Статья подготовлена по материалам учебника “Технология спирта” Д.Н. Климовский, В.А. Смирнов, В.Н. Стабников, четвертое переработанное издание , Москва 1967 год.
Прочность растительных тканей.
Поскольку крахмал можно освободить из клеток только путем их разрушения, физические свойства сырья приобретают первостепенное значение, особенно при периодическом процессе разваривания.
Разваривание зерна осложняется неоднородностью строения и различной прочностью структурных элементов — наибольшей у оболочек и наименьшей у эндосперма. Разрыв оболочки у твердой пшеницы достигается при усилии 316 кг/см 2, т.е. приблизительно таком, какое необходимо для разрушения клеток древесины (липы). Сопротивление разрыву зависит от того, в каком направлении приложена сила — вдоль или поперек волокон (в. первом случае оно в полтора раза больше, чем во втором). Мякинные оболочки ячменя и овса обладают еще большим сопротивлением.
Алейроновый слой, окружающий эндосперм, также очень прочен. На обычных вальцовых станках клетки его совершенно не повреждаются. Даже обработка на специально сконструированных станках, где вращение вальцов сочетается с продольными колебаниями вдоль оси, дает весьма незначительный эффект.
Сопротивление сжатию эндосперма пшеницы сравнительно невелико: 17—33 кг/см2, а сопротивление скалыванию 3— 9 кг/см2. Наименьшую сопротивляемость эндосперм оказывает резанию.
Ткани зародыша обладают очень большой вязкостью, поэтому на мельницах, где применяются сдавливающие усилия, зародыш сплющивается, но не дробится.
Во время нагревания зерна с водой происходит набухание, растворение межклеточных и инкрустирующих веществ. Это приводит к понижению механической прочности сырья. По опытам Л. Н. Маравина, для сжатия кукурузного зерна до лепестка толщиной 3 мм необходимо давление 40 кГ/см2, а после запаривания при 100° в течение 3 ч — всего 2,7 кГ/см2.
Во время разваривания целого сырья в первые 20—25 мин при температуре 120—135° С завершается набухание и растворение пектиновых веществ и начинает более интенсивно проходить растворение крахмала и пентозанов. При дальнейшем повышении температуры до 145—155° С вследствие сильного ослабления периферийные клетки эндосперма разрушаются и крахмал выделяется в межклеточные пространства. К концу варки сырье размягчается, но большая часть его не теряет формы.
Об устойчивости клеточных стенок косвенно можно судить по изменению содержания пентозанов. Исследованиями С. В. Лебедева показано, что при разваривании ржи под избыточным давлением 4—5 ат в течение 1 ч в раствор переходит от 63 до 72% пентозанов.
По опытам Л. Н. Маравина, для разрушения неразваренного зерна необходимо изнутри избыточное давление 18—20 ат, а для разваренного зерна достаточно 0,5 ат.
Так как прочность тканей различных видов растительного сырья неодинакова, то неодинаков и режим разваривания. Дробление зерна стирает эти особенности и делает возможным вести тепловую обработку, за исключением, может быть, кукурузы, по единому режиму.
Набухание и растворение крахмала
Набухание — свойство твердых высокополимеров увеличивать первоначальный объем за счет поглощения растворителя. В отличие от простого поглощения растворителя пористым телом, при набухании наблюдается тепловой эффект (в большинстве случаев положительный, т.е. происходит выделение тепла), сжатие (контракция) системы и понижение упругости пара над набухшим студнем по сравнению с чистым растворителем.
В сырье спиртового производства содержатся преимущественно гидрофильные природные высокополимеры — крахмал, пектины, белки. Больше половины сухих веществ зерна и картофеля составляет крахмал, из которого в процессе производства получается спирт. Поэтому набухание и растворение крахмала представляет значительный практический интерес.
Как известно, в клубнях картофеля и зерне злаков крахмал откладывается в виде микроскопически мелких зернышек (гранул) овальной или многогранной формы.
У овса и гречихи гранулы крахмала сложные, составленные из отдельных простых гранул. Сложные гранулы встречаются и в других растениях, но реже и в меньших количествах. Размер гранул колеблется в широких пределах — от 1 до 120 мкм. Самые крупные гранулы имеет картофельный крахмал; средний размер их по наибольшей оси 40—50 мкм. Размер гранул крахмала злаков в среднем равен 10—15 мкм.
Гранулы крахмала не однородны и состоят из двух полиоз — амилозы и амилопектина, распределенных равномерно. Макромолекула амилозы образована из остатков глюкозы, соединенных α-1,4-глюкозидными связями, и имеет линейное строение.
Амилопектин образуется также из остатков глюкозы, но наряду с основными α-1,4-глюкозидными связями в его молекуле есть α-1,6-глюкозидные связи, с помощью которых он многократно разветвлен.
Степень полимеризации амилозы колеблется от 200 до 1000, амилопектина — от 600 до 6000 (молекулярный вес соответственно 32 400—162 000 и 96 120—961 200).
Среди амилоз некоторых растений, например картофеля, встречаются разветвленные, поэтому характеристика полиоз по строению макромолекулы не может быть абсолютной. Число разветвленных молекул, однако, невелико (по данным Б. Н. Степаненко и Е. М. Афанасьевой, на 2—5 молекул приходится одна точка ветвления).
В крахмале большинства растений содержится 20—23% амилозы и 77—80% амилопектина. Исключение составляют восковидные сорта ячменя, кукурузы, сорго и риса, крахмал которых состоит почти на 100% из амилопектина. Крахмал специально селекционированных, так называемых «амилозных» сортов кукурузы, состоит на 80—85%, а мозговых сортов гороха — на 98 % из амилозы.
Макромолекулы в грануле крахмала связаны между собой ван-дер-ваальсовыми силами и водородными связями, образующимися между водородом гидроксила одной молекулы и кислородом гидроксила другой близлежащей молекулы. Поскольку большая часть молекул разветвлена, их ориентация, а следова тельно, и роль «поперечных» связей выражены слабее, чем у целлюлозы, имеющей линейное строение.
Сухие гранулы картофельного крахмала поглощают из влажного воздуха около 35% воды, или в расчете на один глюкозный остаток три молекулы воды, т. е. гидратируются все три его гидроксильные группы. Таким образом, структура нативного картофельного крахмала настолько рыхла и водородные связи настолько непрочны, что отдельные макромолекулы его легко доступны для молекул воды. Зерновые крахмалы в этих условиях поглощают около 20% воды и имеют несколько более прочную структуру.
Если бы между макромолекулами амилозы и амилопектина существовала только связь по ОН-группам, то при нарушении ее крахмал полностью растворялся бы в воде при комнатной температуре. Однако этого не происходит, и необходимо затратить тепло для разрыва других связей, не способных к гидратации.
Крахмальная гранула ведет себя в воде как осмотическая! ячейка, в которой роль полупроницаемой перегородки (мембраны) , по-видимому, играет амилопектин. Осмотическое давление и связанная с ним степень набухания возрастают с повышением температуры. В пределе крахмальная гранула поглощает воды в 25—30 раз больше своего объема. При этом амилоза, хорошо растворимая в горячей воде, начинает диффундировать в окружающую среду.
По достижении определенной температуры под действием осмотических сил (сил набухания) связи между структурными элементами гранулы разрываются и она разрушается; происходит клейстеризация крахмала. Для крахмального клейстера характерно беспорядочное расположение макромолекул и потеря кристаллической структуры, обнаруживаемой на рентгенограммах нативного крахмала. В клейстере сильно набухшие цепи амилопектина переплетены, представляя собой трехмерные сетки с ячейками, заполненными жидким раствором амилозы.
Количество гидратной воды в клейстеризованном крахмале такое же, как в увлажненном нативном крахмале (максимум 35%). При гидратации выделяется около 25 кал тепла, при клейстеризации, наоборот, тепло поглощается — около 1,5 кал на 1 г крахмала. Объем клейстера меньше объема исходной суспензии на 4,5%, что соответствует 0,029 мл на 1 г крахмала (по М. С. Шульману, Б. А. Николаеву).
Температура клейстеризации крахмала зависит, главным образом от культуры сырья и величины гранул крахмала. Крупные гранулы клейстеризуются легче мелких и так как нативный крахмал всегда является смесью различных по величине гранул, то существует температурный интервал клейстеризации. Так, картофельный крахмал клейстеризуется при 56—70° С, ячменный при 50—80, ржаной при 50—55, пшеничный при 54—74, кукурузный при 60—75 и овсяный при 50—75° С. На температуру клейстеризации оказывают влияние электролиты. Нейтральные соли и особенно щелочи понижают температуру клейстеризации, В присутствии сахара температура клейстеризации повышается. Некоторое влияние оказывает также концентрация суспензий, и скорость повышения температуры.
При нагревании суспензии крахмала в воде изменяется ее вязкость. При 35—45° С она проходит через небольшой минимум вследствие уменьшения вязкости воды, затем очень медленно возрастает, при 63—85° С скачкообразно достигает максимума и с дальнейшим повышением температуры вновь резко снижается (рис. 29). Вязкость клейстера из картофельного крахмала больше, чем из кукурузного крахмала.
Растворение амилопектина начинается при температуре около 120° С и наиболее полно происходит у картофельного крах мала при 132, у пшеничного при 136—141, у ржаного при 121—127 и у кукурузного при 146—151° С. Для растворения крахмала в измельченном сырье температура должна быть выше: для картофельного 143° С, для пшеничного 150, для ржаного 130 и для кукурузного 154° С (по В. П. Столяру).
При охлаждении раствор амилопектина (золь) быстро загустевает; при 55° С он превращается в гель (студень), не смешивающийся с солодовым молоком. Раствор амилозы очень нестоек и быстро ретроградирует, выделяя мелкозернистый осадок, вновь трудно растворимый и не осахариваемый амилазами. В связи с этим в производстве разваренное сырье быстро охлаждают до 60° С и осахаривают.
