Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 8
1.1. Общая характеристика, химический состав гречихи и овса 8
1.2. Развитие способов гидротермической обработки овса и гречихи. Влияние гидротермичеокой обработки на технологические, структурно-механические свойства и химический состав зерна 12
1.2.1. Развитие способов гидротермической обработки овса и гречихи 13
1.2.2. Влияние гидротермической обработки на структурно-механические и гигроскопические свойства зерна 18
1.2.3. Изменение химического состава овса и гречихи в процессе гидротермической обработки 23
1.2.4. Влияние гидротермической обработки на потребительские достоинства крупы 28
1.2.5. Сужа зерна овса и гречихи при гидротермической обработке 30
1.2.6. Шелушение зерна овса и гречихи 32
1.3. Заключение по обзору литературных источников и уточнение цели и задач исследования 37
Глава 2. Материалы и методы исследований 40
2.1. Материалы исследования 40
2.2. Методы исследования 41
2.2.1. Гигроскопические свойства зерна 41
2.2.2. Метод ядерной магнитной релаксации (ЯМР) для изучения состояния влаги в зерне 41
2.2.3. Гидротермическая обработка зерна 45
2.2.4. Шелушение зерна овса и гречихи 49
2.2.5. Статистическая обработка экспериментальных данных 50
Глава 3. Основные результаты исследований 53
3.1. Свойства зерна и их изменение при гидротер мической обработке 53
3.1.1. Гигроскопические свойства зерна и его частей 53
3.1.2. Термодинамические характеристики зерна и их изменение под влиянием гидротермичес кой обработки 59
3.2. Кинеїика нагрева и увлажнения зерна при пропаривании 72
3.3. Сушка зерна в процессе гидротермической обработки 81
3.3.1. Определение значений коэффициента диффузии влаги в процессе гидротермической обработки зерна 86
3.3.2. Влияние температуры зерна на интенсивность сушки 90
3.4. Влияние влажности и температуры зерна на его технологические свойства 92
3.5. Изменение технологических свойств зерна в процессе сушки 98
3.6. Изменение технологических свойств зерна при его отволаживании после завершения гидротермической обработки 112
3.7. Подготовка зерна путем увлажнения и отвола-живания 120
3.8. Исследование упругих свойств оболочек... 125
3.9. Производственные испытания способов и режимов гидротермической обработки зерна ... 128
3.10. Экономическая эффективность 134
Выводы и рекомендаций 135
Литература 137
Приложения 153
- Развитие способов гидротермической обработки овса и гречихи. Влияние гидротермичеокой обработки на технологические, структурно-механические свойства и химический состав зерна
- Метод ядерной магнитной релаксации (ЯМР) для изучения состояния влаги в зерне
- Термодинамические характеристики зерна и их изменение под влиянием гидротермичес кой обработки
- Производственные испытания способов и режимов гидротермической обработки зерна
Введение к работе
Ускоренное и устойчивое наращивание производства зерна -ключевая проблема в сельском хозяйстве, подчеркивается в Продовольственной программе, принятой на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС /г/.
В соответствии с решениями ХХП съезда КПСС и реализацией Продовольственной программы уже в II пятилетке намечается полностью обеспечить спрос на такие продукты как крупа.
Для выполнения этих решений необходимо в кратчайшие сроки увеличить производство и закупки зерна таких крупяных культур: проса, гречихи, овса и др. С целью стимулирования производства зерна гречихи ЦК КПСС и СМ СССР приняли постановление, в соответствии с которым повышена закупочная цена и введена надбавка за продажу зерна государству сверх среднего уровня, достигнутого в 10 пятилетке.
Наряду с увеличением производства зерна необходимо постоянно заботиться об экономном и рациональном использовании продовольственного и фуражного зерна, а также продуктов его переработки.
Увеличение производственных мощностей, а также дальнейшее совершенствование техники и технологии переработки зерна в крупу позволит увеличить производство крупяных продуктов, расширить их ассортимент, повысить качество.
В настоящее время на крупозаводах используется гидротермическая обработка овса и гречихи как прогрессивный метод подготовки зерна к шелушению. Однако, режимы пропаривания лишь для гречихи можно считать оптимальными. Между тем, гидротермичесвая обработка включает и ряд других операций: отволаживание, сушку, охлаждение зерна. Режимы этих операций и их целесообразность не имеют достаточного теоретического обоснования.
. ..6
Применение гидротермической обработки на предприятиях по переработке овса и гречихи позволяет наряду о улучшением технологических овойотв зерна повысить потребительские доотоинства крупы. Однако существуют реальные возможности как в увеличении выхода крупы, так и в улучшении ее качества - снижении содержания дробленого ядра в крупе.
Использование более совершенных шелушильных машин, в частности центробежных шелушителей, а также совершенствование подготовки зерна к шелушению позволит повысить эффективность технологического процесса.
Гидротермическая обработка представляет собой комплекс теп-ло-массообменных процессов, в ходе которых зерно подвергают действию высоких температур и давлений, увлажнению и обезвоживанию. С этой точки зрения гидротермическая обработка зерна крупяных культур почти не исследована. В работах Г.А.Егорова и В.Н.Старовойтова (1978) проведено изучение теплообмена в зерне при пропа-ривании, найдены его теплообменные характеристики, даны рекомендации по совершенствованию аппаратов для гидротермической обработки.
Дальнейшее совершенствование гидротермичеокой обработки невозможно без теоретических и экспериментальных исследований процессов пропаривания, сушки, охлаждения, определения роли этих процессов в изменении технологических свойств зерна. Нет достаточно исчерпывающих сведений о влиянии влажности зерна и его температуры после завершения гидротермической обработки на эффективность последующего шелушения зерна.
Решению некоторых из перечисленных вопросов и посвящена настоящая работа.
Основная цель работы заключается в исследовании параметров основных операций гидротермической обработки зерна овса и гречи-
7 ... .;
хи с целью стабилизации его технологических свойств.
Новые научные результаты, выносимые на защиту, заключаются в следующем:
исследована кинетика увлажнения и нагрева зерна овса и гречихи при различных способах его подготовки.
определены гигроскопические свойства зерна и его составных частей и их изменения при гидротермической обработке;
определены массообменные характеристики зерна и их изменение под влиянием пропаривания;
показано влияние влажнооти и температуры зерна овса и гречихи после гидротермической обработки на эффективность его шелушения;
в производственных условиях проведено сравнение разных способов и режимов гидротермической обработки и шелушения зерна овса.
8 I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
I.I. Общая характеристика, химический состав гречихи и овса
Гречиха, наряду с рисом и просом, является основной крупяной культурой в нашей стране. Гречневая крупа по питательности, вкусовым и диетическим свойствам - один из ценнейших продовольственных продуктов.
В 1975 г. мировые посевы гречихи составили 1616 тыс.га, в том числе в СССР 1500 тыс.га, в Польше 35 Еыс.га, в Японии . 22 тыс.га, в Канаде 19 тыс.га, в США 13 тысга, во Франции 10 тыс.га. В 1979 г. посевы гречихи в СССР составили 1,7 млн.га, что недостаточно для полного удовлетворения потребностей в гречневой крупе /121/.
Основным фактором сокращения посевов гречихи как за рубежом, так и в нашей стране стала ее низкая урожайность - 12,5ц/га. Имеющаяся технология возделывания этой культуры не оказала существенного влияния на урожайность гречихи /121/.
Белки гречихи характеризуются хорошей сбалансированностью по аминокислотному составу, высоким содержанием незаменимых аминокислот, в том числе лизина и треонина, которых недостает в других крупах и хлебе. Единственно недостающей аминокислотой яв-ляетоя лейцин, который в избытке содержится в белке злаков. Благодаря этому потребление гречихи позволит сбалансировать соотношение аминокислот в рационе питания, причем преобладающая часть белков (80 %) входит в состав легкорастворимых альбуминовых и глобулиновой фракций, что обусловливает их легкую усвояемость ор ганизмом человека /57,58,121/. Высокое содержание в гречневой крупе гистидина, незаменимой аминокислоты, положительно влияет на рост детей /121/.
По биологической ценнооти белки гречихи приближаются к белкам сухого молока (92,3 %) и куриных яиц (81,4-99,3 %) /58,121/.
Жиры гречихи характеризуются низкими йодным и окислительными числами. Положительной их особенностью является высокое содержание незаменимых для человека линолевой и линоленовой кислот. В ядрице содержится значительное количество витамина Е, обладающего антиоксидантними свойствами, что позволяет гречневой крупе долго храниться, не теряя пищевых качеств /58,69,121/.
В гречихе содержится значительное количество железа, меди, кобальта, марганца и других элементов, необходимых для жизнедеятельности человека /57,125/.
Гречиха является медоносным растением, в среднем о I га посева собирают 70-100 кг меда. В преобладающей части своего ареала гречиха дает основную часть товарного меда /57,121/.
В таблицах 1,2,3 представлен химический состав гречихи и овса в сравнении с наиболее распространенными в мире зерновыми культурами.
Овес также является ценным сырьем для производства продуктов питания. Валовые оборы зерна овса в мире достигают 50 млн.т. Основные посевные площади сосредоточены в СССР, Канаде, Польше, Австралии, СМ, Франции, Скандинавских странах.
В отличии от гречихи, овес дает высокие урожаи: так в Нидерландах средний урожай составляет 45 ц/га, в Дании - 38, в Бельгии и ФРГ - 20-30 ц/га /95/.
Пооевные площади под овсом в СССР составляют около 12 млн. га, а валовый сбор - 18 млн.т.
Основными производящими районами являются Северо-Западный, Центральный, Волго-Вятский, Центрально-Черноземный, Урал, Сибирь. В РСФСР заготавливается большая часть овса - 70-80 %.
Таблица I
Аминокислоты, мг на 100 г целого продукт /125/
Показатели
Пшенищ,
мягкая
яровая
Кукуруза
Ячмень
Овэс
Гречиха
Вода, %
Белок, % -.
Коэффициент пересчета
Незаменимые аминокислоты
в том числе:
валин ,
изолейцин
лейцин
лизин
метионин
треонин
триптофан
фенилаланин
Общее количество аминокислот
Лимитирующая аминокислота
скор, %
II660 7430 9610 10600 10580 13730
Лиз-49 Лиз-72 Лиз-53 Лиз-59 Лиз-71 Лей-85 Тре-71 Тре-89 Тре-78 Тре-76 Тре-96 Лиз-89
Таблица 2
Липиды, г на 100 г целого продукта /125/
Показатели
Пшеница
мягкая
яровая
Кукуруза
Ячмень
Овес
Гречиха
Таблица З Минеральные вещества на 100 г целого продукта /125/
Зола, % 1,7 4,6 1,2 2,4 3,2 1,8
Макроэлементы, мг
Микроэлементы, мг
Из 60 районированных сортов лучшими являются Льговский 1026, Надежный, Орел, Кировский, Мирный, Нарымский, Сельма /77/.
Овес отличается высокой биологической ценностью белков /107/, их сравнительно большим содержанием в крупе, наличием таких компонентов, как слизи, что позволяет использовать продукты переработки овса в детском и диетическом питании. По сравнению с наиболее распространенными зерновыми культурами: пшеницей, рисом, ячменем и кукурузой,овес содержит наибольшее количество незаменимых аминокислот /88,125/.
Отличительной особенностью овса является повышенное содержание липидов, что необходимо учитывать при переработке его в крупу и в процессе хранения готовой продукции /58,81,125/.
Овес содержит значительное количество макро- и микроэлементов, что повышает его пищевую ценность /104/. Однако/до сих пор большая часть производимого зерна используется на фуражные цели.
1.2. Развитие способов гидротермичеокой обработки овса и гречихи. Влияние гидротермической обработки на технологические, структурно-механические свойства и химический состав зерна
Под воздействием обработки водой и теплом в зерне развивается ряд взаимосвязанных процессов физико- коллоидно- и биохимической природы, прямым следствием которых является необратимое изменение его структуры и технологических свойств /39/.
Гидротермическая обработка крупяных культур является средством направленного изменения технологических свойотв зерна, улучшения потребительских качеств крупы при сохранении ее биологической ценности /119/.
Применение пропаривания зерна при производстве овсяной и гречневой крупы отмечено М.Е.Гинзбургом еще в 1940 г. /25/. Од-
нако, если при производстве овсяной крупы гидротермическая обработка была распространена довольно широко, то пропаривание гречихи в нашей стране не применялось, так как считалось, что всякое подсушивание верна (с пропариванием или без него) ведет к увеличению выхода продела и что лучше перерабатывать зерно влажное, а затем подсушивать крупу.
Гидротермическая обработка овса заключалась в пропаривании зерна в шнековом пропаривателе непрерывного действия при давлении пара в магистрали 0,15-0,20 МПа с длительностью обработки от 75 до 150 с. Расход пара составлял от k до 8 % от массы зерна; влажность до сушки - 20-22 %, после - 9-Ю %т Температура зерна, выходящего из сушилки, по мнению специалистов, не должна превышать 75 С (на практике 40-60 С ).
Впоследствии работы П.П.Тарутина /117/, И.П.Недашковской /91/, В.В.Смирновой /109/ подтвердили положительное влияние обработки зерна паром атмосферного давления на эффективность процесса шелушения и выход крупы, но влияние различных режимов пропаривания на выход крупы авторы не исследовали.
I.2.I. Развитие способов гидротермической обработки
овса и гречихи
С начала 59-х годов исследователи уделяют внимание изучению различных режимов гидротермической обработки с целью оптимизации процесса пропаривания зерна.
На основании лабораторных исследований, а затем при производственной проверке П.Г.Гусев /30/ пришел к выводу, что оптимальный режим пропаривания для зерна гречихи - давление пара 0,25 МПа, экспозиция - 5 минут.
Применение пропаривания зерна при этом режиме на гречеза-водах /33,102,113,131/ позволило, в среднем, увеличить выход
14 крупы на 6 %, производительность - на 25 %, снизить себестоимость продукции на 8 %.
Для зерна овса Н.В.Роменской и П.В.Попов /103/ рекомендуют обработку под давлением пара 0,15-0,30 МПа в течение 10 минут.
В.Т.Линниченко /75/, исследовав влияние гидротермичеокой обработки на эффективность шелушения овса, предлагает пропаривать зерно под давлением 0,2-0,3 МПа в течение 2 минут, но отмечает, что максимальный технологический эффект достигнут при 0,4 МПа.
С целью интенсификации процесса пропаривания гречихи А.С.Белиловская /12/ предложила обрабатывать зерно под давлением 0,5 МПа в течение 1,5 минут.
В эти годы поиск оптимальных режимов гидротермической обработки овса проводился о учетом последующего направления зерна на шелушение в шелушильный постав или обоечную машину, причем, рекомендуемые режимы пропаривания зерна /12,75,103/ отличаются повышенной жесткостью, что снижает потребительские достоинства крупы.
В меньшей степени была изучена сушка зерна, причем параметры процесса сушки в большинстве работ не приведены.
Широкое использование при переработке овса центробежных шелушителей за рубежом вызвало интерес к исследованию режимов гидротермичеокой обработки зерна при подготовке его к шелушению. В отдельных зарубежных работах описаны способы подготовки зерна к шелушению, однако конкретные режимы различных операций не указаны.
Проведенные в нашей стране исследования подготовки зерна
к шелушению позволяют ожидать положительных результатов при использовании центробежных шелушителей на отечественных крупоза-
водах.
В.М.Киреев /63/ установил, что наилучшие результаты шелушения овоа в центробежных шелушителях достигаются при давлении пара ОД МПа и экспозиции пропаривания 3 минуты. Повышение давления пара и экспозиции пропаривания зерна увеличивает выход дробленого ядра. С.Н.Карчик /61/ приходит к аналогичным выводам.
К.Б.Байболов /8/ приходит к выводу о положительном влиянии увлажнения зерна перед пропариванием на коэффициент шелушения лишь при низкой исходной влажности зерна (11,2 %); увлажнение более влажного зерна практически не оказывает влияния на эффективность гидротермической обработки.
В.П.Чигирин /129/ рекомендует раздельное пропаривание крупной и мелкой фракций овса при давлении пара 0,1 МПа и экспозиции пропаривания 3 минуты.
М.С.Шабаков /130/ предложил новый метод гидротермической обработки, заключающийся в увлажнении зерна до влажности 24 %, отволаживании в течение 24 часов, сушке при температуре сушильного агента - 125 С, влажности зерна после сушки - 13 %. Однако, при прочих равных условиях обработки, увлажнение до 16-18 % с отволаживаниём в течение 16 часов позволяет получить незначительно отличающиеся результаты. Температура зерна при подаче на шелушение автором не указывается.
В работе /145/ представлена схема, в которой предусматривается пропаривание зерна перед повторным шелушением, что вызывает пластификацию ядра и, как следствие, не позволяет ему дробиться.
Патент ФРГ /136/ рекомендует использовать пропаривание зерна с последующим увлажнением его перед шелушением.
Температура наряду с влажностью является одним из основных пластификаторов для многих пищевых продуктов /34/. Изменение
температуры зерна влияет на его структурно-механические свойства, что, в свою очередь, отражается на эффективности технологического процесса. В частности, охлаждение зерна при проведении гидротермической обработки считалось обязательной операцией /75,76/.
В.Т.Линниченко /75/ отмечает, что технологическая эффективность шелушения овса существенно повышается при охлаждении зерна воздушным потоком в течение 5 минут, по сравнению с естественным охлаждением на воздухе в течение 30 минут. Данных об эффективности шелушения зерна с повышенной температурой автор не приводит.
Т.В.Локтева /76/ показала положительное влияние увеличения температуры сушильного агента при сушке гречихи в кипящем слое на технологические свойства зерна, в то же время отмечается увеличение коэффициента шелушения при быстром охлаждении зерна однако температура зерна, направляемого на шелушение, не указывается.
В.В.Манаенков /81/, всесторонне изучив способы предварительной подготовки овса к шелушению в центробежном шелушителе, предлагает исключить охлаждение зерна, так как это способствует увеличению выхода дробленого ядра, поэтому им рекомендовано перед шелушением только пропаривать зерно при давлении 0,1 МПа с экспозицией 3 минуты или пропаривание при тех же параметрах о последующей кратковременной сушкой при температуре сушильного агента 100 С. В обоих способах предлагается сокращение до минимума разрыва между окончанием гидротермической обработки и шелушением зерна.
Как показали исследования, проведенные в МТИПП /52/, двукратное шелушение овса непосредственно после пропаривания дает положительные результаты, отмечается отрицательное влияние от-
17 волаживания зерна после пропаривания на эффективность шелушения. Однако авторы не указывают температуру зерна по всему технологическому циклу.
Зерно является лабильной системой, которая реагирует на малейшие изменения параметров окружающей среды. Поэтому для разработки научно обоснованных опособов и режимов подготовки зерна к шелушению необходим комплексный анализ различных факторов гидротермической обработки на технологические свойства зерна. Между тем, происходящие при гидротермичеокой обработке процессы изучены еще не достаточно.
В.Н.Старовойтов /116/ исследовал процесс теплообмена при пропаривании зерна пленочных культур. Им предложены расчетные формулы для определения влажности зерна в любой момент времени пропаривания. Автор отмечает, что на процесс теплообмена при пропаривании большое влияние оказывает способ подвода пара в слой зерна. В частности, продувка зерна насыщенным паром перед обработкой под давлением позволит существенно уокорить процесс пропаривания.
Отсутствие в зерне макрокапиляров /39/ накладывает определенные ограничения на интенсивность маосообмена, что необходимо учитывать во избежании появления внутренних напряжений и вероятности растрескивания эндосперма при высокотемпературной сушке.
Методами полного факторного анализа Е.М.Мельников /85/ показал, что при гидротермической обработке овса с повышением давления пара, увеличением экспозиции пропаривания, температуры сушильного агента, длительности отволаживания после пропаривания увеличивается коэффициент шелушения и выход дробленого ядра, причем наиболее существенное влияние на выход дробленого ядра оказывает давление пара; на коэффициент шелушения - температура сушильного агента и длительность отволаживания зерна пос-
.. . 18
ле пропаривания*
Применение сушильного агента с высокой температурой (150-200 С) возможно только при мягких режимах пропаривания, так как в противном случае, увеличивается выход дробленого ядра. К сожалению, причины, вызывающие данный эффект, не называются.
Шелушение гречихи в центробежном шелушителе не дало положительных результатов /14/, однако этот вопрос требует дальнейшего изучения.
1.2.2. Влияние гидротермичеокой обработки на структурно-механические и гигроскопические свойства зерна
Зерно "представляет собой сложно-составное, анизотропное, капиллярно-пористое тело, анатомические части которого построены из биополимеров, и живой организм, располагающий биологической системой регулирования протекающих в нем процессов" /41/.
Исследование нативной структуры зерна методом сканирующей микроскопии /98/ показало, что овес "имеет мучнистый рыхлый эндосперм, в клетках которого белковая матрица объединяет мелкие зерна крахмала в отдельные структурные единицы. На поверхности белковой матрицы возможно наличие глобул белка; некоторые зерна крахмала лежат свободно в клетках, вне белковой матрицы. Воздушных прослоек много, что придает эндосперму рыхлость".
Необработанное зерно овса отличается высокой пластичностью, в 2 раза больше ячменя, в 4 раза - пшеницы, но обладает меньшей прочностью и твердостью по сравнению с горохом, пшеницей, рожью /86,89/.
Зерно гречихи имеет рыхлый и хрупкий эндосперм. Зерна крахмала плотно упакованы в клетке и имеют многогранную форму. Клетки эндосперма увеличиваются в размерах в направлении от алейро-
19 нового слоя к центру, крахмальные зерна в них становятся более крупными. В центральной части эндосперма гречихи клетки плотно соединены между собой и не образуют межклетников. Различные по величине зерна крахмала соединяются между собой тонкими белковыми пленками, однако слаборазвитая белковая матрица не заполняет полностью все промежутки между крахмальными зернами, поэтому в клетке много воздушных полостей /98/.
Прочность зерна гречихи в 3,5 раза ниже прочности пшеницы. Ядро зерна гречихи имеет меньшую твердость, чем ядро зерна колосовых культур. Необходимо отметить, что целое зерно гречихи более чем в 2 раза прочнее целого ядра /94/»
Гидротермичеокая обработка вызываем упрочнение ядра, что проявляется в изменении его механических свойств при статических и динамических нагрузках и объясняется процессами, происходящими в них при обработке: клейотеризация крахмала, накопление декстринов, денатурация белков /30,85,105,130/.
Наиболее существенное влияние на структурно-механические свойства зерна крупяных культур оказывает пропаривание /12,76, 85,112/.
Е.М.Мельников /85/ отмечает, что степень упрочнения ядра зависит, главным образом, от интенсивности пропаривания и изменений реологических свойств эндосперма.
Изучение влияния гидротермической обработки на структуру ядра с помощью электронного микроскопирования показало, что увеличение давления пара при экспозиции пропаривания способствует продвижению оклейстеризованной зоны от периферийных слоев к центру ядра. Следовательно, после пропаривания и последующей сушки ядро приобретает монолитную структуру /50,85,128,129,51/.
После гидротермической обработки прочность на раздавливание (сжатие) у зерна и ядра гречихи возрастает в 2-3 раза, а
20 работа разрушения более, чем в 4 раза /30/.
Используя прибор Брабендера Богачинский установил /140/, что при измельчении зерна, прошедшего гидротермическую обработку, повышается расход энергии, и одновременно растет величина крутящего момента разрушения,
А.СБелиловская, исследуя микротвердость ядра гречихи, подтвердила упрочнение ядра при пропаривании. Средняя микротвер-
дооть необработанного ядра составила 6-Ю кг/мм , пропаривание под давлением 0,3 МПа в течение 5 минут увеличило ее до 10-14 кг/мм , при этом микротвердость периферийного слоя возросла с 8-Ю кг/мм2 до 12-14 кг/мм2 /12/.
Процесо клейстеризации крахмала при пропаривании сокращает количество микротрещин в ядре и снижает его пористость /50,85,105/, что положительно влияет на эффективность шелушения.
В.П.Чигирин /129/ отмечает, что при пропаривании под давлением 0,1 МПа в течение 3 минут в ядре овса изменению подвергаются лишь периферийные участки ядра, образуя на внешней поверхности эндосперма слой с измененной структурой. Наличие этого слоя и мало измененной, эластишой части способствует лучшей сохранности ядра и меньшей его дробимости при шелушении.
При увеличении жесткости режимов пропаривания структура ядра уплотняется, а ядро становится стекловидным, при этом ядро приобретает хрупкость, что приводит к увеличению выхода дробленого ядра при шелушении /130/.
Е.М.Мельников /85/ указывает, что основная причина умень-шения выхода дробленого ядра заключается в его пластификации, снижении хрупкости, так как непосредственно после завершения гидротермической обработки прочность ядра гречихи, риса, овса меняется мало, более того, при некоторых режимах обработки прочность может и снизитьоя.
М.С.Шабанов /130/ на ооновании исследования структурно-механических свойств зерна и ядра овса при ударной нагрузке рекомендует применять мягкие режимы гидротермической обработки, а также способы подготовки зерна к шелушению, не включающие пропа-ривания /56/.
Полученные результаты показывают, что с увеличением влажности зерна и ядра ударная вязкость возрастает. Отмечено, что пропаривание при давлении 0,1-0,3 МПа снижает ударную вязкость зерна. Объясняется это повышением хрупкости пленок; ударная вязкость ядра возрастает. Повышение давления пара при пропаривании мало сказывается на увеличении ударной вязкости, поэтому при шелушении в центробежных шелушителях можно ограничиться мягкими режимами пропаривания.
К.Б.Байболов /8/ и В.П.Чигирин /129/ отмечают, что прочность овса постепенно повышается и стабилизируется после гидротермической обработки в течение 48 часов. Однако при шелушении пропаренного зерна после длительного отволаживания образуется много дробленого ядра.
При мягких режимах обработки, характерных для подготовки пшеницы и ржи к помолу, также наблюдаются изменения внутренней структуры зерна. В частности, при увлажнении пшеницы и ржи снижается стекловидность /39/, что свидетельствует о преобразовании структуры зерна при проникновении в него влаги, причем на интенсивность процесса влияет температура.
Г.А.Егоров /39/ отмечает, что независимо от метода и режима гидротермической обработки пшеницы наибольшим изменениям подвержена семенная оболочка. Относительные изменения плодовой оболочки и алейронового слоя отстают во всех случаях.
Исследования М.Е.Гинзбурга /26/, Т.В.Локтевой /76/ показали, что величина воздушной полости тесно связана с крупностью
.22 . . ....
зерна гречихи: о увеличением крупности зерна растет величина воздушного зазора между ядром и оболочкой» Это, в свою очередь, объясняет лучшие технологические овойства крупных фракций, так как они дают больший выход целой крупы и меньше дробленого ядра.
Под влиянием гидротермичеокой обработки изменяются гигроскопические овойства зерна /68,105,133/.
Ряд авторов /105,133/ приходят к выводу, что при длительном хранении в различных условиях крупа, полученная из зерна, прошедшего гидротермическую обработку, имеет влажность ниже по сравнению с контрольным образцом. Эта закономерность присуща многим видам крупы и объясняется денатурацией белка и уплотнением структуры ядра при пропаривании /105/.
С.й.Кретов /68/ установил снижение равновесной влажности зерна ячменя, прошедшего высокотемпературную сушку.
Аналогичное явление зарегистрировано при сушке пшеницы /20/ и макаронных изделий после предварительной гидротермической обработки /II/
Снижение равновесной влажности зерна после гидротермичеокой обработки повышает стойкость крупы при хранении /105/, снижается энергия связи влаги с материалом за счет денатурации белка /11,68/, однако уплотнение структуры ядра при пропаривании затрудняет перемещение влаги из центра ядра к поверхности при сушке и может быть причиной появления трещин при значительном градиенте влагосодержания, что ухудшает технологические свойства зерна в процессе дальнейшей обработки, поэтому представляет интерес сравнение массовлагообменных характеристик зерна, пропаренного при различных режимах, и его составных частей. Подобных исследований в литературе не обнаружено.
23 1.2.3» Изменение химического состава овса и гречихи в процессе гидротермической обработки
Практически все исследователи отмечают значительное влияние гидротермической обработки на химический состав зерна крупяных культур, причем наибольшие изменения происходят при пропари-вании зерна или крупы./153/.
Гидротермическая обработка крупяных культур вызывает денатурацию белковых веществ /64,73,85,65,66/.
В значительной части работ /32,103,105,108,132/ отмечается, что оптимальные режимы практически не влияют на содержание общего азота, лишь под воздействием жестких режимов наблюдается его снижение.
Снижение содержания белкового азота при пропаривании /105/ связывается с процессом деструкции белков; уменьшение содержания небелкового азота происходит у большинства исследованных культур /103,108/, что объясняют реакцией меланоидинообразова-ния в процессе пропаривания /46/.
И.И.Ленарский /73/ отмечает, что белки ряда культур теряют растворимость только в первый период нагревания, длительное нагревание в автоклаве вызывало переход за счет гидролиза части денатурированных белков в растворимое состояние. Автор подчеркивает, что при одинаковых условиях обработки легче подвергаются изменениям белки пшеницы и ячменя, мало поддаются воздействию белки проса, белки овса занимают промежуточное положение.
При сушке и тепловой обработке увеличивается содержание аминного небелкового азота и уменьшение белкового азота, что указывает на процесс гидролитического распада белков. Денатурация белков под действием тепла идет с присоединением воды и по ряду признаков является не моно, а бимолекрярной реакцией A3/.
Н.В.Роменский и П.В.Попов /ЮЗ/ установили, что обработка под давлением пара 0,3 МПа в течение 8-Ю минут приводит к снижению содержания общего азота во всех видах крупы, особенно у овса и ячменя. Полученные данные свидетельствуют о деструкции белков с нарушением элементарного состава, причем при давлении пара 0,15-0,2 МПа потери общего азота уменьшаются, а у риса и пшеницы не наблюдаются вообще.
НлйиЛа~у., faauA С. /148/ приходят к выводу, что нагревание зерна до температуры 110, 120, 130 С в течение 1-5 часов вызывает сравнительно малые изменения общего азота и азотистых водорастворимых соединений в овсяных хлопьях. При нагревании свыше 5 часов происходят более значительные изменения.
Гидротермическая обработка вызывает значительные изменения в соотношении белковых фракций, практически не изменяя содержания белка в зерне. Потеря белком способности растворяться в некоторых растворителях является следствием денатурационных изменений белка /69,73,85/.
В.В.Смирнова /109/ отмечает, что при пропаривании овса коагуляции подвергаются главным образом альбумины и глобулины.
Снижение содержания водо- солерастворимых фракций белка в значительной степени определяется режимом обработки: с ужесточением режима пропаривания в большей степени теряется их растворимость /105,108,132/.
Под влиянием гидротермической обработки изменяется аминокислотный состав зерна.
Пропаривание овса, по данным Д.С.Злотникова /4-9/, существенно уменьшает лишь содержание лизина, остальные незаменимые аминокислоты практически не изменяются.
Л.В.Смирнова /НО/ приходит к выводу, что гидротермическая обработка овса, при получении из него толокна, приводит к значи-
25 тельному разрушению всех идентифицированных автором аминокислот.
Снижение содержания аминокислот при пропаривании гречихи также обнаружено В.Шарунайте /132/.
Е.М.Мельников /85/ отмечает, что гидротермическая обработка и варка овсяной и гречневой крупы хотя и приводят к некоторой убыли аминокислот, но содержание их в белках каши, сваренной из необработанной и проваренной при умеренных режимах крупы, практически одинаково. Однако в белках вареной крупы, обработанной при жестких режимах, убыль аминокислот большая, чем в вареной контрольной крупе.
Наибольшие изменения зарегистрированы в аминокислотном составе нерастворимого белка, так как содержание аминокислот в различных белковых фракциях изменяется в меньшей степени, чем в суммарном белке /85/.
Пропаривание зерна вызывает гидролиз крахмала, что приводит к снижению его содержания в крупе, причем глубина гидролиза зависит от режима пропаривания /30,105,108,97/.
Распад крахмала под влиянием пропаривания происходит в основном до декстринов /108,112,130/, которые оказывают цементирующее воздействие на ядро и тем самым способствуют увеличению выхода целого ядра.
С.Н.Карчик /62/ разделила зерновые культуры по аминографи-ческой характеристике крахмала на две группы:
У овса, ячменя и пшеницы наблюдается нарастание вязкости водно-мучных суспензий при слабых режимах пропаривания. Эти культуры отнесены к первой группе.
Ко второй группе относятся гречиха и рис. Обработка зерна названных культур уже при слабых режимах вызывает снижение вязкости водно-мучных суспензий.
Исследование влияния гидротермической обработки на содержание пентозанов и клетчатки /30,36,105,108/ показало, что лишь для нчменя отмечено снижение содержания клетчатки, а для пшена - также и пентозанов; по мнению авторов /36,105/, это связано с лучшим отделением плодовых оболочек у пропаренного зерна.
Изменение внутренней структуры крахмала под действием тепла и влаги вызывает способность более интенсивно поглощать влагу /38,71,72,127/.
Пропаривание зерна способствует увеличению атакуемости крахмала амилолитичеокими ферментами, причем, с увеличением давления пара атакуемость повышается, и более интенсивно протекает накопление Сахаров /112/.
Участием в реакции меланоидинообразования объясняют снижение содержания всех восстанавливающих Сахаров в зерне овса после пропаривания примерно в 2 раза. Жесткие режимы вызывают рост содержания мальтозы вследствие гидролиза крахмала /85/.
Изучению режимов и способов обработки, при которых наблюдается увеличение водорастворимых веществ в крупе, уделяется большое внимание, так как наличие водорастворимых веществ повышает усвояемость крупы.
Исследование пропаривания овса /112/ для производства толокна показало, что с увеличением давления пара и экспозиции пропаривания зерна растет количество водорастворимых вществ и декстринов в толокне.
А.С.Слепнева /108/ рассматривает изменение количества водорастворимых веществ как результат двух параллельно протекающих процессов: уменьшение содержания водорастворимых белков за счет их тепловой денатурации и увеличение содержания растворимых углеводов за счет декстринизации крахмала.
27 М.С.Шабаков /130/ отмечает, что пропаривание значительно
повышает выход слизистых веществ и вызывает изменение их состава: повышается содержание декстринов и амилозы, уменьшается содержание белка.
Под влиянием гидротермической обработки онижают свою активность ферменты. Оптимальная температура для действия ферментов лежит обычно в пределах 40-50 С /69/, повышение температуры до 100 С приводит к полной инактивации ферментов.
В.Л.Кретович и др. /70/, В.В.Смирнова /109/, А.С.Слепнева /108/ показали, что пропаривание подавляет действие ряда ферментов.
Гидротермическая обработка гречихи при давлении пара 0,25 МПа и экспозиции пропаривания 5 минут вызывает в крупе уменьшение суммы липидов, снижает количество свободных и связанных липидов, но увеличивает содержание прочносвязанных, так как при гидролизе образуются гликолипидные и липопротеидные комплексы /133/.
Активность липазы, в результате гидротермической обработки гречневой крупы, снижается по сравнению с контрольным образцом, что сопровождается уменьшением кислотного числа жира /133/.
Пропаривание овса при давлении пара 0,5 и 0,3 МПа в течение 2-х минут снизило активность липазы почти в 10 раз, липокси-геназы в 2-3 раза /58/.
Е.М.Мельников /85/ приходит к выводу, что изменение содержания общих липидов в крупе под влиянием гидротермической обработки практически не наблюдается, но изменяется групповой состав: повышается содержание триглицеридов за счет снижения содержания жирных кислот и пигментов.
По данным ряда исследователей /91,108,109,133/ в процеосе пропаривания овоа, проса, гречихи кислотное число жира снижается.
Исследования Е.П.Козьминой /68/, А.С.Слепневой /108/, А. С.Б ел ил ов ской /12/, Л.В.Смирновой /НО/ показали, что гидротермическая обработка приводит к частичному разрушению водорастворимых витаминов. При производственном режиме пропаривания разрушение тиамина и рибофлавина в среднем составляет 25-30 %. Аналогичные изменения зарегистрированы не только в ядре, но и в лузге /108/.
Гидротермическая обработка зерна при жестких режимах вызывает потемнениеtядра.
В.П.Чигирин /129/ уотановил, что цвет (белизна) крупы, определенный на приборе ФПМ-І, находится в прямой зависимости от режима обработки.
Потемнение ядра связывают с образованием меланоидинов -темноокрашенных соединений. Меланоидины - это результат взаимодействия продуктов щелочного разложения моносахаридов с аминокислотами /16/.
Продукты щелочного разложения моносахаридов, имеющие меньшую молекулярную массу, являются более реакционными по отношению к аминокислоте /16/.
Е.М.Мельников /85/ отмечает, что снижение содержания свободных аминокислот, повышение оптической плотности водных и щелочных вытяжек, результаты гельфильтрации водных и щелочных растворов азотистых веществ на ДЭАЭ-целлюлозе подтверждает образование окрашенных сахароаминных комплексов под влиянием гидротермической обработки зерна.
Исследование минерального состава крупы показало, что про-паривание не вызывает его существенного изменения /63,139,31/.
1.2.4. Влияние гидротермической обработки на потребительские достоинства крупы Большинство авторов отмечают улучшение потребительских
свойств крупы при применении оптимальных режимов пропаривания /35/. Крупа, как правило, приобретает приятный специфический запах, что объясняется образованием карбонильных соединений /30, 32,64,108/, выравненный цвет /103,108/.;
Каша из пропаренной крупы имеет рассыпчатую консистенцию /12,32,75,108/.
Продолжительность варки крупы до готовности сокращается и зависит от режима обработки /85,75,105,129/,
Величина объемного и весового привара зависит от влагопо-глотительной способности крупы и определяется гидрофильностью белков и крахмала. Денатурация белков при пропаривании снижает их водопоглотительную способность, однако гидрофильность крахмала растет вследствие его клеистеризации. Авторами отмечается /75,85,105/, что величина привара каши при использовании гидротермической обработки увеличивается.
В.Т.Линниченко /75/ отмечает, что крупа, полученная на заводах, где проводится гидротермическая ооработка овса, обладает лучшими потребительскими свойствами; у крупы, полученной с предприятий, где предусмотрена только сушка зерна, потребительские достоинства ниже.
Гидротермическая обработка увеличивает число набуханий в 1,5 раза, продолжительность ее варки меньше.
Обработка под давлением пара 0,1 МПа дает кашу вязкую, а. при давлении 0,2 МПа и выше - лучшей консистенции и рассыпчатую.
В.П.Чигирин /129/ установил, что в результате пропаривания улучшаются вкусовые качесгва овсяной каши, исчезает привкус горечи, характерной для крупы, полученной из необработанного зерна овса.
Повышение жесткости режима обработки несколько оокращает
время варки, но коэффициент развариваемооти снижается. При про-паривании зерна под давлением более 0,2 МПа каша приобретает жесткость. Наилучшие показатели установлены для каши, приготовленной из-крупы, подвергнутой обработке при давлении 0,1 МПа в течение 3-х минут; отмечено некоторое пооветление ее по сравнению с контрольным образцом, чшо связывается с разложением пигментов. Жесткие режимы вызывают изменение структуры каши, которая становится вязкой и жесткой.
М.С.Шабаков /130/ рекомендует мягкие режимы обработки овса, так как при этом улучшаются потребительские достоинства -уменьшается время варки, улучшается консистенция. Повышение давления пара более 0,2 МПа ухудшает потребительские достоинства крупы: появляется привкус поджаренной крупы, структура каши становится твердой.
1.2.5. Сушка зерна овса и гречихи при гидротермической обработке
Гидротермическая обработка овса и гречихи должна способствовать получению зерна с достаточно выоокой влажностью ядра при минимально возможной влажности пленок. Использование вертикальных паровых сушилок на отечественных крупозаводах не позволяет получить данного эффекта. Подобное состояние зерна может быть достигнуто при интенсивной сушке его в псевдоожиженном слое /76,81,106/.
При сушке в кипящем слое, вследствие интенсивного перемешивания частиц, происходит выравнивание температуры в объеме слоя, что особенно важно для равномерной сушки отдельных зерен и стабилизации их технологических свойств. Преимущества этого способа сушки по сравнению с сушкой зерна в плотном слое, показаны в работах /22,23,122.,29/.
ЗІ Для сушки зерна в процессе гидротермической обработки за
*
рубежом используются сушилки самых различных конструкций, однако по способу теплоподвода их можно отнести к кондуктивным или кондуктивно-конвективным сушилкам /95,124,146,155/.
Для технологии американских заводов по переработке овса характерно применение подсушивания зерна перед подачей на шелу^ шение /95/. Сушка осуществляется в дисковых сушилках. В период сушки удаляется 3-4 % влаги и температура зерна достигает 90-95 С, при этом появляется запах поджаренного овса, что пользуется успехом у потребителей. На предприятиях небольшой производительности используются барабанные сушилки.
Вертикальные паровые и шнековые сушилки используются для сушки овса после пропаривания в ГДР и ФРГ /95/.
Сушку зерна овса смесью продуктов сгорания кокса с воздухом в сушилках жалюзийного типа применяют на заводах Великобритании /95/.
На заводах Польши перед подачей на шелушение зерно гречихи подсушивают в паровых сушилках /124,147/.
На предприятиях небольшой производительности в 1*ДР /124/ гречиху подсушивают в сушилках, которые состоят из чугунного глубокого тарельчатого поддона, над которым располагается мешалка. Под поддоном находится топка для различных видов топлива.
Зерно заполняет поддон и при непрерывном перемешивании находится в сушилке в течение 10-15 минут. Затем зерно поступает в отлежный бункер, где теплая гречиха охлаждается в течение нескольких часов перед подачей на шелушильный постав. Интересно отметить, что в данной схеме отсутствует интенсивное охлаждение перед шелушением зерна.
На крупозаводах повышенной производительности после пропаривания гречиху сушат в вертикальных паровых сушилках и затем
32 направляют в охладительные колонки.
Пропаривание и сушка являются основными операциями гидротермической обработки на отечественных крупозаводах по переработке овоа и гречихи. Если пропаривание зерна исследовано достаточно подробно, то сушка,как самостоятельная операция/й влияние режимов пропаривания на сушку зерна изучены в меньшей степени.
Т.В.Локтева /76/ рекомендует использовать высокотемпературную сушку (температура сушильного агента - 300 С) в кипящем слое для пропаренного зерна гречихи, так как это положительно влияет на эффективность шелушения. Однако температура зерна при подаче на шелушение не указывается.
Автор отмечает, что увеличение давления пара и экспозиции пропаривания, а также отволаживания после пропаривания или увлажнения приводит к снижению скорости сушки гречихи, однако причины данного явления не раскрываются.
В.В.Манаенкав /81/ предлагает после пропаривания овоа применять кратковременную сушку зерна в кипящем слое при температуре сушильного агента 100 С.
1.2.6. Шелушение зерна овоа и гречихи
В качестве шелушильных машин на отечественных крупозаводах используются обоечные машины и шелушильные постава для шелушения овса и вальцедековые отанки для шелушения гречихи. Эффективность работы шелушильных машин представлена в таблицах 4,5 /14,55,123/.
Шелушение овса в поставах предъявляет высокие требования к зерну: оно должно быть тщательно расфракционировано, влажность не должна превышать 10 % (на практике 8-9 %), что требует больших энергозатрат на сушку зерна. Шелушильные постава имеют сравнительно низкую производительность - I т/ч. Отмечается, что
Таблица 4
Технологические показатели работы шелушильных машин /55/
Примечания: I. Первая отрока для каждого завода относитоя к первичному шелушению, вторая - к шелушению оходовых продуктов.
2. Результаты шелушения в г.Омске взяты по 3-м, в Канске - по 4-м, в Юрге - по пяти обоечным машинам. В Новосибирске - по пяти шелушильным поставам, установленным на первичном шелушении.
Эффективность шелушения гречихи (Вфремовский гречезавод)
Таблица 5
/IV
Содержание доброкачественного ядра, не менее, %
в том числе колотые ядра, не более, %
Содержание нешелушеных зерен, не более, %
Содержание сорной примеси, не более, %
35 шелушение в поставах более эффективно, чем в обоечных машинах /63/.
Обоечные машины имеют высокую производительность, не требуют тщательной подготовки зерна, оптимальная влажность при подаче на шелушение - 13-14 %.
На некоторых отечественных овсозаводах проводят шелушение в обоечных машинах и шелушильных поставах одновременно, причем, на эти машины поступает одинаково подготовленное зерно. Поэтому при шелушении образуется много дробленого ядра и мучки, ухудшается товарный вид крупы, так как в ней содержится значительное количество рваных и расколотых по бороздке ядер /55/.
Для шелушения овса за рубежом используют центробежные ше-лушители, так как считается, что по сравнению с шелушильным поставом эта машина при меньших габаритах имеет более высокую производительность и обладает меньшей энергоемкостью /149/.
Решающим фактором, влияющим на эффективность шелушения, признана влажность зерна. Рекомендуется направлять на шелушение зерно с влажностью 14-16 % /154/.
В.В.Манаенков /79/, иоследуя способы подготовки овса к шелушению, пришел к выводу, что технологические свойства овса различных сортов выравниваются при влажности 14 %
Установлено, что короткие зерна с большой массой и невысокой пленчатоотью шелушатся лучше /141/.
Из литературных источников следует, что центробежные шелу-шители позволяют шелушить зерно с различной влажнностью, в том числе и сырое, а также без предварительной подготовки.
При подготовке овса к шелушению в центробежных шелушителях рекомендуется делить зерно на две фракции /129/, либо на 2-3 фракции /95/. Однако в одном из проспектов фирмы АйА&г-- Miag в представленной технологической схеме отсутствует фракциониро-
36 .. .
вание овоа, в работе /81/ также указано о возможности шелушения
нефракционированнего овоа без снижения эффективности.
Фирма $йЛЬг--Лііаа изготавливает центробежный шелуши-тель производительноотью 3 т/ч о электродвигателем 5,5 кВт, тогда как постав этой фирмы производительностью I т/ч снабжен электродвигателем 4-,5 кВт. Центробежный шелушитель RS-400 с производительностью I т/ч, изготовленный в ГДР, снабжен электродвигателем 2,5 кВт.
В практике отечественных овсозаводов центробежные шелуши-тели не используются, однако проведенные производственные испытания и применение подобных машин на маслозаводах для обрушивания семян подсолнечника показывает их высокую технологическую эффективность /81,82,130,54/.
Испытания центробежного шелушителя с ротором диаметром 280 мм на Новосибирском овсозаводе /130/ показали, что с увеличением производительности снижается коэффициент шелушения и выход дробленого ядра. При увеличении влажности зерна с 10,6 до 16 % и постоянной окружной скорости 80 м/с коэффициент шелушения снизился всего на 1-2 %, выход дробленого ядра не превысил I %. Удельный расход энергии при производительности 3 т/ч составил 1,5 кВт. Увеличение скорости с 75 до 100 м/с при одинаковой производительности увеличивает удельный расход Энергии примерно на 5 %.
При испытаниях центробежного шелушителя ВНИИКП на Бобровском комбинате хлебопродуктов /81/ было отмечено положительное влияние увеличения влажности зерна на 3 % с последующим кратковременным отволаживанием (30 минут) на эффективность шелушения, причем,с увеличением исходной влажности технологические показатели шелушителя улучшаются.
Приведенные примеры показывают несомненные преимущества
37 центробежных шелушителей перед обоечными машинами и поставами.
На зарубежных предприятиях производят преимущественно дробленую гречневую крупу /9,12,141,156/.
Для шелушения гречихи за рубежом используются шелушильные постава /9,141,142,146,147/ и вальцедековые станки /156/.
Развитие способов гидротермической обработки овса и гречихи. Влияние гидротермичеокой обработки на технологические, структурно-механические свойства и химический состав зерна
Под воздействием обработки водой и теплом в зерне развивается ряд взаимосвязанных процессов физико- коллоидно- и биохимической природы, прямым следствием которых является необратимое изменение его структуры и технологических свойств /39/. Гидротермическая обработка крупяных культур является средством направленного изменения технологических свойотв зерна, улучшения потребительских качеств крупы при сохранении ее биологической ценности /119/. Применение пропаривания зерна при производстве овсяной и гречневой крупы отмечено М.Е.Гинзбургом еще в 1940 г. /25/. Од нако, если при производстве овсяной крупы гидротермическая обработка была распространена довольно широко, то пропаривание гречихи в нашей стране не применялось, так как считалось, что всякое подсушивание верна (с пропариванием или без него) ведет к увеличению выхода продела и что лучше перерабатывать зерно влажное, а затем подсушивать крупу. Гидротермическая обработка овса заключалась в пропаривании зерна в шнековом пропаривателе непрерывного действия при давлении пара в магистрали 0,15-0,20 МПа с длительностью обработки от 75 до 150 с. Расход пара составлял от k до 8 % от массы зерна; влажность до сушки - 20-22 %, после - 9-Ю %т Температура зерна, выходящего из сушилки, по мнению специалистов, не должна превышать 75 С (на практике 40-60 С ). Впоследствии работы П.П.Тарутина /117/, И.П.Недашковской /91/, В.В.Смирновой /109/ подтвердили положительное влияние обработки зерна паром атмосферного давления на эффективность процесса шелушения и выход крупы, но влияние различных режимов пропаривания на выход крупы авторы не исследовали. С начала 59-х годов исследователи уделяют внимание изучению различных режимов гидротермической обработки с целью оптимизации процесса пропаривания зерна. На основании лабораторных исследований, а затем при производственной проверке П.Г.Гусев /30/ пришел к выводу, что оптимальный режим пропаривания для зерна гречихи - давление пара 0,25 МПа, экспозиция - 5 минут. Применение пропаривания зерна при этом режиме на гречеза-водах /33,102,113,131/ позволило, в среднем, увеличить выход крупы на 6 %, производительность - на 25 %, снизить себестоимость продукции на 8 %.
Для зерна овса Н.В.Роменской и П.В.Попов /103/ рекомендуют обработку под давлением пара 0,15-0,30 МПа в течение 10 минут. В.Т.Линниченко /75/, исследовав влияние гидротермичеокой обработки на эффективность шелушения овса, предлагает пропаривать зерно под давлением 0,2-0,3 МПа в течение 2 минут, но отмечает, что максимальный технологический эффект достигнут при 0,4 МПа. С целью интенсификации процесса пропаривания гречихи А.С.Белиловская /12/ предложила обрабатывать зерно под давлением 0,5 МПа в течение 1,5 минут. В эти годы поиск оптимальных режимов гидротермической обработки овса проводился о учетом последующего направления зерна на шелушение в шелушильный постав или обоечную машину, причем, рекомендуемые режимы пропаривания зерна /12,75,103/ отличаются повышенной жесткостью, что снижает потребительские достоинства крупы. В меньшей степени была изучена сушка зерна, причем параметры процесса сушки в большинстве работ не приведены. Широкое использование при переработке овса центробежных шелушителей за рубежом вызвало интерес к исследованию режимов гидротермичеокой обработки зерна при подготовке его к шелушению. В отдельных зарубежных работах описаны способы подготовки зерна к шелушению, однако конкретные режимы различных операций не указаны. Проведенные в нашей стране исследования подготовки зерна к шелушению позволяют ожидать положительных результатов при использовании центробежных шелушителей на отечественных крупоза водах. В.М.Киреев /63/ установил, что наилучшие результаты шелушения овоа в центробежных шелушителях достигаются при давлении пара ОД МПа и экспозиции пропаривания 3 минуты. Повышение давления пара и экспозиции пропаривания зерна увеличивает выход дробленого ядра. С.Н.Карчик /61/ приходит к аналогичным выводам. К.Б.Байболов /8/ приходит к выводу о положительном влиянии увлажнения зерна перед пропариванием на коэффициент шелушения лишь при низкой исходной влажности зерна (11,2 %); увлажнение более влажного зерна практически не оказывает влияния на эффективность гидротермической обработки. В.П.Чигирин /129/ рекомендует раздельное пропаривание крупной и мелкой фракций овса при давлении пара 0,1 МПа и экспозиции пропаривания 3 минуты. М.С.Шабаков /130/ предложил новый метод гидротермической обработки, заключающийся в увлажнении зерна до влажности 24 %, отволаживании в течение 24 часов, сушке при температуре сушильного агента - 125 С, влажности зерна после сушки - 13 %. Однако, при прочих равных условиях обработки, увлажнение до 16-18 % с отволаживаниём в течение 16 часов позволяет получить незначительно отличающиеся результаты. Температура зерна при подаче на шелушение автором не указывается. В работе /145/ представлена схема, в которой предусматривается пропаривание зерна перед повторным шелушением, что вызывает пластификацию ядра и, как следствие, не позволяет ему дробиться.
Метод ядерной магнитной релаксации (ЯМР) для изучения состояния влаги в зерне
Изучение состояния воды в зерне методом ЯМР проводили на импульсной установке (ЯМР-релаксометре) по методике, разработанной в МТИПП /6/. Блок-схема установки изображена на рис.2.1. Образец в естественном виде помещается в катушку датчика, расположенного между полюсами постоянного магнита с полем И0= 4000 Э и облучается импульсами радиочастоты ( = 18,7 МГц), вырабатываемой гене ратором, управляемым программируемым устройством. При выполнении соотношения и) = \/Ц0 , где у = 2,54-.10 , в промежутках между импульсами в катушке датчика наводится радиочастотный сигнал ЯМР, который усиливается, детектируется и накапливается в памяти анализатора импульсов NTA-I024. Накопленная информация через in. ttfifart, вводится в ЭВМ 666В и обрабатывается по универсальной программе. В результате получают, к примеру, относительные содержания влаги в различных по частоте молекулярной подвижности состояниях и значения времен спин-спиновой релакса TW ции і 2 в этих состояниях, характеризующих саму молекулярную подвижность. Сигнал ЯМР от многофазной гетерогенной системы предотавля-ет из себя спадающую со временем кривую, являющуюся суммой нескольких экспоненциальных спадов. Для сельскохозяйственного сырья, в частности зерна овса /7,111/, эта кривая представлена на рис. 2.2 и описывается уравнением вида: где: j - интенсивность сигнала во времени; J0 - интенсивность сигнала, пропорциональная содержанию протонов твердой крахмалобелковой фазы; Jo )Jo - интенсивность сигнала, пропорциональная содержанию протонов связанной и свободной влаги; Щ - интенсивность сигнала, пропорциональная содержанию протонов жира; Та.,Тя Да. ,Т - время спин-спиновой релаксации протонов в соответствующих фазах. В ряде случаев при малой влажности продукта фазы Jp } J о
Таким образом, рассчитанные на ЭВМ по универсальной про-грамме величины J0 , J0 , \& , ig, позволяют определить количественные соотношения связанной и свободной влаги, а значения Тг и T]J; - характеризовать эту влагу /7,134/. Моделирование технологического процесса гидротермической обработки зерна проводили на лабораторном стенде, который состоит из пропаривателя периодического действия, парообразователя (рис.3.II) и сушильной установки (рис.2.3). Сушильная установка состоит из следующих основных элементов: - электрокалорифера I, служащего для нагрева сушильного агента; - вентилятора среднего давления 2, связанного воздуховодом с электрокалорифером; - выходного патрубка с катушкой постоянного тока 12; при включении тока притягивается фланец рабочей камеры, для исключения образования зазоров между рабочей камерой и выходным патрубком была помещена кольцевая резиновая прокладка; - блока автоматического регулирования температуры сушильного агента, состоящего из контактного термометра 4-, реле УКТ-4У2 3, магнитного пускателя 15. В наотоящей работе при исследовании влияния режимов пропа-ривания на сушку зерна, а также при изучении технологических свойств зерна в процессе сушки использовали режим вихревого кипения. Высота слоя зерна и скорость движения сушильного агента оставались постоянными для каждой серии экспериментов. Сушку зерна проводили в цилиндрической камере, которую взвешивали через определенные промежутки времени на весах ВЛКТ-2000 с встроенным датчиком - механотронным преобразователем 6МХ4-С/ІЗ/, что позволило повысить чувствительность весов и регистрировать убыль массы образца на диаграмной ленте потенциометра КСП-4. Перед проведением экспериментов весы тарировались стандартными разновесами.
При взвешивании рабочей камеры с зерном подача воздуха перекрывалась, одновременно отключалась катушка постоянного тока. Методом последовательного наложения ряда опытов получены кривые сушки зерна овса. Температуру зерна измеряли с помощью хромель-копелевых термопар, предварительно заделанных в зерновки. Диаметр спая термопары 0,2 мм. і ... Регистрацию температуры зерна осуществляли многоточечным потенциометром КСП-4. Для исследования изменения линейных размеров зерна использовали специально сконструированный прибор (рис.2.4), где в качестве чувствительного датчика перемещения применяли механотрон-ный преобразователь типа 6МХ4С включенный в мостовую схему/13/. Это позволило малые перемещения при набухании зерна преобразовывать в электрические сигналы, которые можно регистрировать о помощью самопишущего потенциометра КСП-4. Перед проведением экспериментов показания датчика тарировались по показаниям индикатора часового типа I МИГ с точностью до 0,01 мм.
Термодинамические характеристики зерна и их изменение под влиянием гидротермичес кой обработки
Энергия связи влаги с материалом, в соответствии с работами академика П.А.Ребиндера, определяется соотношением: где It - газовая постоянная для водяного пара, Дж/кг К; Т - абсолютная температура, К.
В гигроскопической области, как показал А.В.Лыков /79/, энергия связи Е является химическим потенциалом м переноса массы вещества во влажных материалах.
Используя выражение (3.2) и полученные изотермы сорбции можно дать количественную оценку энергии связи влаги в зависимости от влагооодержания материала. На рис.3.4, 3.5 представлена номограмма для определения изменения энергии связи влаги в нативном и пропаренном зерне при температуре 293 К.
Величина энергии связи характеризует затраты тепла на испарение влаги при сушке продукта. С увеличением влагооодержания материала энергия связи снижается, причем, более интенсивно за пре делами мономолекулярной адсорбции. Проваривание зерна снижает сорбирующую способность овса и гречихи, аналогичное явление зарегистрировано при гигроскопической обработке макаронных изделий /II/. Данное явление вызвано разрушением нативной структуры продукта под влиянием тепла и влаги. "Правилами организации и ведения технологического процесса на крупяных предприятиях" предусмотрено снижение влажности зерна после пропаривания, в частности для зерна гречихи перед подачей в шелушильное отделение до 13,5 %, что соответствует влагосодер-жанию 15,6 % Энергия связи для нативного зерна при этой влажности Е = 4,6.10 Дж/кг, для пропаренного - Е = 3,8.10 Дж/кг. Сле-довательно, рациональные режимы пропаривания способствуют снижению энергозатрат на последующую сушку зерна. Удельная изотермическая маоооемкооть (влагоемкооть). А.В.Лыковым, по аналогии с теплоемкостью, введено понятие удельной изотермической массоемкости /78/:
Величина этого параметра показывает: какое количество влаги необходимо для увеличения химического потенциала I кг абсолютно сухого материала на I Дж/кг при постоянной температуре. Численное значение Ст можно получить графическим дифференцированием зависимости -а/( )т
Изменение удельной изотермической массоемкости характеризует влияние метода обработки на технологические свойства продукта. Предварительная гидротермическая обработка некоторых пищевых продуктов снижает их влагоаккумулирующую способность /24/» Для макаронных изделий отмечена обратная зависимость /II/.
В работе /24/ приведены зависимости Ст= І /ЦА анатоми ческих частей риса - шелушеного и нешелушеного зерна, цветковой пленки. Отмечено, что цветковая пленка, имеющая большую влагоем-кость, как бы "высаоывает" влагу из ядра. На рис. З.б представлены зависимости удельной изотермической массоемкости составных частей зерна овса и гречихи от влагосодержания. Полученные данные показывают аналогичную зависимость для овса и гречихи. Однако, необходимо подчеркнуть, что пропаривание снижаем этот эффект и, следовательно, положительно влияет на подготовку зерна к шелушению, так как увеличение влагоемкооти ядра способствует его пластификацией наблюдается уменьшение выхода дробленого ядра /30,63, 76,85/. Зависимость С llL) имеет нелинейный характер, что объясняется различной формой связи влаги с материалом.
Определение удельной поверхности. Перенос тепла и влаги в материале существенным образом зависит от его пористой структуры. Поэтому параметры, характеризующие пористую структуру материала, представляют значительный интерес для решения практических задач гидротермической обработки зерна крупяных культур.
Величину удельной поверхности пористого материала можно определить, используя уравнение Брунауэра, Эммета, Теллера /БЭТ/. Определение удельной поверхности по этому методу сводится к определению емкости монослоя /15/.
Производственные испытания способов и режимов гидротермической обработки зерна
Производственные испытания были проведены в овсоцехе Челябинского комбината хлебопродуктов М? I. Для испытания различных способов и режимов гидротермической обработки была отлажена технологическая схема, состоящая из про В период испытаний на крупозаводе перерабатывали овес сорта Нарымский-943. Основные покааатели качества зерна: влажность 13,3 %\ содержание мелкого зерна (проход сита 1,8x20) - 1,4 %\ содержание сорной примеси - 0,91 % зерновой - 10,13 %; объемная масса - 580 г/л; содержание ядра - 67,15 %. В процессе испытаний проверено шесть различных способов подготовки зерна к шелушению: 1. Увлажнение исходного зерна до влажности 16,0 % с последующим отволаживанием в течение 8 часов. 2. Увлажнение исходного зерна до влажности 18,5 % с последующим отволаживанием в течение 8 часов. 3. Увлажнение зерна насыщенным паром до влажности 15,1 % при одновременном нагревании его до температуры 57-58 С. 4. Увлажнение зерна насыщенным паром до влажности 15,1 % с последующим его охлаждением до температуры 20 С. 5. Увлажнение зерна насыщенным паром до влажности 16,0 % с последующей сушкой в сушилках ВС-8-49 до влажности 14,0 %, температура зерна, подаваемого на шелушение, сосїавила 40 С. 6. Увлажнение зерна насыщенным паром до влажности 16,0 % с последующим подсушиванием в сушилках ВС-8-49 до влажности 14 % и охлаждением до температуры 21 С. Эффективность гидротермической обработки оценивали по результатам шелушения зерна в изготовленном на заводе центробежном шелушителе с диаметром ротора 440 мм. Для сравнения определяли эффективность шелушения зерна в установленных на заводе обоечных машинах ЗОН-5 и шелушильных поставах. 0 результатах шелушения судили по коэффициенту шелушения зерна, выходу целого и дробленого ядра, а также мучки. Результаты контрольной переработки зерна, подготовленного сов, а также пропаривание зерна насыщенным паром с последующей сушкой до влажности 14 %,
В этих случаях получены результаты лучше по сравнению с контролем (выход дробленки и мучки ниже примерно на 2 %, выход шелушеного зерна (ядра) также выше соответственно на 2 %). Методы подготовки, включающие на заключительном этапе охлаждение зерна, оказались менее эффективными, и результаты шелушения зерна, подготовленного таким образом, близки к контролю. Следует отметить, что в производственных условиях не удалось в полной мере проверить найденные в лабораторных экспериментах оптимальные режимы. Изготовленные на заводе пропариватели непрерывного действия позволили пропаривать зерно в течение одной минуты, тогда как оптимальная длительность должна быть до 5 минут. Применяемые сушилки не позволили нагреть зерно в процессе сушки более чем до 40 С, тогда как более высокая температура зерна, направляемого на шелушение, повышает эффективность шелушения. Это подтверждают результаты переработки зерна, подготовленного по третьему, варианту. Подтверждена впервые в производственных условиях более высокая эффективность центробежных шелу-шителей по сравнению с применяемыми в настоящее время обоечными машинами и шелушильными поставами.
