автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.02, диссертация на тему:Разработка технологии быстроразвариваемой крупы и хлопьев из целого зерна пшеницы профилактического назначения с использованием ИК-обработки

На правах рукописи УДК 664.71-11-493.085.1:613.2 (043.3)

Панфилова Ирина Аркадьевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОРАЗВАРИВАЕМОЙ КРУПЫ И ХЛОПЬЕВ ИЗ ЦЕЛОГО ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ ПРОФИЛАКТИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИК-ОБРАБОТКИ

Специальность: 05.18.02 - Технология зерновых, бобовых,

крупяных продуктов и комбикормов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском Государственном Университете Пищевых Производств.

Научные руководители:

кандидат технических наук, профессор Доронин А. Ф.

кандидат технических наук, доцент Кирдяшкин В. В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мельников Е. М.

кандидат технических наук, Роенко Т. Ф.

Ведущая организация: Управление детского и специального питания Миш

стерства сельского хозяйства и продовольствия РФ.

Защита состоится 25 ui-СиЯ 1998г. в 10 часов на заседании Диссерт; ционного Совета Д.063.51.01 Московского Государственного Университет Пищевых Производств по адресу: 125080, Москва, А-80, Волоколамское шосс

д. И.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПП.

Автореферат разослан 15 МАЯ 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В настоящее время одним из направлений в развитии технологии переработки зернового сырья являются производство новых видов продуктов, не требующих длительной обработки. Это продукты детского и диетического питания, готовые завтраки. В производстве таких продуктов особенно перспективно использование ИК-обработки - экологически безопасного, ресурсосберегающего, позволяющего получить хорошо усвояемые, гермостерилизованные продукты.

До недавнего времени считалось, что периферические части зерновки, имеющие в своем составе большое количество клетчатки, гемицеллюлоз, лигнина, устойчивых к гидролитическому действию ферментов пищеварительного грают, являются излишними компонентами продуктов питания, поэтому в процессе производства от них стремились освободиться.

Отсутствие технологий, позволяющих сохранить природные свойства зерна пшеницы и увеличить их ценность, приводило к стремлению очистить пищевые продукты от периферийных слоев зерна, снижало содержание балластных веществ, микроэлементов в рационе питания огромных групп населения. Недостаток пищевых волокон в питании снижает сопротивляемость организма, способствует появлению таких болезней, как сахарный диабет, атеросклероз, тпемическая болезнь сердца, снижение перистальтики кишечника. Физиологическое воздействие балластных веществ, содержащихся в пшеничных отрубях, значительно выше, чем действие балластных веществ плодов и овощей.

Поэтому крупа и хлопья из целого зерна обогатят рацион питания большой группы людей, и позволят организовать питание в соответствии с требованиями медицинской науки. Выпуск такой продукции позволит ослабить давление на мукомольно-крупяную промышленность, в результате использования зерна непригодного для хлебопечения.

Получаемые при РЖ-обработке быстроразвариваемая крупа и хлопья могут быть использованы при производстве первых и вторых блюд, хрустящих хлебцев, в кондитерской промышленности и др. Крупа и хлопья представляют собой прекрасный субстрат, на основе которого можно изготовлять сухие завтраки (мюсли) с добавлением фруктов, овощей, маеляничных семян, орехов, сухого молока и др., что дает биологически активный продукт, обладающий целебными свойствами.

Таким образом, расширение ассортимента новых видов продуктов является актуальным.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящего исследования является разработка и апробация новой технологии производства быстроразва-риваемой крупы и хлопьев из целого зерна пшеницы профилактического назначения с повышенным содержанием пищевых волокон на основе целенаправленного использования энергии ИК-излучения, позволяющего обеспечить сохране-

ние питательных веществ, получить продукт с высокими диетическими свойствами.

Для реализации поставленной цели задачами исследования были приняты:

• установление влияния режимов ИК-обработки, температуры, влажности на скорость нагрева зерна пшеницы;

• влияние влажности на время экспандирования зерна пшеницы;

• определение экспозиции ИК-обработки и ее влияние на натуру;

• изменения прочностных свойств зерна пшеницы от режимов обработки;

• определение влияния режимов ИК-обработки на изменение химического состава зерна пшеницы, фракционного состава белков, изменение физико-химических свойств крахмала, содержание витаминов и микрофлоры;

• влияние ИК-обработки на атакуемость крахмала и белков зерна пшеницы пищеварительными ферментами, потребительские достоинства быстроразва-риваемой крупы;

• оптимизация процесса плющения зерна пшеницы и выбор рациональных режимов ИК-обработки при производстве хлопьев;

• определение биохимических и качественных показателей пшеничных хлопьев, изменения при хранении экспандированной крупы и хлопьев, биологическая ценность и потребительские достоинства пшеничных хлопьев;

• обоснование технологического процесса производства быстроразвариваемой крупы и хлопьев из целого зерна пшеницы с использованием ИК-излучения и его экономическая эффективность.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Научно обоснована технология производства быстроразвариваемой крупы и хлопьев из целого зерна пшеницы профилактического назначения с использованием ИК-излучения.

Установлены влияние влажности, температуры в зависимости от режимов ИК-обработки на скорость нагрева зерна пшеницы в спектре излучения 0,8 - 2,0 мкм.

Определена оптимальная влажность и время обработки при различной величине потока излучения.

Влияние выравненное™ и крупности зерна.

Установлена экспозиция ИК-обработки и ее влияние на натуру зерна пшеницы.

Исследована прочность зерна пшеницы при различных режимах. Изучены изменения химического состава и качественные изменения зернг пшеницы, обработанного ИК- излучением.

Проведено микроскопическое исследование ИК-обработанного зернг крахмальных гранул и определен их размерный состав.

Исследования изменения вязкости крахмального геля на Амилотесте АТ 97 подтвердили модификацию крахмала и показали, что данный прибор може: служить объективным экспресс-методом степени оценки термообработки зерна.

Установлено, что при оптимальных режимах ИК-обработки повышаете: атакуемость крахмала и белков крупы и хлопьев амилолитическими и протеоли

тическими ферментами, улучшаются потребительские достоинства, сокращается время варки крупы.

Методом математического планирования эксперимента исследовано комплексное влияние влажности зерна перед плющением, температуры экспан-дированного зерна перед плющением, зазора между валками на выход хлопьев, время варки, влажность после плющения, количество декстринов и степень клейстеризации.

Определены биохимические и качественные показатели пшеничных хлопьев, биологическая ценность и потребительские достоинства.

Установлено, что оптимальные режимы ИК-обработки крупы и хлопьев способствуют длительности хранения и не вызывают изменений в химическом составе в течение года.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Для практического использования разработанной технологической схемы была создана совместно с КБТМ Российского космического агентства (РКА) опытно-промышленная установка для термообработки зернового сырья ИК-излучением ЗФ-КМЗ.

По разработанной и утвержденной КБТМ и МГУ 1111 документации подготовлена "Инструкция по эксплуатации установки ЗФ-КМЗ, для термообработки инфракрасным излучением зернового сырья для комбикормов".

Аппарат прошел Государственные испытания и зарегистрирован Госстандартом РФ (per. № 200/013002 от 29.08.96), рекомендован к серийному производству.

В 1997 г. на Рязанском заводе торфяного машиностроения изготовлена опытная партия аппаратов в количестве 6 шт. для использования в опытно-промышленных хозяйствах России.

Аппарат ЗФ-КМЗ включен в линию переработки зернового сырья для кормления сельскохозяйственных животных на что разработаны и утверждены ТУ и ТИ 10. 04. 18. 165-96 "Зерно злаковых культур, термообработанное (ИК) инфракрасным излучением".

Опытно-промышленная проверка показала, что установка характеризуется высокой надежностью и однородностью обработки при соблюдении инструкции. Это дало возможность при некоторой модернизации использовать ЗФ-КМЗ в качестве основного теплового оборудования для включения его в линию получения экспандированного зерна и хлопьев для человека, на что получено заключение ВНИИПП и СПТ.

На ЗФ-КМЗ получен Гигиенический сертификат Госсанэпидемнадзора Рязанского областного центра, с заключением, что использование аппарата дает возможность отказаться от "острого" пара, высоких давлений до 0,5 МП а, применяемых в настоящее время для получения быстроразвариваемых круп и хлопьев и безопасен при эксплуатации.

Разработано "Технико-экономическое обоснование на производство продуктов из пшеницы и ржи диетического назначения с использованием ИК-энергоподвода".

Разработаны "Исходные требования на процесс производства и технологическую линию для получения продуктов из пшеницы и ржи".

Разработан "Технологический регламент на производство зерновых хлопьев из пшеницы и ржи термообработанных инфракрасным излучением".

Разработаны и утверждены ТУ и ТИ 9196-165-04605473-97 "Хлопья быстрого приготовления го зерна злаковых культур (пшеница, рожь), термообра-ботанного инфракрасным (ИК) излучением".

В экономической части составлен бизнес-план инновационного проекта для цеха по выработке пшеничных хлопьев производительностью 1 т/ч. Рентабельность составит 20 %, срок окупаемости 1 год 3 мес., затраты на 1 руб. товарной продукции 0,83 руб.

УЧАСТИЕ АВТОРА В ПОЛУЧЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Весь объем теоретических и практических исследований в диссертационной работе выполнен автором самостоятельно. Автор является одним из разработчиков всей научно-технической документации, ТУ и ТИ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции, посвященной 65 - летию МГАПП (1996, г. Москва), Международной научно-технической конференции "Энергосберегающие технологии переработки сельскохозяйственного сырья" (1996, г. Минск), Конференции "Научное наследие д. т. н., проф. Э. И. Каухчешвили" (1997, г. Москва). По теме диссертации опубликовано 11 статей.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация изложена на 177 стр. машинописного текста, содержит 31 рис., 32 табл. Состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, описания объектов и методов исследования, выводов, библиографического указателя из 223 наименований, имеет приложения на 72 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В ведении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследования, определены основные направления реализации цели, показана научная новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе " Литературный обзор" рассмотрена общая характеристика пшеницы, ботаническая классификация, химический состав зерна пшениць как объекта обработки. Проведен анализ методов термовлажностной обработка и их влияние на изменение различных свойств зерна. Сравнивая методы термо влажностной обработки зерна и учитывая их достоинства и недостатки, можнс констатировать, что применение ИК-обработки представляется наиболее акту альным, так как этот метод является экологически чистым, существенно интен сифицирующим процессы кондиционирования на предприятиях и повышающие питательные достоинства и качество зерна.

Проведенный анализ изменений свойств зерна в процессах термовлажно стной обработки показал, что структурно-механические, биохимические и дру

гие свойства претерпевают существенные изменения. Показаны направления и результаты работ по научному обеспечению ИК-облучения в пшцеконцентрат-гой, хлебопекарной, кондитерской, мукомольной, комбикормовой промышленности в нашей стране и за рубежом

Во второй главе "Экспериментальная часть. Объекты и методы исследо-заний" приведено качество исследованных партий зерна пшеницы сортов: Саратовская 29 (мягкая), урожая 1995 г, Московской области и Харьковская 46 твердая), урожая 1996 г, Астраханской области.

Технический анализ зерна пшеницы проводили в соответствии с ГОСТом 'Зерно, 1994". Определяли массу 1000 зерен (ГОСТ 10842-89), натурную массу ГОСТ 10840-64), выравненность и крупность (ГОСТ 10987-76), органолептиче-:кие показатели (ГОСТ 26312.2-84), стекловидность (ГОСТ 10987-76), содер-кание сорной, зерновой, особо учитываемых примесей, мелких зерен и крупно-хги (ГОСТ 13586.2-81, 26312.4-84), влажность зерна (ГОСТ 13586.5-93), влаж-юсть крупы (ГОСТ 26319.7-88), развариваемость пшеничной крупы (ГОСТ !6312.2-84). Плотность зерна определяли по количеству вытесненной жидкости гексана) навеской зерна массой 5 г.

Водопоглотительную способность по коэффициенту набухаемости навес-си в 10 г при температуре 80 °С.

Кулинарные достоинства крупы определяли по цвету, вкусу, структуре ¡варенной крупы, продолжительности варки, коэффициенту развариваемое™.

Для экспериментальных исследований ИК-обработки зернового сырья 5ыла создана установка максимально приближенная к производственной. Изготовленная лабораторная установка позволяла варьировать мощность излучения уг 10 до 28 кВт/м2, длину волны от 0,8 до 2,0 мкм, расстояние от материала до гсточника излучения выбраны согласно номограмме для расчета полей энергетического облучения и составляли 0,06-0,20 м, экспозиция обработки от 5 до »60 с.

Структурно-механические свойства зерна исследовали на модернизиро-занном нами приборе, основанном на разрушении зерновки одноосным сдви-ом.

Химический анализ зерна пшеницы: общий белок по методу Къельдаля ГОСТ 10846-91), фракционный состав белка - по методу Ермакова, крахмал по методу Эверса (ГОСТ 10845-76), общие и восстанавливающие сахара по методу Зертрана, клетчатка - по методу Кюршнера и Ганака, зольность (по ГОСТ 10847-64), содержание водорастворимого белка - по методу Лоури, содержание декстринов - по методу М.П.Попова, показатель "число падения" - по ГОСТ 27676-88,сумму водорастворимых веществ на рефрактометре, степень клейсте-эизации - по методу В.И.Анискина, кислотности по ГОСТ 10844-74, содержание витаминов тиамина и рибофлавина флуорометрическим методом, никотиновую шелоту - роданбромидным, кислотное число жира - по количеству 0,1н КОН, необходимого для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г исследуемого жира.

Атакуемость крахмала а- и ß- амилазой по модифицированной нами методике. Атакуемость белков пепсином - по методу Покровского АА.Перевари-ваемость белка - по методу Аброськиной JI.E. в нашей модификации, основанному на изменении pH реактивной смеси в результате расщепления пептидных связей в белке.

Полидисперсность крахмальных гранул - по методу Масловой Г.М. с применением метода математической статистики.

Реологические свойства на приборе Амилотест АТ-97, предназначенного для определения автолитической активности зерна пшеницы и продуктов их переработки по "числу падения" и реологическим свойствами клейстеризованной водно-мучной суспензии (амилограмме).

Исследование эпифитной микрофлоры проводили - по ГОСТ 26672, 26668-86.

ИК-обработанное зерно пшеницы плющили в хлопья на лабораторном плющильном станке с гладкими валками.

При определении основных критериев эффективности технологии производства пшеничных хлопьев с использованием ИК-излучения проводили по плану полного трехфакторного эксперимента ПФЭ-23, Расчеты проведены по стандартной программе PLANEX.

Закономерности полученные при исследовании двух сортов пшеницы идентичны, поэтому в реферате, в основном приведены результаты исследования одного из них - зерна сорта Саратовская 29 Московской области.

В третьей главе "Влияние ИК-обработки на технологические свойства зерна пшеницы" рассмотрено влияние ИК-обработки на физические свойства готового продукта.

Основными параметрами, определяющими режимы ИК-обработки зерна пшеницы являются исходная влажность зерна, плотность падающего потока лучистой энергии, время излучения, температура.

Исследовано влияние влажности на скорость нагрева зерна: экспозиции 0-240 с, интенсивности потока 14-28 кВт/м2, температуры нагрева 0-200 °С, влажности 14, 18, 22 %.

При содержании влаги 22 % при ИК-нагреве происходит "варка" зерна и температура не превышает 100 °С пока не испарится свободная влага зерна. Чем меньше влаги в зерне и больше интенсивность излучения, тем быстрее влага переходит в пар и участок испарения уменьшится.

При интенсивности излучения 28, 24, 22 кВт/м2 горизонтальный участок практически отсутствует. Чем меньше интенсивность излучения, и больше влажность зерна, тем длительнее "варка" при t=100 °С. При W=22 % температура экспандирования не поднимается выше 130 °С (рис. 1 .а.).

При W=18 % "взрыв" происходит при 140-150 °С, но экспозиция обработки составляет 90-105 с (рис.1.б.)

При W=14 % и плотности Е=24 кВт/м2 зерно (рис.1.в.) разрывается при температуре 170-180 °С через 30-40 с. Влага переходит в пар экспандирует зерновку и приводит к глубоким изменениям в зерне.

1С. 1. Влияние влажности зерна пшеницы сорта: 1 - Харьковская 46; 1' - Саратовская 29 на скорость нагрева при режимах ИК-обработки:

1 _ Е = 28 кВт/м2; 2 - Е = 24 кВт/м2; 3 - Е = 22 кВт/м2; 4 - Е = 20 кВт/м ; 5 - Е = 18 кВт/м2; 6 - Е = 16 кВт/мг; 7 - Е = 14 кВт/м2;

Исследовано влияние влажности зерна на время экспандирования при различной мощности излучения. С увеличением влажности зерна происходит увеличение времени на экспандирование и снижение интенсивности потока. При Е=20 кВт/м2 оптимум влажности (рис.2) составляет 16-17 %, Е=24 кВт/м2 -14,5-15,5%, Е=28 кВт/м2 - 13,5-14,5 % при этом время экспандирования снижается соответственно с 55 до 30 с.

Рис.2. Влияние влажности зерна пшеницы на время экспандирования при режимах ИК-обработки: 1 - Е = 20 кВт/м2; 2 - Е = 24 кВт/м2; 3 - Е = 28 кВт/м2

При интенсивности потока Е=28 кВт/м2 наблюдается неоднородность и наличие обгоревших зерен.

Многие свойства зерна в результате изменения влажности оказывают на натуру взаимоисключающее влияние. Вода, проникая в зерно, заполняет воздушные пустоты, при этом ткани зерна набухают, что увеличивает его объем. Исследования натуры зерна пшеницы в зависимости от экспозиции ИК-обработки при влажности 14,5-15,5 % показали, что при интенсивности потока 16 кВт/м2 натура практически не изменяется. При 20 кВт/м2 наблюдается тенденция к снижению после 35-40 с. При интенсивности потока 24 кВт/м2 в интервале 30-40 с наблюдается резкое снижение натуры до 250-300 г/л, т. е. уменьшается более чем в 2,5 раза, крупа становится однородной по цвету, объему, форме (рис.3).

В процессе обработки определялась прочность зерна при которой разрушается зерновка.

натуру при режимах ИК-обработки: 1 - Е = 16 кВт/м2; 2 - Е = 20 кВт/м2; 3 - Е = 24 кВт/м2; 4 - Е = 28 кВт/м2

При интенсивности потока Е=24 кВт/м2, W=14,5-15,5% прочность зерна снижается в 4-5 раз что ведет к значительному сокращению энергозатрат при дальнейшей переработке зерна и плющении в хлопья.

В четвертой главе "Биохимические изменения в зерне пшеницы при ИК-обработке" приведены результаты исследований по определению биохимических и качественных показателей.

Содержание общего азота, зольности практически не изменяется (табл.1). Изменения претерпевает углеводный комплекс. Наблюдается снижение содержания моно- и дисахаридов, участвующих в реакциях меланоидинообразования. Снижается содержание крахмала за счет образования декстринов.

Экспандированное зерно пшеницы характеризуется высоким содержанием клетчатки и гемицеллюлоз, что объясняется целостностью оболочки зерна при ИК-обработке.

Содержание жира при различных режимах изменяется незначительно, однако происходит существенное изменение его кислотного числа. При величине кислотного числа 12,7 мг КОН в исходной пшенице содержание его 5,2 мг КОН в интенсивно обработанном.

Аналогично кислотному числу жира уменьшается активность липазы. Во всех случаях при использовании ИК-обработки снижается "число падения" более чем в 5 раз, что свидетельствует о коренном изменении структуры крахмала. Содержание водорастворимых веществ возрастает в 2,3 раза.

Содержание белка при всех режимах остается практически на одном уровне. Незначительно изменяется его фракционный состав. При Е=24 кВт/м2 снижается фракция водо- и солерастворимых белков в 1,2 раза Лабильность

проявляют проламины и глютелины. Обработка приводит к некоторому увеличению этих фракций белка. Почти в 2 раза увеличивается нерастворимый остаток белка.

1.Влняние IIK-обрабогкн на общий химический состав зерна пшеницы.

Содержание, % наСВ Режимы обработки, т=35 с

Исходная Е=16 кВт/м2 Е=24 кВт/м2 Е=28 кВт/м2

Влажность 13,90 13,70 13,60 13,20

Общий азот 2,26 2,26 2,26 2,19

Углеводы всего 70,16 69,92 69,56 69,52

в том числе: крахмал 52,60 49,90 45,00 44,20

декстрины 0,5 3,2 8,1 8,9

моно- и дисаха-риды 2,57 2,43 2,37 2,21

клетчатка и ге-мицеллюлоза 14,49 14,39 14,09 14,21

Число падения, с 181 100 55 38

Жиры 1,58 1,52 1,46 1,36

Кислотное число жира, мг КОН. 12,7 10,6 5,9 5,2

Активность липазы, мг КОН 1,2 0,7 0,5 0,4

Сумма водорастворимых веществ 6,0 11,6 12,8 14,1

Зольность 1,67 1,68 1,69 1,67

В результате ИК-обработки изменяются физико-химические свойства крахмала. Степень клейсгеризации крахмала зависит от температуры нагрева зерна (рис.4). При W-14,5-15,5 % и плотности Е=28 кВт/м2 температура возрас- _ тает быстро за 20 с достигает 180 °С. Клейстеризация- проходит в интервале oi 55 до 100 °С, при дальнейшем повышении температуры вода испаряется и, соответственно, убывает степень клейстеризации. При Е=24 кВт/м2 "взрыв" происходит через 35 с, увеличивается время нагрева без потери влажности. Благодаря этому степень клейстеризации возрастает в 1,3 'раза. Наибольшая степень клейстеризации происходит при Е=16 кВт/м2, так как'при данном режиме температура клейстеризации и гидромодуль сохраняются длительное время. Эти данные хорошо согласуются с амилограммами Амилотесга АТ-9*? по реологическим свойствам крахмала. При повышении температуры клейстеризации выше

110 °С наблюдается резкое снижение степени клейстеризации за счет смещения процесса в сторону декстринизации.

Процесс декстринизации начинается при температуре 120-130°С. Содержание декстринов при Е=28 кВт/м2 составляет 8,9 % при времени обработки 20 с. Дальнейшая обработка в течение 5 с приводит к чрезмерному увеличению температуры 200-210°С, что приводит к обгоранию зерновок. Концентрация декстринов при этом начинает снижаться (рис.5.).

при режимах ИК-обработки: ИК-обработки:

1 - Е = 28 кВт/м2; 2-Е - 24 кВт/м2; 1 - исходное зерно; 2 - Е = 16 кВт/м2;

3 -Е = 20 кВт/м2; 4-Е- 16 кВт/м2 3 -Е = 24 кВт/м2; 4 - Е = 28 кВт/м2.

Наиболее предпочтительной является обработка при Е=24 кВт/м2. В этом случае концентрация декстринов не достигает максимального значения, но такой режим целесообразнее применять на практике.

Исследования полидисперсности показали, что необработанное зерно пшеницы имеет крахмальные гранулы шарообразной формы со средним радиусом 17,94 мкм, что позволяет отнести крахмал пшеницы к виду со средним размером гранул (табл. 2).

Увеличение интенсивности потока приводит к возрастанию среднего радиуса, а также размерного интервала, что свидетельствует о процессе набухания крахмальных гранул.

2. Влияние ИК-обработки на размерный состав гранул крахмала пшеницы

Режимы обработки, т=35 с Средний радиус, мкм Тсп±Ох Размерный интервал, мкм

1*тт '"шах Аг

Исходное зерно 17,94±0,14 14,5 21,0 6,5

Е=16 кВт/м2 18,68±0,18 14,5 22,5 8,0

Е=24 кВт/м2 19,14±0,21 14,5 25,0 10,5

Е=28 кВт/м2 20,67±0,21 16,5 26,5 10,0

Хлопья 19,64±0,26 14,5 24,5 10,0

Кривые полидисперсности обработанных крахмальных гранул , смещены в область большего размера по сравнению с кривой полидисперсности гранул исходного зерна пшеницы. Процентное соотношение экспандированных крахмальных гранул снижается более чем в 2,6 раза (рис.6.).

ЛГХ1 I

Рис.6. Распределение крахмальных гранул зерна пшеницы при режимах ИК-обработки:

1 - исходное зерно; 2 - Е = 16 кВт/м2; 3 - Е = 24 кВт/м2; 4 - Е = 28 кВт/м2; 5 - хлопья.

Анализируя полученные данные можно отметить, что увеличение режима с 16 до 24 кВт/м2 приводит к увеличению размерного интервала до определенного режима. При Е=28 кВт/м2 не происходит заметного увеличения среднего радиуса гранул и начинается уменьшение размерного интервала. Это дает возможность предположить, что процесс набухания происходит до определенного размера и заканчивается их разрушением, что подтверждается микрофотографиями эндосперма, полученными с помощью электронного сканирующего микроскопа.

Исследования изменения вязкости крахмального геля на Амилотесте АТ-97 подтверждают значительную модификацию крахмала при обработке (рис.7.). Вязкость исходной пшеницы составляет 0,68 Н с температурой клейстеризации 89,5 °С. Если для исходного образца характерно нарастание вязкости с 60 °С, то для обработанных нарастание происходит при температуре выше 80 °С. За счет этого возрастает усилие преодоления вязкости с 0,68 Н до 1,91 Н в хлопьях. При высоких режимах обработки имеет место рекомбинация внутри гранул либо переход части амилопектина в раствор крахмального геля.

При рассмотрении зависимости между вязкостью и временем фазовых переходов структуры крахмала при 100 °С отмечено четко выраженное первоначальное снижение вязкости крахмального геля и чем интенсивней обработка, тем дольше сохраняется низкая вязкость геля. Время клейстеризации крахмала, соответствующее максимальной вязкости геля увеличивается по мере интенсивности обработки от 0,13 до 2,15 мин (рис.8.).

Витамины сконцентрированы в зародыше и периферийных частях зерна пшеницы, включающих алейроновый слой.

В результате ИК-обработки зерна пшеницы витамины - тиамин, рибофлавин и ниацин сохраняются. Экспандирование не ведет к разрушению этих важных для питания организма человека компонентов зерна (табл.3.).

3. Влияние ИК-обработки на содержание витаминов.

Режимы обработки Содержание витаминов, мг %

В, В2 РР

Исходная 0,36 0,11 6,22

Е=24 кВт/м2, г=35 с 0,34 0,10 6,20

Хлопья 0,35 0,10 6,20

Под действием ИК-лучей происходит полная стерилизация зерна пшеницы по сравнению с исходным зерном. Высокие температуры нагрева зерна пшеницы приводят к гибели поверхностной и внутренней микрофлоры, что улучшает санитарно-гигиенические показатели крупы и хлопьев и способствует увеличению сроков их хранения.

; > - ш*н'-ни? ваЖ'лги К|лй.ч;!.'!4.чуГ!.> гг.м

I " шм'.-нение вязкости крал'.«а.7Ы!'л'у IV.«

:сГ Л / . » 11 1 :

/ ; / ' п

1-~~ - «Ъ/иг. г юо Ч:

ю го эо « зс ео тч во 90 км на

Шиенеки? вязк<кти крашальноп геля

■г.« )Ьыеневие вязкости крахмального гмя

Рис.7 .Изменение вязкости крахмального геля и температуры клейстеризации

зерна пшеницы при режимах ИК-обработки: а - исходное зерно; б-Е= 16 кВт/м2, в - Е = 24 кВт/м2; г - Е = 28 кВт/м2. д - хлопья.

р. н Изменение вязкости крахмального геля ¡р

"у*: 1.ЭО х = 1-.57

V/

1 г 3 4 5 6 ? а 9 Ю и 12 13 14 13 14 11 М«\

Рис. 8 Изменение вязкости крахмального геля и времени клейстеризации при

режимах ИК-обработки: а - исходное зерно; б - Е = 16 кВт/м2; в - Е - 24 кВт/м2; г - Е = 28 кВт/м .

В пятой главе "Влияние ИК-обработки на атакуемость ферментами крахмала и белков зерна пшеницы". Исследования показали, что а-амилаз а в течение часа практически не действует на крахмал исходного образца. ИК-обработка приводит к изменению атакуемое™ его а-амилазой. Скорость накопления декстринов при Е=28 кВт/м2 возрастает более чем в 16 раз.

Р-амилаза так же слабо действует на крахмал необработанного зерна, увеличение режимов приводит к повышению атакуемости крахмала и накоплению Сахаров более чем в 5 раз.

Действие пепсина на белки проявляется в накоплении растворимых фракций и их расщеплении до пептидов и аминокислот неосаждаемых трихлорук-сусной кислотой. ИК-обработка приводит к некоторому снижению накопления растворимого белка при Е=24 кВт/м2, более жесткий режим Е=28 кВт/м2 вновь повышает атакуемость белков. Одновременно увеличивается накопление низкомолекулярных продуктов распада белков, о чем свидетельствует увеличение оптической плотности вытяжек, неосаждаемых трихлоруксусной кислотой.

Перевариваемость белка при ИК-обработке после выдержки в термостате с протосубтилином также меняется и при рН 8 составляет 54,36 %. Различные режимы обработки приводят к изменению рН и перевариваемость белка при Е=24 кВт/м равна 72,41 %.

В шестой главе "Влияние ИК-обработки на потребительские достоинства зерна пшеницы" изложены результаты потребительских качеств крупы. Анализ полученных данных показал, что лучшими потребительскими достоинствами обладает пшеница, обработанная при Е=24 кВт/м2. Каша характеризуется приятным поджаренным вкусом, кремовым цветом, рассыпчатой консистенцией. Время варки крупы сокращается до 10 мин.

Анализ данных полученных при определении водопоглотительной способности показал, что ИК-обработанная крупа поглощает больше воды и насыщается в более короткий период, чем исходная. Существенное увеличение объема и сорбции воды происходит в первые 5 мин. набухания обработанной крупы.

Между коэффициентом развариваемости и набухаемостыо крупы существует тесная взаимосвязь.

На основании проведенных исследований нами разработана новая технологическая схема быстроразвари-ваемой крупы го целого зерна пшеницы.

Исходное зерно пшеницы (рис.9.) влажностью 14,5-15,5 %, прошедшее очистку направляют в емкость I, взвешивают на весах 2 и направляют на ИК-установку 3, где зерно экспан-дируется в течение 30-35 с, при Е=24

Рис.9. Технологическая схема производства быст- Крупа прошедшая обработку

рорззвариваемой крупы из целого зерна ншеницы.

поступает в охладительную колонку 6, или в пропариватель 5, затем в приемные бункера 7 и на фасовку, пройдя предварительно очистку 4 от металлопримесей.

В седьмой главе "Производство хлопьев из экспандировашюго зерна пшеницы" предварительно определяли режимы плющения на гладких валках и влияние зазора валков на выход декстринов и степень клейстеризации.

Применение метода математического планирования эксперимента дает возможность одновременного изучения большого числа факторов, влияющих на процесс, возможность количественно определить влияние отдельного фактора и эффекты межфакторных взаимодействий.

Значения интервалов и уровней варьирования факторов приведены в табл.4.

4. Уровни факторов при планировании эксперимента ПФЭ - 23.

Факторы Единица измерения Кодированное название Уровни факторов Шаг варьирования

верхний основной нижний

Влажность зерна перед плющением % Х1 16 14 12 2

Температура зерна после ИК-обработки °с Х2 120 90 60 30

Зазор между валками перед плющением мм х3 0,8 0,6 0,4 0,2

Для выявления оптимальных значений факторов, влияющих на технологические свойства зерна пшеницы было исследовано влияние следующих факторов: влажности зерна перед плющением, температура экспандированного зерна после ИК-обработки перед плющением, зазор между валками при плющении по плану трехфакторного эксперимента ПФЭ - 2}.

Выход процесса оценивали по выходу хлопьев (У О, времени варки (У2), влажности хлопьев после плющения (У3), количеству декстринов (У4), степени клейстеризации (У5). Уравнения зависимости имеют следующий вид: У, = 88,25 + 5,28X1 + 2,20Х2 + 2,82Х3 + 0,63Х,Х3 - 0,20Х2Х3 У2 = 9,50 - 3,01X1 - 0,78Х2 + 1,04Х3 + 0,20Х,Х2 - 0,49Х,Х3 - 0,27Х2Х3 У3 - 12,02 + 1,42Х| - 1,07Х2 + 0,60Х3 + 0,13Х,Х2 - 0,10X1X3 - 0,15Х2Х3 У4 = 9,04 - 0,38Х1 + 0,41Х2 - 0,19Х3 - 0,09X^2 + 0,09Х2Х3 У5 = 12,62 + 1,17X1 - 0,16Х2 + 0,25Х3 - 0,18X1X3 - 0,28Х)Х3 - 0,14Х2Х3

Уравнения регресс™ показывают, что выход хлопьев (У)) зависит от повышения величин исследуемых факторов особенно влажности зерна перед плющением (X 0, температуры зерна после ИК-обработки перед плющением (X 2) и зазора между валками (Х3).

На основании проведенных исследований нами предложена новая технология получения быстроразвариваемой крупы и хлопьев из целого зерна пшеницы, отличием которой является то, что нагрев зерна ИК-голучением осуществляется при длине волны 0,8-2,0 мкм и плотности лучистого потока 24 кВт/м2 в течение 25-40 с. В процессе нагрева до температуры 160-180 °С происходит испарение внутри зерновки, увеличивается давление водяных паров, зерновка "взрывается", нарушается структура зерна, форма, прочность. ИК-обработка с

получением экспавдированных зерен вызывает термохимическую деструкции крахмала, углеводов, ведет к образованию высокоперевариваемых декстринов Пгацевые волокна приобретают сорбционную емкость. Зерновка увеличиваете) в объеме в 1,4-1,6 раза Влажность снижается до 5-6 %. Термообработанное зер но поступает в шнековый увлажнитель, где в процессе передвижения оно про паривается 3-4 мин. В увлажнитель подается вода температурой 18-20 °С, и: расчета 8-10 %от массы зерна. Температура зерна снижается до 80-90 °С, влаж ность возрастает до 14-15 %, из увлажнителя зерно поступает в бункер для тем перирования, где влага распределяется равномерно по всему объему зерновки температура снижается до 50-60 °С. Зерно плющат в хлопья толщиной 0,4-0,' мм (рис.10.)

Рис. 10. Технологическая схема производства пшеничных хлопьев из целого зерна тпеницы. 1 - бункер сырья; 2 - весы; 3 - сепаратор; 4,7 - увлажнитель; 5 - бункер для отволаживания; 6 - ИК-установка; 8 - плющильный станок; 9 - магнитная защита; 10 - аспирационная колонка; 11 - бункер готовой продукции.

Предлагаемая новая технология получения пшеничных хлопьев по сравнению с существующими позволяет повысить выход готового продукта до 96-9 £ % при его конечной влажности 10-12 % и улучшить его качество за счет увеличения количества декстринов до 8-11 %, водорастворимых веществ до 14 %, г также уменьшения толщины хлопьев до 0,4-0,5 мм и снижения натуры пшеничных хлопьев до 200 г/л.

Исследования по хранению экспандированной крупы и хлопьев в течение 12 мес. показали, что содержание декстринов и кислотности практически не изменяются.

Обработанные продукты характеризуются более высокой устойчивостью по сравнению с контролем.

Соответствующие экспериментальные данные представлены в диссертации.

Оценка потребительских достоинств показала, что перевариваемость хлопьев составляет 74-78 %, а время варки 2-3 мин.

В восьмой главе "Экономическая часть" приведен бизнес-план инновационного проекта "Разработка технологии производства пшеничных хлопьев, полученных при ИК-обработке. Расчет экономической эффективности показал, окупаемость данной линии и рентабельность. В связи с этим данная технология должна иметь приоритетное значение в строительстве новых цехов по переработке пшеницы.

В девятой главе "Опытно-промышленная проверка нового способа получения экспандированной пшеницы на установке ЗФ-КМЗ". Приведен принцип работы и схема установки (рис. 11.).

Рис. 11. Опытно-промышленная установка ЗФ-КМЗ 1 - Камера микронизатора; 2 — транспортер; 3 - загрузочный бункер; 4 - регулировочное ус-гройство; 5 - приемное устройство; 6 - лента; 7 - вариатор скоростей; 8 - электродвигатель;

ведущий барабан; 10 - ведомый барабан; 11-ролики; 12-устройство компенсации; 13-этражатель; 14 - теплоизоляция; 15 - токоведущие шины; 16 - ИК-генератор; 17 - вороши-гель.

В десятой главе приведена "Опытно-промышленная проверка нового спо-мба получения пшеничных хлопьев из целого зерна пшеницы"

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Применение в производстве обработки зерна ИК-излучения является в настоящее время прогрессивным технологическим приемом в повышении выхода, улучшения качества и расширения ассортимента крупяных изделий. Обоснована целесообразность разработки технологии выработки крупы из зерна пшеницы и хлопьев с сокращенным временем варки с применением ИК-излучения.

2. Установлено, что при плотности падающего потока излучения Е=28-24 кВт/м2, скорость нагрева зерна составляет 20-40 °С/с. Чем меньше влаги в зерне, тем быстрее происходит процесс экспандирования.

3. Определены оптимальная влажность ИК-обработки 14,5-15,5 %, время экспандирования 30-35 с.

4. Установлена взаимосвязь натуры и интенсивностью потока: с увеличением интенсивности потока натура снижается, что позволяет контролировать эффективность обработки зерна пшеницы в производственных условиях.

5. Прочностные свойства зерна пшеницы зависят от режимов интенсивности потока - при Е=24 кВт/м2 снижается прочность в 4-5 раз, что ведет к значительной экономии энергозатрат при дальнейшей переработке и плющении.

6. Изучено воздействие ИК-обработки на химические компоненты зерна пшеницы. Происходит заметное изменение углеводного комплекса, приводящее к увеличению содержания декстринов более, чем в 5 раз. Снижается "число падения", кислотное число жира и содержание липазы.

7. Вследствие денатурации белка изменяется фракционный состав. Изменяется оптическая плотность водных вытяжек за счет процесса реакции мела-ноидинообразования.

8. При ИК-обработке степень клейстеризации крахмала имеет экстремальное значение в диапазоне температур от 90-110 "С. Повышение температуры до 120-130 °С приводит к резкому снижению степени клейстеризации за счет перехода в процесс декстринизации. Для процесса декстринизации наиболее предпочтителен режим Е=24 кВт/м2 .

Увеличение интенсивности потока приводит к возрастанию среднего размера крахмальных гранул и размерного интервала.

Исследования изменения вязкости крахмального геля показали, что для обработанного зерна характерно нарастание усилия преодоления вязкости с 0,68 Н в исходном до 1,91 Н в хлопьях. Время клейстеризации крахмала, соответствующее максимальной вязкости геля увеличивается по мере интенсивности обработки от 0,13 до 2,15 мин.

9. Установлено, чгго при воздействии ИК-лучей витамины - рибофлавин, тиамин и никотиновая кислота сохраняются полностью. Обработка приводит к полной стерилизации зерна пшеницы.

10. Атакуемость крахмала амилолитическими и белков протеолигически-ми ферментами увеличивается, перевариваемость белка крупы и хлопьев составляет 72-74 %.

11. Переработка целого зерна пшеницы с применением ИК-обработки способствует получению быстроразвариваемой крупы с улучшенными потребительскими достоинствами, в частности, с уменьшением времени варки при увеличении коэффициентов объемного и весового привара каши.

12. Методом математического планирования эксперимента определены оптимальные факторы, влияющие на технологические свойства зерна пшеницы при плющении. Определены оптимальные режимы плющения при наибольшем выходе хлопьев.

13. Продукты из термообработанного зерна пшеницы крупа и хлопья стойкие при хранении. Расчет экономической эффективности показал рентабельность данной технологии с малым сроком окупаемости.

14. На основании проведенных исследований предложены новая технология получения быстроразвариваемой экспандированной крупы и хлопьев не требующей предварительного увлажнения и длительного отволаживания.

Для практического использования разработанной технологии создан аппарат ИК-излучения ЗФ-КМЗ.

15. Разработана и утверждена нормативно - техническая документация в условиях опытно - промышленной эксплуатации аппарата, новой технологической линии получения экспандированной крупы и хлопьев профилактического назначения.

Список работ опубликованных по теме диссертации.

1. Доронин А. Ф., Кирдяшкин В. В., Панфилова И. А. Технология производства быстроразвариваемых зерновых продуктов при ИК-обработке. Консервная, овощесушильная и пищеконцентратная промышленность. АгроНИИТЭПП. Вып. 1 М. 1996, с. 10-12.

2. Панфилова И. А., Доронин А. Ф., Кирдяшкин В. В. Изменение фракционного состава белков пшеницы при ИК-обработке. Научное и инженерное обеспечение пищевых и зерноперерабатывающих отраслей АПК. Тезисы докладов международной научно-технической конференции. Часть 1. М. 1996, с. 10.

3. Доронин А. Ф., Кирдяшкин В. В..Панфилова И. А. Производство экспандированной пшеницы с использованием ИК-обработки. Научное и инженерное обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей АПК. Тезисы докладов. Часть 1. М. 1996. с. 8.

4. Панфилова И. А., Кирдяшкин В. В.1Доронин А. Ф.. Эффективные режимы нагрева пшеницы. Научное и инженерное обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей АПК. Тезисы докладов. Часть 2. М. 1996. с. 10.

5. Доронин А. Ф., Кирдяшкин В. В. Панфилова И. А.Технология производства быстроразвариваемых пшеничных хлопьев при ИК-обработке. Энергосберегающие технологии переработки с/х сырья Тезисы докладов международной научно - практической конференции. Часть 1. Минск. 1996, с. 51-52.

6. Панфилова И: А.,Кирдяшкин В.В. Доронин А. ФВлияние ИК-обработки на фракционный состав белков при выработке бвстроразваривающейся крупы из пшеницы. Консервная, овощесушильная и пшцеконцентратная промышленность. АгроНИИТЭПП. Вып. 2. М. 1996, с. 6-8.

7. Панфилова И. А.,Кирдяшкин В. В.Доронин А.Ф. Выбор рациональных режимов ИК-обработки. Консервная, овощесушильная и пшцеконцентратная промышленность. АгроНИИТЭПП. Вып. 2. М. 1996, с. 17-18.

8. Панфилова И. А.,Кирдяшкин В.В. Доронин А. Ф.Установка для термообработки ИК-лучами. Консервная, овощесушильная и пшцеконцентратная промышленность. АгроНИИТЭПП. Вып. 2. М. 1996, с. 3-6.

9. Доронин А. Ф., Кирдяшкин В. В. Панфилова И. А;. Производство зерновых завтраков с использованием ИК-нагрева. Консервная, овощесушильная и пи-щеконцешратная промышленность. АгроНИИТЭПП. Вып. 2. М. 1996, с. 13-

I О.Панфилова И. А., Доронин А. Ф., Кирдяшкин В. В. Энергосберегающая тех-

нология производства микронизированных пшеничных хлопьев. Конференция "Научное наследие проф., д. т. н. Э. И. Каухчешвили". Тезисы докладов. М. 1997. с. 94-95.

II .Панфилова И. А., Доронин А. Ф., Кирдяшкин В. В. Проблемы и перспективы ИК-технологии при производстве продуктов питания на зерновой основе. Обзорная информация. Консервная, овощесушильная и пшцеконцентратная промышленность. АгроНИИТЭПП. Вып. 1-2. М. 1997, 30 с.

The new technology of the ofttaining of instant groats and flakes from whole wheat grain is created. This products contains more dietary fiber, then traditional groats and flakes. This technology is based on using infrared radiation.

Oplinal regime of IRR, influencing on the technology and biochemistry paramètre is determinated. Influence of différents regimes on digestion starch and protein by digestive enzymes is studing.

Positive influence of this process for grain vitamin complex and storage period is shown. This technology is used in the food industry.

16.

SUMMARY

Заказ №57.Тираж 100 экз. Печать офсетная. Издательский комплекс МГУПП. 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11