The purpose of research is to study the dielectric properties of grains processed by mechanical activation using the example of wheat, barley and oats, which are widely used in the agro-industrial complex and the food industry. Objective: to identify the relationship between the dielectric parameters of processed grain and its structural parameters (fraction size) in a wide range of variations in the external electric field from 50 Hz to 1 KHz, which may be useful in optimizing grain processing technologies and choosing optimal storage conditions. A series of experiments was carried out for samples of wheat, oats and barley, varying the degree of fractions from 50 to 1000 μm in a wide frequency range. An algorithm has been developed for calculating dielectric constant and dielectric loss tangent based on measurements of electrical capacitance and conductivity using a certified E7-20 voltage immittance meter and a measuring cell (flat capacitor). An analysis of variations in electrical capacitance, the real part of dielectric constant, electrical conductivity and dielectric loss tangent on the particle size of grain crops was carried out. It has been established that there is a correlation between the dielectric properties of grain processed by mechanical activation and the size of the fractions, which is most significant for small-sized samples with a particle size of no more than 250 microns. A smoothing of variations in dielectric constant and losses was noted as the electric field frequency increased above 100 Hz. The existence of a relationship between the energy properties of the studied fine heterogeneous medium and the degree of grinding in the frequency range under study has been experimentally confirmed. An optimal size for grain processing has been proposed, which will, along with saving energy resources, allow optimizing energy value, improving the quality of food products and the efficiency of agricultural production in general.
dielectric losses, grains, dielectric constant, mechanical activation, wheat, barley, oats
Введение. Зерно является одним из незаменимых продуктов питания, и его качество играет важную роль в определении потребительской ценности зерновой продукции. Исследование электрофизических свойства злаковых культур, отражающих их структуру и состояние, имеет большое значение для качественной оценки зерна и продуктов его переработки. Сравнительный анализ электрофизических свойств зерновых позволяет исследовать и сопоставить такие характеристики, как электрическая емкость, диэлектрическая проницаемость, электропроводность и тангенс угла диэлектрических потерь. Результаты данного анализа помогают установить связь между структурными особенностями зерна и его физическими свойствами, что может быть полезно при создании новых технологий переработки зерновых культур, позволяющих повысить его энергетическую ценность, или при выборе оптимальных условий его хранения. Различные сорта зерна имеют разную структуру и химический состав, что может отражаться на его электрофизических свойствах. Кроме того, условия выращивания и хранения также могут оказывать влияние на его энергетические характеристики и изменяться в зависимости от сорта и региона произрастания. В целях повышения питательной ценности зерновых и продуктов их переработки в современной литературе описана важная роль экструзионных технологий злаковых культур (нетрадиционных поликомпонентных смесей зерновых) как эффективного способа повышения их энергетики [1, 2]. Качеству зернового фонда, совершенствованию методик его выращивания, переработки и повышения урожайности зерновых сегодня принадлежит значимая роль. Агроэкологические основы семеноводства и селекции представлены в работе [3], при этом следует отметить значимую роль внедрения в производство актуальных приемов адаптивной агротехники [4]. Что касается урожайности зерновых, следует отметить ее взаимосвязь с вариациями температурно-влажностных и гелиогеофизических условий, определяемых в т. ч. конфигурацией ионосферных слоев [5].
Цель исследования – изучение диэлектрических свойств переработанных методом механоактивации зерновых культур на примере пшеницы, овса и ячменя для широкого частотного диапазона при вариации степени измельчения зерна.
Задачи: подбор оптимальной степени фракции для переработки зерновых в целях оптимизации энергетической ценности зерновой продукции, снижения энергозатрат при ее переработке и повышения эффективности сельскохозяйственного производства.
Объекты и методы. Объектом исследования является механоактивированная зерновая фракция пшеницы, овса и ячменя. Использовано районированное зерно, выращенное на опытных полях ФГБОУ ВО Иркутский ГАУ. Подготовлена серия из 18 образцов: по 6 образцов для каждой культуры с разной степенью фракций (более 1000 мкм; от 500 до 1000; от 250 до 500; от 250 до 100; от 100 до 50; менее 50 мкм). Данные по электрической емкости и электропроводности получены сертифицированным прибором (измерителем иммитанса напряжения Е7-20) и измерительной ячейкой в виде плоского конденсатора, в которую засыпалась зерновая фракция. Схема экспериментальной установки представлена в работе [6], частота измерений варьировала в пределах от 50 Гц до 1 Мгц при температуре 293 °К и влажности 11,5 %. Измельченная зерновая среда рассматривалась как полярный диэлектрик, особенности поведения которого можно объяснить процессом формирования упорядоченной ориентации молекул полярных водных пленок, контактирующих с электрически активной поверхностью механоактивированных твердых частиц зерна [7]. Исследование проведено общеизвестным методом диэлькометрии [8, 9], при помощи которого исследована температурно-частотная зависимость диэлектрических параметров зерна в работе [10]. Предлагаемый способ переработки зерна позволяет повысить его энергетические показатели вследствие разрыва в результате механоактивации ковалентных связей в веществе и появления сколов, выполняющих роль энергетических ловушек, активно адсорбирующих влагу.
Результаты и их обсуждение. Данные измерений электрической емкости и электропроводности образцов зерновых культур поступали в базу персонального компьютера для расчета диэлектрических показателей (ε – диэлектрической проницаемости и tgδ – тангенса угла диэлектрических потерь). На рисунке 1 представлена полученная частотная зависимость диэлектрической проницаемости для образцов разного гранулометрического состава.
Рис. 1. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости зерновых культур
для образца с размером частиц от 250 до 500 мкм: образец 1 – пшеница;
образец 2 – ячмень; образец 3 – овес
Помимо тенденции к значительному понижению ε с ростом частоты (в среднем от 2,5 до 5 раз) следует отметить, что наибольшей энергетической активностью обладает зерно овса. Так, при частоте 50 Гц диэлектрическая проницаемость овса составляет 17,78; ячменя – 13,47, а пшеницы – 11,3. На высоких частотах различия между ε существенно сглаживаются. Кроме того, имеет место факт снижения электрофизических показателей при увеличении размера частиц. На рисунке 2 представлены данные эксперимента по частотной зависимости диэлектрических потерь опытных образцов злаковых культур (пшеницы, ячменя и овса) для образца с размером частиц менее 50 мкм в диапазоне от 50 Гц до 1 Кгц. Установлено, что диэлектрические потери монотонно понижаются с ростом частоты, при этом следует отметить наиболее высокие значения для образцов механоактивированного овса. Так, на частоте 50 Гц значение tgδ составляет 1,12 для овса; 0,64 для ячменя и 0,44 для пшеницы. На высоких частотах разница в диэлектрических потерях сглаживается, понижение значения параметров tgδ и ε можно объяснить процессом потери диполями ориентации под воздействием поля высокой частоты, влияющего на структуру вещества в мелкодисперсной гетерогенной зерновой среде.
Рис. 2. Частотная зависимость диэлектрических потерь зерновых культур для образца
с размером частиц менее 50 мкм: образец 1 – пшеница; образец 2 – ячмень; образец 3 – овес
Заключение. Анализ данных эксперимента подтверждает наличие корреляции энергетических свойств исследуемой мелкодисперсной гетерогенной среды на основе зерновых культур со степенью измельчения в широком диапазоне частот. Диэлектрические характеристики зерна наиболее значимы для образцов с наименьшим размером фракций, оптимальным размером для переработки зерновых является мелкий помол, что позволяет оптимизировать энергетическую ценность и совершенствовать качество продуктов питания. Проведенный анализ диэлектрических потерь может оказаться полезным для решения актуальных вопросов энергосбережения при хранении, переработке и сушке зерновых.
1. Analiz energeticheskoy cennosti ekstrudatov na osnove zerna pshenicy i kartofelya / I.A. Chaplygina [i dr.] // Vestnik KrasGAU. 2017. № 5 (128). S. 90–95.
2. Matyushev V.V., Chaplygina I.A., Semenov A.V. Ispol'zovanie chetyrehkomponentnyh smesey s predvaritel'nym proraschivaniem rapsa v ekstruzionnyh tehnologiyah // Vestnik KrasGAU. 2021. № 6 (171). S. 130–135.
3. Agroekologicheskie osnovy selekcii i semenovodstva polevyh kul'tur v Predbaykal'e / Sh.K. Husnidinov [i dr.]; Irkut. gos. s.-h. akademiya; Glavnoe upravlenie sel'skogo hozyaystva Irkutskoy oblasti. Irkutsk: Irkut. gos. agrar. un-t imeni A.A. Ezhevskogo, 2005. 415 s.
4. Aktual'nye priemy adaptivnoy agrotehniki polevyh kul'tur dlya ustoychivogo razvitiya zemledeliya v Irkutskoy oblasti: nauch.-prakt. rekomendacii / N.N. Dmitriev [i dr.]; Irkut. nauch.-issled. in-t sel'skogo hozyaystva; Irkut. gos. agrar. un-t imeni A.A. Ezhevskogo. Irkutsk: Megaprint, 2019. 232 s.
5. Buzunova M.Yu., Suhodol'skaya V.E., Ivel'skaya M.K. Prostranstvenno-vremennye variacii veroyatnosti suschestvovaniya i stepeni razvitiya sloya F1 // Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solnca. 1986. № 75. S. 54–58.
6. Buzunova M.Yu., Bonnet V.V. Mechanism of thermally stimulated current occurrence in fine heterogeneous medium on the example of grain crops // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 421. DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/421/5/052032.
7. Peculiarities of the accumulation and transport of electret charges in fine-sized disordered structures due to internal voltage / A.B. Tanaev [et al.] // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. 2017. Vol. 62-3. P. 406–412.
8. Nelson S.O. Dielectric spectroscopy in agriculture // Journal of Non-Crystalline Solids. 2005. Vol. 351. № 33-36 SPEC. ISS. P. 2940–2944. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2005.04.081.
9. Budnikov D.A., Cymbal A.A. Dielektricheskie svoystva sel'skohozyaystvennyh materialov // Innovacii v sel'skom hozyaystve. 2016. № 3 (18). S. 154–159.
10. Buzunova M.Yu., Bonnet V.V. Temperature condition influence analysis on the mechanoactivated wheat dielectric constant // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1515. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/1515/2/022042.
