4.1.2 Размерная характеристика зерна

В технологическом процессе производства муки решающую роль играет совокупность явлений и признаков, характеризующих зерновую массу, которая представляет собой биологический комплекс. В 1 т пшеницы насчитывается 35-40 млн. отдельных зерен, причем каждое отличается от другого многими физическими и биологическими качествами и подвержено индивидуальной изменчивости. Поскольку зерновая масса выступает как средневзвешенная величина, всесторонне и правильно оценить ее можно лишь определив степень изменчивости и однородности по соответствующим признакам, пределам колебаний и размерам.

Тесно связаны между собой такие свойства зерна как форма и геометрические размеры. Зерно мягкой пшеницы характеризуется округло-удлиненной формой, а твердой  удлиненной. Форма зерна, присущая соответствующему сорту, является малоизменчивым признаком. Со времен глубокой древности она сохранилась почти без изменений. Селекционеры давно пытаются придать зерну пшеницы шарообразную форму, что очень важно для технологического процесса на мукомольных заводах. Но, к сожалению, до сих пор это не удалось.

Следует отметить, что форма зерна в массе одного и того же сорта неодинакова. Чем зерно более выполнено, тем оно менее удлиненное. Зато геометрические размеры его весьма изменчивы.

Линейные размеры зерна пшеницы, как видно из данных таблицы 4.3, варьируются в зерновой массе в значительных пределах. Они тесно связаны с плотностью зерна.

Длина, ширина и толщина зерен никогда не бывают абсолютно одинаковыми в зерновой массе любого сорта и вида пшеницы. Для зерна с меньшей массой характерна меньшая длина, а ширина почти равна толщине. У зерна с большей массой бóльшие значения геометрических размеров. При этом ширина несколько больше толщины зерен. Однако резких различий между толщиной и шириной не наблюдается.

Следует отметить, что частота повторения данного признака или значения аргумента с наибольшей частостью выше у зерен с большими значениями длины, ширины и толщины и ниже у мелких и у зерен с резкими колебаниями геометрических размеров. Такой характер изменчивости признаков отмечается повсюду, причем он связан с сортовыми особенностями зерна, почвенно-климатическими условиями произрастания, уровнем агротехники, химическим составом и видом пшеницы (мягкая, твердая).

Таблица 4.3 – Геометрические размеры зерен пшеницы при различной их массе

Масса единичного зерна, мг	Размеры, мм
	длина а	ширина b	толщина с
20-22	5,01-6,08	2,39-2,70	1,94-2,80
22-25	5,62-6,05	2,60-2,72	2,03-2,84
23-26	5,12-6,81	2,50-2,82	2,40-2,85
25-27	5,14-6,74	2,54-2,90	2,44-2,88
28-30	5,71-6,48	2,39-3,47	2,34-3,06
30-34	6,88-7,40	2,78-3,47	2,40-3,12
36-40	6,82-7,75	2,80-3,59	2,70-3,30
44-52	6,98-8,40	3,30-3,96	3,20-3,47

Соотношение в массе зерен с различными размерами обусловливает ее однородность и выравненность. Это имеет огромное технологическое значение, поскольку можно устанавливать и поддерживать оптимальные режимы работы сепарирующих, обоечных, щеточных машин и кондиционирования в зерноочистительном отделении, обеспечивать эффективное измельчение в вальцовых станках.

О степени выравненности зерновой массы дает представление таблица 4.4.

Из данных таблицы следует, что фракционный состав зерновой массы зависит от выравненности исходного образца, в свою очередь обусловленной его массой. В образце с большей массой больше крупных зерен.

Таблица 4.4 – Соотношение фракций в зерновой массе пшеницы и показатели их массы

Масса 1000 зерен в исходном образце зерновой массы	Фракции, полученные сходом с сит								Проход через сито 1,7×20 мм
	3,0×20 мм		2,5×20 мм		2,0×20 мм		1,7×20 мм
	соотношение в смеси, %	масса 1000 зерен, г	соотношение в смеси, %	масса 1000 зерен, г	соотношение в смеси, %	масса 1000 зерен, г	соотношение в смеси, %	масса 1000 зерен, г	соотношение в смеси, %	масса 1000 зерен, г
20-24	1,4	29,0	31,8	24,0	63,1	18,0	3,0	11,9	0,7	8,1
25-27	1,6	28,8	77,0	26,0	20,0	22,6	1,6	12,2	1,1	7,9
30-34	17,6	42,0	58,2	30,0	16,0	27,8	2,0	18,4	0,8	10,0
36-42	22,7	46,9	78,4	36,8	0,9	28,0	-	-	-	-
44-54	26,2	56,0	60,1	38,0	12,0	28,4	0,3	14,0	-	-

Зерновая смесь может быть выравнена как по крупным, так и по мелким зернам, поэтому при оценке технологических достоинств помольных партий важно учитывать геометрические размеры зерна, его выполненность и мукомольные свойства. Зерна крупных фракций имеют менее удлиненную форму, чем мелкие, поэтому эндосперма в них больше. Из всех линейных размеров толщина зерна наиболее заметно влияет на содержание эндосперма.

Зерновая масса, поступающая на зерноперерабатывающие предприятия, неоднородна по своему составу: кроме полноценных зерен основной культуры, в ней всегда содержатся разнообразные примеси, попавшие при уборке, обмолоте, транспортировании и хранении. Примеси в зерновой массе снижают продовольственную ценность зерна, его стойкость при хранении. Примеси непригодны для получения продовольственных продуктов, но частично могут быть использованы при выработке комбикормов.

В пшенице и ржи к основному зерну (полноценному) относят созревшие и выполненные зерна, имеющие нормальный внешний вид, а также зерна с механическими повреждениями, если осталось больше половины зерновки. При неблагоприятных условиях созревания и уборки урожая некоторые зерна будут неполноценными по морфологическому и анатомическому строению, а также по химическому составу. Это проросшие зерна, поврежденные морозом в период созревания, изъеденные вредителями хлебных запасов и т.д.

В своем составе зерновая масса содержит:

- зерновую примесь – нормальные и частично поврежденные зерна основной культуры и других культурных растений, которые по своей ценности близки к основному зерну;

- сорную примесь – семена сорных растений, которые по своим свойствам и составу не могут быть использованы вместе с зерном основной культуры; минеральная примесь (земля, песок, галька и т.д.); вредная примесь (семена некоторых растений и паразитов растительного и животного происхождения); органическую примесь (пленки, части листьев, стержней и стеблей колоса, полова и т. д., на этой примеси скапливается много пыли и микроорганизмов; примесь относится к мертвому сору и по химическому составу является в основном одревесневшей клетчаткой);

- металломагнитную примесь.

Для эффективной очистки зерна от примесей необходимо знать различия физико-механических свойств разделяемых компонентов зерновой смеси.

Посредством ситового сепарирования от полноценного зерна отделяются крупные и мелкие примеси.

Ситами называют поверхности, покрытые отверстиями и применяемые для сортировки продукта по величине.

Рабочий процесс сортировки продукта на ситах состоит в том, что:

1. сортируемая смесь движется по поверхности сита;

2. частицы смеси, имеющие соответствующие размеры, попадают в отверстия и проваливаются.

Таким образом, сито делит поступающую смесь на две части:

1. сход, состоящий из частиц с размерами, превосходящими рабочий размер отверстий;

2. проход, состоящий из частиц, проваливающихся сквозь отверстия сита.

Наиболее часто применяются сита с круглыми и продолговатыми отверстиями.

На ситах с круглыми отверстиями смесь делится по ширине. Сито задерживает все частицы, у которых ширина (т.е. наибольший размер поперечного сечения) больше диаметра отверстий сита. Длина и толщина частицы при этом не имеют никакого значения.

Продолговатое прямоугольное отверстие характеризуется двумя размерами – длиной и шириной. Существенным для сортировки является ширина отверстия. Если длина отверстия равна или больше длины частицы, то частица, расположившись на сите вдоль отверстия, может пройти через него своей толщиной. Если размер ячейки А>В, а размер частицы а>b>c, то частица может провалиться, если А≥а и с=В.

Таким образом, круглые отверстия отбирают частицы по ширине, а продолговатые – по толщине.

Если же смесь состоит из частиц с размерами а₁×b×c и а₂×b×c, т.е. отличающихся только длиной, то такой продукт на сите рассортирован быть не может. Для сортировки по длине служат особые машины – триеры.

Отверстия квадратной формы не имеют определенного характерного рабочего размера. Диагональ отверстия на 40% больше его стороны. Частица, проваливаясь сквозь такое отверстие, может ориентироваться своей шириной как на наименьший размер ячейки, так и на наибольший. Поэтому четкой сортировки на ситах с квадратными отверстиями получить нельзя.

Вариационная кривая показывает, в каких пределах изменяется данный размер, на основании чего можно выбрать размер отверстий. Однако знание вариационной кривой только одной составной части смеси недостаточно. Необходимо знать изменение размеров и у остальных составных частей смеси.

Предположим, что смесь состоит из трех частей: мелкие примеси, основной продукт, крупные примеси, размеры которых характеризуются неперекрывающимися кривыми (рисунок 4.1). Здесь наибольший размер мелкой примеси меньше наименьшего размера продукта, и наибольший размер продукта меньше наименьшего размера крупной примеси.

В этом случае возможно полное разделение продукта на три фракции, если выбрать размеры отверстий сита d₁ и d₂, лежащие в промежутках между кривыми. Сходом с сита с размерами отверстий d₂ пойдет крупная примесь, а с размерами отверстий d₁ – основной продукт.

Рисунок 4.1 – Диаграмма изменчивости признака смеси трех продуктов

(кривые не накладываются)

Обычно кривые распределения размеров перекрывают друг друга (рисунок 4.2). В этом случае полное отделение невозможно.

Рисунок 4.2 – Диаграмма изменчивости признака смеси трех продуктов

(кривые накладываются)

Если выбрать размер отверстия d₁, то в сход пойдет весь основной продукт и часть мелких примесей. Если же размер отверстия d₁′, весь мелкий сорт будет отделен, но с ним провалятся также и наиболее мелкие зерна основного продукта. То же будет происходить и с крупными примесями при размерах отверстий d₂ и d₂′.

Возьмем такой числовой пример. Требуется подобрать форму и размер ячеек для очистки ржи от примесей. Смесь имеет следующий состав:

1. рожь – 95%;

2. сорные семена – 5%, в том числе:

- пырей – 1,0%;

- подмаренник – 0,8%;

- пикульник – 1,2%;

- разный сор – 2,0%.

Средние арифметические размеры каждой составной части М и средние квадратичные уклонения σ приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 – Фракционный состав смеси

Семена	Толщина, мм		Ширина, мм		Длина, мм
	М	±σ	М	±σ	М	±σ
Рожь	2,36	0,21	2,60	0,26	7,92	0,75
Пырей	1,60	0,14	1,82	0,17	7,22	0,29
Подмаренник	1,55	0,12	1,76	0,17	2,05	0,16
Пикульник	1,63	0,15	2,15	0,18	3,03	0,22

Три кривых на рисунке 4.3 представляют собой вариационные кривые по длине, ширине и толщине для этих четырех культур. Как таблица, так и диаграммы показывают, что рожь лучше всего отличается от примесей по толщине. Поэтому сортировку следует вести именно по этому признаку.

По длине рожь хорошо отличается от двух сорняков, но зато полностью совпадает с третьим, по ширине же различие наименьшее.

Наибольшие размеры толщины сорняков лежат в пределах 1,9 – 2,1 мм. Наибольший размер варианта пикульника мм (средний размер класса 1,8 – 2,0) отклоняется от среднего размера ржи мм на

мм,

т.е. почти на .

.

Различие по ширине меньше. Сравнивая максимальный вариант ширины пикульника мм и среднюю ширину ржи мм, найдем, что

.

Сравнивая же длину пырея и ржи, соответственно получим:

,

что характеризует почти полное совпадение кривых.

На основании этих исследований можно утверждать, что сортировку следует производить по толщине, для чего необходимо взять прямоугольное отверстие шириной около 1,9 мм. Подмаренник и пырей могут полностью провалиться в таком сите, и только часть пикульника будет оставаться в сходе. Если же сделать отверстия шириной 2 или 2,1 мм, то примеси будут полностью удалены. Но во всех этих случаях будет также идти в проход часть ржи. Количество отходов ржи указано в таблице 4.6.

М=2,36

σ=±0,21

М=2,6

σ=±0,2

М=7,9

σ=±0,75

а)

б)

в)

1 – пикульник; 2 – подмаренник; 3 – пырей; 4 – рожь;

а) – по толщине; б) – по ширине; в) – по длине

Рисунок 4.3– Диаграммы изменчивости ржи и трех сорняков

Таблица 4.6 – Количество отходов ржи

Ширина отверстия сита b, мм		Количество зерен с размером меньше b, %
1,9		1,43
2,0		4,20
2,1		10,70

При отверстии шириной мм потеряется вместе с сорняками не более 4,2% ржи, причем все это будут зерна малоценные (мелкие и щуплые).

Вместе с сорняками отбирается также часть сора соответствующих размеров. Сор же более крупный надо отбирать при помощи другого сита, сквозь которое будут проваливаться зерна ржи, а сор останется на поверхности. Размер отверстий такого сита должен быть рассчитан на максимальную ширину (при круглых отверстиях) или толщину ржи (при продолговатых). Если крупный сор полностью все же не отделяется, то можно пойти на уменьшение отверстий до размера ; при этом будет потеряно около 2% чрезмерно крупных (частично пустых) зерен ржи.

Таким образом, для очистки зерна от примесей требуются два сита:

1. с крупными отверстиями или ;

2. с мелкими отверстиями .

Иногда ставят промежуточное сито для сортировки основного продукта на крупный и мелкий сорт. Для этого сита можно, например, установить размер отверстий .

Размерная характеристика зерна различных культур и примесей представлена в приложении Г (таблица Г.1).