Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса 19
1.1. Методы термической и гидротермической обработки зерна 20
1.1.1. Конвективный нагрев зерна горячим воздухом , 20
1.1.2. Кондуктивный нагрев (поджаривание зерна)... 22
1.1.3. Конвективно-кондуктивный нагрев зерна 24
1.1.4. Микронизация и ИК-обработка зерна 25
1.1.5. Горячее кондиционирование зерна 38
1.1.6. Пропаривание зерна с плющением 38
1.2. Методы термомеханической обработки зерна и комбикормов 39
1.2.1. Гранулирование комбикормов 39
1.2.2. Экструзионная обработка зерна 43
1.2.3. Экспандирование комбикормов 50
1.3. Санитарное состояние зернового сырья и пути улучшения его качества 52
1.4 Цель и задачи исследования 54
Глава 2. Методика исследования Ы
2.1. Характеристика объекта и методов исследования . 57
2.2. Факторы, влияющие на процессы и критерии оценки качества зерна 58
2.3. Методика измерения температуры зерна 59
2.4. Методика исследования химического состава комбикормов и компонентов 59
Глава 3. Основные закономерности нагрева зерна и изменение его качества при различных способах энергоподвода 63
3.1. Экспериментальные исследования процесса увлажнения зерна водой 63
3.2. Конвективный нагрев зерна 69
3.2.1. Теоретический анализ процесса 69
3.2.2. Экспериментальное исследование 73
3.2.2.1. Кинетика нагрева и обезвоживания зерна 74
3.2.2.2. Изменение физических свойств и показателей качества зерна 75
3.3. Кондуктивный нагрев зерна (поджаривание) 82
3.3.1. Теоретический анализ процесса 82
3.3.2. Экспериментальное исследование 87
3.3.2.1. Кинетика нагрева и обезвоживания зерна : 89
3.3.2.2. Изменение физических свойств и показателей качества зерна 93
3.4. Конвективно-кондуктивный нагрев зерна 102
3.4.1. Экспериментальное исследование 105
3.4.1.1. Кинетика нагрева зерна 105
3.4.1.2. Изменение физических свойств и показателей качества зерна 108
3.4.1.3. Исследование процесса
охлаждения зерна 109
3.5. Нагрев зерна ИК-излучением 112
3.5.1. Теоретический анализ процесса 112
3.5.2. Экспериментальное исследование 121
3.5.2.1. Характеристика оптических и терморадиационных свойств зерна ячменя 121
3.5.2.2. Кинетика ИК-нагрева зерна 131
3.5.3. Изменение физических свойств и показателей качества зерна 137
3.6. Обработка зерна пропариванием 164
3.6.1. Теоретический анализ процесса 164
3.6.2. Экспериментальное исследование 169
3.6.2.1. Кинетика нагрева и увлажнения зерна при пропаривании 169
3.6.2.2. Изменение физических свойств и
показателей качества зерна 172
3.7. Обработка зерна пропариванием и плющением 174
3.7.1. Экспериментальное исследование 174
3.8. Обработка зерна пропариванием и поджариванием 184
3.8.1. Экспериментальное исследование 184
3.8.1.1. Кинетика нагрева и обезвоживания зерна 184
3.8.1.2. Изменение физических свойств и показателей качества зерна 189
3.9. Экструдирование зерна и комбикормов 192
3.9.1. Теоретический анализ процесса 192
3.9.2. Экспериментальное исследование 193
ЗЛО. Исследование процесса экструдирования сои для получения полножирного продукта и соевого концентрата 205
ЗЛ0.1. Исследования по получению полножирной сои 206
ЗЛ0.2. Исследования по получению соевых концентратов 209
3.11. Экспандирование комбикормов 212
ЗЛЫ. Экспериментальное исследование 212
3.11.1.1. Изменение физических свойств и показателей качества зерна 215
Глава 4. Обоснование режимов тепловой обработки зернового сырья комбикормового производства 222
О 4.1. Методика обоснования оптимального режима тепловой обработки зерна 222
4.2. Режимы термической обработки 225
4.2.1. Режимы конвективного нагрева 225
4.2.2. Режимы кондуктивного нагрева 227
4.2.3. Режимы конвективно-кондуктивного нагрева 229
4.2.4. Режимы нагрева зерна ИК-лучами 231
4.3. Режимы гидротермической обработки зерна 236
4.3Л. Режимы пропаривания и плющения 237
4.3.2. Режимы пропаривания и поджаривания 239
4.4. Режимы термомеханической обработки зерна 240
4.4.1. Режимы экструдирования зерна 240
4.4.2. Режимы экспандирования комбикормов 266
Глава 5, Реализация научно-технических разработок 269
5.1. Испытание барабанного обжарочного агрегата 269
5.2. Испытание линии микронизации зерна 280
5.3. Испытание влаготепловой обработки зерна 293
5.4. Испытание агрегатов пропаривания, плющения зерна и сушки хлопьев 296
5.5. Испытание линии экструдирования зерна 309
5.6. Испытание линии экспандирования комбикормов 310
ГЛАВА 6. Разработка технологических линий тепловой обработки зернового сырья при производстве комбикормов 314
Глава 7. Эффективность скармливания животным комбикор мов, выработанных с применением тепловой обра
ботки компонентов 327
7.1. Сравнительные исследования по скармливанию поросятам раннего отъема комбикормов, содержащих микронизированный, пропаренный и поджаренный ячмень 327
7.2. Исследования эффективности использования поросятами-отьемышами комбикормов, содержащих экструдированный ячмень 330
7.3. Исследование эффективности использования поросятами комбикормов, содержащих микронизированный и экструдированный ячмень 333
7.4. Исследование эффективности использования телятами комбикормов,' содержащих микронизированный, пропаренный и плющеный ячмень 336
7.5. Биологическая оценка экспандированных комбикормов на цыплятах-бройлерах 340
7.6. Сводные результаты эффективности скармливания комбикормов с зерновыми компонентами, подвергнутыми тепловой обработке 347
Глава 8. Расчет экономической эффективности производства и использования комбикормов с зерновыми компо нентами, подвергнутыми тепловой обработке 350
Заключение и основные выводы 357
Литература
- Конвективный нагрев зерна горячим воздухом
- Факторы, влияющие на процессы и критерии оценки качества зерна
- Кинетика нагрева и обезвоживания зерна
- Режимы кондуктивного нагрева
Введение к работе
В последнее время в комбикормовой промышленности непрерывно повышаются требования к качеству комбикормов, усовершенствованию технологии, расширяется номенклатура сырья, ассортимент продукции.
Особые требования предъявляются к комбикормам для молодняка животных, ценных пород и молоди рыб, домашних животных и др. В связи с этим во ВНИИКП с участием автора на протяжении нескольких десятков лет проводятся исследования по углубленной переработке зерновых компонентов и комбикормов с целью улучшения их питательности, вкусовых качеств, снижения расхода корма на единицу привеса животных и птицы, улучшения товарного вида, повышения санитарных показателей.
В структуре кормового баланса 50-80% занимает зерно, поэтому повышение питательной ценности зернового сырья, несомненно, скажется на повышении усвояемости комбикорма.
Тепловая (специальная) обработка зерна повышает его питательную ценность за счет перевода сложных высокомолекулярных веществ в простые. Для молодняка животных, у которых слабо развита активность амилолитиче-ских ферментов, целесообразно преобразовывать крахмал в легкоусвояемые углеводы - декстрины, мальтозу, тем самым улучшая его переваримость. Предварительная тепловая обработка зерна, при которой перевод части сложных веществ в простые проходит вне желудка животного, является несомненно необходимой.
Исследования тепловой обработки сырья и комбикормов во ВНИИКП с участием автора начались после того, как в начале 70-х годов прошлого столетия на комбикормовых заводах, построенных при крупных свинокомплексах мощностью 108 тыс. свиней в год, были пущены в эксплуатацию линии поджаривания зерна итальянской фирмы «Джи-э-Джи». С того времени было исследовано много способов тепловой обработки зерна, это: поджаривание, пропаривание с последующим поджариванием, пропаривание с плющением, нагрев горячим воздухом, обработка ИК-лучам и (микронизация), экструдирование, а также экспандирование комбикормов. Нами предложена схема классификации способов тепловой обработки зерна и комбикормов.
В процессе исследований изучали изменение физических, технологических, биохимических и санитарных показателей качества зерна и комбикормов.
Критериями оценки каждого способа обработки служили изменение свойств крахмала (степень декстринизации и клейстеризации, его переваримость), белка (переваримость белка, его фракционный состав, содержание аминокислот), инактивация антипитательных факторов, санитарные показатели, а также привесы животных, затраты корма, издержки производства. При этом определяли оптимальные режимы обработки сырья, так как жесткие режимы отрицательно сказываются на белковом комплексе. Стремились к тому, чтобы переваримость крахмала увеличивалась, происходила его дек-стринизация, а переваримость белка не снижалась. При высоких температурных режимах происходит реакция меланоидинообразования (реакция Мейа-ра), т.е. начинается взаимодействие между свободными аминокислотами и редуцирующими сахарами, приводящее к их связыванию и непереваримости, что является основным недостатком тепловой обработки.
Актуальность проблемы. Современное животноводство может существовать и развиваться только на основе широкого использования комбикормов. Поэтому комбикормовая промышленность является важнейшей отраслью народного хозяйства во всех развитых странах. Наряду с увеличением производства комбикормов постоянно улучшается их качество и расширяется ассортимент. Это диктуется нуждами нашего животноводства, индустриализация которого в основном зависит от обеспеченности высококачественными технологичными кормами.
Проблема повышения питательной ценности корма особенно остро встает при производстве комбикормов для молодняка животных, ценных пород и молодняка рыб, домашних животных, птицы и др., так как у них недостаточно развита секреция амилолитических ферментов и крахмал-основной компонент зернового сырья - является для них труднопереваримьш веществом.
В структуре кормового баланса более половины занимает зерно. Поэтому увеличение питательной ценности зернового сырья, несомненно, сказывается на повышении питательной ценности комбикорма.
При переводе животноводства на промышленную основу возросли требования к комбикормам для животных, содержащихся в крупных животноводческих комплексах, которые должны быть высокопитательными и доброкачественными. Поэтому на заводах, поставляющих продукцию крупным животноводческим комплексам, в первую очередь, внедряются различные методы тепловой обработки зернового сырья и комбикормов.
В настоящее время на ряде заводов применяется различное оборудование для тепловой обработки зернового сырья. Это как простые малопроизводительные машины: кормозапарники, обжариватели, пропариватели, так и большой производительности линии, которые покупаются за рубежом: линии обжаривания зерна фирмы «Джи-э-Джи», экстру деры и экспандеры фирм «Матадор» и «Амандус Каль», микронизаторы фирмы «Микронайзинг», линии плющения зерна фирмы «Бюлер» и др.
Технологические и теплофизические основы тепловой обработки зерна применительно к сушке, гидротермической обработке, микронизации разработаны в трудах Кретовича В.Л., Козьминои Н.П., Казакова Е.Д., Соседова Н.И., Нечаева А.П., Гинзбурга А.С., Егорова Г.А., Резчикова В.А., Мельникова Е.М., Красникова В.В., Ильясова С.Г., Плаксина Ю.М., Зверева СВ., Тюрева Е.П., Доронина А.Ф., Малина Н.И. и др. Вместе с тем, проблема ин II тенсивной тепловой обработки зерновых компонентов комбикормов с целью повышения их питательной ценности и усвояемости животными освещена недостаточно и требует своего неотложного решения. В нашей работе впервые предпринята попытка провести комплексное исследование основных методов специальной обработки зерна, провести научную экспертизу импортных образцов оборудования, разработать рациональные параметры процессов, а также исходные требования на оборудование для специальной обработки сырья и комбикормов для молодняка животных: поросят, телят, птицы, пушных зверей, домашних и др. животных с целью обеспечения существенного повышения питательности комбикормов и эффективности использования зерна, при одновременном снижении расходов на производство комбикормов.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является повышение питательной ценности комбикормов на основе применения интенсивных методов тепловой обработки зерновых компонентов, обеспечивающих направленное изменение их биохимических, физико-механических, структурных свойств и санитарного состояния.
Задачи:
- теоретически обосновать рациональные методы интенсификации тепловой обработки зерновых компонентов комбикормов, пригодные для действующего и вновь создаваемого оборудования;
- исследовать физические, биохимические, технологические и микробиологические свойства зерновых компонентов комбикормов как объектов интенсивной тепловой обработки;
- исследовать кинетику нагрева зерна при различных методах энергоподвода: конвективном, кондуктивном, конвективно-кондуктивном, ИК-нагреве, пропаривании;
- изучить процессы термомеханической обработки зерновых компонентов, сои и комбикормов при экструдировании и экспандировании; - изучить происходящие изменения биохимических, физико механических, структурных свойств и санитарного состояния зерновых компонентов при различных методах интенсивной тепловой обработки;
- обосновать оптимальные режимные параметры тепловой обработки зерновых компонентов, обеспечивающие наиболее высокую их питательную ценность по степени декстринизации крахмала и переваримости белка;
- разработать технологические схемы процессов тепловой обработки зерновых компонентов при различных способах энергоподвода;
- разработать проектно-конструкторскую документацию, изготовить и испытать в производственных условиях новое технологическое оборудование для эффективной обработки зерновых компонентов, сои и комбикормов;
- провести зоотехническую оценку компонентов и готовых комбикормов.
Научная концепция. В основу интенсификации тепловой обработки зерновых компонентов комбикормов положен системный подход к решению органически связанных задач от исследования физических, технологических и биохимических свойств обрабатываемых объектов, методов и средств интенсификации процессов до разработки и внедрения технологии и оборудования.
Научная новизна результатов исследования:
- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность целенаправленного позитивного изменения биохимических, физико-механических, структурных свойств и санитарного состояния зерновых компонентов комбикормов путем применения интенсивных методов тепловой обработки;
- предложена схема классификации различных методов обработки зерновых компонентов, группирующая их по способам энергоподвода и технического осуществления на термические, гидротермические и термомеханические; - развиты представления о кинетике процессов интенсивного нагрева и обезвоживания зерна в слое различного состояния (элементарный, плотный, псевдоожиженный) при различных способах энергоподвода (конвективный, кондуктивный, ИКЛ, комбинированный); предложено соответствующее математическое описание процессов;
- выявлены закономерности количественно-качественных изменений углеводного и белкового комплексов зерна влажностью в диапазоне от 10 до 40%; при нагреве зерна до 300°С при, конвективном, кондуктивном, конвек-тивно-кондуктивном, ИК-нагреве, экструдировании и экспандировании, сопровождающиеся существенным обеззараживанием от грибной и бактериальной флоры;
- выявлена зависимость изменения степени декстринизации и переваримости крахмала и белка от способа тепловой обработки.
- установлен механизм вспучивания и взрыва зерна при интенсивном кратковременном его нагреве. Показана определяющая роль в реализации этого эффекта особой структуры зерна и перехода связанной зерном воды в парообразное состояние.
Практическая ценность:
- обоснованы оптимальные режимные параметры термической, гидротермической и термомеханической обработки зерновых компонентов, использование которых в производственных условиях позволяет существенно повысить энергетическую и питательную ценность комбикормов;
- разработана конструкторская документация на барабанный об-жарочный агрегат А9-КЖА, переданная Грязинскому машиностроительному заводу;
- разработаны исходные требования и переданы в ФКК «Росхле-бопродукт» и ЦКБ «Лазурит» для разработки конструкторской документациина: - комплект оборудования для линии плющения зерновых компонентов в составе пропаривателя, питателя, плющильного станка, сушилки-охладителя для обработанного зерна;
- комплект оборудования для экструдирования зерна производитель-ностью 3 т/ч;
- комплект оборудования для обработки зернового сырья инфракрасным излучением «Ярило»;
- разработаны технологии (ТУ и технологические регламенты) производства обжаренного зерна, микронизированного зерна, пропаренного и плющеного зерна, экструдированного зерна, экспандированных комбикормов, полножирной сои;
- разработаны «Рекомендации по технологии экструдирования зерновых компонентов при производстве специальных комбикормов для поросят», разосланные бывшим Минзагом СССР предприятиям, вырабатывающим комбикорма для животноводческих комплексов;
- разработаны материалы по интенсивной тепловой переработке зернового сырья и экструдированию зерновых компонентов, включенные в «Правила организации и ведения технологических процессов производства продукции комбикормовой промышленности».
Реализация результатов исследований. Практическая ценность работы подтверждается актами внедрения, производственных проверок, а также актами научно-хозяйственных и производственных опытов на животных (поросятах, телятах и птицы).
Производственные испытания линии поджаривания ячменя (итальянской линии «Джи-э-Джи»), линии влаготепловой обработки ячменя (модернизированной по разработкам ВНИИКП с установкой пропаривателя АСК-5 и с изменением режимов обработки), вновь смонтированной линии экструдирования зерна проведены на Кузнецовском экспериментальном комбикормовом заводе Московской области. Имеется акт внедрения (Приложение № 1) линии экструдирования зернового сырья на Кузнецовском ЭКЗ при производстве комбикормов для поросят, на базе которой проведено Всесоюзное совещание специалистов комбикормовой промышленности. По результатам исследований разработаны "Рекомендации по технологии экструдирования зерновых компонентов при производстве специальных комбикормов для поросят", которые доложены на Всесоюзном совещании и разосланы письмом Министерства заготовок СССР всем Министерствам заготовок союзных республик и предприятиям, вырабатывающим комбикорма для животноводческих комплексов, для внедрения в производство (Приложения № 2, 3). Опытные партии комбикормов на базе экструдированного зерна были выработаны и испытаны в производственных условиях на свинокомплексе имени «60-летия СССР» мощностью 108 тыс.свиней в год учеными ВНИИФБиП (под руководством профессора Кошаро ва А.). Результаты представлены в диссертации.
Разработана конструкторская документация на модернизацию экстру-дера КМЗ (пропариватель комбикорма), который изготавливается на Экспериментальной базе ВНИИКП (Приложение № 4). Модернизированные экстру деры установлены в стендовом корпусе ЭБ ВНИИКП, Бобруйском комбикормовом цехе и на др. предприятиях.
Цехи экструдирования зернового сырья для производства комбикормов при консультации ВНИИКП построены в Калинковичах (Белоруссия), Углегорске (Украина) и др. Разработаны технические условия (ТУ) на экструди-рованные зерновые компоненты комбикормов (Приложение № 5).
Внедрена линия микронизации зернового сырья на Новобелицком комбинате хлебопродуктов (Белорусия) (Приложение № 6). Завод вырабатывает комбикорма для крупных животноводческих комплексов. Опытные партии комбикормов с микронизированным ячменем для поросят и телят были выработаны на этом же предприятии и переданы для исследования эффективности использования в опытное хозяйство ВИЖ (под руководством Крохи-ной В.А.). На базе проведенных исследований разработана и внедрена линия плющения зерна с применением отечественного модернизированного оборудования на Варенском комбинате хлебопродуктов Литовского ПО «Малиба», проведены ее производственные испытания (Приложение № 7).
Разработаны исходные требования и конструкторская документация на барабанный обжарочный агрегат, которые переданы на один из заводов системы машиностроения Минхлебопродуктов - Грязинский машиностроительный завод (Приложение № 9).
На базе линии плющения зерна, установленной на Рыздвяненском комбикормовом заводе Ставропольского края, разработаны исходные требования (ИТ), переданые ЦКБ «Лазурит» для разработки конструкторской документации на комплект оборудования для линии плющения зерновых компонентов в составе пропаривателя; питателя; плющильного станка; сушилки -охладителя (Приложение № 10).
Разработаны также исходные требования на комплект оборудования для экструдирования зерна производительностью 2-3 т/ч (Приложение №11) и для обработки зернового сырья инфракрасным излучением «Ярило» производительностью 2,0 т/ч (Приложение № 12).
Изготовлен опытный образец линии микронизации зерна по исходным требованиям ВНИИКП.
Результаты проведенных экспериментальных исследований вошли в «Правила организации и ведения технологических процессов производства продукции комбикормовой промышленности» 1997 г., как в основной текст «Углубленная технологическая переработка зернового сырья при производстве комбикормов», так в приложение «Технологическая инструкция по экс-трудированию зерновых компонентов при производстве комбикормов».
Определен экономический эффект от производства и использования комбикормов с различными способами специальной обработкой зерна для поросят, телят и птицы.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на Ученых Советах ВНИИКП с 1976 по 2003 г.г., на научно-технических советах, на Всесоюзных и Всероссийских конференциях бывших МХП СССР и РСФСР в 1980-1999 г.г., на международной научно-технической конференции, посвященной 65-летию МГАПП (Москва, 1996 г.), на научной конференции МГЗИГТП «Современные проблемы пищевой промышленности» (Москва, 1997 г.), на международной научно-технической конференции МГЗИГТП «Приоритетные технологии в пищевой промышленности»(Москва, ,1998 г.), на международной выставке Viktam-99 в г. Бангкоке, на 2-ой международной научной конференции «Управление свойствами зерна в технологии муки, крупы и комбикормов» (Москва, 2000 г.), на 3-ей международной конференции «Современное комбикормовое производство и перспективы его развития» (Москва, 2002 г.).
Практические результаты исследований были представлены на международных специализированных выставках-ярмарках «Комбикорма - 1997-2003» (Москва, ВВЦ).
Публикации. Основные научные положения диссертации опубликованы в трех монографиях, учебнике, методических рекомендациях по расчету рецептов комбикормовой продукции, в авторских свидетельствах и в 40 статьях периодических изданий.
Конвективный нагрев зерна горячим воздухом
Быстрому нагреву кондуктивным способом - на жаровнях - можно подвергать сухое зерно, а также предварительно увлажненное. При этом способе нагрева, как и при конвективном, при определенном режиме обработки, зерно вспучивается и растрескивается. Может происходить даже "взрыв" зерна вследствие создания внутри его высокого давления паров воды. В результате обжаривания происходит гидролиз крахмала и переход его в более простые углеводы, в частности декстрины. Наблюдается денатурация белков.
Исследованиями различных авторов [9, 56, 85, 118, 121] установлено изменение соотношения между соле- и щелочерастворимыми фракциями белка в обжаренном зерне. Например, найдено, что при поджаривании ячменя содержание водо- и спирторастворимого белка снижается на 70-75% при одновременном увеличении содержания щелочерастворимого белка примерно на 10%. В ряде работ [9, 90, 112, 119] прослежено изменение содержания аминокислот, в том числе незаменимых, в подвергнутом обработке зерне. Прежде всего, это касается свободных аминокислот, которые при увеличении влажности и температуры зерна активно вступают в реакцию меланоидино-образования с простыми сахарами. Это явление наблюдается при обработке зерна различных культур. Например, при обработке овса содержание незаменимых аминокислот снижается более чем на 25%, а общее их содержание остается примерно на том же уровне.
Однако проведенные опыты показали, что при простом обжаривании ячменя значительного увеличения количества декстринов не происходит. Не возрастают привесы молодняка животных по отношению к группе поросят, получающих комбикорм с зерном, не прошедшем тепловую обработку [113, 140]. В то же время имеются данные о высокой эффективности применения поджаренного зерна при производстве комбикормов. Так, включение поджаренной кукурузы в рацион при откорме телят вызывает увеличение их привеса до 14% при одновременном снижении затрат корма на единицу привеса на 10% по сравнению с контрольной группой животных [40]. Привес поросят-отъемышей и свиней также увеличивается при скармливании им поджаренного зерна злаковых культур [145].
Исследованиями установлено, что питательная ценность комбикорма, включающего поджаренное зерновое сырье, увеличивается [225]. Зерновое сырье после обжаривания делается вкусным, хрупким, имеет приятный запах и хорошо поедается животными.
Конвективно-кондуктивный нагрев зерна
В производственной практике нашло применение сочетание конвективного и кондуктивного нагрева зерна. Примером тому могут служить различные обжарочные агрегаты, используемые в пищевой промышленности. Проведенные исследования по обработке ячменя в лабораторных и производственных условиях показали значительное улучшение вкусовых качеств зерна (ячменя и др.) [146]. При этом наблюдается изменение свойств углеводов зерна, прежде всего, основного их представителя - крахмала. Это связано, в первую очередь, с тем, что при влажности продукта выше 15% и температуре выше 65С происходит клейстеризация крахмала. Его гранулы деградируют, образуется сплошная гомогенная масса с высокой вязкостью, четко выраженными клеящими свойствами, находящаяся в вязкотекучем состоянии. Для крахмала каждой зерновой культуры установлены свои оптимальные значения влажности и температуры.
Оклейстеризованный крахмал легче расщепляется на простые углеводы, т.е. проявляет более высокую податливость действию амилолитических ферментов.
Кроме того, вследствие деструкции макромолекул крахмала происходит образование различных декстринов. При этом повышается содержание водорастворимых веществ в зерне. Разными исследователями [ИЗ, 146, 153, 222] установлено, что при различных способах обработки зерна содержание декстринов в нем увеличивается в 3-18 раз. Конечным продуктом ферментативного расщепления макромолекул крахмала являются моносахара. Однако содержание в зерне моносахаров и дисахаров может и снижаться, вследствие участия их в реакции меланоидинообразования [17, 144,153].
Факторы, влияющие на процессы и критерии оценки качества зерна
В основе каждого метода лежит-интенсивный нагрев зерна теплом, паром, воздухом, инфракрасными лучами, давлением, под действием которых в зерне происходят физико-химические преобразования, приводящие к изменению технологических, структурных и биохимических свойств.
Главными факторами при различных методах являются температура греющей поверхности, температура воздуха, пара, излучающей поверхности и т.п., зависящие от них температура и влажность зерна, а также длительность его обработки.
Показателями оценки процессов являются свойства обработанного зерна, к которым относятся влажность готового продукта, гранулометрический состав, объемная масса, сыпучесть, прочностные характеристики, степень декстринизации и клейстеризации крахмала, переваримость крахмала, содержание и переваримость протеина, клетчатки, Сахаров, фракционный состав белка и др.
Методика измерения температуры зерна
При проведении исследований всех методов тепловой обработки температуру зерна измеряли термопарами с электродами диаметром 0,2 мм и записывали непрерывно в течение всего опыта на диаграммной ленте 12 точечного потенциометра ЭГГП-09 с пределом измерений 0 -г 500С.
При нагреве в тонком слое термопара заделывалась в центр зерновки, для чего в ней просверливалось отверстие диаметром 0,3-0,4 мм. На термопару перед введением ее в просверленное отверстие зерновки наносили тонкий слой бакелитового клея. Для уменьшения погрешности измерений предварительно на термопару нанизывалось несколько зерен. Термопара с нанизанными зернами укладывалась одновременно с засыпкой слоя зерна на нагретую поверхность и только тогда начиналась запись температуры потенциометром.
Одновременно термопарами, прикрепленными на специальной державке на определенном расстоянии друг от друга, измеряли температуру зерна в толстом слое.
Методика исследования химического состава комбикормов и компонентов
Химический состав и технологические свойства продуктов в образцах определяли по стандартным методикам: влажность - по ГОСТ 13496.3-92, «сырой» протеин - по ГОСТ 13496.4-93, «сырой» жир — по ГОСТ 13496.15-97, «сырую» клетчатку - по ГОСТ 13496.2-91, «сырую» золу - по ГОСТ 26226-95, кальций - по ГОСТ 26570-95, фосфор - по ГОСТ 26657-97, содержание крахмала-по ГОСТ 10845-98. Крупность комбикорма и крупки определяли методом ситового анализа по ГОСТ 13496.8-72, объемную массу по ГОСТ 28254-89.
Влияние термической обработки на качество комбикорма и его компонентов оценивали по изменению содержания протеина, крахмала, витаминов и аминокислот.
Содержание декстринов в зерне определяли методом Н.И. Озолина [139] и по методике, разработанной М.П. Поповым [164].
Метод определения легкорастворимых углеводов, включенный в ГОСТ 26176-91, основан на экстрагировании легкорастворимых углеводов водой и образовании окрашенных соединений при взаимодействии их с антроном в концентрированной серной кислоте. При этом под действием серной кислоты происходит дегидратация углеводов до фурфурола из пентоз, оксимети л фурфурола - из гексоз и конденсация образовавшихся соединений с антроном. Интенсивность окраски измеряется колориметрическим способом.
Атакуемость крахмала амилолитическими ферментами (или переваримость крахмала in vitro) оценивали количеством глюкозы, образовавшейся в результате инкубирования образца с ферментом глюкоамилазой или амилог-люкозидазой. Метод предусматривает инкубацию образца с ферментом при контролируемых значениях рН и температуры в течение 1-5 часов. После инкубирования количество глюкозы определяется колориметрически по цветной реакции с антроном или фенолом или по методу Бертрана,
Изменение качества белка в комбикорме оценивали по переваримости in vitro, т.е. атакуемость протеина ферментом трипсином, а конкретно - путем его ферментолиза в течение 20 ч при температуре 38С с последующим определением протеина в непереваримом остатке. Коэффициент переваримости (in vitro) протеина определяли как отношение содержания переваримого протеина к общему количеству «сырого» протеина в образце.
Кинетика нагрева и обезвоживания зерна
На комбикормовых заводах с оборудованием итальянской фирмы «Джи-э-Джи» установлены машины для декстринизации крахмала зерна ячменя методом поджаривания.
Наши исследования заключались в определении режимов обработки ячменя, обеспечивающих наибольшее преобразование крахмала в декстрины применительно к условиям работы этих машин, и в изыскании путей повышения эффективности процесса декстринизации крахмала зерновых.
Согласно рекомендациям фирмы для перевода крахмала в декстрины достаточно обрабатывать ячмень исходной влажностью 12% сухим теплом -в смесителе-обжаривателе.
Лабораторные исследования проводились на установке, моделирующей условия в обжарочной печи фирмы «Джи-э-Джи», а также на установке для поджаривания зерна в тонком слое.
Поджаривание зерна, как и других продуктов, осуществляли на нагретых металлических поверхностях. С целью изучения процесса обработки зерна поджариванием и влияния этого процесса на физические и биохимические свойства специально были изготовлены лабораторные установки.
Лабораторная установка для поджаривания зерна в тонком слое (рис. 3.15) состоит из настольной плитки с бортами, нагреваемой электроспиралями, напряжение на которые подается от трансформатора. Регулируя напряжение сети, добиваемся требуемой температуры нагрева плиты. Перемешивание слоя зерна осуществляли вручную.
Измерение температуры зерна и греющей поверхности производится термопарами и потенциометром ЭПП-09.
Лабораторная установка для поджаривания зерна в толстом слое (рис. 3.16) состоит из цилиндрической камеры диаметром 400 мм и высотой 300 мм. Стенки и дно камеры обогреваются электроспиралями. На электроспирали подается регулируемое напряжение от автотрансформатора. Для установления заданной температуры применяется терморегулятор. Контроль температуры дна и стенок камеры осуществляется термопарами и потенциометром ЭПП-09. Для перемешивания слоя зерна используется механическая мешалка.
Опыты проведены с зерном различных культур. При температуре поверхности tn=100C в течение 1-2 мин температура зерна ячменя возрастала до 70С, в течение 4 мин (рис. 3.17) - до 85С. Далее темп нагревания снижался. Вполне закономерно, что при, более высокой температуре греющей поверхности степень нагрева зерна выше. Так, при температуре tn=250C в течение 2 мин зерно нагревается до 110С, за 4 мин - до 140С, а за 10 минут -до 177С.
Степень нагрева зерна различных культур различна и зависит от их размеров. Зерна гороха и кукурузы, контактирующие с греющей поверхностью, нагретой до 100 С в течение 2 мин, нагревались до 45С и 70С соответственно, за 10 мин -до 100С и 185 С соответственно.
При поджаривании происходит высушивание зерна. Вначале удаляется влага из макро- и микрокапилляров, а затем физико-химически связанная влага.
Для того, чтобы обобщить результаты измерений температуры при кондуктивном нагреве, экспериментальные данные для каждой исследуемой культуры были представлены в виде зависимостей безразмерной температуры зерна от времени (рис. 3.18). Используя эти зависимости, можно определить степень нагрева зерна в тонком слое при известных начальной температуре зерна и греющей поверхности в любой заданный промежуток времени до 60 мин. Анализ графиков показывает, что температура зерна с течением времени медленно приближается к температуре греющей поверхности (to)/(tno) — 1. Однако величины их не выравниваются. Наибольшая интенсивность нагрева наблюдается в первые 10 мин и безразмерная температура достигает величины 0,65-0,75. В дальнейшем темп нагрева снижается и через 60 мин (to)/(tno) приближается к значению 0,75-0,85.
При поджаривании в толстом перемешиваемом слое (высота слоя составляла 200-250 мм) тепло зерновой массе передается от дна и стенок камеры. Для равномерного нагрева всей массы зерно перемешивалось мешалкой. Данные замеров температуры зерна в различных местах камеры и на разной высоте слоя показали, что максимальное расхождение значений температуры не превышает 6-7С. Естественно, что более высокая температура зерна наблюдалась у стенок и дна камеры, однако подгорания зерна не было. Средняя температура зерна в камере возрастала менее интенсивно, чем в тонком слое, но уже через 10 мин нагрева составляла 60С (рис. 3.19) при температуре поверхности 100С и 90С при tn = 200С. При дальнейшем нагреве температура зерна поднималась медленнее и через 60 мин достигала 80-85С при tn = 100С и 140-145С при tn = 200С. В течение 90 мин зерно нагревалось до температуры 80-85С при t„ = 100С,до 110-П5С - при tn= 150Сидо MOMS -при tn =200С.
Режимы кондуктивного нагрева
Оптические характеристики исходного и ИК-обработанного ячменя, а также цветковых пленок представлены на рисунках 3.40 - 3.4L Как видно из графиков, исходное и ИК-обработанное зерно ячменя и цветковые пленки обладают наибольшими коэффициентами Lx и Кл и наименьшим коэффициентом 5д в видимой области спектра (0,4-0,7 мкм). В этом диапазоне спектра излучение сильно поглощается и ослабляется, но сравнительно слабо рассеивается в слое зерна ячменя. В области спектра X 0,7 мкм для зерна исходной влажности коэффициенты Кх и Lx быстро уменьшаются до величин 130 и 554 м"3 соответственно, для ИК-обработанного зерна - до величин до 117 и 656 м 1 и для цветковых пленок - до 3000 и 5944 м" соответственно. Sx возрастает от 1265 м" (исходное зерно), до 1653 м 1 (ИК-обработанное зерно). Коэффициент Sx цветковых пленок слабо зависит от длины волны.
Таким образом, зерно ячменя обладает селективностью, взаимодействуя с ИК-лучами. Поэтому для оптимизации условий его тепловой обработки необходимо знать терморадиационные характеристики зерна по отношению к выбранному генератору излучения и распределение по толщине слоя суммарного потока энергии полного излучения.
Вследствие селективности спектральных терморадиационных характеристик материалов и эмиссионных характеристик генераторов излучения интегральные терморадиационные характеристики одного и того же материала по отношению к различным излучателям будут различны и могут быть рассчитаны по следующей приближенной формуле [80, 81]: \ EmAxdx ЕША,АЯ л = \ \ (3-69) где А - спектральная полусферическая характеристика (Ах ,RX, Тх), определяемая по спектральному составу падающего излучения от выбранного излучателя; Елп - спектральная интенсивность падающего потока излучения, зависящая от характеристик выбранного ИК-генератора и условий облучения материала.
Спектральный интервал АЯ= 0,1 мкм обеспечивает хорошую точность расчета. Пределы по длине волны приняты Л; = 0,4 мкм и Л? - 5,0 мкм, что охватывает 95% доли спектра излучения реальных генераторов ИК-изл учения.
Нами были выбраны два типа ИК-генераторов: кварцевый КГ-220-1000 и газовый ГИИП-150РП. Их спектральные характеристики удачно сочетаются со спектральными оптическими характеристиками обрабатываемого зерна.
Результаты расчета интегральных терморадиационных характеристик ячменя слоем толщиной в одно зерно (/=2,9 мм) по спектрам излучения выбранных генераторов излучения приведены в табл. 3.11.
Расчет оптических усредненных интегральных характеристик L, К, S для слоя толщиной / = 2,9 мм проводили по формулам (3.66), (3.67) и (3.68) с помощью определенных по формуле (3.69) характеристик R, Т и Roo.
При помощи вычисленных интегральных характеристик R, Ти Roo зерна для расчета распространения и поглощения излучения в слое воспользуемся закономерностями распространения и поглощения излучения в коллоидных капиллярно-пористых телах, установленных Ильясовым С.Г. и Красниковым В.В. [81]. Отправными положениями расчета являются уравнения, которые при одностороннем облучении определяют на глубине слоя х спектральную плотность пространственной облученности Е0(х) материала, равную Е0(х) = Еп (1 + R ) exp (- Lx), (3.70) поглощенной энергии W(x) W(x) = К Еп (1 + ад exp (- Lx) = К Е0(х) (3.71) и результирующего потока излучения q(x) q(x) = Еп (1- ад exp (- Lx), (3.72) где: Еп - плотность падающего интегрального потока излучения; х - координата слоя в направлении проникающего излучения. Величина плотности падающего интегрального потока излучения Е„ зависит от спектральных терморадиационных характеристик облучаемого материала и паровоздушной среды, типа генераторов ИК-излучения и ограждений, а также от формы, размеров и взаимного расположения материала, генератора и отражателя. Вследствие многократных отражений от поверхностей материала, ограждений и излучателя Еп может значительно превышать плотность потока Еп, испускаемого ИК-генератором. При учете многократных отражений для случаев одностороннего облучения плотность монохроматического потока излучения, падающего на поверхность слоя материала, если пренебречь поглощением и рассеянием излучения паровоздушной среды, можно определить по следующей формуле интегрирования по спектру [81]:
