Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Рахматуллина Юлия Расимовна
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТОВ ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ ИЗ ПРОРОЩЕННОГО ЗЕРНА
Специальность 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный университет пищевых производств
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Кирдяшкин Владимир Васильевич
Официальные оппоненты: Савченко Светлана Вениаминовна, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств, заведующий кафедрой Технологии, оборудование и производственный менеджмент предприятий хлебопродуктов Иунихина Вера Сергеевна, доктор технических наук, профессор, НОУ ДПО Международная промышленная академия, заведующий кафедрой Пищевых производств
Ведущая организация: ГНУ НИИ пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии
Защита диссертации состоится л01 ноября 2012 г. в 12.00 часов на заседании Совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.148.03 при ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, ауд. 302, корп. А.
Просим Вас принять участие в заседании Совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, по вышеуказанному адресу.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств.
Автореферат разослан л___ ___________ 2012 г.
Ученый секретарь Совета Д 212.148.03, к.т.н., доц. И.Г. Белявская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы Принципы государственной политики РФ в области здорового питания населения на период до 2020 года основываются на том, что питание должно не только удовлетворять физиологические потребности организма человека в пищевых веществах и энергии, но и выполнять профилактические и лечебные задачи и должно способствовать защите организма человека от неблагоприятных условий окружающей среды.
Обеспечение населения РФ качественными и экологически безопасными продуктами питания требует развития перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса на основе совершенствования существующих и создания новых энерго-, ресурсосберегающих, экологически чистых теплотехнологий.
Производство новых видов продуктов длительного хранения специализированного назначения из пророщенных зерен злаковых культур методом инфракрасной обработки, сохраняющих пищевые достоинства цельного зерна с повышенной усвояемостью готового продукта, является одним из важных направлений в развитии технологий переработки зернового сырья.
Исследованию процессов происходящих при прорастании зерна, посвящены работы отечественных и зарубежных исследователей - Казакова Е.Д., Козьминой Н.П., Pomeranz Y., Koehler P. и др. В разработку инфракрасных технологий и техники переработки зернового сырья значительный вклад внесли ученые МГУПП А.С. Гинзбург, В.В.
Красников, Е.М. Мельников, В.А. Резчиков, Ю.М. Плаксин и др.
Научно-обоснованной энергосберегающей технологии получения обезвоженных пророщенных зерен, готовых к употреблению на настоящий момент не известно, поэтому разработка технологии получения сухих продуктов длительного хранения в виде пророщенного целого зерна и хлопьев с помощью термоактивации и сушки инфракрасным излучением, является актуальной задачей.
Работа проводилась в рамках научного направления кафедры ТПФНСПДХ:
Совершенствование технологии пищевых концентратов для здорового питания (IX) 2005 - (XII) 2012 и ведомственной целевой программе Фонда Бортника Старт 09 (2009-2012) по направлению Н-4 Производство продуктов функционального и специализированного назначения из пророщенных семян для валеологического питания по теме Исследование режимных параметров процесса обезвоживания пророщенных семян пшеницы и ржи при радиационно-конвективном энергоподводе и составление исходных требований к техническому заданию для разработки конструкторской документации на установку.
Государственный контракт № 6730р/9355.
Цель и задачи исследования Целью настоящей работы явилась разработка энергосберегающей технологии производства продуктов длительного хранения из пророщенного зерна пшеницы и ржи методом термоактивации и радиационно-конвективной сушки.
В соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи исследований:
- разработать режимы термоактивации зерна пшеницы и ржи с низкой способностью прорастания инфракрасным излучением;
- установить и обосновать оптимальную продолжительность проращивания зерна прошедшего термоактивацию;
- изучить изменение содержания витаминов, крахмала и его структурных изменений при проращивании зерна пшеницы и ржи;
- разработать технологические приемы радиационно-конвективной сушки пророщенного зерна пшеницы и ржи;
- исследовать влияние параметров радиационной сушки и конвективной досушки пророщенного зерна на скорость обезвоживания и сохранение биологически активных веществ;
- обосновать технологический процесс производства зерна и хлопьев длительного хранения из пророщенного зерна пшеницы и ржи;
- определить качественные показатели полученных продуктов длительного хранения из пророщенного зерна;
- разработать исходные требования к техническому заданию на установки по термоактивации, радиационно-конвективной сушке и плющению пророщенного зерна;
- провести опытно-промышленную проверку технологии производства пророщенного зерна и хлопьев длительной хранения;
- разработать проект технических условий на хлопья длительного хранения из пророщенного зерна.
Научная новизна работы Впервые установили режимы термоактивации зерна пшеницы и ржи инфракрасным излучением, позволяющие повысить его способность прорастания.
Обоснована оптимальная продолжительность проращивания термоактивированного зерна пшеницы и ржи.
Разработаны технологические приемы сушки зерна интенсивным инфракрасным излучением с перемещением влаги в зерне в виде пара.
Определены параметры основных технологических операций производства продуктов длительного хранения из пророщенного зерна.
Исследованы показатели качества продуктов, произведенных по разработанной новой энергосберегающей технологии.
Практическая значимость На основании экспериментальных исследований предложена энергосберегающая технология производства высушенных пророщенных зерен, с улучшенными качественными показателями, которая позволяет снизить энергозатраты по сравнению с традиционной технологией производства хлопьев готовых к употреблению.
Разработан проект технических условий Хлопья из пророщенного зерна, готовые к употреблению.
Для практического использования разработанной технологии ООО ПК Старт была создана установка для сушки высоковлажного сырья инфракрасным излучением, которая в настоящее время серийно выпускается и имеет техническую документацию.
Проведена совместная опытно-промышленная апробация ФГБОУ ВПО МГУПП и ООО ПК Старт разработанной технологии и оборудования для термоактивации, сушки и плющения пророщенного зерна.
Технологическая линия внедрена на предприятии ОАО Могилевхлебопродукт (Республика Беларусь, г. Могилев).
Оценка эффективности и риска инвестиций показала, что капитальные вложения окупаются через 12 месяцев, а себестоимость 1 кг крупяного продукта составляет 42,рубля.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры Технология продуктов функционального назначения, спортивного питания и длительного хранения ФГБОУ ВПО МГУПП.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:
Межведомственной научно-практической конференции Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров (Москва, 16-17 апреля 2009 г.); VIII Международной научно-практической конференции Технологии продуктов здорового питания. Функциональные пищевые продукты, конференция молодых ученых Инновационные технологии продуктов здорового питания (Москва, 19 октября 2010 г.);
Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации.
Эффективное использование ресурсов отрасли (Москва, 25 ноября 2010 г.); IX Международной научно-практической конференции Технологии продуктов здорового питания. Функциональные пищевые продукты, конференция молодых ученых Инновационные технологии продуктов здорового питания (Москва, 24-25 ноября 2011г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложений.
Работа изложена на 109 страницах основного текста, включает 38 рисунков и 9 таблиц.
Список литературы включает 117 источников российских и зарубежных авторов.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее научнопрактическое значение.
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ В обзоре научно-технической литературы систематизированы общие вопросы о характеристике злаковых культур с точки зрения пищевой и биологической ценности.
Обобщены и проанализированы механизм прорастания зерна, явление термоактивации.
Представлены способы консервирования пророщенных злаковых культур с помощью сушки, а также выявлены основные критерии, обеспечивающие длительное хранение пророщенных высушенных зерен. Приведены достоинства инфракрасной обработки зерна по сравнению с другими методами теплового воздействия.
На основании анализа научно-технической литературы выявлена необходимость и целесообразность проведения комплексных исследований по термоактивации и консервации пророщенного зерна с использованием инфракрасного излучения.
Сформулированы цель и задачи исследования.
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Исследования проводились в лаборатории кафедры Технология продуктов функционального назначения, спортивного питания и длительного хранения ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств, в Лаборатории витаминов и минеральных веществ ФГБУ НИИ Питания РАМН, ООО ПК Старт, в институте физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН, в лаборатории Структурно-морфологических исследований.
Объекты и методы исследования Структурная схема исследования приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структурная схема проведения исследований Для проведения исследований использовали зерно пшеницы 4 класса по ГОСТ 935390 и зерно ржи 3 класса по ГОСТ 16990-88. В качестве методов исследования применяли типовые, стандартные методики.
Анализ аналитических, физико-химических и микробиологических характеристик зерна проводили согласно действующей нормативной документации и общепринятых методов исследования.
Оптические характеристики зерна (спектральные коэффициенты отражения R, поглощения А и коэффициент пропускания Т) определяли на спектрофотометре СФ-с приставкой, предложенной Ю.М. Плаксиным.
Статистическую обработку данных осуществляли с помощью программного обеспечения Statistica 6.0.
Термоактивацию зерна пшеницы и ржи с низкой исходной способностью прорастания проводили на экспериментальном стенде (ООО ПК Старт) ИК-излучением с различной интенсивностью (рис. 2).
Рисунок 2 - Экспериментальный стенд для инфракрасной обработки зернового сырья:
1 - бункер-дозатор с подъемным шибером, 2 - терморадиационные блоки, 3 - продукт, 4 - металлическая сетка, 5 - натяжной барабан, 6 - термопары, 7 - регистрирующий электронный блок, 8 - персональный компьютер (ПК), 9 - электродвигатель с частотным регулированием оборотов, 10 - приводной барабан Для экспериментального исследования кинетики процесса обезвоживания пророщенного зерна пшеницы и ржи и определения режимных параметров радиационноконвективной сушки была создана экспериментальная установка на базе ООО ПК Старт (рис. 3).
Рисунок 3 - Экспериментальная установка по радиационно-конвективной сушке пророщенных семян:
1 - бункер-дозатор с гребенкой, 2 - блок инфракрасных излучателей, 3 - продукт, 4 - зонд вывода паровоздушной смеси, 5 - крыльчатый анемометр, 6 - вентилятор, 7 - металлическая сетка, 8 - натяжной барабан, 9 - мембрана, регулирующая воздушный поток, 10 - вентилятор, 11 - электрический теплообменник, 12 - воздухопровод, 13 - распределительные плиты, 14 - электронный весовой механизм, 15 - термопары, 16 - регистрирующий электронный блок, 17 - ПК, 18 - электродвигатель с частотным регулированием, 19 - приводной барабан Плющение зерна проводили на плющильном агрегате У1-РСА-4 конструкции ВНИИЗ с гладкими валками, оснащенного амперметром, показывающим рабочий ток двигателя.
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ 3.1 Влияние ИК-излучения на способность прорастания зерна пшеницы и ржи Зерно пшеницы и ржи продовольственного назначения не нормируется по показателю способности прорастания и жизнеспособности, следовательно, эти показатели могут принимать любые значения. Для обеспечения высокого качества продукции, получаемой из пророщенного зерна, оно должно соответствовать требованиям к зерну используемого для производства солода.
Нами было изучено влияние различных режимов ИК-обработки на изменение способности прорастания зерна пшеницы и ржи с исходной способностью прорастания и 85 % соответственно.
Зерно прогревали до температуры 45-80 С коротковолновым ИК-излучением с плотностью лучистого потока в диапазоне от 20 до 38 кВт/м2, в течение 3-21 сек. Варьируя мощность излучения изменяли ее продолжительность воздействия.
На рисунке 4 представлена кинетика нагрева зерна пшеницы и ржи с влажностью 12%.
учистый поток с плотностью 32 кВт/м2 прогревает зерно до 80 С за 9-10 секунд.
Снижение плотности лучистого потока с 32 до 20 кВт/м2 увеличивает экспозицию нагрева до той же температуры в два раза.
Рисунок 4 - Кинетика нагрева зерна пшеницы и ржи ИК-излучением Исследования показали, что оптимум температур соответствующий максимальному увеличению способности прорастания у зерна пшеницы и ржи (рис. 5, 6) с увеличением плотности лучистого потока с 20 до 32 кВт/м2 смещается в сторону снижения температуры и составляет 58-60С для пшеницы и 53-55 С для ржи соответственно. Увеличение показателя способности прорастания зерна пшеницы с исходной величины 71 % составляет 92 %, а для ржи с 85 % до 95 % при обработке с плотностью лучистого потока 32 кВт/м2. Этот показатель увеличивается по мере возрастания температуры до определенного максимального значения, а затем снижается.
Рисунок 5 - Влияние ИК-обработки на Рисунок 6 - Влияние ИК-обработки на способность прорастания зерна пшеницы способность прорастания зерна ржи При обработке зерна с плотностью лучистого потока 38 кВт/м2 и более время обработки зерна снижается до 3-4 с, при этом возрастает неоднородность нагрева отдельных зерновок в общей массе обрабатываемого зерна, которая достигает 10-12 С, что снижает эффективность термоактивации зерна (рис. 7).
Рисунок 7 - Распределение температур отдельных зерновок в массе от плотности лучистого потока:
1 - зерно пшеницы, 2 - зерно ржи, 1' - средневзвешенная температура зерновой массы пшеницы, 2' - средневзвешенная температура зерновой массы ржи Таким образом, оптимальными режимами термоактивации зерна пшеницы и ржи инфракрасным излучением, является: плотность лучистого потока - 32 кВт/м2, продолжительность обработки для пшеницы - 9-11 с, для ржи 7 - 8 с, средневзвешенная температура зерна пшеницы - 59 С, ржи - 54 С.
3.2 Исследование продолжительности замачивания и прорастания зерна после термоактивации Воздействие ИК-излучения вызывает изменение структурно-механических свойств зерна, что выражается в увеличении его сорбционной активности. Нами исследована кинетика поглощения воды термоактивированным и исходным зерном (рис. 8 - 9).
Рисунок 8 - Изменение влажности зерна Рисунок 9 - Изменение влажности зерна пшеницы при замачивании: ржи при замачивании:
1 - зерно после термоактивации, 1 - зерно после термоактивации, 2 - зерно исходное 2 - зерно исходное Характер поглощения воды исходным зерном пшеницы и ржи укладывается в классическую картину, описанную многими авторами изучавшими кинетику сорбции воды зерном при его проращивании (рис. 8 - 9, кривые 2). При термоактивации зерна ИКизлучением (рис. 8 - 9, кривые 1) скорость поглощения воды зерном пшеницы при замачивании возрастает в первые 16 часов в 1,8-2,0 раза и к этому времени составляет 4042 %, что соответствует оптимальной влажности для дальнейшего прорастания зерна. У ржи скорость поглощения несколько больше и уже к 14 часам влажность зерна ржи составляет 40 %.
Проведенные исследования показывают что, продолжительность стартового состояния зерна для начала интенсивного гидролиза крахмала, образования сахаров, синтеза витаминов, образования новых тканей в виде корешков и ростка сокращается на 14-16 часов.
3.3 Определение оптимальной продолжительности проращивания зерна пшеницы и ржи Критерием оценки оптимальной продолжительности проращивания были выбраны:
содержание витаминов В1 и В2 в совокупности с изменениями происходящими в крахмале и его потерями при прорастании пшеницы и ржи.
Исследование изменения содержания тиамина и рибофлавина Исследование содержания витаминов В1 и В2 при проращивании в исходном и термоактивированном зерне показали, что происходит синтез витаминов (рис. 10, 11).
Рисунок 10 - Изменение Рисунок 11 - Изменение содержания содержания витамина В1 в образцах витамина В2 в образцах зерновых в ходе зерновых в ходе проращивания проращивания Содержание витамина В1 остается на постоянном уровне в зерне ржи, а в зерне пшеницы наблюдается увеличение на 3 сутки прорастания в 1,5 раза и далее происходит снижение его количества к 4 суткам до исходного уровня.
Уровень витамина В2 постепенно возрастает в течение 4 суток и его содержание в зернах обоих злаков увеличилось в 2,7-2,9 раза.
Исследования содержания витаминов В1 и В2 с термоактивированным зерном, показали, что синтез витаминов происходит аналогично, но за более короткий срок.
Установлено, что продолжительность проращивания пшеницы составляет 56 часов и для ржи 48 часов, что способствует высокому содержанию витаминов В1 и В2.
Определение содержания крахмала при проращивании зерна В процессе прорастания под влиянием ферментов самого зерна происходит снижение содержания крахмала. Результаты исследования представлены на рисунках 12 и 13.
Рисунок 12 - Изменение содержания Рисунок 13 - Изменение содержания крахмала в зерне крахмала в зерне пшеницы при проращивании ржи при проращивании Установлено, что в процессе прорастания содержание крахмала в зерне пшеницы снижается с 63,9 % и на четвертые сутки составляет 43,7 %. В исходном зерне ржи крахмала было 60,5 %, а на четвертые сутки прорастания его содержание снизилось до %. Более значительное снижение количества крахмала наблюдается в зерне пшеницы и ржи подвергнутых термоактивации: до 33,6 % и 31,9 % соответственно, т.к.
термоактивированное зерно имеет более высокую способность прорастания, кроме того, в результате инфракрасной обработки оно быстрее поглощает воду и быстрее начинает прорастать.
В процессе прорастания зерна, помимо уменьшения содержания крахмала, который расходуется на дыхание, образование новых тканей и т.д., происходит изменение его структуры, о чем свидетельствуют данные исследования атакуемости крахмала пророщенного зерна амилолитическими ферментами (рис. 14).
Рисунок 14 - Влияние проращивания зерна пшеницы и ржи на количество высвобождаемой глюкозы Повышение количества высвобождаемой глюкозы обусловлено тем, что в процессе прорастания ферменты - и -амилазы гидролизуют крахмал в основном до декстринов, которые доступны для фермента глюкоамилазы.
С увеличением времени выдерживания суспензии (размолотое зерно + вода + фермент) количество глюкозы у термоактивированного проросшего зерна за 60 мин увеличивается в 6,5 - 7 раз по сравнению с исходным зерном.
3.4 Разработка технологических приемов сушки пророщенного зерна ИК-излучением и конвективной сушкой 3.4.1 Исследование терморадиационных характеристик пророщенных зерен пшеницы и ржи и выбор типа ИК-генератора Частотная характеристика потока инфракрасного излучения, подающего на облучаемый материал, является основополагающим фактором при его обработке, поэтому источники излучения следует подбирать, исходя из конкретных оптических характеристик данного материала, с учетом конструктивных особенностей и энергетической характеристики аппарата.
Для обеспечения быстрого объемного прогрева высоковлажного зерна и выбора рационального типа генератора ИК-излучения нами были определены его оптические характеристики: спектральные коэффициенты отражения R, поглощения А и коэффициент пропускания Т. Зависимость спектральных оптических характеристик пророщенной пшеницы и ржи влажностью 42 - 48 % в слое в одно зерно от длины волны представлена на рисунках 15 - 17.
Рисунок 15 - Спектр поглощения пророщенных зерен с влажностью 46 % Поглощение высоковлажной пшеницей инфракрасного излучения имеет максимум при длине волны от 1,4 до 3,0 мкм, лучистая энергия проникает в толщу зерна на глубину 5-7 мм, что способствует максимальному поглощению.
Рисунок 16 - Зависимость пропускательной Рисунок 17 - Зависимость отражательной способности пророщенных зерен способности пророщенных зерен от длины волны от длины волны Пропускательная способность пророщенных зерен пшеницы и ржи максимальна в диапазоне 0,8 - 2,0 мкм, а отражательная способность минимальна в диапазоне 0,6 - 1,мкм.
Согласно закону смещения Вина Т = 2897/ , где температура Т нагретого тела в градусах Кельвина, максимум длины волны испускаемого излучения в микрометрах. В соответствии с этим целесообразно использование для обезвоживания пшеницы и ржи кварцевых генераторов при температуре нити накала 2 600 - 2 800 К (светлые излучатели).
Применение так называемых светлых излучателей дает возможность пророщенному зерну пшеницы и ржи поглощать лучи видимого света и в результате совместного воздействия световых и инфракрасных лучей усиливается положительный эффект, стабилизируются биологические свойства обрабатываемого материала.
В настоящее время появляются новые лампы ИК-излучения с разной мощностью, поэтому выбор рационального типа ИК-генератора осуществляли по методике акад. Плаксина Ю.М. с применением известного критерия эффективности.
Р = Qр КТП , где: Р - критерий эффективности;
Qр - результирующая интегральная плотность лучистого потока единичной мощности;
КТП - коэффициент, учитывающий требования технологического процесса;
- коэффициент, характеризующий количество теплоты, передаваемой радиацией, т.е. энергетический показатель работы излучателя.
Величина в критерии Р принимается равной лучистому КПД излучателей: = луч.
На рисунке 18 показана зависимость значения критерия Р от температуры излучателя.
Рисунок 18 - Зависимость критерия эффективности Р от температуры нити накала ИК - генератора Установлено, что максимальное значение критерия эффективности соответствует температуре излучателя 2800 К при напряжении 380 В. Излучатель КГТ 380-33позволяет добиться быстрого объемного прогрева высоковлажного зерна при использовании его в промышленных условиях.
3.4.2 Влияние мощности лучистого потока на прогрев высоковлажного пророщенного зерна Для создания условий сушки зерна, при которых выпаривание влаги происходит в виде пара, важную роль играет объемный прогрев влажного материала в поле инфракрасного излучения и скорость парообразования воды внутри зерна. Потенциалом процесса переноса пара в этих условиях является его давление, возникающее при воздействии инфракрасного излучения определенной мощности. Только быстрое образование пара в высушиваемом материале вызывает повышение давления внутри материала. Его интенсивное образование в зерне вызывает разрыв структуры зерновки.
Кинетика нагрева пророщенного зерна пшеницы и ржи с влажностью 42-46 % при воздействии на него инфракрасного излучения различной мощности (рис. 19).
Рисунок 19 - Кинетика нагрева пророщенного зерна при мощности лучистого потока инфракрасного излучения 20 - 80 кВт/м2:
1 - 80 кВт/м2; 2 - 60 кВт/м2; 3 - 40 кВт/м2; 4 - 20 кВт/мПри мощности излучения от 80 кВт/м2 и выше при исходной влажности зерна 46% тепла достаточно для образования пара внутри материала и при температуре 102-104С происходит разрыв зерновки. Интенсивный выброс пара на несколько секунд охлаждает зерно, после чего температура материала резко возрастает.
Температурные кривые полученные при прогреве пророщенного зерна показывают, что при мощности излучения 20, 40 и 60 кВт/м2 влага в зерне перемещается в виде жидкости и испаряется на его поверхности, охлаждая ее. Поэтому температура поверхности зерновки некоторое время остается на уровне 100 С.
При нагреве зерна инфракрасным излучением мощностью 20 кВт/м2 и ниже интенсивность образования пара не превышает скорости его переноса внутри зерновки и зона его испарения находится на поверхности. Изменения структуры материала не происходит. Подводимая энергия расходуется на испарение воды и температура материала при этом остается постоянной.
Данные исследования позволили нам определить мощность ИК-излучения позволяющую обеспечить прогрев влажного зерна со значительным градиентом общего давления, углубленной зоной испарения и разрывом структуры зерна.
Скорость прогрева пророщенного зерна пшеницы и ржи с влажностью 42-46 % должна составлять не менее 2,7 С/с для чего необходимо подавать инфракрасное излучение мощностью более 80 кВт/м2.
При этих условиях возможна значительная интенсификация процесса обезвоживания зерна.
3.4.3 Определение режима интенсивной ИК обработки высоковлажного пророщенного зерна 3.4.3.1 Выбор критерия оценки качества сушки Критерием оценки качества высушенного пророщенного зерна мы выбрали сохранение витамина В1, т.к. он менее стоек в сравнении с витамином РР и витамином В2, под воздействием температуры от 100 С и выше.
Результаты исследования термолабильности витамина В1 в процессе теплового воздействия представлены на рисунке 19.
Рисунок 19 - Кинетика снижения тиамина при сушке зерна при разных температурах:
1 - при 100-102 С, 2 - при 110 С, 3 - при 120 С Проведенные исследования показали, что при температуре 100-102 С потери тиамина за 10 минут темперирования не превышают 5 %. При 120 С за то же время темперирования содержание тиамина снижается до 90 % от исходного количества.
Таким образом, сушка пророщенного зерна при его температуре 100-102 С позволяет в течение 8 - 10 минут сохранить витаминную ценность пророщенного зерна на уровне 95 %.
3.4.3.2 Определение параметров интенсивной термообработки Прогрев зерна осуществляли односторонним облучением на экспериментальном стенде, а равномерность прогрева обеспечивали определенным расположением генераторов в тепловом блоке ИК-нагревателя.
Зерно помещалось на металлической сетке транспортера в определенном количестве при подовом наполнении 2,4 - 2,6 кг/м2, т.е. толщина обрабатываемого слоя составляла 3 - 5 мм и перемещалось под нагревательными блоками с определенной скоростью, что обеспечивало температурный режим обработки представленный на рисунке 20.
Рисунок 20 - Кинетика термообработки пророщенного зерна пшеницы и ржи с исходной влажностью 46 % Исследования показали, что для поддержания заданного температурного режима на уровне 100 2С мощность излучения с первоначального значения 81 кВт/м2, обеспечивающего прогрев зерна со скоростью более 2,7 С/с, приводящая к разрушению его структуры и испарению воды в виде пара по всему объему зерновки, снижали до 45, и 8 кВт/м2. Общее время обработки составило 120 секунд.
Влажность зерна в результате интенсивной ИК-обработки снижается с 46 до 20 % при уменьшающейся плотности лучистого потока (рис. 21).
Рисунок 21 - Кривая обезвоживания пророщенного зерна Резкое снижение влажности зерна в момент разрушения его структуры происходит во время залпового выброса пара, которое продолжается в течение 10 - 15 с. Скорость обезвоживания в это время составляет около 0,9 - 1,0 %/с. Далее зерно с разрушенной структурой имеет постоянную скорость сушки.
Зерно с влажностью 18 - 20 % досушивали конвективным способом, так как создать однородное температурное поле в зоне сушки зерна для кварцевых трубчатых генераторов без увеличения расстояния между ними и объектом обработки с сохранением высокого коэффициента полезного действия генератора технически невозможно.
3.5 Исследование параметров конвективной досушки зерна Досушку пророщенного зерна с влажности 18 - 20 % до влажности, обеспечивающей его длительное хранение без изменения качественных показателей, проводили с использованием традиционного конвективного энергоподвода.
Исследования показали, что влагоотдающая способность пророщенного зерна независимо от температуры сушильного агента в диапазоне от 60 до 100 С в 10 - 15 раз выше, чем у зерна не подвергнутого терморадиационной сушке (рис. 22) и при температуре агента сушки воздуха 100 С составляет 1,1 - 1,2 %/мин.
Рисунок 22 - Кривые сушки зерна с разными структурномеханическими свойствами в зависимости от температуры сушильного агента 1, 2, 3 - исходное зерно, температура сушильного агента 60, 80, 100 С;
4, 5, 6 - зерно после ИКнагрева, температура сушильного агента 60, 80, 100С Нами установлено, что увеличение расхода воздуха (сушильного агента) выше 2,м3/час на 1 кг пророщенного зерна не влияет на скорость сушки.
Температура пророщенного зерна перед конвективной сушкой составляет 98 - 100С, досушка его до влажности 12 % осуществляется за 6 - 8 минут.
Таким образом, режимные параметры конвективной сушки пророщенного зерна пшеницы и ржи с практически полностью сохраненным комплексом биологически активных веществ:
температура сушильного агента 98 - 100 С;
время досушки 6 - 8 мин до влажности 12 %;
количество сушильного агента 2 - 2,5 м3/ч на кг продукта.
Технологические приемы сушки пророщенного зерна ИК-излучением и конвективной сушкой включают сушку ИК-излучением до влажности 18-20% в течение 88-120 сек, с дискретным изменением мощности излучения от 81 кВт/м2 до 8 кВт/мравными циклами по 22 - 30 сек, в зависимости от исходной влажности, при температуре зерна 100 - 102С, плющение и досушивание конвективным способом в течение 6 - 8 мин при температуре сушильного агента 98-100С до влажности 12-14%.
3.6 Характеристика продукта по разработанной технологии 3.6.1 Влияние процесса проращивания и комбинированной сушки на микроструктуру зерна Для подтверждения структурных изменений происходящих в зерне, нами были проведены исследования эндосперма исходных зерен пшеницы и ржи и зерен после термоактивации, проращивания и радиационно-конвективной сушки при помощи сканирующего микроскопа, что позволило получить более полное представление об их микроструктуре.
На рисунках 23-27 приведены микрофотографии центральной части эндосперма зерна пшеницы и ржи.
Рисунок 23 - Микрофотография Рисунок 24 - Микрофотография исходного зерна пшеницы зерна пшеницы после проращивания и (размер мерной планки 70 мкм) радиационно-конвективной сушки (размер мерной планки 70 мкм) На поперечных срезах видно, что в сравнении с исходным зерном (рис. 23 и 25) эндосперм зерен пшеницы и ржи и после проращивания и радиационно-конвективной сушки подвергся гидролизу и у него деформировались клетки (рис. 24 и 26). У ржи образовалась монолитная структура из клейстеризованного крахмала и денатурированного белка.
Рисунок 25 - Микрофотография Рисунок 26 - Микрофотография исходного зерна ржи зерна ржи после проращивания и (размер мерной планки 70 мкм) радиационно-конвективной сушки (размер мерной планки 70 мкм) Исследование микроструктуры зерна пшеницы и ржи подтверждает, что при термоактивации, проращивании и радиационно-конвективной сушке структура эндосперма претерпевает глубокие изменения, повышается содержание декстринов, происходит частичная или полная клейстеризация крахмала, белки денатурируют и повышается усвояемость.
3.6.2 Влияние ИК-обработки на связывание экотоксикантов и микроорганизмов Пророщенное высушенное зерно пшеницы и ржи, получаемое по разработанной нами технологии, богато пищевыми волокнами, т.к. была сохранена его целостность.
Процесс прорастания не влияет на общее содержание пищевых волокон, а радиационноконвективная сушка модифицирует их структуру.
Нами были исследованы сорбционные свойства пророщенного высушенного зерна пшеницы и ржи по отношению к тяжелым металлам и к красителю метиленового голубого.
Процесс сорбции наиболее токсичных элементов проводили в трехкомпонентном растворе. Результаты исследований представлены на рисунке 27.
Рисунок 27 - Изменение концентрации ионов металлов при их сорбции зерном из трехкомпонентного стандартного раствора с концентрацией элементов 0,5 мг/л:
1 - исходное зерно пшеницы;
2 - пророщенное высушенное зерно пшеницы;
3 - исходное зерно ржи;
4 - пророщенное высушенное зерно ржи Анализ результатов показывает, что исходное зерно и зерно после обработки поразному связывает ионы, находящиеся в трехкомпонентной смеси. Наиболее эффективно связываются ионы свинца, затем в порядке убывания ионы кадмия и стронция.
Эффективность сорбции элементов свинца, кадмия и стронция из трехкомпонентного стандартного раствора выше у обработанного зерна ржи на 26 %, у зерна пшеницы - на 18 %, в сравнении с исходным зерном и составляет 85 % и 77 % соответственно. Увеличение сорбционной активности обработанного зерна, происходит за счет разрушения структуры пищевых волокон при интенсивной ИК-обработке. Значение сорбционной активности зерна пшеницы и ржи пропорционально содержанию пищевых волокон, о чем свидетельствуют проведенные нами исследования по сорбционной емкости тяжелых металлов.
Результаты исследований изменения сорбционной емкости по отношению к метиленовому голубому обработанного зерна пшеницы и ржи представлены на рисунке 28.
Рисунок 28 - Изменение относительной сорбции зерном пшеницы и ржи метиленового голубого:
1 - исходное зерно пшеницы;
2 - пророщенное высушенное зерно пшеницы;
3 - исходное зерно ржи;
4 - пророщенное высушенное зерно ржи Известно, что существует прямая зависимость между сорбцией пищевыми волокнами метиленового голубого и сорбцией ими микроорганизмов, в частности, E. coli.
Исследования показали, что сорбция метиленового голубого у пророщенных зерен пшеницы возрастает на 40 % по сравнению с исходным зерном, а у пророщенных зерен ржи - на 52 %.
Таким образом, установлено, что пророщенное зерно пшеницы и ржи, полученное по технологии инфракрасной обработки, сорбирует, связывает и выводит из организма значительно большие количества экотоксических веществ и бактериальных токсинов.
3.6.3 Определение микробиологических показателей При производстве продуктов из пророщенного зерна необходимо предусматривать применение технологических приемов, направленных на снижение количества микрофлоры зерна, для обеспечения экологической чистоты и безопасности производимой продукции. Ввиду повышенного содержания влаги и достаточного количества легкодоступных питательных веществ, прорастающее зерно является благоприятной средой для развития микрофлоры.
Исследование развития микрофлоры зерна при проращивании, в готовом продукте, полученного по разработанной технологии (таблица 3.3.3.1), показали, что данные микробиологического анализа хлопьев из пророщенного зерна отвечают нормам СанПиН 2.3.2.1078-01.
Таблица 3.3.3.1 - Влияние интенсивной инфракрасной обработки на микробиологические показатели Масса продукта (г), в которой не допускаются КМАФАнМ, Плесени, Продукт Патогенные, КОЕ/г, БГКП КОЕ/г в т.ч.
(колиформы) салмонеллы Крупы, не 5103 0,01 25 требующие варки* Исходное зерно 2,5103 Не обнаружено Не обнаружено Пророщенное 4103 Не обнаружено Не обнаружено зерно Хлопья из пророщенного 3102 Не обнаружено Не обнаружено зерна * - значение показателей в соответствии с СанПиН 2.3.2.1078-Под действием инфракрасного излучения происходит стерилизация продукта.
Высокие температуры нагрева приводят к гибели поверхностной и внутренней микрофлоры, что улучшает санитарно-гигиенические показатели хлопьев и способствует увеличению сроков их хранения.
В опытах по хранению хлопьев из пророщенного зерна при температуре 14 - 15 С и относительной влажности воздуха 70-75 % через год в них сохраняется 10-15 % бактерий, преимущественно спорообразующих. Количество плесеней в тех же условиях хранения почти не изменяется.
3.6.4 Определение показателей пищевой ценности хлопьев из пророщенного зерна По органолептическим показателям хлопья из пророщенного зерна соответствуют следующим требованиям (по ГОСТ 26312.2-84): внешний вид - в виде хлопьев; цвет - от светло-кремового до светло-коричневого; вкус и запах - приятный солодовый без постороннего запаха и привкуса.
Пищевая ценность на 100 г продукта представлена в таблице 3.3.4.Таблица 3.3.4.1 - Пищевая ценность хлопьев из пророщенного зерна Показатель Значение показателя Хлопья из Хлопья из пророщенной пророщенной ржи пшеницы Белки, г 8,4 8,Жиры, г 1,7 1,Углеводы:
усвояемые 52,3 56, неусвояемые 12,6 18,Энергетическая ценность, ккал 260,7 265,Витамины, мг:
В1 0,33 0,В2 0,15 0,РР 4,9 1,3.7 Обоснование технологического процесса производства хлопьев из пророщенного зерна пшеницы и ржи Разработанные нами технологические режимы получения пророщенных зерен позволяют включить в технологический процесс операцию плющения зерна после проращивания и интенсивного ИК-облучения. Зерно, прошедшее такую обработку имеет влажность 18-20 %, легко и качественно плющится металлическими валками, так как его прочность благодаря термодеструкции снижается в 3-4 раза, а пластические свойства повышаются. Плющение проводили на вальцах диаметром по 250 мм без мощных прижимных систем до различной толщины хлопьев и досушивали конвективной сушкой при температуре 98 - 100 С в течение 4 - 6 минут до влажности 12-14 %.
Плющение зерна показало, что количество тока, а, следовательно, и мощности двигателя на плющильном агрегате У1-РСА-4П снижается в 1,5 - 2 раза при производстве хлопьев из пророщенного зерна после интенсивной ИК-обработки, что приводит к значительному энергосбережению в процессе плющения.
Нами было определено влияние толщины хлопьев на их качественные характеристики. Полученные результаты показывают, что толщина хлопьев существенно влияет на процент крошимости и степени готовности. Таким образом нами установлены режимы процесса производства хлопьев готовых к употреблению: плющение до толщины 0,6 мм, конвективное досушивание при 98 - 100 С в течение 4 - 6 минут до влажности 1214 %.
Выработанные по такой технологии хлопья обладают рядом достоинств: высокий выход, не требуют варки, сохранение пищевой и биологической ценности, высокие органолептические показатели.
4 Опытно-промышленная проверка технологии производства зерна и хлопьев из пророщенного зерна пшеницы и ржи На основании проведенных исследований технологических параметров производства хлопьев готовых к употреблению из пророщенного зерна пшеницы и ржи, нами были разработаны исходные требования к техническому заданию на опытнопромышленый образец оборудования для термоактивации, сушки и плющения в линии по производству продуктов из пророщенных зерен пшеницы и ржи производительностью 5кг/ч с использованием инфракрасного энергоподвода. ООО ПК Старт изготовил установки для термоактивации зерновых культур, сушки высоковлажного пророщенного зерна, производительностью 500 кг/ч.
На базе ООО ПК Старт совместно с кафедрой ТПФНСПДХ провели опытнопромышленную проверку работы изготовленного оборудования.
Данные результатов приемочных испытаний опытно-промышленного образца оборудования для термоактивации, сушки и плющения в линии по производству продуктов из пророщенных зерен пшеницы и ржи производительностью 500 кг/ч с использованием инфракрасного энергоподвода подтверждены протоколом приемочных испытаний.
Принципиальная технологическая схема производства пророщенного зерна и хлопьев длительного хранения представлена на рисунке 29.
Рисунок 29 - Технологическая схема производства пророщенного зерна и хлопьев Подготовленное очищенное зерно пшеницы и ржи подвергают термоактивации.
Увлажняют, проращивают в солодорастильных аппаратах с соблюдением температурного и влажностного режима. Проращивание проводят при температуре 18 С в течение часов зерна пшеницы и 48 часов зерна ржи. Дозирующее устройство бункера-питателя раскладывает зерно на металлическую сетку транспортера. Сушку осуществляют ИКизлучением до влажности 18-20% в течение 90-120 сек, с дискретным изменением плотности лучистого потока от 81 кВт/м2 до 8 кВт/м2 равными циклами по 22Ц30 сек в зависимости от исходной влажности, при этом температура зерна не превышает 100-102С.
Зерно направляют на конвективное досушивание, охлаждение и упаковку. При получении хлопьев зерно после высокоинтенсивной ИК-обработки подвергается плющению и досушиванию конвективным способом. Хлопья охлаждают, отделяют мучку и крошку в просеивающей машине, направляют на фасовку.
Произведенная продукция в виде хлопьев из пророщенного зерна пшеницы и ржи, готовых к употреблению, анализировалась согласно требованиям к качеству и безопасности. Был разработан проект технических условий Хлопья из пророщенного зерна, готовые к употреблению.
Опытно-промышленный образец оборудования был направлен на Могилевский комбинат хлебопродуктов (Республика Беларусь), где была обработана партия пророщенных семян пшеницы в количестве 10 т. Испытания показали, что затраты энергии на испарение 1 кг воды в данной установке составили 1,2 кВт, а биологически-активные вещества (витамины группы В и РР) сохраняются на уровне 90 %.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Разработана принципиально новая ресурсо- и энергосберегающая технология производства продуктов длительного хранения из пророщенного зерна пшеницы и ржи.
2. Определены основные параметры термоактивации зерна с низкой способностью прорастания инфракрасным излучением: обработка инфракрасным излучением с плотностью лучистого потока - 32 кВт/м2; продолжительность обработки для пшеницы - 9-11 с, для ржи 7 - 8 с; средневзвешенная температура зерна пшеницы - 59 С, ржи - 53 С.
3. Установлены оптимальные сроки проращивания термоактивированного зерна пшеницы и ржи.
4. Определены технологические приемы консервирования высоковлажного пророщенного зерна пшеницы и ржи. Сушка должна проводиться в два этапа: начальный этап - интенсивная инфракрасная обработка односторонним облучением в течение 120 с слоя зерна толщиной 4-5 мм при температуре 98-104 С до влажности 18-20 %, мощность инфракрасных нагревательных блоков должна составлять 81, 45, 27 и 8 кВт/м2; второй этап - конвективная досушка зернового слоя толщиной до 8 см горячим воздухом с температурой 98 - 100 С в течение 7-8 минут для зерна и 4-5 минут для хлопьев, количество подаваемого сушильного агента (воздуха) 2,5 м3/ч на кг продукта.
5. Определены биохимические, функциональные и качественные показатели и потребительские достоинства полученных продуктов.
6. Разработан проект технической документации на хлопья из пророщенного зерна пшеницы и ржи.
7. Опытно-промышленная проверка показала высокую степень соответствия параметров, режимов и экспериментальных результатов разработанной технологии с реальными условиями работы оборудования.
8. В результате проведенных исследований ООО ПК Старт наладило серийное производство сушильных установок для сушки высоковлажного растительного сырья производительностью 500 кг/ч с использованием радиационно-конвективного энергоподвода.
9. Промышленное внедрение новой энергосберегающей технологии позволяет снизить себестоимость продукции на 24% по сравнению с традиционной. Срок окупаемости линии по производству хлопьев, готовых к употреблению составляет месяцев.
Список работ, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК 1. Рахматуллина Ю. Р., Андреева А. А., Елькин И.Н., Доронин А. Ф. Радиационноконвективное консервирование пророщенных семян пшеницы и ржи // Пищевая промышленность. - 2012. - № 2. - С. 52-2. Рахматуллина Ю. Р., Андреева А. А., Кирдяшкин В. В. Термоактивация злаковых культур при производстве продуктов валеологического питания из пророщенных зерен // Хлебопродукты. - 2012. - № 3. - С. 50-51.
3. Рахматуллина Ю.Р., Кирдяшкин В.В., Коденцова В.М., Вржесинская О.А.
Содержание витаминов В1 и В2 в проросшем зерне // Хлебопродукты. - 2012. - № 9. - С.
64-65.
Список работ, опубликованных в других изданиях 4. Рахматуллина Ю. Р., Андреева А. А., Елькин И.Н. Способ получения хлопьев из пророщенных злаковых культур // положительное решение о выдаче патента РФ от 25.01.2011 по заявке № 2011102599/13 (003507) Патент России № 2177831. 2012. Бюл. №8.
5. Доронин А.Ф., Рахматуллина Ю.Р., Елькин И.Н. Современные технологии создания продуктов длительного хранения диетического назначения на базе пророщенных семян злаковых культур // Сборник докладов II межведомственной научно-практической конференции Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров / Отв. ред. Ю.И. Сидоренко. - М.: Издательский комплекс МГУПП, 2009. - С. 302-36. Доронин А. Ф., Рахматуллина Ю.Р., Елькин И.Н., Андреева А.А. Разработка энергосберегающей технологии получения продуктов функционального назначения из пророщенной пшеницы // Сборник материалов VIII Международной научно-практической конференции Технологии продуктов здорового питания. Функциональные пищевые продукты, конференции молодых ученых Инновационные технологии продуктов здорового питания /отв. ред. д.т.н., проф. Л.А. Каплин. - М.: ИК МГУПП, 2010. - С. 6162.
7. Кирдяшкин В.В., Рахматуллина Ю.Р. Воздействие ИК-излучения на энергию прорастания зерен пшеницы при производстве продуктов лечебно-профилактического назначения // Сборник материалов Инновационного форума пищевых технологий, посвященный юбилею МГУПП, Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации. Эффективное использование ресурсов отрасли. /отв. ред. д.т.н., проф. Л.А. Каплин. - М.: ИК МГУПП, 2010. - С. 164-165.
8. Андреева А.А., Рахматуллина Ю.Р., Кирдяшкин В.В. Совершенствование технологий пищевых концентратов для здорового питания. // Труды Московского государственного университета пищевых производств. Юбилейный выпуск. - М.:
Издательский комплекс МГУПП, 2010. - С. 149 - 154.
9. Рахматуллина Ю.Р., Кирдяшкин В.В., Андреева А.А., Елькин И.Н. Исследование качественных характеристик зерновых продуктов, полученных с применением ИКтехнологий // Сборник материалов IX Международной научно-практической конференции Технологии продуктов здорового питания. Функциональные пищевые продукты, конференции молодых ученых Инновационные технологии продуктов здорового питания /отв. ред. д.э.н., проф. Строев В.В. - М.: ИК МГУПП, 2011. - С. 302-303.
Summary Rakhmatullina Yu.R.
The development of energy-saving technology of production of long storage of germinated grains The presented work solves development a new resource-and energy-saving technology of long-storage products from germinated wheat and rye by thermal activation and radiationconvective drying. The main parameters of thermal activation of the low grain germination infrared light. The optimal timing of germination thermally activated wheat and rye. Identified technological methods of drying sprouted wheat and rye in two stages: an initial stage - the infrared treatment unilateral irradiation, the second stage - the final drying of the grain convective layer.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям