Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 10
1.1 Семена подсолнечника современных районированных и перспективных сортов 10
1.2 Основные биохимические процессы, протекающие в масличных семенах в послеуборочный период 13
1.2.1 Анализ современной научной концепции послеуборочного дозревания масличного сырья 14
1.2.2 Влияние разнокачественности масличных семян на направленность и интенсивность биохимических процессов 19 1.2 3 Воздействие факторов внешней среды на биохимические процессы семян при послеуборочном дозревании и хранении 24
1.3 Воздействие электромагнитных полей на биологические объекты 34
1.4 Анализ состояния современной технологии послеуборочной обработки и хранения масличных семян 38
2. Методическая часть 48
2.1 Объекты исследования 48
2.2 Методы исследования семян подсолнечника 48
2.3 Методы исследования растительных масел 51
2.4 Техника эксперимента 51
2.4.1 Определение интенсивности тепловыделений 51
2.4.2 Определение завершения послеуборочного дозревания 56
2.4.3 Лабораторная установка для активного вентилирования 56
2.4.4 Лабораторная установка для конвективной сушки семян 57
2.5 Статистическая обработка данных 57
3 Экспериментальная часть 63
3.1 Характеристика объектов исследования 63
3.2 Обоснование фракционирования свежеубранных семян подсолнечника по начальной влажности 65
3.3 Обоснование способа подготовки семян подсолнечника к послеуборочному дозреванию 90
3.4 Разработка технологических режимов подготовки семян подсолнечника к послеуборочному дозреванию и хранению 101
4 опытно-промышленные испытания разработанной технологии 112
Выводы и рекомендации 116
Список использованной литературы
- Анализ современной научной концепции послеуборочного дозревания масличного сырья
- Воздействие электромагнитных полей на биологические объекты
- Методы исследования растительных масел
- Обоснование фракционирования свежеубранных семян подсолнечника по начальной влажности
Введение к работе
В России до 85% от общего объема выпускаемых растительных масел приходится на долю подсолнечного. Площади посевов под подсолнечник постоянно растут, появилось много новых селекционных сортов семян подсолнечника, значительно отличающихся по основным технологическим свойствам.
Наиболее распространённым способом послеуборочной обработки свежеубранных семян подсолнечника является их конвективная сушка. Основными недостатками традиционной конвективной сушки свежеубранных семян являются ее длительность и неравномерность, невозможность строгого контроля температуры семян, что приводит к снижению их показателей качества.
Одним из способов повышения эффективности сушки свежеубранных семян является их предварительный нагрев, при этом наиболее перспективным направлением является применение для этих целей электромагнитного поля СВЧ-диапазона, что позволит существенно снизить указанные недостатки традиционной конвективной сушки семян в результате более равномерного их нагрева.
В настоящее время влияние обработки свежеубранных семян подсолнечника современных сортов в электромагнитном поле СВЧ-диапазона практически не исследовано.
В связи с этим изучение воздействия электромагнитного поля СВЧ-диапазона на свежеубранные семена подсолнечника современных сортов является актуальным и представляет теоретический интерес и прикладное значение для создания усовершенствованной технологии послеуборочной обработки семян.
5 Диссертационная работа выполнялась в соответствии с НТП
Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по
приоритетным направлениям науки и техники», № гос. per. 01.2.00.109253.
Целью работы является разработка технологии подготовки семян подсолнечника современных сортов к процессу послеуборочного дозревания и хранения с применением обработки в электромагнитном поле СВЧ-диапазона перед конвективной сушкой.
Основные задачи исследования:
анализ и систематизация литературных данных и патентной информации в области послеуборочной обработки и дозревания масличных семян;
исследование особенностей биохимических и технологических характеристик семян подсолнечника наиболее распространенных современных сортов селекции ВНИИМКа;
обоснование граничных значений начальной влажности для фракционирования свежеубранных семян подсолнечника современных сортов на основе сопоставления результатов исследований ядерно-магнитных релаксационных характеристик протонов воды, гидролитической активности липазы и кислотного числа масла в семенах при дозревании и хранении;
- сравнительное изучение влияния традиционной тепловой обработки
свежеубранных семян подсолнечника и обработки в электромагнитном поле
СВЧ-диапазона на скорость их сушки и основные показатели качества;
- разработка технологических режимов обработки свежеубранных
семян подсолнечника в электромагнитном поле СВЧ-диапазона с
последующей их сушкой;
исследование влияния традиционной тепловой обработки свежеубранных семян подсолнечника и обработки в электромагнитном поле СВЧ-диапазона с последующей сушкой на их технологические свойства при послеуборочном дозревании и хранении;
производственные испытания и внедрение разработанной технологии подготовки свежеубранных семян подсолнечника к послеуборочному дозреванию и хранению с применением электромагнитного поля СВЧ-диапазона и последующей сушки;
- разработка комплекта технической документации, включающей технологические инструкции и технический проект;
оценка экономической эффективности разработанных технологических и технических решений.
Научная новизна работы. Впервые установлено, что для свежеубранных семян подсолнечника зависимость времени спин-спиновой релаксации протонов воды от влажности семян имеет существенно различный вид на трех участках, границы которых соответствуют влажности 15% и 21%.
Впервые показано, что предварительная обработка свежеубранных семян в электромагнитном поле СВЧ-диапазона по сравнению с традиционной тепловой обработкой более эффективно снижает гидролитическую активность липазы, что обусловлено снижением значений рН в клетках семян под воздействием электромагнитного поля СВЧ-диапазона.
Впервые показано, что по сравнению с традиционной тепловой обработкой предварительная обработка свежеубранных семян подсолнечника в электромагнитном поле СВЧ-диапазона увеличивает среднюю скорость их сушки, повышает выход свободных липидов из семян и улучшает их
7 качество по кислотному и перекисному числам при послеуборочном
дозревании.
Установлено, что предварительная обработка свежеубранных семян подсолнечника в электромагнитном поле СВЧ-диапазона с темпом повышения температуры 0,3С/с до 40-45С перед сушкой обеспечивает при последующей переработке увеличение выхода и повышение качества масла.
Научная новизна подтверждена 3 патентами РФ и 1 решением о выдаче патента РФ.
Практическая значимость. На основе проведенных исследований предложено свежеубранные семена подсолнечника с кислотным числом не более 2,5 мг КОН/г разделять на две фракции по начальной влажности - не более 15% (первая фракция) и более 15% (вторая фракция). Для первой фракции разработаны режимы предварительной обработки семян в электромагнитном поле СВЧ-диапазона перед сушкой, позволяющие улучшить их технологические свойства:
способ разделения масличных семян на фракции на основе метода ЯМР (решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2004117334);
послеуборочная обработка масличных семян (патенты № 2232494, 2232798, 2243989);
Разработан комплект технической документации, включающий технологические инструкции и технический проект установки для обработки семян в электромагнитном поле СВЧ-диапазона производительностью 15т/час по семенам подсолнечника.
Технология формирования при послеуборочной обработке биохимически однородных фракций семян подсолнечника и разделения их по начальной влажности внедрена на ООО «Богучарский ЗРМ» (2003 г.),
8 ЗАО «Невинномысский МЭЗ» (2004 г.) и принята к внедрению на ОАО
«Миллеровский МЭЗ» (2004 г.).
Технология обработки семян подсолнечника в электромагнитном поле СВЧ-диапазона с последующей сушкой прошла производственные испытания на ООО «Богучарский ЗРМ» (2004 г.) и ЗАО «Невинномысский МЭЗ» (2004 г.).
Суммарный фактический экономический эффект, полученный при
^ внедрении разработанной технологии в 2003-2004 гг. составил более
21 млн. руб.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
особенности биохимических и технологических характеристик семян подсолнечника наиболее распространенных современных сортов селекции ВНИИМКа;
обоснованные путем сопоставления результатов исследований ядерно-магнитных релаксационных характеристик протонов воды, гидролитической активности липазы и кислотного числа масла в семенах при дозревании и хранении граничные значения начальной влажности для фракционирования свежеубранных семян подсолнечника современных сортов;
результаты сравнительного изучения влияния традиционной тепловой обработки свежеубранных семян подсолнечника и обработки в электромагнитном поле СВЧ-диапазона на скорость их сушки и основные показатели качества;
- разработанные технологические режимы обработки свежеубранных
семян подсолнечника в электромагнитном поле СВЧ-диапазона с
последующей их сушкой;
9 результаты исследования влияния традиционной тепловой
обработки свежеубранных семян подсолнечника и обработки в
электромагнитном поле СВЧ-диапазона с последующей сушкой на их
технологические свойства при послеуборочном дозревании и хранении;
результаты производственных испытаний и внедрения
разработанной технологии подготовки свежеубранных семян подсолнечника
к послеуборочному дозреванию и хранению с применением
электромагнитного поля СВЧ-диапазона и последующей сушки;
разработанные комплекты технической документации, включающие технологические инструкции и технический проект;
результаты оценки экономической эффективности разработанных технологических и технических решений.
Анализ современной научной концепции послеуборочного дозревания масличного сырья
Влияние электромагнитного поля на биологические объекты зависит от частоты поля и длины волны, напряженности поля и удельной мощности, связанной с величиной поглощаемой объектами энергией /128 - 130/.
Низкочастотные электромагнитные поля (частота до 10 кГЦ) обладают биологическим воздействием на живые клетки, заключающимся в изменении константы связывания и структурированости диполей воды, регулировании мембранного транспорта ионов, что проявляется в изменении концентрации ионов водорода (рН) в цитоплазме, изменении антиоксидантной активности и уровня свободнорадикальных процессов /131-135/. Такое воздействие регулирует активность биохимических процессов и физиологическое состояние биологических объектов.
Для послеуборочной обработки семян наибольший интерес представляет электромагнитное поле сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона (частота 300 МГЦ - 300 ГГц), при длине волны от 1 м до 1 мм соответственно /170/, обработка которым сопровождается нагревом семян и дает возможность снизить их влажность.
Соответственно эффекты, связанные с воздействием электромагнитных волн СВЧ диапазона на обрабатываемые вещества, согласно /128/, можно разделить тепловые и нетепловые. К тепловым эффектам относят нагрев, происходящий за счет поглощения обрабатываемым объектом энергии электромагнитных волн.
К нетепловым эффектам относят сильные и слабые взаимодействия /129/. Сильные взаимодействия возникают в случае применения полей с большой напряженностью (более 100 В/см), в этом случае, кроме нагрева, наблюдаются эффекты насыщения диэлектрика, ориентация коллоидных частиц и пондеромоторное действие /130/.
В слабых полях существуют, так называемые, резонансные частоты, определяемые экспериментально. При их применении СВЧ-энергия поглощается молекулами ДНК в 400 раз эффективней чем окружающими их молекулами воды, поэтому именно эти частоты нашли применение в промышленных СВЧ-установках /128, 129, 136/.
Применение электромагнитных полей СВЧ-диапазона напряженностью более 100 В/см в технологии послеуборочной обработки нецелесообразно, так как по имеющимся экспериментальным данным их воздействие может приводить к снижению числа жизнеспособных клеток в обрабатываемых объектах /137/. Наибольшее распространение при обработке зерна и семян получили электромагнитные поля с частотой 2450 + 50 МГЦ, с напряженностью до 100 В/см и удельной мощностью, обеспечивающей нагрев с интенсивностью 0,1 - 0,8 С/сек /138 - 146/.
Исследования по применению электромагнитных полей указанных характеристик посвящены, в основном, сравнению традиционного нагрева и обработки электромагнитным полем СВЧ-диапазона (далее СВЧ-обработка) на подавление жизнедеятельности микроорганизмов, инактивации ферментов в семенах и обжаривании семян. При этом нагрев исследуемых объектов достигает 100С и выше. Отмечается, что эффект подавления жизнедеятельности микроорганизмов выше при СВЧ-обработке по сравнению с традиционным нагревом до тех же температур /147 - 149/.
Согласно /148/, механизм усиления пастеризации при СВЧ-обработке заключается в ином способе энергоподвода при нагреве, а влияние электромагнитного поля отрицается. СВЧ-обработка в большей степени. Чем традиционный нагрев способствует инактивации гистолитических ферментов в масличных семенах, в частности, мирозиназы в рапсе, ингибитора трипсина, уреазы в сое, повышая стойкость семян при хранении, увеличивая выход масла с улучшенными органолептическими свойствами /150/.
Отмечается большая по сравнению с традиционным нагревом инактивация липолитических ферментов в масличных семенах при их СВЧ-обработке до температуры порядка 100-110 С /151 - 155/.
В мятке семян подсолнечника СВЧ-обработка по сравнению с традиционным нагревом до тех же температур в большей степени инактивирует липазу, фосфолипазу (Д) и липоксигеназу /156/. При СВЧ-обработке семян сои до температуры более 100С происходит неферментативный гидролиз липидов, существенное снижение содержания фосфолипидов, содержащих аминогруппу, существенному разрушению подвергается фосфатидиламин /157, 158/. Существенные отличия в жирнокислотном составе фосфолипидов наблюдаются при обжаривании в микроволновой печи в течении 12 минут при частоте 2450 МГц, причем наиболее защищены ненасыщенные кислоты фосфолипидов в положении 2 /157,158/.
Воздействие электромагнитных полей на биологические объекты
Свободные липиды из семян извлекали при мягких режимах, путем экстрагирования диэтиловым эфиром в аппаратах Сокстлета при температуре не выше 36 С. Незначительные тепловые воздействия и низкая полярность растворителя обеспечивали минимальное изменение качества масла и неизменность имеющихся связей между белковым и липидным комплексами.
Фракционный состав липидов определяли методом ТСХ. Количественное определение индивидуальных групп липидов проводили методом сканирующей денситометрии с использованием программы SORBFIL TLC Videodensitometer.
Для снижения инерционности и случайной составляющей погрешности, упрощения аппаратурного оформления известного адиабатного метода определения интенсивности тепловыделений зерна /242/, отказались от системы регулирования температуры исследуемых семян и окружающей среды. При этом необходимо было исключить ошибку, вызванную потерями тепла, выделяемого исследуемыми семенами. Использовали способ, применяемый для исключения систематических погрешностей при аттестации методик /230/. Сущность его заключается в определении необходимой величины стандартным и разрабатываемым методом, вычислении систематической ошибки разрабатываемого метода в необходимом диапазоне и учета ее при вычислении необходимой величины по разрабатываемому методу. В нашем случае вычисляли потери тепла (Qn0T) по разности между известным количеством тепла (QHSBX введенным в аттестуемую калориметрическую систему с помощью электрического тока /300/ и измеренным количеством тепла, т.е. -Оизм, (1) Введенное количество тепла рассчитывали по формуле 2 QHJB=I2RT, (2) где I - сила тока, А; R - сопротивление, Ом; т - время, с. Измеренное тепло рассчитывали по формуле 3 QH3M = C-m-At, (3) где С - теплоемкость масла, Дж/(кг град); m — масса масла, кг; At — температура нагрева масла, С. Оценку потерь проводили на установке (рисунок 2.2). Работу проделывали следующим образом: сосуд Дьюара 1 заполняли высушенным минеральным маслом, термостатированием достигали равенства температур масла в сосуде Дьюара и окружающей среды (при этом ток в дифференциальной гипертермопаре 4 отсутствовал, на что указывал гальванометр 7) и вводили в систему тепло при помощи стабилизированного источника тока 9 и сопротивления 8. Тепло, пошедшее на нагревание масла (Q„JM) определяли по повышению его температуры с помощью термометра сопротивления 3 и отградуированного в градусах Цельсия по МПТШ-6 цифрового омметра 6. потери тепла определяли по формуле 1. Работу проводили в предполагаемом диапазоне интенсивности тепловыделений 2-800 мВт, основываясь на известных величинах интенсивности тепловыделений зерна. При этом каждое из семи значений введенного тепла достигалось при трех уровнях интенсивности тепловыделений. После обработки полученных данных выяснили, что значимым оказался коэффициент корреляции между средними значениями QnoT и At. Результаты показаны в таблице 2.1.
Коэффициент корреляции для полученных данных г = 0,99971. Зависимость между этими величинами, найденная при обработке данных на микро-ЭВМ БЗ-21 имеет вид Qn0T= 125,03 At (4) Часть тепла, выделенного в процессе жизнедеятельности семян (QT) расходуется на их нагрев (Qc), остальная часть теряется (QHOT), т.е. QT=Qc + QnoT, (5)
Выделенное семенами в процессе жизнедеятельности тепло можно представить в виде: QT = QAT, (6) где Q - интенсивность тепловыделений исследуемого образца, Вт; Ат — время, с, за которое температура зерна или семян повышается на At С. Тепло, пошедшее на нагревание семян можно представить в виде: Qc = McCcAt, (7) где Мс — масса исследуемого образца, кг; Сс - теплоемкость семян при температуре опыта, Дж/(кгтрад); At - повышение температуры исследуемого образца, С за время Ат. Тогда с учетом (4), (6), (7) выражение (5) будет иметь вид: QAT = Мс Сс At + 125,03 At, (8) Разделив все члены уравнения (8) на Мс, At и проведя преобразования, будем иметь: q = (Сс+ 125.03/ Мс) At/Ат , (9) где q - интенсивность тепловыделений семян, Вт/кг. Для оценки неисключенных остатков систематических погрешностей, вновь в исследуемую систему вводили известное количество тепла в диапазоне интенсивности тепловыделений 2-800 мВт и рассчитывали этот показатель экспериментально по уравнению (9). Средние значения экспериментально полученных значений интенсивности тепловыделений и их истинная величина отличились незначимо.
Методы исследования растительных масел
Исходным материалом для факторного анализа являлась матрица выборочных коэффициентов корреляции. Информативность факторов оценивали по собственным значениям, проценту общности и критерию значимости Кайзера, вклад каждого показателя в информативность факторов оценивали по его факторным нагрузкам. Классификацию объектов на максимально однородные группы по наиболее информативным показателям, решали методом кластерного анализа.
Статистическую оценку выборки проводили по среднему значению и коэффициенту вариации, принятому в работе за уровень неоднородности. По коэффициенту вариации судили о возможном изменении показателей в процессе технологических воздействий, по среднему значению оценивали наиболее вероятную величину исследуемого показателя, рассчитывали парные коэффициенты корреляции /244/.
Значимость коэффициентов корреляции оценивали по критерию Стьюдента для уровня значимости 0,05, что достаточно при технико-технологических исследованиях.
Задачу выделения групп, т.е. классификация объектов на максимально однородные группы по выделенным или отдельным наиболее информативным, признакам, решали методом кластерного анализа, позволяющим визуально оценить результаты группировки исследованных объектом на максимально однородные группы по рассчитанным факторам или наиболее информативным в них показателям.
С помощью факторного анализа можно не только описать показатели, но и оценить значение каждого рассматриваемого объекта по факторам. Эта сфера приложения факторного анализа связана с задачей классификации. Методы многомерной классификации позволяют производить классификацию объектов сразу по всем рассматриваемым признаками, используя построение классификационной схемы в пространстве интерпретируемых характеристик - факторов. При этом решаются следующие задачи: -минимизирование описания, т.е. определение основных аспектов различий между объектами наблюдений; -формулирование гипотезы о природе основных различий между объектами; -выявление структуры взаимосвязей в наборе признаков, проверка гипотезы о взаимосвязях и взаимозаменяемости признаков; - сопоставление структуры нескольких наборов признаков; - построение некоторого обобщающего показателя; - ранжирование объектов наблюдения; - осуществление типологии объектов наблюдения; - преобразование данных для использования в других моделях.
При проведении факторного анализа на первой ступени вычисляли коэффициенты корреляции между исследуемыми показателями. Затем, используя метод выделения максимальной дисперсии выделяли главные компоненты анализа: каждая новая компонента дает максимально возможный вклад в суммарную дисперсию параметров.
В результате составлялась матрица, столбцы которой состояли из нагрузок данного фактора, применительно ко всем показателям данной совокупности, а строки- из факторных нагрузок данного показателя -полная факторная матрица. В связи с тем, что при ее решении рассматривали только ее первую часть, ее выделяли и рассматривали как редуцированную матрицу.
При этом определяли, сколько общих факторов необходимо для отражения всех корреляций между параметрами, и рассчитывали нагрузки всех корреляций между параметрами.
Обоснование фракционирования свежеубранных семян подсолнечника по начальной влажности
Параметры aN, bN - коэффициенты отрезков прямых на аппроксимируемых интервалах, сМ — границы аппроксимируемых интервалов. Используя метод наименьших квадратов, определили параметры функции у(х): (-1,022 + 0.268 -х)- АФ(х;0;15,029)+ у{х) = (- 5,494 + 0.566 х) АФ(х;15,029;21,224)+ (- 3 6.297 + 2.017 х) Аф(х;21.224;100) Стандартная ошибка для функции {аст- 0,450) существенно ниже, чем для полинома, следовательно применение этой функции дает более адекватное описание реального процесса.
Результат аппроксимации представлен на рисунке ЗЛО. Из приведенной зависимости можно отметить наличие нескольких характерных участков, обладающих существенно различным изменением значений времен спин-спиновой релаксации протонов воды: I участок - с влажностью от 5 до 15%, II участок - от 15 до 21%, III участок - от 21 до 26%, которые описываются соответствующими уравнениями: I участок у(х)= (- 1,022+0,268х); II участок у(х)= (- 5,494+0,566х); III участок у(х)= (- 36,297+2,017х). Полученные данные косвенно свидетельствуют о том, что в семенах подсолнечника с влажностью более 15% и более 21%, характерной для второго и третьего участков, происходит изменение структурного состояния воды, а также степени ее связанности с гидрофильными веществами семян — увеличивается доля не связанных с гидрофильными веществами молекул воды, т.е. увеличивается концентрация свободных молекул воды, для которых время спин-спиновой релаксации выше, чем для связанных молекул. Наличие в семенах подсолнечника с начальной влажностью более 15% не связанных с гидрофильными веществами молекул воды приводит к интенсификации нежелательных гидролитических процессов.
Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что начальная влажность семян подсолнечника современных сортов не более 15% является граничной, выше которой улучшение технологических свойств семян при послеуборочном дозревании не может быть достигнуто, а при дальнейшем хранении такие семена менее устойчивы к гидролитическим процессам.
Сформулированный вывод подтвержден статистической обработкой экспериментальных данных по изменению кислотных чисел масла при послеуборочном дозревании и хранении в оптимальных условиях семян подсолнечника, начальная влажность которых варьировала в диапазоне от 8 до 18%.
Учитывая различное исходное качество исследуемых партий семян, для статистической обработки данных в качестве функции отклика использовали относительное кислотное число - соотношение кислотного числа масла в семенах после дозревания (в течение 30 суток) и хранения (в течение 150 суток) к кислотному числу масла в свежеубранных семенах.
Аппроксимация экспериментальных данных по изменению относительного кислотного числа при дозревании (Xi) и хранении (Х2) представлена на рисунке 3.11. Высокая степень корреляции между обоими уравнениями (таблица 3.9) позволяет для дальнейших расчетов использовать одно из них, принимаем уравнение для Хь Далее определяли, при каком значении начальной влажности семян относительное кислотное число масла не изменялось при дозревании. Установлено, что искомое значение начальной влажности составляет 15,1+2,2%
Таким образом, свежеубранные семена подсолнечника с кислотным числом масла в семенах не более 2,5 мгКОН/г целесообразно разделять по начальной влажности на две фракции: первую фракцию - с влажностью до 15% целесообразно направлять на послеуборочное дозревание; вторую фракцию - с влажностью более 15% - на сушку с целью стабилизации её технологических свойств и дальнейшее хранение.
Учитывая полученные данные, на следующем этапе исследования разрабатывали технологию подготовки свежеубранных семян подсолнечника к послеуборочному дозреванию.
