Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 10
1.1. Характеристика зерна овса 11
1.1.1. Особенности анатомического строения зерна овса 11
1.1.2. Химический состав зерна овса 12
1.1.3. Технологические свойства зерна овса... 18
1.1.3.1. Физико-химические свойства зерна овса 18
1.1.3.1.1. Крупность, выравненность, цвет и форма зерна овса 18
1.1.3.1.2. Натура 19
1.1.3.1.3. Плотность и удельный объем зерна 20
1.1.3.2. Структурно-механические свойства зерна овса 20
1.2. Гидротермическая обработка зерна 22
1.2.1. Способы гидротермической обработки зерна 22
1.2.2. Механизм гидротермической обработки зерна 25
1.2.3. Изменение технологических свойств зерна при гидротермической обработке 31
1.2.3.1. Влияние гидротермической обработки на физико-химические свойства зерна 31
1.2.3.2. Влияние гидротермической обработки на структурно-механические свойства зерна 35
1.3. Операция шелушения 41
1.3.1. Способы шелушения зерна 41
1.3.2. Шелушение зерна при высокоскоростном опорожнении емкости под избыточным давлением 44
1.3.2.1.. Условия шелушения зерна овса при высокоскоростном опорожнении емкости под избыточным давлением 45
1.4. Влияние гидротермической обработки на биохимические свойства крупы 47
1.4. Заключение по обзору литературы и задачи исследования 53
Глава 2. Материалы и методы исследования 49
2.1. Материалы исследования 49
2.2. Методы технологических исследований 50
2.2.1. Метод определения коэффициента внутреннего трения зерна овса 52
2.2.2. Методы биохимических исследований 54
2.3. Расчет числа повторностей экспериментов 55
Глава 3. Основные результаты исследований 65
3.1. Изучение факторов, влияющих на эффективность шелушения зерна овса 65
3.1.1. Влияние формы истечения на эффективность шелушения зерна овса 67
3.1.2. Влияние рабочей среды на эффективность шелушения зерна овса 69
3.1.3. Влияние явления сводообразования на эффективность шелушения зерна овса 73
3.1.4. Влияние скорости истечения зерна овса на эффективность шелушения 75
3.1.5. Влияние влажности зерна овса на эффективность шелушения 77
3.1.6. Влияния усилия воздушной среды, возникающего от перепада давления, на эффективность шелушения 80
3.1.7. Влияние пневмоудара на эффективность шелушения зерна овса 83
3.1.8. Влияние способа загрузки зерна овса на эффективность шелушения 87
3.1.9. Влияние пропуска воздуха через зерновую массу на эффективность шелушения 89
3.1.10. Влияние длительности отволаживания зерна овса на эффективность шелушения 94
3.2. Эффективность шелушения зерна овса на центробежном шелушителе 100
3.3. Повторное шелушение зерна овса при высокоскоростном истечении из емкости 102
3.4. Снижение влажности зерна овса при высокоскоростном истечении из емкости под избыточным давлением 103
3.5. Сушка зерна и ядра овса 105
3.6. Изучение эффективности шлифования зерна овса при различной влажности 108
3.7. Сравнительный анализ некоторых способов гидротермической обработки 109
3.8. Рекомендуемая технологическая схема производства овсяной крупы с применением аэрошелушения при высокоскоростном истечении 111
3.9. Разработка рациональной технологии производства овсяных хлопьев 113
Глава 4 Изменение биохимических показателей при тепловой обработке овсяной крупы 117
4.1. Атакуемость крахмала крупы ферментами 118
4.2. Содержание водорастворимых веществ и декстринов 120
4.3. Содержание водорастворимых витаминов в крупе 123
4.4. Активность липазы 125
Глава 5. Влияние гидротермической обработки на биохимический комплекс овсяной крупы и ее потребительские достоинства 128
5.1. Изменение белкового комплекса 128
5.1.1. Аминокислотный состав крупы 128
5.2. Изменение углеводного комплекса овсяной крупы 132
5.3. Изменение минерального состава овсяной крупы при гидротермической обработке 134
5.4. Влияние гидротермической обработки на потребительские достоинства овсяной крупы 136
5.5. Исследование стойкости крупы при хранении 137
Глава 6 Экономическая эффективность внедрения предлагаемой технологии переработки зерна овса в крупу 139
6.1. Расчет капитальных вложений 139
6.2. Производственная программа 140
6.3. Смета затрат на производство 141
6.3.1. Сырье и материалы 142
6.3.2.. Затраты на топливо и электроэнергию 142
6.4. Расчет финансовых показателей 144
Выводы и рекомендации 146
Список использованных литературных источников 149
Приложения 189
- Влияние гидротермической обработки на структурно-механические свойства зерна
- Влияние гидротермической обработки на биохимические свойства крупы
- Влияния усилия воздушной среды, возникающего от перепада давления, на эффективность шелушения
- Разработка рациональной технологии производства овсяных хлопьев
Влияние гидротермической обработки на структурно-механические свойства зерна
Технология получения крупы является сложной совокупностью технологических операций по переработке зернового сырья. Она обладает многомерной структурой, характеризуется большим количеством потоков продуктов, наличием межоперационных связей, взаимным влиянием их друг на друга и влиянием на них разнообразных возмущающих внешних факторов, т.е. обладает всеми свойствами сложной системы, в отношении которой можно использовать методы системного анализа /78/.
Совершенствование технологии переработки зерна крупяных культур в крупу должно быть основано на изыскании новых, более эффективных методов очистки, сортирования зерна, его гидротермической обработки и шелушения. Особое влияние следует уделять процессам шелушения и шлифования зерна.
Это объясняется тем, что современная технология производства крупяных продуктов не позволяет в полной мере использовать потенциал зерна, при его переработке от 10 % до 40 % ядра превращается в продукты пониженной товарной или потребительской ценности, например, дробленую крупу, либо кормовые отходы, и соответственно, биопотенциал таких ценных в пищевом отношении культур как рис, гречиха, овес и других, используется далеко не полностью.
В процессе переработки зерна крупяных культур основные потери ядра происходят на этапе шелушения зерна, так как применяемые в настоящее время способы шелушения и машины для шелушения зерна недостаточно эффективны. Кроме того, операция гидротермической обработки с применением пропаривания, позволяющая повысить эффективность процесса шелушения, чаще всего является энергоемкой и, наряду с изменениями технологических свойств, существенно изменяются биохимические показатели и питательная ценность крупы не всегда в лучшую сторону. Зерно овса состоит из трех основных частей: зародыша, эндосперма, и оболочек. Каждая часть зерновки имеет сложное строение.
Зародыш плотно прилегает к эндосперму. При соответствующих условиях из зародыша развивается растение. Между зародышем и эндоспермом находится щиток, плотно связывающий их между собой. Щиток богат ферментами, которые способствуют превращению органических веществ в растворимые, легко переходящие из клетки в клетку. Через щиток питательные вещества во время прорастания переходят из эндосперма в зародыш.
Сверху ядро покрыто оболочками, их делят на плодовую и семенную. Они слабо развиты. Эпидермис по всей поверхности зерна покрыт шелковистыми короткими волосками составляющими 1,5 - 2% от массы сухого зерна. Волоски представляют собой полые выросты эпидермиса. Длина, размеры и форма волосков, покрывающих всю поверхность эпидермиса зерна овса различны. Наличие волосков требует использование операции шлифования зерна овса.
Большое внимание заслуживает вопрос пленчатости овса, так как в процессе производства крупы цветковые пленки полностью удаляются, а от содержания их в зерне зависит выход крупы. В большинстве случаев пленчатость овса составляет 25 - 40 %, она значительно зависит от места возделывания и климатических условий.
В ранних работах некоторые исследователи указывают, что зерно овса мелкой фракции имеет большую пленчатость по сравнению с зерном крупной фракции. Однако, исследования проведенные Чичириным /197/, Гинзбургом /35/, Казаковым /36/ показали, что образующаяся в результате сортирования зерна овса мелкая фракция имеет пленчатость меньшую, чем фракция крупная.
Внутренняя часть зерна - эндосперм или мучнистое ядро, в котором находятся питательные вещества для зародыша. В эндосперме различают периферийный слой, прилегающий к семенной оболочке, который называется алейроновым. У зерна овса этот слой состоит из одного ряда крупных почти прямоугольных клеток с сильно утолщенными стенками. Плодовые, семенные оболочки и алейроновый слой составляют вместе 9-11 % от массы зерна.
Особенностью микроструктуры овса является наличие совершенно мучнистой, рыхлой структуры эндосперма. Крахмальные гранулы овса имеют овальную, плавно закругленную форму.
По мнению, Чигирина В.П. /197/, это и является причиной мучнистого эндосперма овса, т.к. в этом случае тесное соприкосновение субъединиц отсутствует. С увеличением крупности зерна овса средний диаметр крахмальных гранул возрастает.
Ценность продуктов питания в первую очередь определяется тем, что овсяные продукты отличаются высокой калорийностью. Содержание белка в зерне овса обычно колеблется от 9,0% до 19,5%. Однако, в ходе исследований проведенных в США было установлено что содержание общего белка в образцах зерна овса из различных районов Ближнего Востока колебалось от 14% до 25% /90/.
Фракционный состав белков в наиболее распространенных сортах овса (в % сухого вещества) приведен в таблице 1.1 /73/. Наибольшие колебания по сортам наблюдаются в содержании глобулинов и проламинов, что отражает особенную подвижность этих фракций, связанную с общим биологическим состоянием тканей зерна овса /73/.
По фракционному составу белков зерно овса значительно отличается от белков пшеницы, ржи и ячменя. Преобладающая фракция у зерна овса -глютелины, затем проламины и глобулины
По аминокислотному составу белки зерна овса значительно отличаются от зерна пшеницы и ячменя. Для них характерно повышенное содержание аргинина и резко сниженное - глютаминовой кислоты. В белках зерна овса также отмечено высокое содержание незаменимой аминокислоты лизина (в два раза больше, чем у пшеницы), благодаря чему так высоко оценивается питательная ценность овсяных продуктов. Аминокислотный состав белков зерна овса (г в 100 г белка) приведен в таблице 1.2/73/.
Влияние гидротермической обработки на биохимические свойства крупы
Таким образом, на начальном этапе гидротермической обработки, заключающемся в увлажнении зерна водой или насыщенным паром, происходит активное трещенообразование и разрыхление эндосперма. Этот процесс снижает технологические свойства зерна крупяных культур, и их переработка на этом этапе резко повышает выход дробленой крупы /63,87/.
При гидротермической обработки зерна большое значение имеет продолжительность периода активного разрыхления эндосперма; в соответствии с выше изложенным она соответствует завершению процесса раскалывания эндосперма микротрещинами. Прекращение образования трещин свидетельствует о локализации молекул воды на активных центрах макромолекул и переходе ее в связанное состояние.
По данным Кешаниди Х.Л. /87/ при увлажнении зерна риса водой 20С через 24 часа отволаживания полностью исчезают все видимые трещины в результате набухания биополимеров
Однако, завершение процесса трещенообразования возможно при достижении зерном определенной влажности. Так, Егоров Г.А. отмечает, что для зерна пшеницы, увлажненного до влажности 17,5% наличие трещин не зарегистрировано. Ильичев Г.Н., также делает заключение, что трещины в зерне риса не исчезают при довольно длительном отволаживании, если его влажность менее 30%, а только при этой влажности и более исчезают все видимые трещины за счет сближения граней /63,103,168,208,245/.
Результаты Кузьминой О.В.. /103/ подтверждают, что насыщение зерна влагой перед пропариванием в пределах 18-24 % не оказывает влияния на изменение общего выхода крупы. Дальнейшее повышение влажности приводит к тому, что при воздействии на него тепла при пропаривании протекают физико-химические процессы, повышающие прочность ядра. Luh Bor et al /232/ также подчеркивает, что увлажнение зерна риса необходимо для обеспечения крахмала достаточным для клейстеризации количеством воды. Достижение высокого эффекта гидротермической обработки возможно при клейстеризации крахмала ядра риса по всему объему. А это наблюдается, как отмечает автор, при влажности около 30%, так как, при этой влажности вода может достигнуть центра зерновки. Егоров /50/, Есин /55/ Ильичев Г.Н. /63/ отмечают, что по мере повышения влажности зерна риса и доведения ее до 30% за счет набухания биополимеров ядра происходит сближение граней раздела, которые, смыкаясь, устраняют трещины. Обобщая результаты исследований можно отметить, что важным этапом при гидротермической обработке является процесс исчезновения трещин в ядре, который происходит при определенной влажности для каждой культуры, и при полном его завершении позволяет добиться высоких технологических результатов. Однако, при этом важно отметить, что при сушке предварительно увлажненного зерна воздухом 25 - 28С /87/, происходит раскрытие ранее невидимых трещин и зерно приобретает технологические свойства, еще более худшие, чем у исходного. Поэтому проведение тепловой обработки путем пропаривания или иного теплового воздействия позволяет достичь «склеивания» граней невидимых трещин и получить однородную монолитную структуру /37,63/. Важным этапом гидротермической обработки является сушка, которой отводится важная роль в эффективности всего процесса. В результате сушки зерна происходит удаление влаги, уплотнение структуры и укрепление ядра. В процессе сушки наблюдается появление трещин, но их количество ниже, чем у исходного зерна. Однако, неправильное проведение сушки может полностью уничтожить эффект гидротермической обработки. Bhattacharya et al /208/ установили, что при непрерывной сушке риса воздухом при температуре 80-85С до влажности менее 16% выход дробленого ядра возрастает с 10% до 50%. Исследования проведенные Ильичевым Г.Н. /63/ показали, что сушка зерна при температуре 110С вызывает появление трещин в зерне риса уже после достижения зерном влажности менее 20%. Таким образом, операции увлажнения и пропаривания зерна крупяных культур способствуют «склеиванию» трещин, образовавшихся на начальной стадии увлажнения, повышаются пластические свойства ядра, структура эндосперма становится более плотной. Сушка зерна способна вызывать образование трещин, что приводит к снижению выхода целого ядра при шелушении. Одним из решений этой задачи, на наш взгляд, может быть исключение операции сушки перед шелушением. В качестве способа, позволяющего шелушить зерно с высокой исходной влажностью, может быть использован способ высокоскоростного истечения зерна из емкости, предлагаемый Есиным / 55/.
Влияния усилия воздушной среды, возникающего от перепада давления, на эффективность шелушения
Влияние пневмоудара на эффективность шелушения зерна овса В результате высокоскоростного истечения, на зерновку действует усилие воздушной среды по выталкиванию зерновки - пневматический удар. Мы предположили, что при воздействии на зерновку овса усилия выталкивающего воздуха она ориентируется длинной осью по ходу движения. Таким образом, пневмоудар приходится либо по сросшемуся, либо по несросшемуся концу зерновки овса.
Для изучения влияния усилия воздушной среды по выталкиванию зерновки из емкости на эффективность шелушения зерна овса, нами был смоделирован процесс выталкивания зерновки из сосуда с использованием пневматического пистолета. Изучение влияния пневмоудара на коэффициент шелушения зерна овса мы проводили с использованием пневматического пистолета в диапазоне влажности от 10% до 35%. При каждой влажности зерно овса ориентировали сросшимся концом по движению зерновки (т.е. пневмоудар приходился по несросшемуся концу), и сросшимся концом против движения зерновки (т.е. пневмоудар приходился по сросшемуся концу зерновки).
В результате проведенных исследований (рис. 3.8) было выявлено, что при пневмоударе по сросшемуся концу у зерна овса с увеличением влажности с 10% до 30% коэффициент шелушения увеличивается с 11% до 18%», но далее увлажнение не ведет к значительному повышению коэффициента шелушения и при влажности 35% он составляет 19%.
При пневмоударе по несросшемуся концу зерновки овса мы наблюдаем аналогичную зависимость. С увеличением влажности с 10% до 30% коэффициент шелушения возрастает с 68% до 86%, а дальнейшее увлажнение до 35% не ведет к значительному повышению коэффициента шелушения, при влажности 35% он составляет 87 %. Изучение влияния пневмоудара на эффективность шелушения показало, что во втором случае, т.е. когда пневмоудар приходился по несросшемуся концу зерновки, эффективность шелушения зерна овса значительно выше. Установив влияние ориентации зерновки овса на эффективность шелушения при воздействии воздушного потока, интересным представляется определить, каким образом ориентируются зерновки овса при высокоскоростном истечении из емкости. С этой целью из конусной емкости со стеклянной стенкой производили естественное и высокоскоростное истечение в течение определенного промежутка времени. После чего истечение останавливали и фотографированием фиксировали состояние и ориентацию зерновок (рис. 3.9). Как видно на фото №1, ориентация зерновок овса после загрузки в основном определена продольной осью к стенкам сосуда. При последующем естественном истечении (фото №2) зерновки овса в центральном столбе ориентированы уже преимущественно продольной осью к выпускному отверстию сосуда. Аналогичная картина отмечена и после высокоскоростного истечения (фото №3), где зерновки так же ориентированы к выпускному отверстию в центральном зерновом столбе и на поверхности образуется более глубокая воронка, чем при естественном истечении. Шелушение зерна овса при высокоскоростном опорожнении емкости под избыточным давлением предусматривает его истечение под воздействием воздуха или пара. Поэтому можно предположить, что от того, насколько плотно уложено зерно в емкости, зависит скорость истечения зерна, а соответственно и эффективность шелушения.
Для изучения влияния способа загрузки зерна овса на эффективность шелушения было проведено ряд исследований, в ходе которых изменяли давление в сосуде, а также при каждом давлении (от 0,1 МПа до 0,5 МПа) применяли различные способы загрузки зерна в емкость, т.е. свободная засыпка зерна овса и загрузка с последующей утрамбовкой. Для эксперимента использовали зерно овса влажностью 28%.
Проведенные исследования показали, что при шелушении зерна овса без предварительной утрамбовки коэффициент шелушения на 3-4% выше, чем с предварительной утрамбовкой. Максимальное значение коэффициента шелушения зерна овса составило 53% при давлении 0,5 МПа (рис. 3.10).
Анализируя результаты проведенных исследований можно предположить, что способ загрузки зерна овса в емкость оказывает влияние на скорость истечения, а следовательно и на эффективность шелушения, при прочих равных условиях, т.е. чем плотнее утрамбовано зерно, тем больше требуется усилий для выхода зерновой массы из емкости и тем ниже коэффициент шелушения. Повышение коэффициента шелушения, вероятно, можно добиться ростом избыточного давления в емкости.
Разработка рациональной технологии производства овсяных хлопьев
Изучив условия шелушения зерна при высокоскоростном опорожнении емкости под избыточным давлением можно отметить следующее: - одним из факторов определяющих эффективность шелушения зерна овса, является форма истечения зерна из емкости, т.к. при нормальной форме истечения эффективность шелушения зерна овса значительно выше чем при гидравлической; - явление сводообразования при высокоскоростном истечении из емкости, на наш взгляд, позволяет добиться дополнительного интенсивного взаимодействия между зерновками при разрушении зернового свода, что повышает эффективность шелушения; - изменение коэффициента внутреннего трения за счет увлажнения зерна овса приводит к усилению воздействия зерновок друг на друга и повышению эффективности шелушения; - на эффективность шелушения большое влияние оказывает ориентация зерна овса при выходе из емкости под избыточным давлением; - явление перепада давлений в изучаемых нами пределах не дает высокого эффекта шелушения, однако, при использовании в качестве "рабочей среды" паровоздушной смеси целостность оболочек была нарушена у 80% зерен, воздуха - у 50-60% зерен, при использовании воды эффекта шелушения не обнаружено; - эффективность шелушения зерна овса зависит от свойств рабочей среды (наибольшая эффективность шелушения при использовании в качестве рабочей среды пара, несколько ниже при использовании паровоздушной смеси и воздуха, при шелушении зерна овса водой эффекта шелушения не обнаружено); - наибольшее влияние на эффективность шелушения зерна овса при высокоскоростном истечении из емкости оказывает скорость его истечения, определяемая величиной избыточного давления в сосуде; - загрузка зерна с дополнительным его уплотнением в емкости, при прочих равных условиях, снижает коэффициент шелушения, а пропуск воздуха через зерновую массу в емкости способствует, вероятно, ее разрыхлению и повышению коэффициента шелушения. На основании представленных выводов можно определить механизм шелушения зерна, при высокоскоростном истечении из емкости с указанием роли каждого из перечисленных факторов в эффективности процесса. Шелушение зерна при высокоскоростном истечении начинается в процессе движения его в емкости. Зерновки при нормальной форме истечения, двигаясь с высокой скоростью, взаимодействуют друг на друга, нарушая целостность оболочек. Эффект этого воздействия может усиливаться путем создания явления сводообразования. Повышение влажности зерна, а соответственно, коэффициента внутреннего трения, также приводит к усилению воздействия зерновок друг на друга и повышению эффекта разрушения оболочек. При выходе зерна овса из емкости за счет перепада давления у некоторых зерновок оболочки полностью разрушаются, а у ряда зерновок нарушается их целостность. Наибольший эффект от перепада давления получается при использовании пара, как рабочей среды, имеющей большую плотность (большую концентрацию водяных паров). Основной эффект шелушения происходит в результате выхода зерна из емкости с высокой скоростью и удара о воздушную массу. При этом воздушный поток, также вытекающий из емкости с высокой скоростью, оказывает усилие на зерновку, как бы моделируя эффект пневматического пистолета. Зерновки овса при выходе из сосуда ориентированы длинной осью по направлению движения. В случае ориентации зерновки сросшимся концом по направлению к выпускному отверстию, удар воздушного потока приходится по несросшемуся концу, что раскрывает оболочки и увеличивает эффект шелушения. Однако, в производственных условиях влиять на ориентацию зерновки при движении в сосуде, к сожалению, невозможно. Снижение скорости истечения зерна из емкости соответственно снижает и эффект шелушения. Принимая во внимание представленный механизм шелушения, можно сделать заключение: 1. Для повышения эффективности шелушения зерна овса без применения пропаривания необходимо использовать нормальную форму истечения и создать явление сводообразования. Эти факторы оставались неизменными во всех последующих исследованиях. 2. Учитывая высокое значение влажности зерна на эффективность шелушения, предусмотреть гидротермическую обработку зерна овса, в которой пропаривание заменить увлажнением. 3. Учитывая большое влияние влажности зерна на скорость истечения из емкости, определить оптимальные режимы гидротермической обработки и скорости истечения зерна, определяемую величиной избыточного давления. Процесс увлажнения зерна овса характеризуется не только задаваемой величиной влажности, но и длительностью протекания этого процесса. Снижение длительности увлажнения (отволаживания) зерна овса может не дать желаемого эффекта изменения технологических свойств, а соответственно и эффекта шелушения.
