусловленное определенной подвижностью макромолекул, образующих пористую структуру зерна. То есть эластичность структуры зерна обуславливает с одной стороны развитие пористого пространства зерна в процессе сушки за счет удаления воды, а с другой стороны - возможность активной сорбции молекул различных веществ, размер молекул которых даже превышает диаметр пор.
Другими словами, зерно в процессе сушки следует рассматривать как сорбент, который может активно сорбировать на своей поверхности различные примеси, в том числе и 3,4 бензпирен, находящийся в агенте сушки. При этом характер сорбции зерном должен подчиняться известным законам сорбции с учетом реальной структуры зерна.
Качественные характеристики высушенного зерна определяются двумя основными факторами: длительностью контакта агента сушки с зерном и состоянием зернового слоя. Можно предполагать, что накопление 3,4 бензпирена также зависит от этих факторов. Имеется еще один фактор, взаимосвязанный с двумя вышеназванными - температура агента сушки. Эти факторы в основном и определяют режим работы и тип существующих сушилок.
В связи с этим мы исследовали влияние температуры агента сушки и продолжительности его контакта с зерном на накопление 3,4 бензпирена при сушке в плотном слое и комбинированным способом (рис. 4.3 и 4.4) / III /. Для плотного слоя характерен рост величины сорбции с повышением температуры агента сушки от 75 до 100С, причем за первые 10 минут периода сушки количество адсорбированного вещества увеличивается в 3 раза (табл. 4.1).
Дальнейшее повышение температуры агента сушки до 125С, как видно из табл. 4.1, не приводит к увеличению сорбции 3,4 бензпирена.
Наблюдаемый характер зависимости накопления 3,4 бензпирена в зерне в процессе сушки в плотном слое в зависимости от температуры агента сушки, по-видимому, вызван интенсивным удалением во - no Кинетика накопления зерном 3,4 бензпирена при сушке в плотном слое при температуре ЮОС и, как следствие, развитием дополнительного пористого пространства, доступного для молекул канцерогена. Повышение температуры агента сушки до 125С увеличивает скорость сушки зерна, но в то же время не оказывает существенного влияния на сорбцию 3,4 бензпирена.
Технологическая схема сушки зерна в рециркуляционных пневмо-газовых зерносушилках (комбинированный способ) такова, что время контакта зерна с агентом сушки в трубе-сушилке составляет около 6 с, поэтому точки на графике 4.4 соответствуют степени насыщения 3,4 бензпирена в пневмотрубе, а экспозиция процесса сушки включает отлежку в массообменнике и продувку зерна атмосферным
Кинетика накопления 3,4 бензпирена в процессе сушки комбинированным способом
Характерно, что процесс адсорбции 3,4 бензпирена при высоких температурах агента сушки в данном случае подчиняется нормальному ходу адсорбции - с повышением температуры количество адсорбированного вещества падает. Кроме того, необходимо учитывать возможность возгонки 3,4 бензпирена при высоких температурах, что также приводит к снижению его содержания (табл. 4.2).
