НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
ШАРАН АНДРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ
УДК 664.723; 664.765
РОЗРОБЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ОБРОБЛЕННЯ ПРОРОСЛИХ ЗЕРЕН ТА РЕКОМЕНДАЦІЙ ЩОДО ЇХ ВИКОРИСТАННЯ
05.18.02 – Технологія зернових, бобових,
круп’яних продуктів та комбікормів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: | заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор
Шаповаленко Олег Іванович
Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри технології зберігання і переробки зерна
Офіційні опоненти: | доктор технiчних наук, професор
Станкевич Георгій Миколайович
Одеська національна академiя харчових технологiй, завідувач кафедри технології елеваторної промисловості
доктор технічних наук, доцент
Юрчак Віра Гаврилівна
Національний університет харчових технологій, доцент кафедри технології хліба, кондитерських, макаронних виробів та харчоконцентратів
Провідна установа: | Харківський державний університет харчування і торгівлі Міністерства освіти і науки України, кафедра технології хліба, кондитерських, макаронних виробів і харчоконцентратів, м. Харків
Захист відбудеться “ 25 ” лютого 2004 р. о 16 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.04 Національного університету харчових технологій за адресою 01033, м. Київ-33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А-311.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033 м. Київ-33, вул. Володимирська, 68.
Автореферат розісланий “ 23 ” січня 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, к.т.н. О.В. Кобилінська
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Україна знаходиться в кліматичній зоні ризикованого землеробства, тобто посушливі роки чергуються з роками, коли випадає середня кількість опадів, а також з роками з надмірним їх випадінням. В залежності від цього середня врожайність зернових в нашій країні коливається від 19,6 до 34,9 ц/га.
Тому в роки, коли випадає велика кількість опадів, а також при співпадінні сезону дощів з періодом збирання врожаю, на хлібоприймальні підприємства та фермерські господарства можуть надходити партії зерна з високим вмістом пророслих зерен. З іншої сторони, попередній аналіз періодичних видань та Інтернет-джерел показав, що останнім часом у світі спостерігається тенденція до все ширшого використання пророслих зерен як компонентів харчових продуктів та комбікормів. В обох випадках для промислового перероблення пророслого зерна необхідна ефективна технологія його оброблення, яка б забезпечувала підвищення його технологічних якостей і давала можливість подальшого зберігання та використання.
В той же час, як показує аналіз літературних джерел, більшість існуючих технологій направлена на оброблення пророслого зерна жита, оскільки воно має досить високу термостійкість та не містить клейковинних білків. Також на даний час відсутні комплексні дослідження теплофізичних характеристик зерен пшениці різних стадій проростання, електормагнітних та фізико-механічних властивостей партій зерна, що містять пророслі зерна. В літературних джерелах відсутні дані по дослідженню закономірностей протікання процесу сушіння пророслих зерен. Також не було знайдено чітких відомостей про зміну мікробіологічного обсемінення зерна в залежності від терміну його проростання.
Таким чином, актуальним є проведення досліджень по визначенню зміни теплофізичних, електромагнітних та фізико-хімічних характеристик в процесі проростання зерен пшениці, з’ясування впливу теплових способів оброблення на біохімічні властивості пророслих зерен з метою розроблення та обґрунтування ефективної технології їх оброблення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувались у відповідності з тематикою науково-дослідних робіт Національного університету харчових технологій “Розробка технологій по зберіганню та раціональному використанню зерна та продуктів його переробки” (2001-2003 р.р.) та ДАК “Хліб України” “Провести досліди та розробити рекомендації по обробленню пророслих зерен” (2003 р.). Автор особисто проводив досліди та приймав участь в розробленні документації.
Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розроблення і наукове обґрунтування технології оброблення пророслих зерен.
Відповідно до поставленої мети досліджень були сформульовані такі задачі:
·
встановити зміни хімічного складу, теплофізичних характеристик та електромагнітних властивостей зерен пшениці в процесі їх проростання;
·
дослідити фізико-механічні властивості партій зерна з вмістом пророслих зерен різних стадій проростання;
·
з’ясувати вплив теплового оброблення на амілолітичну активність пророслих зерен пшениці;
·
дослідити закономірності конвективного сушіння пророслих зерен;
·
розробити технологію інфрачервоного сушіння пророслих зерен пшениці;
·
розробити технологію перероблення пророслих зерен для виробництва комбікормів;
·
провести апробацію лабораторних розробок у промислових умовах і розробити рекомендації по обробленню та використанню пророслих зерен.
Об’єкт дослідження - технологія оброблення пророслих зерен.
Предмет дослідження – пророслі зерна як сировина для виробництва борошна та комбікормів.
Методи досліджень: теоретичні методи дослідження та сучасні експериментальні стандартні та модернізовані методи вимірювання біохімічних, теплофізичних, електромагнітних, масообмінних, фізико-хімічних та мікробіологічних показників.
Наукова новизна одержаних результатів. Отримано закономірності зміни біохімічних властивостей зерен пшениці в залежності від терміну їх проростання.
Вперше визначено теплофізичні характеристики зерна пшениці та їх залежність від температури середовища, тривалості проростання та щільності насипання зерен.
Вперше виявлено характер зміни власного випромінювання міліметрового діапазону зерен пшениці різних стадій проростання. Встановлено можливість ідентифікації партій пророслих зерен на основі вимірювання їх випромінювальної здатності.
Визначено залежність зниження амілолітичної активності пророслого зер-на від температури та тривалості його теплового оброблення. Отримано математичну модель процесу. З’ясовано доцільність застосування теплового оброблення в залежності від термінів проростання зерна та його призначення. Встановлено, що зерна однієї-двох діб проростання доцільно обробляти з метою використання для виробництва хлібопекарського борошна; трьох-семи діб проростання – слід використовувати при виробництві комбікормової продукції.
Досліджено закономірності конвективного сушіння пророслих зерен початкових стадій проростання. Підтверджено неможливість покращення їх хлібопекарських властивостей при висушуванні в щільному нерухомому шарі з неперервним продуванням агентом сушіння та в режимі “нагрівання-відлежування”. Отримано узагальнену криву кінетики сушіння.
Науково обґрунтована та розроблена технологія сушіння пророслих зерен пшениці інфрачервоним випромінюванням. Визначено температурні режими процесу, за яких відбувається зниження амілолітичної активності та забезпечується найменший ступінь денатурації клейковинних білків.
Експериментально визначено та теоретично обґрунтовано біохімічні зміни, що відбуваються в пророслому зерні під час інфрачервоного оброблення. Досліджено хлібопекарські властивості борошна з пророслого зерна, обробленого інфрачервоним випромінюванням. Встановлено можливість отримання хліба доброї якості з борошна, виготовленого з пророслого зерна пшениці, висушеного за розробленою технологією.
Експериментально встановлена можливість виробництва екструдатів на основі непророслого зерна з використанням пророслих зерен в кількості, що залежить від тривалості їх проростання. Методами експериментально-статистичного моделювання отримано математичний опис процесу екструдування та встановлено його оптимальні параметри.
На основі визначених фізико-механічних властивостей партій зерна пшениці з вмістом пророслих зерен різних стадій проростання визначено кути нахилу самопливів для їх переміщення.
Досліджено зміни мікробіологічних показників зерна пшениці при його проростанні та їх зміну в процесі оброблення пророслих зерен за розробленими технологіями.
Практичне значення одержаних результатів. Впровадження розроблених технологій забезпечує можливість перероблення партій зерна пшениці з вмістом 40…75 % зерен початкових та 21…37 % подальших стадій проростання з отриманням продукції продукції, якість якої відповідає вимогам діючих стандартів.
Матеріали досліджень дають змогу планування маршрутів переміщення важкосипких партій пшениці з вмістом пророслих зерен та тимчасове їх зберігання без оброблення в промислових умовах.
Розроблено рецептури повнораціонних комбікормів для поросят з введенням екструдатів пророслих зерен, що дозволяє знизити ціну продукції.
На основі результатів досліджень отримано деклараційний патент України №58885 А “Спосіб оброблення пророслого зерна пшениці”.
Розроблено “Рекомендації по обробленню та використанню пророслих зерен пшениці”, які затверджені ДАК “Хліб України”.
Особистий внесок здобувача. Автор особисто приймав участь у проведенні дослідів з визначення хімічного складу пророслих зерен, їх тепло-фізичних характеристик, електромагнітних, фізико-механічних та мікробіологічних властивостей, дослідженні закономірностей процесу їх конвективного сушіння, розробленні технології інфрачервоного сушіння та екструдування зерна. Аналіз, обговорення та узагальнення результатів дослідів проведено спільно з науковим керівником д.т.н., проф. Шаповаленко О.І. Дослідження теплофізичних характеристик проведено спільно з к.т.н., доц. Виноградовим-Салтиковим В.О. Дослідження електромагнітних властивостей пророслих зерен проведені у співавторстві з д.т.н., доц. Яненко О.П.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на 66-й студентській науковій конференції (УДУХТ, Київ, 2000 р.), 67-й науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених (УДУХТ, Київ, 2001 р.), 68-й науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених (НУХТ, м. Київ, 2003 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Розроблення та виробництво продуктів функціонального харчування, інноваційні технології та конструювання обладнання для перероблення сільгоспсировини, культура харчування населення України” (НУХТ, м. Київ, 2003 р.); ІІ-й міжнародній науковій конференції студентів та аспірантів “Техника и технологии пищевых производств” (Могильов, Білорусь, 2001 р.), 9-тій, 10-тій та 12-тій Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (Чернівці, 2001 р., Київ, 2001 р., Київ, 2002 р.), конференції “Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних і харчових виробництв” (Харків, 2003 р.), міжнародному науково-практичному семінарі (м. Чанг-Чунг, провінція Джілінь, КНР, 2002 р.)
Результати роботи апробовані та підтверджені у виробничих умовах Київського інституту хлібопродуктів.
Публікації. За результатами роботи опубліковано 15 робіт, в т. ч. у фахових виданнях 6 робіт, 3 роботи в збірниках наукових праць, 5 тез конференцій та деклараційний патент України.
Структура дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку бібліографічних джерел з 188 найменувань та 7 додатків. Робота викладена на 159 сторінках друкованого тексту, має 40 рисунків та 40 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, її народногосподарське значення, сформульовано мету і основні напрямки досліджень. Визначена наукова новизна і практична цінність роботи.
У першому розділі “Характеристика процесу проростання, властивості, методи оброблення та використання пророслого зерна” проведено аналіз наукових публікацій і патентних матеріалів, на підставі якого визначено конкретні задачі роботи.
Наведено дані біохімічних змін зернівки, що супроводжують процес проростання. Показано зміну хімічного складу, що дозволяє зробити висновок про харчову та поживну цінність пророслих зерен. Описано напрямки використання пророслих зерен в харчових цілях та для кормових потреб.
Розглянуто методи, що використовуються для оброблення та переробки пророслого зерна в різних галузях промисловості. Встановлено доцільність застосування різних способів оброблення для покращення якості пророслого зерна. Обґрунтовані основні напрямки виконання досліджень.
У другому розділі “Об’єкти і методи досліджень” наведено характеристику пророслих зерен як об’єкта оброблення, описано програму, план, методики експериментальних досліджень і математичної обробки експериментальних даних, лабораторне обладнання для визначення теплофізичних характеристик, електромагнітних властивостей, кінетичних закономірностей процесу конвективного та інфрачервоного сушіння, а також екструдування пророслих зерен.
Як об’єкт досліджень використовували зерно пшениці, що відповідало вимогам ДСТУ 3768-98 “Пшениця. Технічні умови”, а також пророщене в лабораторних умовах протягом 1…7 діб. Енергія проростання зерна пшениці становила 81,7 %, здатність до проростання – 93,6 %.
У третьому розділі “Дослідження зміни біохімічних та теплофізичних властивостей зерен пшениці при проростанні” наведені результати експериментальних досліджень біохімічного складу, теплофізичних характеристик та електромагнітних властивостей зерен різних стадій проростання.
Для встановлення глибини біохімічних змін, що супроводжують процес проростання, нами було визначено амілолітичну активність (рис. 1) та вміст основних складових зерна різних стадій проростання, зокрема стан клейковинного комплексу (табл. 1).
Таблиця 1
Зміна білкового комплексу зерна пшениці під час проростання
Тривалість проростання, (діб) | Вміст білка, % | Клейковина
кількість, % | деформація, од. приладу ИДК | розтяж-ність, см | гідрата-ція, %
сира | суха
0 (Контроль)
1
2
3
4
5
6
7 | 12,49
12,58
12,75
13,10
13,37
13,21
13,03
12,93 | 28,21
27,63
27,35
25,24
10,51 | 10,62
10,47
10,31
9,17
4,04 | 67
77
78
90
98 | 17,5
16,0
15,0
14,0
- | 205
200
195
180
152
Не відмивається
Не відмивається
Не відмивається
Наведені дані свідчать, що найбільш глибокі зміни відбуваються в зерні пшениці на третю...четверту добу проростання, що дозволяє зробити висновок про недоцільність використання зерен більш тривалих стадій проростання для виробництва хлібопекарського борошна.
Для обґрунтування раціональних режимів тепломасообмінних процесів, що відбуваються при нагріванні та сушінні пророслих зерен, було визначено теплофізичні характеристики (ТФХ), що характеризуються питомою теплоємністю с і теплопровідністю л, а також закономірності їх зміни в залежності від тривалості проростання та температури середовища (в межах 15…80 ?С) (рис. 2 та 3).
Усі розрахунки з обробки результатів досліджень та статистичну оцінку отриманих даних проводили на персональній ЕОМ.
Аналіз одержаних даних показав, що питома теплоємність с і коефіцієнт теплопровідності при збільшенні тривалості проростання та температури зростають, особливо інтенсивно для зерен шостої...сьомої діб проростання.
Ураховуючи факт, що всім природним об’єктам властиве власне електромагнітне випромінювання, провели дослідження зміни рівня випромінювання пророслих зерен пшениці в міліметровому спектрі діапазону (табл. 2).
Встановлено, що інтенсивність випромінювання знижується як для вологих, так і для висушених зерен при збільшенні тривалості їх проростання.
Таблиця 2
Випромінювання пророслих зерен пшениці в міліметровому діапазоні
Зразок | Воло-гість, % | Інтенсивність випромінювання, мВ (середнє значення) | Вологість, % | Інтенсивність випромінювання, мВ (середнє значення)
Вода – | 330– | 330
Непроросле зерно | 12,4 | 380 | 12,4 | 380
1 доба проростання | 18,0 | 350 | 13,2 | 370
2 доба проростання | 34,0 | 340 | 13,7 | 350
3 доба проростання | 38,0 | 335 | 12,8 | 340
4 доба проростання | 42,0 | 330 | 13,1 | 330
5 доба проростання | 54,2 | 330 | 12,9 | 300
6 доба проростання | 59,4 | 330 | 13,0 | 270
7 доба проростання | 71,2 | 330 | 12,7 | 250
У четвертому розділі “Дослідження способів теплового оброблення пророслих зерен пшениці” досліджено вплив теплового оброблення на активність ?-амілази пророслого зерна (табл. 3), висока активність якої є основною причиною погіршення хлібопекарських властивостей борошна.
Таблиця 3
Вплив температури і тривалості теплового оброблення на показник числа
падіння пророслого зерна пшениці
Час пророщування, діб | Температура оброблення,С | Тривалість оброблення, хв
0 | 2 | 5 | 10 | 20
1 | 70
80
90
100
110
120
130 | 151
151
151
151
151
151
151 | 151
154
155
157
160
168
178 | 151
164
169
175
178
183
190 | 148
184
189
193
195
198
209 | 145
200
210
233
242
279
285
2 | 70
80
90
100
110
120
130 | 85
85
85
85
85
85
85 | 85
85
86
86
87
88
88 | 85
86
88
101
127
131
134 | 83
101
103
114
141
151
165 | 81
105
108
147
167
202
225
3 | 70
80
90
100
110
120
130 | 60
60
60
60
60
60
60 | 60
60
60
60
60
60
60 | 60
60
60
60
60
60
62 | 60
60
60
60
60
60
67 | 60
60
60
60
60
60
85
Встановлено, що покращення показника числа падіння шляхом температурного оброблення можливо досягнути лише для зерен однієї...двох діб проростання, при температурі не меншій за 80 ?С. Тому в подальшому дослідження можливості покращення якості пророслого зерна для виробництва хлібопекарського борошна проводились із зерном зазначених термінів проростання.
Дослідження процесу конвективного сушіння пророслих зерен в щільному шарі при неперервному продуванні агентом сушіння та в режимі “нагрівання-відлежування” показало неможливість покращення показника числа падіння без повної втрати клейковинного комплексу зерна.
Подальші дослідження проводились з використанням інфрачервоного випромінювання. Встановлено, що покращення показника числа падіння при найменшому ступені втрати клейковинного комплексу можливо досягнути застосовуючи ступінчасте підвищення температури нагрівання зерна в процесі сушіння в залежності від його вологості. Процес сушіння проводиться шляхом чергування циклів опромінення зерна та його відлежування з одночасним продуванням холодним повітрям. Зниження вологості від початкового значення до 41,5...42,0 % на суху масу проводиться при максимальній температурі нагрівання зерна – 40 ?С. Тривалість відлежування становить 30...40 с. По досягненню заданої вологості температура нагрівання підвищується до 45 ?С, тривалість відлежування до 60...80 с, і процес проводиться при цих режимах до вологості зерна 31,5...32,0 % на суху масу.
У подальшому процес проводиться при температурі нагрівання зерна 50 ?С і тривалості відлежування 100...120 с. Після досягнення вологості 14...15на суху масу проводиться прогрівання зерна до температури 80 ?С протягом 100...120 с. По досягненню даної температури опромінення припиняється і зерно охолоджується. Графічна характеристика процесу сушіння зерна першої та другої діб проростання в зведеній координатній площині зображена на рис.4 і 5.
Число падіння пророслого зерна, висушеного ІЧ-випромінюванням підвищується на 25...30 %, вміст сирої клейковини зменшується на 10...15 %.
Для встановлення хлібопекарських властивостей борошна з пророслого зерна, висушеного ІЧ-випромінюванням, було отримано борошно вищого сорту. Дослідження процесів, що проходять при бродінні тіста, показало значне покращення його структурно-механічних властивостей, про що свідчить зменшення розпливання кульки тіста та краща валориметрична оцінка.
Проведення пробного лабораторного випікання дозволило встановити, що хліб доброї якості, який задовольняє усі вимоги нормативно-технічної документації можливо отримати при використанні до 75 % та до 40 % борошна, отриманого відповідно з зерна першої та другої доби проростання, висушеного ІЧ-випромінюванням. Аналогічного результату неможливо досягнути при використанні тієї ж кількості борошна з зерна, висушеного звичайним способом.
Побудована узагальнена крива сушіння (рис. 6), що дає змогу визначити значення проміжного вологовмісту, яке відповідає обраному моменту часу. Таким же чином можливо при різних температурах теплоносія одержати різні значення проміжного вологовмісту і побудувати ряд кривих сушіння пророслих зерен без проведення тривалих і трудомістких експериментальних досліджень.
Для встановлення можливості використання зерен тривалих стадій проростання в кормовиробництві було проведено дослідження процесу їх екструдування. З’ясовано, що проводити екструдування таких зерен з отриманням кінцевого продукту задовільної якості неможливо без зниження їх вологості. Тому нами було досліджено процес екструдування зерен трьох...семи діб проростання в суміші з сухим непророслим зерном.
Дослідження проводились на лабораторному екструдері ПЕК-40. На першому етапі метою досліджень стало з’ясування діаметру робочого отвору матриці екструдера. Для цього було з’ясовано тиск в робочій зоні при екструдуванні партій пшениці з різною середньозваженою вологістю. Встановлено, що найвищого тиску, при якому вибух продукту відбувається найбільш інтенсивно, можливо досягнути при діаметрі отвору матриці 4 мм.
Для встановлення максимального вмісту зерен різних стадій проростання в партії пшениці, при якому можливо отримати екструдат з вологістю, що забезпечує його подальше використання та зберігання (до 11,0 % при коефіцієнті спучення не меншому за 2,2) було сплановано та здійснено повний факторний експеримент ПФЕ22. За оптимізувальні фактори було обрано вміст пророслих зерен у партіях (Х1, %) та питоме навантаження на шнек екструдера (Х2, од. приладу живильника). За критерій оптимізації обрано коефіцієнт спучення екструдату. Статистична обробка одержаних даних експерименту та реалізація програми “крутого сходження” за методом Бокса-Уілсона дозволила отримати максимально допустиме значення вмісту пророслих зерен в партії зерна пшениці: 37 %, 31 % і 25 % для зерен відповідно третьої, четвертої, п’ятої діб проростання, 21 % - для шостої та сьомої діб проростання. Подальші дослідження проводились з екструдатами, отриманими з використанням даної кількості пророслих зерен.
Визначення амінокислотного складу показало значне підвищення біологічної цінності екструдатів. Найвищою біологічною цінністю володіє екструдоване зерно п’яти діб проростання. Лімітованою кислотою при цьому залишається лізін, хоча амінокислотний скор його перевищує контрольний зразок на 37 %. Визначення вмісту вітамінів показало деяке зменшення вітамінів А, В1 та В2 в досліджуваних зразках.
У п’ятому розділі “Розроблення технології оброблення пророслих зерен”для можливості переміщення партій зерна з вмістом пророслих зерен по самопливам, досліджено їх фізико-механічні властивості. Встановлено значне зменшення сипкості зернових мас, що містять зерна різних стадій проростання, збільшення кутів природного схилу та ковзання, підвищення їх шпаруватості. В загальному випадку кут нахилу самопливу при переміщенні партії зерна, пророслого протягом семи діб, повинен бути не меншим за 56 градусів.
При неможливості швидкого перероблення партій пророслих зерен виникає необхідність їх тимчасового зберігання. За рахунок високої вологості при цьому розвиваються явища самозігрівання. Нами досліджено зміну температури та маси, а також процес розвитку мікрофлори в залежності від терміну зберігання пророслих зерен.
Встановлено, що процеси самозігрівання досягають максимуму своєї інтенсивності на шосту добу для зерен однієї...двох діб проростання, п’яту – для зерен трьох діб проростання і на другу-третю добу для решти зерен.
Дослідження зміни мікробіологічних показників показало їх значне зростання вже на першу добу проростання, що свідчить про недоцільність використання необробленого пророслого зерна. Загальне мікробне число на сьому добу проростання збільшується в 106 разів. Встановлено, що ІЧ-оброблення та екструдування значно покращують мікробіологічні показники пророслих зерен і стабілізують їх зміну при зберіганні. Виявлено можливість зниження кількості афлотоксинів у пліснявому пророслому зерні шляхом екструдування (табл. 4).
Таблиця 4
Вміст афлотоксинів в екструдатах пророслого зерна, мкг/кг
Афлотоксин | Зразок №1 | Зразок №2
нативний | екструдований | нативний | екструдований
Афлатоксин В1
Т-2 токсин
Зеараленон
Вомітоксин | 0,66
-
-
- | 0,14
-
-
- | 0,67
-
1,5
- | 0,15
-
-
-
Зразок №1 та №2 в таблиці відповідають зерну шести та семи діб проростання, що піддавались самозігріванню протягом трьох діб. При екструдуванні відбувається зменшення афлотоксинів до меж, прийнятних для використання зерна при годівлі тварин.
На рис.7 наведена принципова технологічна лінія оброблення пророслого зерна ІЧ-випромінюванням при прийманні його на елеваторі з автотранспорту.
Приймання непророслого та пророслого зерна здійснюється авторозвантажувачем (1) в приймальні бункери (2), звідки за допомогою приймального конвеєру (3) подається на норію (4). Норія подає зерно на ваги (6) перед якими встановлено оперативний бункер (5). При необхідності проведення процесу основного сушіння зерна в схемі рекомендовано використовувати зерносушарку (8), яка передбачена технологічною схемою підприємства. За потребою очищення та розділення зерна за фракціями можна проводити на зерноочисному сепараторі (7).
Далі висушене непроросле та проросле зерно подається за допомогою норії (4) в накопичувальні бункери (5). З бункеру проросле зерно подається на пристрій для інфрачервоного оброблення зерна (9), який дозволяє здійснювати прогрівання зерна до 80 ?С протягом 2 хв. Після ІЧ-оброблення зерно охолоджується в охолоджувачі (10).
За допомогою дозаторів (11) непроросле та проросле оброблене зерно подається в змішувач (12). Суміш зерна в заданій пропорції (75 і 40 % для зерен відповідно першої та другої доби проростання) зважується на вагах (6) і подається в силосний корпус на подальше зберігання. Після цього партії зерна пшениці використовуються при виробництві борошна для хлібопекарських потреб.
Технологічна схема перероблення пророслого зерна в комбікормовій промисловості передбачає включення в схему виробництва комбікормів та БВД лінії екструдування зернової сировини (рис. 8). Для цього встановлюються ваговий дозатор (2) та змішувач (3) пророслого та непророслого зерна. Проросле зерно дозується в кількості 37, 34, 27% для зерен третьої, четвертої, п’ятої та 21% - шостої і сьомої діб проростання. Суміш зерна подається в оперативний бункер (4). Екструдування проводиться на екструдері КМЗ, КМЗ-2У (5) або іншої марки, без встановлення на них пропарювачів сировини. Після екструдування продукт охолоджується в охолоджувальній колонці (6) та подрібнюється на молотковій дробарці (8) до крупності, що передбачена рецептом комбікорму. Перед дробаркою передбачено магнітний захист (7). Далі подрібнений екструдований продукт подається на лінію основного дозування-змішування.
Визначення біохімічного складу екструдатів пророслих зерен дозволило розрахувати рецепти повнораціонних комбікормів для поросят віком 30-69 днів. Екструдати вводяться в рецепт на заміну високовартісної сировини, що дозволило знизити їх вартість в середньому на 10 % з дотриманням вимог нормативів до якості продукції.
На заключному етапі роботи за результатами виробничих випробувань було розраховано річний економічний ефект від впровадження розробленої технології, який становив 23,7…52,7 тис. гривень в залежності від терміну проростання зерен. Також розроблено “Рекомендації по обробленню та використанню пророслих зерен”, які затверджено ДАК “Хліб України”.
ВИСНОВКИ
1. На основі проведеного літературного огляду, теоретичних та експериментальних досліджень розроблено технологію оброблення пророслих зерен пшениці та рекомендації по їх використанню, що дозволяє переробляти їх в промислових масштабах для потреб хлібопекарської промисловості та комбікормового виробництва.
2. Вперше досліджено зміну теплофізичних характеристик зерен пшениці в залежності від терміну проростання, їх насипної маси та температури середовища. Встановлено, що найбільш суттєво ефективна теплоємність та температуропровідність змінюється при тривалості проростання 6…7 діб та температурі більшій за 50 ?С.
3. Вперше виявлено явище зменшення власного електромагнітного випромінювання пророслих зерен пшениці в міліметровому спектрі діапазону, що дає змогу ідентифікації наявності пророслих зерен в партії зерна та виявлення прихованих форм проростання.
4. Встановлено, що внаслідок глибоких біохімічних змін, які відбуваються при проростанні зерна, значно змінюється хімічна будова, тому зерна, термін проростання яких перевищує три доби, не доцільно використовувати для отримання хлібопекарського борошна. Відповідно, рекомендується використовувати температурну обробку з метою покращення числа падіння для зерен пшениці лише перших двох діб проростання. Зерна подальших стадій проростання доцільно використовувати в комбікормовій промисловості.
5. Підтверджено, що шляхом застосування найбільш розповсюдженого в промисловості конвективного методу сушіння зерна в щільному шарі неможливо досягнути зниження амілолітичної активності пророслих зерен без повної втрати їх клейковинного комплексу. Вперше отримана узагальнена крива кінетики сушіння пророслих зерен, що дозволяє прогнозувати протікання процесу при різних режимах без додаткових експериментальних досліджень.
6. Встановлено, що використання інфрачервоного випромінювання дозволяє підвищити показник числа падіння зерна пшениці при найменшому ступені денатурації клейковинних білків. Для цього температуру нагрівання зерна в процесі сушіння рекомендується підвищувати ступінчасто від 40 до 50 °С в залежності від вологості зерна, та застосовувати в кінці процесу висушування короткочасне (2 хв) прогрівання зерна до 80 °С.
7. Рекомендується використовувати зерно пшениці, висушене інфрачервоним випромінюванням за розробленою технологією, для отримання борошна вищого сорту. Борошно, виготовлене з зерна пшениці першої доби проростання слід використовувати для виготовлення хліба в кількості не більше 75 %, а для зерен другої доби – 40 %.
8. З’ясовано, що зерна пшениці трьох...семи діб проростання доцільно переробляти шляхом екструдування в суміші з непророслим зерном. Визначено діаметр робочого отвору матриці екструдера (4 мм), що забезпечує найбільш ефективне перероблення пророслого зерна. Отримані математичні моделі процесу екструдування дозволили визначити кількість пророслих зерен в суміші, при якій якість екструдату забезпечує його подальше зберігання та використання. Це значення становить 37 %, 34 %, 25 % для зерен третьої, четвертої та п’ятої діб проростання відповідно та 21 % для зерен шостої і сьомої діб проростання.
9. Визначено, що суттєве підвищення біологічної цінності екструдатів пророслих зерен, а також значне поліпшення їх мікробіологічних показників, зокрема зниження вмісту афлотоксинів, дозволяє вводити їх в рецепти повнораціонних комбікормів на заміну високовартісної сировини, що призводить до зменшення ціни одиниці продукції в середньому на 10 %.
10. Розраховано, що очікуваний річний економічний ефект від впровадження технології інфрачервоного сушіння пророслого зерна становить 52,7 і 23,7 тис. грн. при обробленні зерен відповідно першої та другої доби проростання.
ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Шаповаленко О.І., Шаран А.В. Термічні та електрофізичні методи оброблення пророслого зерна // Наукові праці УДУХТ. – Випуск 10. – 2001. – С. 105-106.
Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
2.
Шаповаленко О.І, Шаран А.В. Як теплова обробка впливає на якість пророслого зерна пшениці // Зерно і хліб. – 2002. - №1. – С. 28-29.
Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
3.
Шаповаленко О.І., Шаран А.В. Ознайомтесь з хлібопекарськими властивостями борошна з пророслого зерна пшениці, висушеного ІЧ-променями // Зерно і хліб. – 2002. – №4. – С. 28-29.
Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
4.
Шаповаленко О.І., Шаран А.В. Исследование структурно-механических свойств партий зерна пшеницы с различным содержанием проросших зерен // Зернові продукти і комбікорми. – 2002. – №2. – С. 9-10.
Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
5.
Шаповаленко О.І., Шаран А.В. Вплив інфрачервоного сушіння на якість пророслого зерна пшениці // Наукові праці ОДАХТ. – Випуск 24. - 2002. – С. 113-116.
Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
6.
Шаповаленко О.І., Шаран А.В. Дослідження процесу екструдування зерна пшениці 3-ох діб проростання // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарств. – Випуск 16. – 2003. – С. 227-231.
Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
7.
Деклараційний патент на винахід “Спосіб оброблення пророслого зерна пшениці” № 58885 А опублікований у бюлетні № 8 від 15.08.2003р.
8.
Шаповаленко О.І., Шаран А.В. Вплив пророслих зерен на якість хлібопродуктів // Збірник наукових праць “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”. Випуск №9. Київ “ФАДА, ЛТД”, 2001. – С.249-252.
Особистий внесок: участь в теоретичних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
9.
Шаповаленко О.І., Шаран А.В. Дослідження впливу теплової обробки на амілолітичну активність пророслого зерна пшениці // Збірник наукових праць “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”. Випуск №10. Київ, “МП Леся”, 2001. – С.90-92.
Особистий внесок: участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
10.
Шаповаленко О.І., Шаран А.В. Екструзія як можливий шлях перероблення пророслого зерна // Збірник наукових праць “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”. Випуск №12. Київ, 2002. – С.75-77.
Особистий внесок: участь в теоретичних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
11.
Шаран А.В., Шаповаленко О.И. Методы улучшения качества проросшего зерна // Материалы конференции “Техника и технологии пищевых производств”. Белоруссия, г. Могилев, 2001. – C.83.
Особистий внесок: аналіз нормативної документації та літературних джерел, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
12.
Шаран А.В., Шаповаленко О.І. Використання пророслого зерна в харчових продуктах // Тези конференції. 67-а наукова конференція студентів, аспірантів і молодих вчених. Київ: УДУХТ, 24-25 квітня, 2001. – C.64.
Особистий внесок: аналіз літературних джерел, участь в теоретичних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
13.
Єрко А.В., Шаран А.В., Шаповаленко О.І. Дослідження процесу інфрачервоного сушіння пророслого зерна пшениці // Тези конференції. Міжнародна наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів. Київ. НУХТ, 23-25 квітня 2002. – C.56.
Особистий внесок: участь в експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
14.
Шаран А.В., Логвінова С.В., Шаповаленко О.І. Дослідження можливості використання процесу екструзії при переробленні пророслих зерен // 69-та наукова конференція молодих вчених аспірантів і студентів. Київ. НУХТ: 22-24 квітня, 2003р. – C.61-62.
Особистий внесок: аналіз літературних джерел, участь в теоретичних і експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
15.
Шаповаленко О.І., Янюк Т.І., Яненко О.П., Шаран А.В., Супрун-Крестова О.Ю. Дослідження електромагнітних властивостей злакових культур// Сборник статей VIII международной конференции по квантовой медицине. Донецк: 2003. – C.175-179.
Особистий внесок: аналіз літературних джерел, участь в теоретичних і експериментальних дослідженнях, узагальнення результатів, підготовка матеріалів до публікації.
АНОТАЦІЯ
Шаран А.В. Розроблення технології оброблення пророслих зерен та рекомендацій щодо їх використання: - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.02 – Технологія зернових, бобових, круп’яних продуктів та комбікормів. – Національний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України, Київ, 2004.
Дисертація присвячена розробленню технології оброблення пророслих зерен та рекомендацій щодо їх використання. Встановлено зміни біохімічних, теплофізичних та електромагнітних властивостей пророслих зерен пшениці в процесі проростання. Розроблено та досліджено режими конвективного та інфрачервоного сушіння пророслих зерен початкових стадій проростання з метою поліпшення їх якості. Встановлено хлібопекарські властивості борошна з пророслого зерна пшениці. Досліджено процес екструдування зерен тривалих стадій проростання та його вплив на хімічний склад та мікробіологічні показники продукту. Визначено зміни фізико-механічних властивостей партій пшениці з вмістом зерен різних стадій проростання. Розроблена і науково обґрунтована технологія оброблення пророслих зерен для хлібопекарських потреб та кормовиробництва, розраховано економічну ефективність упровадження розробленої технології.
Ключові слова: пшениця, пророслі зерна, амілолітична активність, число падіння, клейковина, поліпшення якості, теплофізичні характеристики, електромагнітне випромінювання, конвективне сушіння, інфрачервоне випромінювання, екструдування.
АННОТАЦИЯ
Шаран А.В. Разработка технологии обработки проросших зерен пшеницы и рекомендаций по их использованию: - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.02 - Технология зерновых, бобовых, крупяных продуктов и комбикормов. - Национальный университет пищевых технологий Министерства образования и науки Украины, Киев, 2004.
Диссертация посвящена разработке технологии обработки проросших зерен пшеницы и рекомендаций по их использованию.
В работе изучены биохимические изменения, которые сопровождают процесс прорастания зерна пшеницы, получены данные относительно теплофизических характеристик и электромагнитных свойств в зависимости от степени прорастания зерен. Установлено возрастание массовой теплоемкости и теплопроводности зерен при повышении температуры и времени прорастания. Особенно интенсивно процесс происходит для зерен шести…семи суток прорастания. Рассчитаны коэфициенты температуропроводности проросших зерен. Установлено снижение интенсивности мм-излучения при увеличении срока прорастания как для влажных, так и для высушенных зерен.
Исследовано влияние температуры и длительности тепловой обработки на активность ?-амилазы проросшего зерна. Установлена целесообразность обработки зерен начальных стадий прорастания (одни…двое суток) для улучшения их хлебопекарных свойств. Ввиду невозможности улучшения числа падения зерен трех…семи суток прорастания, их целесообразно использовать при производстве комбикормов. Получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процес тепловой обработки проросших зерен.
Подтверждена невозможность улучшения числа падения проросших зерен без потери клейковинных белков конвективным методом сушки в плотном слое при постоянном продувании агентом сушки и в режиме “нагрев-отлежка”. Построена обобщенная кривая кинетики сушки проросших зерен, использование которой дает возможность прогнозирования протекания процесса без проведения дополнительных экспериментальных исследований. Выявлена возможность улучшения числа падения проросших зерен при инфракрасном облучении с минимальными потерями клейковинного комплекса. Для этого применяется ступенчастый нагрев зерна от 40 до 50 ?С в зависимости от его влажности и в конце сушки зерно кратковременно прогревается до 80 ?С. Исследованы хлебопекарные свойства муки, полученной из такого зерна. Установлена возможность получения хлеба хорошего качества с использованием до 75% и 40% муки, полученной из зерна соответственно первых и вторых суток прорастания, обработанного ИК-излучением.
Установлена возможность екструдирования зерен разных стадий прорастания в смеси с непроросшим зерном. Получены математические модели процесса экструдирования. Установлено максимальное количество проросших зерен в смеси, которое обеспечивает получение конечного продукта приемлемого качества. Это значение составляет 37%, 34% и 25 % соответственно для зерен трех, четырех и пяти суток прорастания; 21 % - для шести и семи суток. Отмечено повышение биологической ценности экструдатов проросших зерен. Наивысшей биологической ценностью владеет белок экструдированных зерен пяти суток проростания. Количество витамина Е в екструдированном зерне семи суток прорастания превышает контрольный образец непроросшего зерна почти в 10 раз. Отмечено значительное улучшение микробиологических показателей качества экструдированных проросших зерен. Определена возможность снижения количества афлатоксинов в проросшем плесневеющем зерне путем его экструдирования.
Разработана технология обработки проросших зерен с целью их использования для хлебопекарной и комбикормовой промышленности. Рассчитаны рецепты полнорационных комбикормов для поросят с введением экструдированых проросших зерен взамен сырья высокой стоимости. Рассчитан ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии ИК-обработки проросших зерен, который составляет 23-52 тыс. грн. в зависимости от степени проростания обрабатываемого зерна. Разработаны “Рекомендации по использованию проросших зерен”, утвержденные ГАК “Хлеб Украины”.
Ключевые слова: пшеница, проросшие зерна, амилолитическая активность, число падения, клейковина, улучшение качества, теплофизические характеристики, электромагнитное излучение, конвективная сушка, инфракрасное излучение, экструдирование.
ANNOTATION
A. V. Sharan Development of technology of processing of sprouted grains and recommendations of its usage: - Manuscript.
Thesis on obtaining of scientific degree of the candidate of technical science on specialty 05.18.02 - technology of grain, bean of products and mixed fodder. – National university of food technologies of Ministry of education and science of Ukraine, Kiev, 2004.
The thesis is dedicated to advancing and scientific substantiation of technology processing of sprouted grains with usage of methods of convective, infrared drying and extrusion. Discovered the biochemical, thermophysics, thermal, microbiologic, electromagnetic, mechanical properties of sprouted grains. Established reduce of the level of electromagnetic radiation with increasing the time of growth. Discovered that grains of first and second day of growth infrared treated shall be use in bakery in quantity about 40…75 %. Maximum quantity of sprouted grains in a mix for extrusion, which provides obtainings a product of good quality, is also established. This value makes 37 %, 34 % and 25 % accordingly for grains of three, four and five day of a germination; 21 % - for six and seven day. On the basis study of properties of sprouted grains had been discovered technology its processing for the needs of bakery and feed industry. Also designed scientific the know-how usage of sprouted grains and “Recommendations for usage of sprouted grains”, which are ratified of Government joint-stock company “Bread of Ukraine”.
Keywords: wheat, sprouted grains, amilolytics activity, falling number, gluten, improving of quality, thermophysics properties, drying, convective drying, infrared drying, extrusion.
