Tính chất vật lý của khối hạt và khối sản phẩm chế biến từ hạt

Hiểu biết về tính chất vật lí của khối hạt và khối sản phẩm chế biến từ hạt là rất quan trọng để có thể lựa chọn phương pháp chế biến phù hợp, bảo quản sản phẩm hiệu quả và đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng.

Tính tản rời

Độ tản rời là khả năng dịch chuyển của các hạt trong khối hạt do sự khác nhau về hình dạng, kích thước, dung trọng, trạng thái bề mặt,… của chúng. Độ tản rời được đặt trưng bằng góc nghiêng tự nhiên và góc trượt.

• Góc dốc tự nhiên: Khi đổ khối hạt rơi tự do từ cao xuống mặt phẳng nằm ngang, khi đó khối hạt có hình chóp nón (Hình a). Góc tạo thành bởi đường sinh của khối hạt hình chóp với mặt phẳng đáy nằm ngang gọi là góc dốc tự nhiên của khối hạt. Trị số thì góc dốc tự nhiên bằng góc ma sát giữa hạt với hạt nên còn gọi là góc ma sát trong và ký hiệu là (ҩ_1).
• Góc trượt: Nếu đổ hạt trên mặt phẳng ngang làm bằng một vật liệu bất kỳ như thép, gỗ, bê tông… ta nâng dần một đầu của mặt phẳng cho tới khi hạt bắt đầu trượt (hình b) thì góc giới hạn giữa mặt phẳng nằm ngang và mặt phẳng trượt gọi là góc trượt, về trị số, góc trượt bằng góc ma sát giữa hạt với vật liệu trượt nên còn gọi là ma sát ngoài, kí hiệu là (ҩ2). 

Lưu ý

• Góc dốc tự nhiên và góc trượt càng lớn thì độ tản rời càng nhỏ, ngược lại góc nhỏ thì khả năng dịch chuyển lớn.
• Đối với góc trượt còn thêm một yếu tố quan trọng nữa là loại vật liệu và trạng thái bề mặt vật liệu trượt.
• Độ tạp chất của khối hạt càng cao, đặc biệt là nhiều tạp chất rác thì độ tàn rời càng nhỏ.
• Độ ẩm khối hạt càng cao thì độ tản rời càng giảm.
• Trong bảo quản, độ tản rời của khối hạt có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện bảo quản. Nếu bảo quản quá lâu hay đã xảy ra quá trình tự bốc nóng làm cho khối hạt bị nén chặt thì độ tản rời giâm, thậm chí có khi mất hẳn.

Để xác định góc dốc tự nhiên và góc trượt thường dùng các phương pháp sau: hộp thủy tinh bon cạnh lật nghiêng; dùng phễu chày tự nhiên và hộp có ván trượt, rãnh trượt. Khi xác định thường được giá trị nhỏ nhất, lớn nhất và trung bình. Thực tế ứng dụng không dựa vào giá trị trung bình mà tùy theo yêu cầu cụ thể, chẳng hạn đề tính độ bền tường kho phải dùng giá trị nhỏ nhất, nhưng nếu tính dung tích kho và đặt ống tự trượt thì phải dùng giá trị lớn nhất.

Hệ số ma sát trong và ma sát ngoài của một số loại lương thực

Tính tự phân loại của khối hạt

Trong khối hạt gồm nhiều cấu tử không đồng nhất, khối hạt lại có độ tản rời nên khi đi chuyển sẽ tạo nên những khu vực hay những lớp có chi số chất lượng khác nhau, hiện tượng này gọi là tính tự phân loại của khối hạt.

Khi đổ hạt vào kho, tháo hạt ra hay khi chuyên chở những hạt có khối lượng riêng nhỏ, hạt lép hay tạp chất nhẹ sẽ phân bố ở lớp trên hay xung quanh đống hạt, còn những hạt chắc có dung trọng cao và tạp chất nặng (đá, sạn) sẽ nằm ở chính giữa và phía dưới của đông hạt.

Nếu phần tử càng nhẹ, hình chiếu của phần tử trên mặt phẳng thẳng góc với chiều chuyển dịch càng lớn thì sức cản của không khí càng lớn và phân từ rơi càng chậm. Ngược lại, phần tử có dung trọng lớn sẽ rơi nhanh, rcn thẳng nên tập trung ở chính giữa khối hạt.

Bảng: Chất lượng hạt ở từng khu vực của đống hạt (đổ hạt rơi tự do)

Khi tháo hạt ra khỏi xilô cũng xảy ra hiện tượng tự phân loại. Cũng một kho nhưng tháo hạt ra ở những thời điểm khác nhau thì thành phần và chất lượng hạt khác nhau, đặc biệt hạt tháo ra ờ thời gian cuối có chất lượng kém nhất.

Biện pháp khắc phục có hiệu quả khi xuất nhập cơ giới là làm chóp. Nếu cấu tạo chóp quay thì càng tốt. Khi rơi vào bề mặt chóp, các phần từ nhẹ sẽ trượt theo chóp và phân bổ đều ra mọi nơi, có những phần tử có dung trọng lớn đập vào chóp sẽ văng xa, phân bố đều.

Ở nước ta hầu hết là nhà kho (không cơ giới) nên đã áp dụng phương pháp bắc cầu và đi trên cầu đổ hạt từ trong ra ngoài. Biện pháp này phần nào khắc phục tính tự phân loại và giảm độ nén của khối hạt so với không cầu, tuy nhiên cần lưu ý khi đổ càng hạ thấp chiều cao rơi hạt càng tốt.

Độ chật và độ hổng của khối hạt

Khối hạt gồm những phần từ rắn, giữa những phần tử rắn là khoảng không chứa không khí, khoảng không này gọi là độ hổng của khối hạt. Phần thể tích chiếm bởi hạt và các phản tử rắn khác gọi là độ chật.

Độ chật và độ hống tỉ lệ nghịch với nhau. Trong bảo quản nếu độ chật tăng thì độ hóng giảm.

Độ chật và độ hổng của khối hạt phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, trạng thái bề mặt hạt và các phần từ rắn khác, ngoài ra còn phụ thuộc vào lượng và loại tạp chất, phương pháp nhập kho và thời gian bảo quản. Những loại hạt vỏ xù xì, hạt dài, có râu thì độ hồng lớn. Tạp chất lớn và nhẹ sẽ làm giám độ chật, còn tạp chất khoáng nhỏ thì làm giâm độ hông.

Hình dạng, kích thước kho và phương pháp đổ hạt vào kho cũng ảnh hưởng nhiều tới độ hông. Kho lớn thì sức cản của tường ít, sức nén của khối hạt lớn do đó độ chật tăng lên. Nếu khi đổ hạt vào kho mà dẫm nhiều hay đổ quá cao thì khối hạt bị nén chặt, độ hổng giảm. Độ hổng trong các khu vực khác nhau của khối hạt thường cũng khác nhau do tính tự phân loại gây nên. Trong bảo quản, độ hổng luôn thay đổi, phụ thuộc vào độ ẩm và thời gian bảo quản. Nếu hạt ẩm thì độ hổng giảm và bảo quản lâu, độ hổng cũng giảm.

Giữa độ hổng và dung trọng có liên quan với nhau loại hạt có dung trọng lớn thì độ hổng nhỏ.

Bảng: Độ hổng và dung trọng của một số loại hạt

Trở lực của khối hạt khi thông gió

Trong bảo quản và làm khô hạt còn phải lưu ý tới trở lực của khối hạt. Trở lực là một trong các thông số cần thiết khi tính toán thông gió và sấy hạt.

Trở lực (tính theo p_a) của khối hạt di động (H_d) và cố định (Ht) tăng tỷ lệ thuận với tốc độ dòng khí thổi qua và tính theo công thức:

H_d = Av_dⁿl_d ; H_t = ( av_t + bV(²)l_t

Với lúa thường: a = 3600 – 4200 ; b = 23000 – 25000 trong đó:

• ld – chiều dày dòng hạt (mm); lt — chiều dày lớp hạt (m);
• vd và vt – tốc độ dòng khí đi qua dòng và lớp hạt (m/s), (thường vt = 0,06 m/s);
• A, n, a và b – hệ số thực nghiệm phụ thuộc tính chất vật lý của hạt và khối hạt 

Tính hấp thụ của khối hạt và sản phẩm chế biến

Các loại hạt lương thực và sản phẩm chế biển đều có khả năng hút hơi nước và các loại khí, ta gọi là tính hấp thụ của hạt. Ngược lại, trong điều kiện nhất định, hạt và sản phẩm chế biển cũng có khả năng nhả hơi nước và các khí ra môi trường xung quanh. Đây là tính chất quản trọng trong bảo quản. 

Khối hạt hay sản phẩm chế biển có tính hấp thụ là do hai yếu tố sau:

• Hạt và sản phẩm chế biến từ hạt có cấu tạo dạng keo và có nhiều mao quản.
• Khối hạt có độ hổng.

Quá trình hấp thụ khí và hơi của hạt đồng thời bảo gồm cả hấp thụ, hấp phụ, ngưng tụ mao quản và hấp thụ hóa học.

Xét về mặt ảnh hưởng tới chất lượng và độ bền bảo quản của lương thực mà phân thành: sự hấp thụ khí và hơi (trừ hơi nước) và sự hấp thụ hơi nước.

• Hấp thụ khí và hơi: Các chất khí và hơi trong thành phần không khí ở môi trường bảo quản như khí cacbonic, amoniac, hơi các axit hữu cơ và các khí lạ khác đều có khả năng xâm nhập vào hạt. Sau khi hạt đã hấp thụ thì quá trình làm thoát khí rất khó khăn và không bảo giờ hạt nhà ra triệt để. 
• Hấp thụ và nhả hơi nước: Tính hấp thụ hơi nước của hạt và sản phẩm chế biến có ảnh hưởng rất lớn tới độ bền bảo quản. Nếu hạt hút càng nhiều nước thì quá trình trao đổi chất càng mạnh, lượng chất khô hao tổn càng nhanh, mặt khác độ ẩm cao là điều kiện tốt cho vi sinh vật và côn trùng phát triển.

Để tiện lợi khi nghiên cứu và vận dụng tính hút ẩm của lương thực trong bảo quản, người ta dùng khái niệm độ ẩm cân bằng, ứng với áp suất hơi nước riêng phần và nhiệt độ nhất định của không khí thi lương thực sẽ hút một lượng nước nhất định, đạt tới trạng thái cân bằng. độ ẩm của lương thực ở  trạng thái cân bằng gọi là độ ẩm cân bằng.

Đối với hạt và sản phẩm chế biến từ hạt, quá trình hấp thụ bao giờ cũng có hiện tượng trễ, nghĩa là đường đẳng nhiệt hấp thụ không trùng với đường đẳng nhiệt nhà ẩm. Ở cùng độ ẩm tương đối không khí thì độ ẩm của một loại hạt nhất định đường đẳng nhiệt hấp thụ bảo giờ cùng thấp hơn đường đẳng nhiệt nhà ẩm khoảng 1,2 – 1,3%.

Kết luận:

Độ ẩm cân bằng của gạo lớn hơn của thóc vì gạo đã được tách vỏ trấu, còn lại nội nhũ, trong nội nhũ, chủ yếu là tinh bột và protein là thành phần hút nước chính của hạt. Vỏ trẩu cấu tạo chủ yếu là cellulose do đó rất ít hoặc không hút nước.

Độ ẩm cân bằng của ngô và lúa mỳ gần như nhau. Riêng đậu tương độ ẩm cân bằng thắp vì trong thành phần hóa học của đậu tương có tới 20% chất béo là thành phần không hút nước. Như vậy loại hạt nhiều protein và tinh bột có độ ẩm cân bằng cao, còn lại hạt nhiều chất béo độ ẩm cân bằng thấp.

Sự phân bố ẩm 

Một trong những nguyên nhân ảnh hưởng tới độ bền bảo quản lương thực là sự phân bố âm không đều, do đó trong cùng khối có chỗ độ ẩm cao có chỗ độ ẩm thấp. 

Nguyên nhân

• Sự phân bố ẩm không đều trong từng hạt. Thành phần hóa học và cấu tạo thành phần của hạt khác nhau nên khả năng hút và giữ nước cũng khác nhau. 
• Hạt có độ ẩm lớn và độ mẩy khác nhau thì khả năng hút nước cũng khác nhau. Hạt nhỏ và lép có tỉ lệ phôi lớn hơn hạt to và chắc nên hút ẩm nhiều hơn. Hạt tróc vỏ hay bị gãy nát cũng hút ẩm nhiều hơn do bề mặt hẩp thụ tăng.
• Khi bảo quản hay chuyên chở hạt thì không khí bên ngoài không tiếp xúc và tác động tới toàn bộ khối hạt mà chỉ ảnh hưởng tới lớp bề mặt, do đó khi độ ẩm của không khí thay đổi thì độ ẩm của lớp bề mặt khối hạt cũng thay đổi theo.
• Hoạt độ sinh lý của các cấu tử trong khối hạt cũng làm chênh lệch độ ẩm: thường hạt cỏ dại, hạt xanh, hạt lép hô hấp mạnh hơn hạt bình thường. Mặt khác chỗ nào tích tụ nhiều vi sinh vật và sâu mọt thì chỗ đó hạt ẩm nhiều.
• Do thời tiết thay đổi hoặc do hoạt độ sinh lý của các cấu tử ở các khu vực khác nhau trong khối hạt. 
• Do trạng thái của kho. Nểu kho cách ẩm, cách nhiệt không tốt cũng gây nên sự chuyển ẩm trong khối hạt.

Khắc phục

Để khắc phục hiện tượng phân bố ẩm không đều của khối hạt trong kho cần thực hiện đúng quy định khi xuất, nhập kho, chế độ bảo quản và yêu cầu về cấu trúc kho. Đặc biệt phải chú ý tới ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm của không khí.

Tính chất lý nhiệt của khối hạt

Hạt và khối hạt có một loạt tính chất lý nhiệt mà trong bảo quản cần phải lưu ý. Trong số các tính chất đó thì tỳ nhiệt, độ dẫn nhiệt độ và độ dẫn nhiệt ẩm là quan trọng hơn cả.

Tính chất dẫn nhiệt độ của hạt thấp có cả mặt tốt và mặt xấu.

• Mặt tốt là do khối hạt nóng lên chậm và dẫn nhiệt kém nên ảnh hưởng của nhiệt độ bên ngoài vào khối hạt chậm. Lợi dụng tính chất này mùa đông có thể quạt không khí lạnh vào kho.
• Mật xấu của nó thể hiện khi khối hạt bị đốt nóng làm nguội rất khó khăn. Trường hợp trong khối hạt vi sinh vật và côn trùng phát triển mạnh, nhiệt khó thoát ra, tích tụ dần lại sẽ gây nên quá trình tự bốc nóng. Nước ta thời tiết luôn thay đổi, đặc biệt trong thời gian giao mùa, nhiệt độ lớp bề mặt đổng hạt thay đổi theo nhiệt độ ngoài trời nhưng nhiệt độ đông hạt thay đổi chậm, dễ gây nên hiện tượng ngưng hơi nước trên lớp bề mặt khối hạt.