Поглощенная зерном вода. Состояние связанной воды в зерне

 

  Вся электронная библиотека >>>

 Мука и крупа >>>

   

 

Технология муки, крупы и комбикормов


Раздел: Производство

   

§ 2. Состояние связанной воды в зерне

  

Поглощенная зерном вода энергично взаимодействует с активными центрами белков и углеводов, изменяет свою структуру и свойства, переходит в связанное состояние. Степень этой связи определяется энергетическими уровнями активных центров, а также размерами и структурными особенностями капилляров зерна. Для практики интересны изменения, которые происходят в связанной воде, поскольку свойства зерна в значительной мере определяются именно энергией связи влаги с его биополимерами, состоянием связанной воды.

По классификации академика П. А. Ребиндера, различают в границах гигроскопического влагосодержания химически, физико-химически и механически связанную влагу.

Основной уровень энергии связи в пределах монослоя составляет 20,9 кДж/моль, т. е. соответствует уровню водородной связи. Поэтому можно считать, что в зерне химически связанной влаги нет, поскольку нижний уровень энергии хемосорбции равен 125 кДж/моль.

Нет в зерне в пределах гигроскопического влагосодержания и механически связанной влаги. Доказательством этому служит отсутствие в зерне макрокапилляров, в которых такая влага может появляться. Наиболее вероятный диаметр капилляров зерна (точнее, размер межмолекулярных промежутков) равен 2,5• 10—7 см, даже при р//?о=0,95 диа-. метр капилляров не превышает ЬЮ-6 см. Следовательно, условий для накопления в зерне заметного количества механически связанной влаги нет, так как она может появляться в макрокапиллярах размером более Ю-5 см.

Таким образом, в равновесном состоянии вся поглощенная вода в зерне связана физико-химически. Однако повышение температуры и степень завершенности процесса могут резко изменить картину. Так, зерно после мойки содержит значительное количество механически связанной воды.

Свойства связанной воды существенно отличаются от свойств свободной. Наиболее заметно различие при анализе термодинамических и некоторых физических ее свойств. Свободная вода является одним из наиболее активных растворителей. Адсорбируясь на активных центрах, связываясь ими, вода теряет эту способность. Поэтому связанная вода не может активно участвовать в переносе минеральных веществ в объеме зерна.

Удельная теплоемкость воды при связывании уменьшается, поскольку связывание воды формально аналогично фазовому переходу.

Степень изменения свойств поглощенной воды связана и с продолжительностью взаимодействия молекул воды с активными центрами. Каждая сорбированная молекула находится в положении равновесия ограниченный период, продолжительность которого пропорциональна энергии взаимодействия рассматриваемой пары молекула — активный центр. •

Расчет среднестатистического времени жизни сорбированных зерном молекул воды показывает, что при гигроскопической влажности зерна молекулы воды находятся во взаимодействии с активными центрами всего лишь около 10~12 с; затем связь разрывается, молекулы де- сорбируются, чтобы сразу же локализоваться на другом активном центре или же продиффундировать в окружающую среду; на освободившемся активном центре адсорбируется другая молекула воды. Таким образом, даже в равновесном состоянии при неизменных условиях происходит постоянный влагообмен зерна с окружающей средой, а также внутренняя диффузия влаги по типу перескоков молекул воды с одного активного центра на другой.

«Время жизни» связанных молекул воды зависит от температуры. Если при О °С тв= 1,3' 10~6 с, то при 20 °С понижается до 5,3-10~7 с, при 50 °С —1,3-10"7, а при 80 °С — до 2,8-10~8 с. В пределах температур 100...110 °С значения тв уравниваются с продолжительностью нахождения в равновесном состоянии молекул жидкой воды в данной точке ее объема. Значит при нагревании зерна до 100 °С содержащаяся в нем вода приобретает свойства свободной; однако это верно только в статистическом смысле.

Существенное влияние на «время жизни» тв сорбированных молекул воды оказывает влагосодержание. При его понижении значение тв резко возрастает, что обусловлено более высоким уровнем энергии связи. Так, например, при влагосодержании 5 % «время жизни» тв молекул воды 1,4-10+21 с, при 10 % 8,9-10+6, при 15% 4,5-10"4, при 20% МО-10, при 25 % МО-11 и при 39 % 1,4-10~12 с. При изменении влагосо- держания зерна от 5 до 10 % значение тв уменьшается на 15 порядков, от 10 до 15 %— на восемь порядков, от 15 до 20 %— на шесть порядков, от 20 до 25 %—только на один порядок. Это показывает, как влияет влагосодержание зерна на свойства поглощенной им воды.

Температура замерзания связанной воды понижена. Вода в зерне может не замерзать даже при охлаждении до —40 °С. Плотность связанной воды выше, чем плотность ее в жидком состоянии, но величина ее зависит от условий взаимодействия. Активное взаимодействие воды с зерном определяется тем, что зерно более чем на 90 % состоит из гидрофильных биополимеров (белков и углеводов). Кроме того, зерно — живой организм, поэтому вода является одним из необходимых факторов поддержания его жизнедеятельности.

Макромолекулы биополимеров располагают большим количеством функциональных групп, имеющих определенный запас свободной энергии. В углеводах такими группами являются — ОН и —О—, а в белках —NH—, —NH2, —СООН, —ОН и т. п. Эти атомы или группы атомов представляют собой активные центры, на которых локализуются молекулы воды.

Механизм взаимодействия воды с биополимерами зерна сохраняется неизменным, независимо от условий процесса. Молекулы воды диф- фузно распределяются в массе биополимеров, образуя возле активных центров отдельные группы. Перемещение молекул воды от одной труп-' пы к другой происходит диффузионным путем. В пределах обычных значений влажности и при равновесном состоянии вода не образует в зерне сплошного слоя.

Установлено, что при некоторых значениях влажности все свойства зерна существенно изменяются. Для зерна пшеницы такими критическими значениями является влажность 7...8 и 15... 17 %. Для хранения и переработки зерна основное значение имеет вторая критическая точка. Теоретические предпосылки и практический опыт свидетельствуют, что в этой области значений влажности зерно приобретает оптимальные технологические свойства. В связи с этим влажность 15... 17 % определяется как зона технологических оптимумов. Положение этой зоны зависит от культуры, химического состава и структурных особенностей зерна, температуры и некоторых других факторов.

С термодинамической точки зрения зерно представляет собой открытую систему. Увлажнение зерна можно рассматривать, как самопроизвольный процесс перехода молекул воды из окружающей среды к активным центрам биополимеров. Так как обычно этот процесс протекает при постоянных значениях температуры и давления, то самопроизвольное его развитие может быть обеспечено только при условии снижения изобарно-изотермического потенциала

Наиболее характерным для оценки процесса связывания воды является анализ изменения энтропии ( Х-1). Это изменение имеет отрицательный знак, а по абсолютному значению с повышением влагосодержания убывает, стремясь к нулю в области гигроскопического влагосодержания. Снижение энтропии указывает на повышение порядка структурных элементов зерна на молекулярном уровне, связанное не только с образованием гроздьев сорбированных молекул воды, но и с повышением степени кристалличности гидратированных белков и углеводов.

Связывание воды сопровождается тепловым эффектом (изменением энтальпии), а также изменением ее удельного объема (плотности). Это означает, что при связывании вода претерпевает фазовое превращение первого рода.

Существенно влияет на свойства связанной воды температура. При ее повышении заметно снижается энергия связи влаги, вода приобретает более высокую подвижность, создаются условия для развития различных биохимических процессов в зерне.

Изменение состояния связанной воды немедленно сказывается и на свойствах зерна. Это позволяет активно влиять на его технологические свойства посредством выбора таких режимов процессов, при которых эти свойства приобретают оптимальную характеристику.

Итак, в результате связывания воды все ее свойства претерпевают изменения, степень которых определяется энергией связи. Это сопровождается значительным тепловым эффектом, а также изменением плотности (удельного объема) воды; следовательно, происходит фазовый переход первого рода — связанная вода отличается от свободной фазовым состоянием.

В обычных условиях вся вода в зерне связана физико-химически, это имеет большое технологическое значение. Невысокая энергия связи обеспечивает быстрое смещение динамического равновесия вслед за изменением внешних условий. Особое значение имеет повышение температуры: при этом происходит «плавление связей» адсорбированных молекул воды, а часть их десорбируется с активных центров, образуя свободную воду. Однако вследствие структурных особенностей зерна извлечь эту воду в окружающую атмосферу трудно; оставаясь в объеме зерна, свободная (точнее — слабосвязанная) вода влияет на физико-химические свойства биополимеров, вызывает повышение гибкости и подвижности боковых цепей их макромолекул. Благодаря расширению межмолекулярных промежутков снижается плотность и твердость зерна, что влияет на характер его разрушения при размоле.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Технология муки, крупы и комбикормов

 

Смотрите также:

 

Влага в зерне

Влажность зерна, соответствующая состоянию равновесия, называют равновесной.
Зерно с большим содержанием белка поглощает больше водяных паров, хотя и ненамного.
Аналогичная картина наблюдается и при поглощении воды зерном пшеницы.

 

ДЫХАНИЕ ЗЕРНА. Интенсивность дыхания и вызываемые...

В результате дыхания зерна выделяется вода.
Если дыхательный коэффициент больше единицы, то это значит, что зерно выделяет больше диоксида углерода чем поглощает кислорода.

 

Ячменный солод. ПРОИЗВОДСТВО СОЛОДА

Влажность зерна состоит нз первоначальной его влажности (10—15 %) н количества воды, поглощенной зерном в период
Продолжительность и степень замачивания зёрна зависят также от температуры воды, применяемого способа замачнвання, размеров и состояния зерна.

 

зерно. Хранение зерна. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ...

Физиологические процессы, протекающие в зерне при хранении, также зависят от температуры, влажности и доступа кислорода. В зернах вода находится в свободном и адсорбционно связанном состоянии.

 

Зерно. СПОСОБЫ ЗАМАЧИВАНИЯ ЗЕРНА

Очистка зерна улучшается в результате применения теплой и горячей воды, особенно на предприятиях, располагающих дешевыми источниками отходящего тепла. При этом необходимо активно перемешивать зерно с водой.