Самые популярные статьи







Формы связи влаги в зерне овса

Пищевая ценность продуктов питания, полученных из зерна овса, очень высока. В среднем овес содержит (% на СВ): белковых веществ - 12,5; жиров - 6; углеводов - 66,5; золы - 4; клетчатки -12,2. Белки овса содержат все незаменимые аминокислоты, поэтому разработка новых технологий и оборудования должна осуществляться при максимальном сохранении пищевой ценности зерна.


Правильный выбор режима обжарки и сушки зерна определяет качественные показатели овса как результаты структурно-механических, биологических и физико-химических преобразований веществ. Для эффективной реализации процессов сушки и обжарки овса необходимо изучить характер форм связей влаги в зерне овса с определением участков, на которых происходит преобразование веществ при повышении температуры.

В качестве объекта исследований использовали овес с высоким содержанием углеводов, произрастающий в Воронежской области. После предварительной подготовки (удаления остатков трав и других примесей) зерно овса сортировали с целью обеспечения однородности продукта.

Закономерности теплового воздействия на растительные продукты исследовали методом неизотермического анализа на дериватографе системы «Паулик-Паулик-Эрдей».

Формы связи влаги в зерне овсаДифференциально-термический анализ позволяет установить направление и величину изменения энтальпии, связанной с изменением влагосодержания зерна овса в результате нагрева. Исследования проводили в кварцевых тиглях при массе навески 190 мг. В качестве эталона использовали Аl2O3, прокаленный до 2800°С. Термоаналитические кривые, применяемые для количественной обработки методом неизотермической, кинетики, одновременно регистрируют изменения температуры, массы навески, скорости изменения температуры или энтальпии и изменения массы (кривые ТА, TG, DTA и DTG). Регулирующее устройство давало возможность равномерного нагревания печи, а достижение линейности программы нагрева печи обеспечивало воспроизводимость кривых ТА, TG, DTA и DTG.

Были выбраны следующие режимы снятия дериватограмм: при чувствительности гальванометра DTA- 1/2, DTG - 1/5, TG - 100 мг; при скорости изменения температуры нагрева печи 3 °С/мин; при максимальной температуре нагрева 300°С.

В процессе теплового воздействия зерно овса претерпевает значительные физико-химические изменения, в результате которых высвобождается вода, определяющая характер протекающих внутри продукта преобразований веществ. За счет испарения влаги и разложения сахаров, клетчатки и других органических соединений (лизина, метионина) масса навески снижается на 65-73 %. При этом ослабевает прочность структуры вследствие частичного гидролиза клетчатки, целлюлозы и других сложных углеводов, из которых состоят стенки клеток и межклеточные перегородки.

Кинетическая характеристика процесса — температура начала термолиза Т1 (отклонение от базовой линии кривой DTA показано на рис. 1). Температура Т2 соответствует точке наибольшего отклонения кривой. Участок возрастания кривой DTA, начиная с пика, соответствует выравниванию температурного поля зерна овса до нового квазистационарного состояния, нарушенного ранее тепловым эффектом превращения.

Формы связи влаги в зерне овсаКоличественную оценку кинетически неравноценных молекул воды в зерне овса осуществляли по экспериментальным кривым, полученным методом термогравиметрии. Участок изменения массы на кривой TG (см. рис. 1), соответствующий процессу дегидратации, преобразовывали в зависимость степени изменения массы или превращения вещества от температуры. Для этого через каждые 5°С на кривой TG при определенных значениях температуры находили изменение массы mi образца, соответствующее массовой доле высвобождающейся воды при температуре Тi. Степень изменения массы а рассчитывали как отношение массы mi к общей массовой доле воды m, содержащейся в продукте, определяемое из кривой TG в конце процесса дегидратации. Кривая TG в координатах а — Т имеет вид, отражающий сложный характер взаимодействия воды и сухих веществ овса, и предполагает различие в скорости высвобождения воды на разных участках кривой (рис. 2). Следовательно, кривые зависимости степени превращения вещества от температуры позволяют изучить различные, кинетически неравноценные формы связи влаги в зерне овса и предполагают разную скорость дегидратации.

Для получения данных о механизме влагоудаления на основе полученных кривых, определения температурного интервала и массовой доли влаги, десорбированной примерно с одинаковой скоростью, использовали кривую в координатах (-lga) — (103/Т). Зависимость -lga от величины 105/Т (рис. 3) выполнена для интервала 303-500 К. На рис. 3 видны три линейных участка для овса, что свидетельствует о ступенчатом выделении воды.

Формы связи влаги в зерне овсаДо температуры 314 К происходят нагрев и удаление слабосвязанной воды, находящейся в овсе. В интервале температур 314-355 К разрушается связь «вода - вода», удаляется адсорбционно связанная влага и происходит частичное разложение вещества. При нагревании свыше 355 К наблюдается разложение веществ с выделением газообразных составляющих и начало удаления химически связанной воды. Каждой из ступеней дегидратации соответствует процесс выделения воды с различной энергией связи.

Дериватограмма зерна овса (см. рис. 1) имеет характеристические температуры ступеней гидратации, деструкции веществ, температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, определяемые-пиками эндотермических эффектов, сопровождающихся испарением влаги и отделением газообразных фракций (табл. 1).

На кривой DTA наблюдается значительный эндотермический минимум при температуре 344 К (см. табл. 1 и рис. 1), который соответствует максимальной скорости дегидратации продуктов и сопровождается интенсивной потерей массы образца, а также связан с преобразованием веществ овса и значительным выделением газообразных фракций.

Эндотермический эффект на кривой DTA сопровождается изменением массы (кривая TG) и эффектом на кривой DTG, что позволяет определить начало и окончание изменения энтальпии.

Рассмотрим более подробно виды связи влаги в овсе. На первой стадии (участок АВ кривой на рис. 3) до температуры 314 К происходят нагрев и удаление свободной воды (механически и осмотически связанной влаги), имеющей невысокую энергию связи с продуктом. Высвобождается вода, образующая ажурную сетку из ассоциатов молекул воды, связанных между собой водородными связями. При этом десорбция капиллярной воды характеризуется более низкими величинами энергии активации по сравнению с водой, высвобождающейся на второй ступени процесса.

Формы связи влаги в зерне овсаВ интервале температур около 314-355 К (вторая ступень) завершается удаление физико-механически связанной воды и начинается высвобождение незначительного количества слабосвязанной адсорбционной влаги внешних полимолекулярных слоев внутри продукта, частичное разложение вещества, и наблюдается деструкция веществ.

Отклонение дифференциальной термической кривой (см. рис. 1) от базовой линии в области температур 343-355 К обусловлено эндотермическим эффектом в результате десорбции влаги из продукта при его нагревании. Интенсивное перемещение влаги в этой области температур обусловлено явлением термодиффузии.

Третья ступень дегидратации (участок CD кривой на рис. 3) соответствует удалению сильносвязанной воды, гидратирующей активные группы сухих веществ и завершает преобразование и разрушение структуры углеводов и органических кислот.

Эндотермический эффект при температуре 417 К, сопровождающийся окончанием интенсивной потери массы, соответствует высвобождению молекул воды с физико-химической связью и удалению газообразных фракций (табл. 2).

С увеличением температуры выше 476 К происходила значительная деструкция веществ с последующим обугливанием продуктов, что отмечается на кривой TG резким снижением массы образца.

Таким образом, анализ полученных данных позволил выделить три периода дегидратации воды и преобразования сухих веществ при термическом воздействии на овес, а также выявить температурные зоны, соответствующие высвобождению влаги с различной формой и энергией связи.



Материал взят из журнала "Хлебопродукты" 11/2005, статья " Термоустойчмвость и формы связи влаги в зерне овса", авторы: А. Шевцов, доктор техн. наук, И. Кузнецова, канд. с/х наук, С. Куцов, Воронежская государственная технологическая академия.



Нашли ошибку? Выделите её и нажмите Ctrl+Enter. Будем благодарны за помощь.