автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Высокотемпературная микронизация зерна сорго

рг Б п

2 3 ИПЯ

На правах рукописи 664.788.2.047.355(043.3)

НИКИТУШКИНА МАРИНА ЮРЬЕВНА

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ МИКРОНИЗАЦИЯ ЗЕРНА СОРГО

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском Государственном Университете пищевых

производств

Научный руководитель: академик РАСХН

доктор технических наук, профессор Красников В.В.

Официальные оппоненты: академик МАИ,

доктор технических наук, профессор Рысин А. П. доктор технических наук, профессор Матисон В.А.

Ведущая организация: предприятие "Технобур"

Защита диссертации состоится "24" декабря 1998 года на заседании

Диссертационного Совета К.063.51.07 Московского Государственного

Университета пищевых производств по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11.

Просим Вас принять участие в заседании Диссертационного Совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, в адрес Ученого совета МГУПП.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПП. Автореферат разослан " ноября 1998 года.

Ученый секретарь Диссертационногг

Совета, доц. к.т.н.

Савина И. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из основных видов сельскохозяйственного сырья для пищевой и комбикормовой промышленности является зерно. Однако при неблагоприятных погодных условиях в южных областях России, где урожаи традиционных кормовых культур, таких как ячмень, кукуруза, нестабильны, особое значение приобретает такая зерновая культура, как сорго, имеющая устойчиво высокие урожаи зеленой и зерновой массы. Сорта зернового сорго применяются в комбикормовой, крахмалопаточной, спиртовой промышленностях, пищевое сорго может использоваться как самостоятельный продукт и являться ценным компонентом многих зернопродуктов.

Однако широкое применение зерна сорго сдерживается трудоемкими технологическими операциями, такими как послеуборочная сушка, отделение цветковых оболочек и т.д.

Высокотемпературная микронизация (ВТМ) относится к методам термообработки с использованием инфракрасного нагрева (ИК-нагрева), позволяющим значительно интенсифицировать процесс переработки путем снижения энергозатрат на разрушение зерна при дроблении, повышения его питательной ценности вследствие изменения биохимического состава и его обеззараживания. Применение ИК-энергоподвода позволяет осуществить комплексный контроль и управление процессом переработки зерна.

Для широкого внедрения ИК-технологии в производство с целью получения новых экологически чистых зерновых компонентов при разумном потреблении энергетических и материальных ресурсов необходимо разработать методы инженерного расчета и проектирования терморадиационных установок и методики выбора режимов, для чего

требуется разработать и изучить модели процессов тепло-и массообмена, исследовать физику изменений, происходящих в зерне при ИК-воздействии.

Цель н задачи исследования. Целью работы являлось исследование процесса ИК-термообработки зерна сорго в качестве альтернативного метода гидротермической обработки, а также выбор и обоснование способов совершенствования технологических процессов обработки зернового сорго на основе применения целенаправленного воздействия ИК-излучения, приводящего к биохимическим и прочностным изменениям.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках: ИК-термообработки растительного сырья, комплексного определения терморадиационных характеристик сред, определения прочностных характеристик . Обработка экспериментальных данных осуществлялась по стандартным методикам и программам на ПЭВМ (пакет для статистической обработки экспериментальных данных KWISTAT 4). Численный эксперимент проводился на ПЭВМ по программам: моделирующей процесс ИК-нагрева зерна сорго, программе оптимизации процесса ИК-нагрева в среде Math Cad 7.0. Определение биохимических показателей осуществлялось согласно стандартным методикам. Научная новизна.

- Определены терморадиационные и оптические характеристики пленчатого (с цветковой оболочкой) и голозерного сорго.

- Установлены закономерности и выявлены особенности кинетики сушки и нагрева при ИК-обработке голозерного и пленчатого зерна сорго при различных влагосодержаниях и способах увлажнения.

- Обоснована возможность применения "точечной" модели нагрева зерна сорго для анализа процесса термообработки сорго ИК-излучением и определены параметры модели по экспериментальным данным.

- Изучено влияние ИК-нагрева на органолептические, биохимические, структурно-механические и физические характеристики зерна сорго.

Практическая ценность.

- На основании установленных оптических и терморадиационных характеристик пленчатого и голозерного сорго определены параметры генератора ИК-излучения.

- Доказана нецелесообразность предложенного способа увлажнения зерна сорго перед ИК-обработкой с целью повышения его влагосодержания.

- Определены режимы ИК-обработки пленчатых сортов сорго с целью их последующего шелушения (отделение цветковой оболочки).

Установлены закономерности влагопотери при ИК-обработке зерна сорго для практического использования при термообработке.

Проведена оптимизация процесса ИК-нагрева зерна сорго по критерию максимального разупрочнения зерна.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции, посвященной 65-летию МГАПП "Научное и инженерное обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей АПК" (Москва, МГАПП, 1996); на Второй Всероссийской научно-практической конференции «Высшая школа России: конверсия и приоритетные технологии» (Москва, 1996); на Международной научно-теоретической конференции "Молодые ученые -пищевым и перерабатывающим отраслям АПК", (Москва 1997); на Международной научной конференции "Рациональные пути использования вторичных ресурсов агропромышленного комплекса", (Краснодар 1997); на Всероссийской студенческой научной конференции "Студенты России -пищевой промышленности XXI века" (Краснодар 1998).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, библиографического списка используемой литературы (175 наименований), изложена на 179 страницах машинного текста, содержит 41 таблицу, 46 рисунков, пять приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показано, что в настоящее время в России сложилась устойчивая тенденция к увеличению производства зернового сорго, используемого для производства комбикормов, а также для пищевых и технических целей. Однако дальнейшее расширение использования зерна сорго сдерживается отсутствием технологий переработки зерна, заключающихся в послеуборочной сушке зерна и шелушении пленчатых сортов, обрушивания, дробления, помола, увеличении питательной ценности. ВТМ зернового сырья позволяет интенсифицировать процесс термообработки, осуществлять технологические операции с наименьшими энергозатратами и получать продукт с заданными биохимическими и структурно-механическими свойствами.

Данная работа посвящена экспериментальному и теоретическому изучению процесса ИК-облучения зерна сорго с целью разработки оптимальных режимов технологических процессов переработки зернового сорго на основе применения целенаправленного воздействия ИК-излучения, приводящих к биохимическим и прочностным изменениям. Работа является закономерным продолжением комплексного изучения воздействия ИК-излучения на пищевое сырье растительного происхождения и продукты, проводимого ведущими специалистами кафедр Физики и Технологическое оборудование предприятий хлебопродуктов МГУПП.

В первой главе изложен обзор научных публикаций и патентных материалов, на основании которого определены конкретные задачи данной работы, решение которых необходимо для достижения ее цели, сформулированной выше.

Широкое распространение в странах с засушливым климатом получило зерновое сорго, занимающее в мировом производстве по посевным площадям и валовым сборам пятое, а среди зернофуражных культур - третье место в мире.

Анализ химического состава зерна сорго позволяет говорить о его высокой пищевой ценности. Так содержание белка у сорго значительно выше, чем у риса, содержание крахмала выше, чем у других зерновых культур, присутствуют витамины групп В витамины РР и Е. По своему химическому составу зерно сорго приближается к зерну кукурузы.

В настоящее время во многих областях России (Поволжье, Ставропольском, Краснодарском краях, Оренбургской, Ростовской областях) в зонах неустойчивого земледелия, характеризующихся засушливым континентальным климатом, возрастает интерес к зерновому сорго, как к наиболее продуктивной культуре, заменяющей традиционное кормовое сырье - ячмень в рационах крупного рогатого скота, овец, птицы и рыбы. В последнее время наблюдается стойкая тенденция к увеличению выращивания зернового сорго, используемого на пищевые и технические цели, что отражает и существующие мировые тенденции. В настоящее время ведутся исследования по использованию сорго для получения крупы, пищевых концентратов, экструзионных продуктов длительного хранения, имеются дашше по использованию муки из сорго в качестве компонента для изготовления макаронных изделий. За рубежом, в частности в Австралии и США, сорго используется для производства крахмала, в пивоваренной и спиртовой промышленностях, существуют отечественные разработки по получению краски из оболочек зерна и извлечению воска. Таким образом, сорго является универсальным сельскохозяйственным сырьем.

Однако, отсутствие высокоэффективных технологий переработки соргопродукции тормозит распространение этой культуры. В частности, сорго всегда нуждается в послеуборочной сушке и удалении цветковых пленок. Зерно, применяемое в крупяном, мукомольном и комбикормовом производстве, необходимо обрушивать с целью отделения плодовых и семенных оболочек, а для получения из сорго крахмала его необходимо дробить.

Для интенсификации технологического процесса обработки зерна с целью придания ему необходимых технологических и потребительских свойств использовались различные методы сушки и гидротермической обработки (ГТО), однако, являясь доступными, дешевыми и технологичными, они не позволяют добиться комплексных изменений в биохимических, физических и структурных свойствах зерна. В частности, применялось холодное кондиционирование и увлажнение зерна с последующей его обдувкой горячим воздухом.

Обработка зерна сорго ИК-излучением является экологически чистым методом, существенно интенсифицирующим процесс обработки и повышающим питательные, структурные и потребительские свойства зерна. В результате ИК-воздействия на зерно происходит комплексное изменение его биохимических, физических и структурных свойств.

Конкретные задачи данной работы заключались в следующем:

- определение оптических и терморадиационных характеристик голозерного и пленчатого сорго;

- исследование процессов сушки и нагрева в единичном зерне сорго;

- разработка математической модели нагрева зерна сорго и оценка параметров процесса ИК-нагрева по экспериментальным данным;

изучение органолептических, биохимических, структурно-механических и физических характеристик зерна сорго при ИК-обработке.

Во второй главе дана характеристика объекта обработки, приведено описание экспериментальной установки для ИК-нагрева зернового сырья и методика обработки экспериментальных данных.

В качестве объекта исследования были выбраны три сорта зернового сорго, относящиеся к I типу и II типу I подтипу, причем один из сортов имел цветковую пленку. Для каждого сорта были определены геометрические размеры и исходное влагосодержание. Для одновременного определения терморадиационных характеристик в виде пропускательной способности

Тх(9 ; л) и отражательной способности 1^(0 ; к) в области спектра от 0,4 до 1,4 мки использовался экспериментальный метод интегрирующей сферы при полусферическом (совершенно диффузном) потоке облучения. На основании данных по терморадиационным и оптическим характеристикам монослоя зерна сорго были определены параметры генератора ИК-излучения. В качестве генератора были выбраны кварцевые лампы КГТ-220-1000, имеющие максимальную нзлучательную способность при длине волны 1,1 мкм.

Лабораторная стационарная установка для ИК-обработки пищевого сырья позволяла произвести облучение в диапазоне плотности потока ИК-излучения от 16,6 до 37,7 кВт/м2 с измерением температуры в зерне сорго в трех уровнях измерительной системой, состоящей из термопары типа хромель-копель и автоматического электронного потенциометра КСП-4.

Статистическая обработка результатов эксперимента проводилась общепринятыми методами на ПЭВМ с использованием стандартных пакетов прикладных программ.

В третьей главе проведено исследование кинетики сушки зерна сорго при различных режимах и способах ИК-обработки.

При ИК-обработке зерна сорго сорт Хазине-4 без цветковой пленки для трех значений влагосодержания зерна (5,3, 16,6 и 33,3 %) и трех значений плотности потока излучения (18,8, 26,5 и 37,2 кВт/м2) были построены кривые кинетики сушки. Во всех случаях наблюдалось неравномерное удаление влаги в процессе сушки. Полученные экспериментальные данные позволили определить аналитические зависимости относительной потери влаги А\У ЛУ0 от энергетической экспозиции Н, которые имеют вид линейной (1) или степенной (2) функций №

-= 8,514-10 -(//-216), при #>216 (1)

-= 6,98-10~б -Н1,656

(2)

Д\У = W0 - W - изменение влагосодержания, %;

W0 - начальное влагосодержание,%; W - текущее влагосодержание,%;

Н=Е т - значение энергетической экспозиции, кВт/м сек.

Выражения (1) и (2) определены для зерна сорго в диапазоне начального влагосодержания 5,3<\У0<33,3 %, диапазоне плотности потока излучения 18,8<Е<37,2 кВт/м2 и времени обработки 0<т<50 сек и могут быть использованы для практического применения при сушке и термообработке зерна с целью оценки конечной влажности.

С целью изучения возможности увлажнения эндосперма зерна сорго в результате транспортирования влаги с поверхности увлажненного зерна внутрь эндосперма, было проведено увлажнение всех трех сортов зерна сорго с последующей ИК-обработкой. Зерно имело как влагу, поглощенную наружной поверхностью зерна, так и удерживаемую влагу в виде пленки и капель на его поверхности.

Кривые кинетики сушки увлажненного зерна сорго с цветковой пленкой отдельно для ядра и оболочки (рис.1) показывают, что при нанесении влаги на поверхность зерна (увлажнении) увеличивается влагосодержание только оболочки, которая и удерживает влагу, ядро при увлажнении влагу не поглощает. При ИК-обработке увлажненного зерна происходит сушка в виде потери влаги оболочкой, ядро же начинает терять влагу только после снижения влагосодержания оболочки почти в 2 раза. Поставленный эксперимент не позволил обнаружить и выявить процесс проникновения влаги внутрь зерна от увлажненной оболочки. Оболочка также не поглощала нанесенную на ее поверхность влагу, которая в виде пленки находилась на ее поверхности. ИК-обработка увлажненного зерна сорго без цветковой оболочки также не дает возможности судить о проникновении влаги вглубь зерна и рекомендовать данный способ для увлажнения голозерного сорго.

Для выбора режимов послеуборочной сушки зерна сорго с последующим отделением цветковой пленки была проведена ИК-обработка пленчатого сорго и построены кривые кинетики сушки зерна сорго с

Рис. 1 Кинетика сушки увлажненного зерна пленчатого сорго для оболочки и ядра: 1 - 26,5 кВт/м2; 2 - 30,8 кВт/м2.

1-1-1-■ I---1---г

О 10 20 30 40

и сек

Рис. 2. Кинетика сушки зерна сорго с цветковой пленкой при исходном влагосодержании 14,0% (без увлажнения) отдельно для оболочки и ядра при плотности потока излучения: 1 - 16,6 кВт/ м ; 2 - 26,5 кВт/м2; 3 - 30,8 кВт/м2.

цветковой нленкой (рис. 2) отдельно для ядра и оболочки при влагосодержании 14,0 %. Рациональный выбор плотности потока излучения и времени обработки позволяет произвести существенное обезвоживание оболочки и снизить влагосодержание ядра. Наличие разности влажности между оболочкой и ядром позволяет интенсифицировать процесс шелушения и обрушивания зерна сорго. Данные режимы пригодны также для сушки зерна.

В четвертой главе проведено исследование и выявлены особенности процесса нагрева при ИК-обработке зерна сорго, предложена математическая модель нагрева зерна, проведена оценка параметров модели по экспериментальным данным, обоснован подход к определению экономически эффективных режимов для получения зерна заданного качества.

Для пленчатого и голозерного единичного зерна сорго были проведены исследования процесса нагрева при различных влагосодержаниях, плотностях потока излучения и плотности расположения зерна на поддоне. На рис. 3 показаны кривые кинетики нагрева зерна сорго с цветковой пленкой в трех слоях при трех значениях плотности потока излучения 16,6, 26,5 и 30,8 кВт/м2 при базисной влажности 13 %. Из приведенных зависимостей видно, что происходит интенсивный прогрев слоев зерна, расположенных под цветковой пленкой, температура которых в конце обработки приближается к 190 0 С. Середина зерна прогревается до 100 °С. Аналогичные зависимости имеют и кривые нагрева голозерного сорго, определенные в верхнем и среднем слоях.

Кривые кинетики нагрева при различной плотности расположения зерновок - плотно и свободно расположенного зерна в процессе обработки показывают, что прогрев зерна при свободном расположении происходит более интенсивно, что позволяет прогреть зерно сорго до более высоких температур.

I, сек

Рис. 3. Кривые кинетики нагрева пленчатого сорго в трех слоях (верхнем -В; среднем - С; нижнем - Н) при плотности потока излучения Е: 1 - 30,8 кВт/м2; 2 - 26,5 кВт/м2; 3 -16,6 кВт/м2.

Рис.4 . Участки кривых кинетики нагрева в верхнем слое зерна сорго с цветковой пленкой в области взрыва и трещины при Е=30,8 кВт/м2.

Анализ кривых кинетики ИК-нагрева, особенно при плотностях потока излучения 26,5 30,8 кВт/м2 (жесткие режимы), позволили выявить области, где температура оставалась постоянной в течение некоторого промежутка времени или снижалась. Данные области соответствовали времени, при котором происходит деформация зерна сорго - взрыв зерна или растрескивание. Причем, при взрыве зерна происходит значительное снижение температуры на величину ДТ=14±6 °С, при растрескивании зерна снижения температуры не происходило, однако, явно наблюдалась область, где температура оставалась постоянной в течение времени Ах = 3±1 сек (рис. 4). Подобные явления более ярко проявлялись на термограммах нагрева в верхнем слое зерна сорго с цветковой пленкой.

Параметры, соответствующие деформации при ИК-обработке пленчатого зерна, приведены в табл. 1, где указаны время, соответствующее моменту растрескивания зерна, и соответствующие этому времени значения температуры в верхнем и среднем слоях зерновки. Указанные кинетические параметры определены по термограммам ИК-нагрева зерна соответственно в верхнем и среднем слоях. Кинетические параметры, характеризующие деформацию зерна сорго при ИК-нагреве, определены также и для голозерного сорго.

Таблица 1.

Кинетические параметры деформации зерна сорго с цветковой пленкой

Е, кВт/м2 Время растрескивания, сек Температура,°С

Верхний Средний

30,8 50 ±3 178 ±8 98 ±7

26,5 64 + 6 166 ±9 107 + 10

16,6 103 ±6 147 + 9 80 ± 9

Падение температуры в момент взрыва или растрескивания происходит вследствие волрастания давления водяных паров внутри зерновки, приводящее к ее деформации и выходу образовавшегося пара. При взрыве

выход пара происходит из всего объема зерновки, тогда как при растрескивании выход пара происходит только с поверхности зерна.

Влияние влажности зерна сорго на процесс нагрева при ИК-обработке было исследовано на примере зерна сорго без цветковой пленки при исходноых влагосодержаниях зерна 5,3, 16,6 и 33,3 % и плотности потока излучения 18,8, 26,5 и 37,2 кВт/м2.

Разработка эффективных технологий ИК-обработки невозможно без соответствующего физико-математического моделирования. В данной работе была предложена сосредоточенная модель нагрева зерна и проведена оценка параметров модели по экспериментальным данным.

Баланс тепла для сосредоточенной модели при ИК-энергоподводе приводит к уравнению

^^ = т-Е + n[tnTc (г) - Д7(г)]

(3)

dr

АГс(г) = Тс(т)-Та m = S3 ■А/С-М,

О'

АТ(т) = Т(т)-Те

n = a-S/C ■ М,

О'

Т(т) -средняя температура зерна по объему, К;

Тс(т) - температура среды, К;

Т0 - начальная температура зерна, К = constant;

а - коэффициент теплопередачи, Вт/мК;

S - площадь поверхности зерновки, м2;

S3 - эффективная поверхность ИК-излучения, м2;

Е - интегральная облученность, Вт/м2;

т - время, с;

А - средняя поглощательная способность зерна; М - масса зерна, кг; С - теплоемкость зерновки, Дж/ кг-К.

ИК-нагрев зерна, если не используются другие источники энергии, происходит при постоянной и при переменной температуре среды.

Учтем косвенно изменения температуры среды под действием ИК-излучения, полагая, что это изменение идет аналогично температуре зерна, но с меньшей скоростью. Такие условия имеют место в установках периодического действия в том числе и лабораторной. Отношение скоростей примем за постоянную величину

Кт = dTc(i)/dT(t)

Кт - коэффициент пропорциональности (Кт<1).

Тогда АТс(т) = Кт • АТс(т), и решение (3) имеет вид

п_Г»№г-| Е (4)

П-(\-Кт)

Однако известно, что коэффициент теплообмена с окружающей средой сам является функцией температуры. В первом (линейном) приближении эту зависимость можно учесть в виде

а = а0-1 ДТс(т) - А'Г(т) I.

В этом случае уравнение теплового баланса при условии постоянной температуры среды приобретает вид

г..- л тл2

dt

= m-E+n0-(АТС -А.Т) (5)

где По = а0 • 8 / С-М.

При услови Кт = ёТсСОАЩт) выражение (5) имеет вид =т-Е~п0 -(1 -КТ)2 • ДГ2

йт

Решение уравнения (5) относительно времени нагрева при переменной температуре среды и выполнении условия Кт = <ГГс(т)/с1Т(т) приводит к

м-УД-^-УДт)

ДГ=- (6)

Р

где p-^jm-щ, п1=п0-{\-Кт)2

Для оценки времени обработки зерна до заданной температуры АТ| можно использовать выражение (7)

1 п

7,- =-

1 + 1-

Ь-АТ,

Ж

ь-ы,

1Т

(7)

Ь-Ъп-4Ё

b-.pl

Рассматриваемые модели нелинейны по параметрам. Поэтому для моделей вида (3) и (5) был использован алгоритм минимизации остаточной дисперсией температуры 5Т по параметрам п(1-Кт) для модели (3) или р для модели (5) методом золотого сечения с промежуточным расчетом ш методом средних. Была установлена хорошая сходимость алгоритма. Полученные значения параметров для сорго при минимизации остаточной дисперсии температуры 8Т приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Значения параметров моделей.

Влажно Модель ш • Ю"2 п(1-Кт) 8Т

сть,% ИЛИ П1

5,3 3 7,89 9,70' 10° 17

5 6,31 6,78- 10° 15

16,6 3 6,11 8,37- 10° 10

5 5,50 5,71- 10° 14

33,3 3 6,73 9,41- 10° 15

5 5,80 5,90- 10'3 19

С целью выявления наиболее экономичного режима, позволяющего осуществить наибольшее воздействие на структуру зерна, были построены зависимости энергетической экспозиции в момент растрескивания от плотности потока излучения. Для всех исследуемых сортов сорго эти

зависимости носят идентичный характер, позволяющий установить, что с увеличением плотности потока излучения энергетическая экспозиция убывает, и наиболее рациональные режимы ИК-обработки лежат в диапазоне от 30 до 37,2 кВт/м2. Однако, при жестких режимах обработки наблюдается резкое возрастание градиента температуры, что является нежелательным т.к. имеет место подгорание обезвоженного поверхностного слоя, в то время как внутренние слои еще недостаточно прогрелись (рис. 5)

В пятой главе дан анализ органолептических, биохимических, структурно-механических и физических характеристик зерна сорго при ИК-обработке.

Органолептические характеристики (цвет, запах, вкус) отражают качественные характеристики зерна при обработке и позволяют выявить и оценить предельно допустимые режимы обработки. При ИК-обработке зерна сорго было выявлено снижение концентрации водорастворимой фракции белка, что свидетельствует о процессе денатурации белка при ИК-нагреве, и незначительное уменьшение концентрации редуцирующих Сахаров, что свидетельствует о реакции меланоидинообразования, имеющей место при высокотемпературных процессах. Существенное повышение водопоглотительной способности взорвавшегося зерна позволяет говорить о существенных изменениях в углеводном комплексе зерна, происходящих при взрыве. Изменение структурно-механических и физических характеристик, определенных в виде податливости и изменении размеров (высоты) зерна (рис. 6), свидетельствует о разупрочнении зерна, обусловленном структурными изменениями зерна под действием внутреннего давления десорбирующей влаги. При нагружении зерно сорго показало себя как хрупкий объект, не поддающийся плющению в остывшем виде.

Для голозерного сорго была проведена оптимизация процесса ИК-обработки по критерию достижения максимального вспучивания (высоты ядра), что соответствовало максимальному его разупрочнению. В качестве

40 35 30 25 20 15 10 5 0-

СГв-Тс) /г, 'с/мм

20 4 0

100 120 140 160

180 Тв, °С

Плотность потока излучения Е:

1-18,8 кВт/м2;

2-26,5кВт/м2; 3 - 37,2 кВт/м2

.Рис. 5. Зависимость градиента температуры (Тв - Тс) / г в зерне сорго от температуры в верхнем слое Тв при начальном влагосодержании 16,6 %.

11, мы

0.02■

0.01-

I • — I ' 1 ' 1 Я/Т-, мм/кг ¡у:/: Ь • I

податливость а ^ 9 ¿высота зерш

40 50 60

1, сек

2

Рис. 6 Зависимость податливости и высоты зерна сорго от времени

обработки при плотности потока излучения 30,8 кВт/м2.

уравнений связи было использовано выражение для нагрева зерна сорго (4) с учетом значений параметров модели, а также полученное на основании экспериментальных данных аналитическое выражения для высоты зерна в зависимости от влагосодержания и плотности потока излучения. С учетом принятых ограничений были определены оптимальные параметры процес. а ИК-нагрева зерна сорго, которые составляли: Время обработки - 90 * ок; Плотность потока излучения - 32 кВт/'м2; Начальное влагосодержание - 22,6 %.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ перспектив использования зерна сорго в России на кормовые, пищевые и технические цели, а также необходимых технологических операций переработки зерна показал преимущества использования ИК-излучения в качестве комплексной технологической операции, обеспечивающей экономически целесообразные режимы послеуборочной сушки зерна, шелушения и разупрочнения.

2. Определенные оптические и терморадиационные характеристики зерна пленчатого и голозерного сорго позволили выявить наиболее предпочтительный тип генератора ИК-излучения и выявить различия в оптических свойствах исследуемых сортов.

3. Найденны режимы ИК-обработки зерна сорго пленчатых сортов, позволяющие значительно интенсифицировать процесс отделения цветковой пленки от ядра и обрушивание зерна, а также осуществить послеуборочную сушку зерна сорго.

4. Ранее предложенные методики и способы ИК-обработки увлажненного зерна сорго с целью повышения его влагосодержания не привели к желаемым результатам и признаны нецелесообразными.

5. Экспериментальные исследования кинетики нагрева и сушки зерна сорго позволили выявить и оценить особенности кинетики нагрева, связанные с увеличением внутреннего давления десорбирующей влаги, установить наличие существенных градиентов температуры по объему зерновки.

6. Доказана возможность применения "точечной" модели нагрева зерновки сорго и проведена оценка параметров по экспериментальным данным. Полученные зависимости (4) и (6) могут быть использованы для решения задач оптимизации технологических процессов, а также для практической оценки времени нагрева зерна в микронизаторах до заданной температуры.

7. Проведенный анализ органолептических, биохимических, структурно-механических и физических изменений в зерне при ИК-обработке позволяет сделать вывод о комплексном характере воздействия ИК-облучеиия на свойства зерна сорго и предложить оценочную характеристику выбранных режимов по качественным показателям.

8. Проведенная оптимизация процесса ИК-обработки по критерию максимального разупрочнения позволила выявить оптимальные параметры ведения процесса.

СПИСОК ПЕЧАТНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Никитушкина М.Ю. Особенности температурно-временных характеристик при ИК-обработке сорго // Тез. докл. Межд. научно-теор. конф. «Молодые ученые - пищевым и перерабтывающим отраслям АПК».- Москва.-1997.-c.7-8.

2. Никитушкина М.Ю., Зверев C.B., Тюрев Е.П. Технологические изменения зерна сорго при ИК-обработке // Информационный сборник. Научно-технические достижения и передовой опыт в отрасли хлебопродуктов. Вып. 3. Хлебпродинформ- Москва.-1997.- с.3-6.

3. Никитушкина М.Ю., Тюрев Е.П., Зверев C.B. Изменение технологических свойств сорго при ИК-обработке // Сборник научных трудов «Научно-технический прогресс в агроиндустрии»,- Москва-Ялта.- 1997.- с.39-40.

4. Никитушкина М.Ю., Тюрев Е.П. Температурные режимы ИК-обработки сорго // Тез. докл. Межд. научн. конф. «Рациональные пути использования вторичных ресурсов агропромышленного комплекса».-Краснодар.-1997,- с.162-163.

5. Попов М.П., Тюрев Е.П., Зверев C.B., Никитушкина М.Ю. Повышение степени набухаемости крахмала гидротермообработкой // Тез. докл. Часть II Межд. Научно-техн. конф. « Научное и инженерное обеспечение пищевых и перерабатывающих отраслей АПК».- Москва, МГАПП,- 1996.- с. 13-14.

6. Никитушкина М.Ю., Красников В.В. Изменение структуры зерна сорго при ИК-обработке // Тез. докл. Всероссийская студенческая научная конференция с международным участием "Студенты России - пищевой промышленности XXI века". - Краснодар, КубГТУ. - 1998. - с.44 - 45.

M. Nikitushkina

Dissertation "The High- temperature micronisation of Sorghum Grain" Speciality 05.18.12 - Processes and Apparatus of Food Production

In this present paper researched complex problems, applied with infra-red thermo-processing of sorghum . Researched heating processing of sorghum and influence of regime of thermo-processing upon his elements. Kinetics of heat, moistening, drying and biochemical reaction of sorghum are studied.

Proposed methods for decorticating, drying and simplified method of valuation of emanation's density The mathematical model to optimization of the infra-red thermo-processing is prepared.

Key words: sorghum grain; infra-red thermo-processing.

ABSTRACT

Участок множительной техники ОНЦ РАМН

Подп. к печати 16.11.78 Заказ 2ОН Тираж 100 экз

, Г ф

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ Г ОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

На правах рукописи

НИКИТУШКИНА МАРИНА ЮРЬЕВНА

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ МИКРОНГОАЦИЯ ЗЕРНА СОРГО

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: академик РАСХН,

доктор технических наук, профессор Красников В.В.

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ---------------------------------------------------------------------------------4

ГЛ АВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И

ПРИМЕНЕНИЕ ЗЕРНОВОГО СОРГО --------------------------7

1.1. Зерновое сорго----------------------------------------------------------7

1.1.1. Классификация, биохимические и физические

свойства-----------------------------------------------------------------7

1.1.2. Сырьевая база и перспективы выращивания сорго

в России----------------------------------------------------------------13

1.1.3. Применение зернового сорго-------------------------------------18

1.1.4. Особенности технологической обработки

зернового сорго--------------------------------------------------------26

1.1.5. Технологические и теплофизические свойства

зерна сорго-------------------------------------------------------------31

1.2. Классификация современных методов ГТО зерна------------37

1.3. Термообработка зерна с ИК-энергоподводом------------------40

1.3.1. Научно - практические основы ИК - обработки

пищевых сред---------------------------------------------------------40

1.3.2. Изменение структурно-механических, физико-химических и биохимических свойств зерна

при ИК- обработке---------------------------------------------------44

1.4. Цели и задачи исследования---------------------------------------47

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ ОБРАБОТКИ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ

УСТАНОВКА И К - О Б РА Б О ТКИ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ------50

2.1. Характеристика объекта обработки и выбор генератора ИК-излучения----------------------------------------------------------------50

2.2. Экспериментальная установка ИК-обработки

зернового сырья--------------------------------------------------------61

2.3. Статистическая обработка экспериментальных данных-------63

ГЛАВА 3. КИНЕТИКА СУШКИ ЗЕРНА СОРГО

ПРИ ИК-ОБРАБОТКЕ-------------------------------------------------66

3.1. Кинетика сушки зерна сорго

с влагосодержанием 5.3; 16,6 и 33,3 % ----------------------66

3.2. Кинетика сушки увлажненного зерна сорго----------------------77

3.2.1. Определение влагопогдотительной способности зерна------77

3.2.1. Методики увлажнения и ИК-обработки зерна сорго----------82

3.2.2. Анализ кинетики ИК-об работки увлажненного зерна--------84

3.3. Кинетика сушки зерна сорго с цветковой пленкой

без предварительного увлажнения---------------------------------89

ГЛАВА 4. КИНЕТИКА НАГРЕВА ЗЕРНА СОРГО

ПРИ ИК-ОБРАБОЖЕ-----------------------------------------------93

4.1. Методика снятия кривых нагрева единичного зерна----------93

4.2. Кинетика нагрева зерна сорго

II типа I подтипа (гибрид Придонский)----------------------------96

4.2.1. Кинетика нагрева при плотном расположении зерна----------96

4.2.2. Кинетика нагрева при свободном расположении зерна------114

4.3. Кинетика нагрева зерна сорго I типа----------------------------122

4.3.1. Кинетика нагрева зерна сорт при различных, влагоеодержаниях----------------------------------------------------122

4.3.2. Математические модели РЖ-нагрева зерна сорго-------------143

ГЛАВА 5. КАЧЕСТВЕННЫЕ И СТРЖТУРНО-МЕХАШГЧЕСКРЗЕ

ИЗМЕНЕНИЯ ЗЕРНА СОРГО ПРИ РЖ-ОБРАБОТКЕ-—148

5.1. Орга нолепти чес кие и биохимические изменения

зерна сорго при ИК-обработке------------------------------------148

5.2. Структурно-механические изменения зерна сорго- ----------154

5.3. Оптимизация процесса РЖ-обработки зерна сорго------------161

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ------------------------------------------------------------------------163

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ----------------------------------165

ПРИЛОЖЕНИЯ----------------------------------------------------------------------------180

ВВЕДЕНИЕ

Для многих областей России, находящихся в зоне неустойчивого земледелия и характеризующихся засушливым континентальным климатом, стоит задача сделать производство сельскохозяйственной продукции, особенно кормов, более стабильным. В этом смысле сорго выгодно отличается от традиционных кормовых культур. Кроме исключительной засухоустойчивости, сорго обладает универсальностью использования: из зернового сорго можно получать зернофураж, моно корм, крахмал, крупу, пиво, спирт (63, 64, 65, 127, 128, 129). Среди областей и краев России, где сорго может найти и находит все более широкое распространение, следует отметить области Поволжья, Ставропольский, Краснодарский края, Оренбургскую. Ростовскую области, низовья реки Урал. С 1993 года отмечается благоприятная тенденция увеличения производства сортового сырья, предназначенного для приготовления сахара, крахмала, муки, крупы, т.е. для использования на пищевые и технические цели.

Наличие отечественных сортов пищевого направления позволяют получить диетические продукты высокой биологической ценности, с хорошим вкусом и подлежащих длительному хранению (39, 52, 53, 86, 104,126).

Расчет экономической эффективности подтвердил целесообразность применения зернового сорго в рационах крупного рогатого скота, птицы и в рыбном комбикорме (8, 128, 132).

Однако отсутствие высокоэкономичных технологий переработки на послеуборочной стадии, таких как сушка, отделение цветковых пленок у пленчатых сортов, дробление, плющение и помол зерна сорго существенно тормозит распространение этой культуры.

Применение ПК-излучения является эффективным направлением интенсификации технологических процессов в перерабатывающей промышлеиное! и, позволяющим получить продукты с высокой питательной

ценностью и улучшенным качеством. ИК-обработка зерна и зернопродуктов может применяться как самостоятельный вид обработки, так и в качестве отдельной операции в различных технологических процессах. К основным результатам РЖ-обработки можно отнести: изменение ге о метр ич ее к их параметров зерна, обеззараживание и инактивация в нем вредных веществ, повышение питательной ценности (трансформация крахмала в легкоусваиваемые декстрины), изменение физико-механических и технологических свойств.

Зерно, обработанное ИК-излучением, повышает эффективность использования комбикормов при кормлении сельскохозяйственных животных. Термическое воздействие ПК-излучения на различные виды круп сокращают время приготовления продукта, повышают его питательную ценность, благоприятно сказываются на потребительских качествах изделия.

Однако высокотемпературная ИК термообработка различных видов зерна происходит по разному. Для получения положительных результатов необходимо тщательно подбирать режим термообработки. Детальный выбор рациональных режимов ИК-облучения в технологических процессах должен производиться на основе изучения всех свойств облучаемого объекта, особенно его оптических и терморадиационных характеристик. Анализ специфических особенностей объекта облучения, его физических и биохимических свойств накладывают определенные ограничения на параметры процесса обработки.

В данной работе были проведены исследования кинетики сушки и температурные кривые трех сортов зерна сорго, относящихся к двум различным типам , на основании которых выработаны рациональные режимы НК-обработки, позволяющие произвести шелушение зерна и его разупрочнение с наименьшими энергозатратами и интенсифицировать процесс. Было проведено комплексное исследование терморадиационных и оптических характеристик анатомических частей зерна в целом. Разработана "точечная" модель и проведена оценка параметров модели нагрева зерна

сорго по данным эксперимента. Были проведены исследования прочностных характеристик зерна в зависимости от степени термообработки.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МктОДЫ ОБРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЕ ЗЕРНОВОГО СОРГО

1.1. ЗЕРНОВОЕ СОРГО 1.1.1. Классификация, физические и биохимические свойства

Соргокультуры (иначе сорго, джугара, гаолян) являются древнейшими культурами мирового земледелия, родиной которых принято считать экваториальную Африку. Сорго широко возделывается в Китае, Корее, Сирии, Ливане, Турции, Иране, Ираке, Индии, Мали, Гвинее. В Европе сорго выращивают в Италии, Венгрии, Румынии. В бывшем СССР зерновое сорго являлось малораспространенной зерновой культурой, посевы которой были сосредоточены в основном в Средней Азии, на юге Украины, в Молдавии, Северном Кавказе, Закавказье и Нижнем Поволжье. Наибольшее развитие производство сорго получило в США, занимающее ведущее место в мире по выращиванию сорго на зерно. В настоящее время в США. сорго занимает третье место среди зерновьж культур (после кукурузы и пшеницы).

В мировом производстве зерна сорго занимает по посевным площадям и валовым сборам пятое место (после пшеницы, риса, кукурузы, ячменя), а среди зернофуражных культур - третье (после кукурузы и ячменя). В Азии сорго занимает третье место после риса и пшеницы, в Африке - второе после кукурузы.

Сорго (Sorghum Moench) - род одно - многолетних трав семейства злаковых, насчитывающий около двадцати видов. Род представлен сорняками (гумай), кормовыми растениями (сорго сахарное, суданская трава) и зерновыми культурами (сорго обыкновенное, джугара, дурра, гаолян). В бывшем СССР и России род сорго представлен четырьмя культурными видами: сорго обыкновенное (S.Vulare Регз), возделываемое для кормовых, технических и продовольственных целей; джугара (S. Ccrmum Host); гаолян

(8. СЬтеше УакшсЬеП; суданская трава (8, ЗтМапеше Реге), возделываемая как кормовое растение (82, 154), В зависимости от использования, сорго делится на три группы: зерновое сорго - растения низкорослые, слабо кустящиеся; сахарное сорго - возделывают для получения сладких стеблей, которые используют для выработки патоки и на силос; венечное сорго -возделывают для получения метелок длиной 40 - 90 ем, используемых на веники.

Соцветие сорго - метелка различной формы, колоски одноцветковые, на концах разветвлений метелки находится по два-три колоска. Один из колосков обоеполый, другой - мужской, опадающим после цветения. У сорго преобладает перекрестное опыление.

Благодаря сильно развитой корневой системе и своеобразной способности листьев и стеблей растения сорго сокращать потерю влаги, среди зерновых оно лучше других приспособлено к засушливом}/ климату. Оно хорошо растет на черноземах, супесях и суглинках, характерна возможность роста на засоленных почвах.

Зерновое сорго возделывают главным образом на зерно, используемое преимущественно на зернофураж, а также в качестве сырья в спиртовой, крахмалопаточной и пивоваренной отраслях промышленности. К этой группе сорго относятся следующие типы: кафрское, майло, дурра, джугара, гаолян, фетерита (124). В мире насчитывается до 1000 разновидностей зернового сорго, разделяющиеся по форме метелок, окраске колосковых чешуи (цветковых пленок) и зерна, размеру зерна.

На зерно сорго установлен один стандарт - ГОСТ 8759 - 74 «Сорго в зерне кормовое и техническое», который делит сорго на типы и подтипы в зависимости от цвета плодовых оболочек и пленчатости. Плод сорго -зерновка - которая у пленчатых сортов плотно покрыта цветковыми и колосовыми чешуйками. Сорта считаются голозерными, если при обмолоте зерновка выпадает из цветковых оболочек (пленок); сорта считаются пленчатыми, если при обмолоте зерновка остается с пленкой. Зерно I типа

белое или белое с крапинками разного цвета, без цветковых пленок. Примесь других зерен не должна превышать 10 %, на подтипы не делится. Зерно II типа - сорго цветное - делится на два подтипа: голозерное без цветковых пленок - I подтип и зерно пленчатое - П подтип (32). Для кормовых и технических целей и для выработки комбикормов используется сорго I и II типов, смесь типов и подтипов. Для крахмалопаточной промышленности поставляется зерно преимущественно I типа.

Зерно сорго состоит из оболочки, покрывающей поверхность зерна, зародыша и эндосперма. Под наружной плодовой оболочкой располагается подоболочковый слой (перикарп), состоящий из нескольких тканевых слоев (170, 171, 172). Внешний слой (эпикарп) может содержать воск и пигменты. Средний слой (мезокарп) содержит гранулы крахмала, зацементированные белком; клетки этого слоя толще, чем в первом. Внутренняя часть (эндокарп) содержит крестовидные и цепевидные клетки. Под внутренней оболочкой находится алейроновый слой, который состоит из жира и белка и расположен под перикарпом почти по всей поверхности зерна, постепенно переходя в стекловидный эндосперм. Последний представляет собой систему крахмал -белок, в которой промежуточный белок прочно соединен с зернами крахмала. При измельчении его промежуточный белок разрушается вместе с прочно включенными в него зернами крахмала. Содержание белка в этой части эндосперма, как правило, больше, чем в мучнистом. В мучнистом эндосперме зерна крахмала слабо связаны со слоем прикрепленного к ним белка и с промежуточным белком: при измельчении его промежуточный белок отделяется легко, освобождая крахмальные зерна с прикрепленным к ним белком. Для крахмального производства представляет интерес сорта сорго с высоким содержанием мучнистого эндосперма, из которого легче извлекается крахмал.

Зародыш зерна сорго состоит из щитка, который отделяет его от эндосперма, почечки и зародышевого корешка.

Количественное соотношение частей зерна сорго зависит от сорта сорго и климатических условий произрастания. От массы всего зерна на долю зародыша приходится 9,5 -11,0 %, эндосперма - 82 - 82 %, оболочки - 7,5 -9,0 %. Доля зародыша в зерне сорго меньше, а доля оболочки больше, чем в зерне кукурузы.

В литературе имеется достаточно большое количество сведений о химическом составе зерна сорго (6, 28, 41, 50, 65, 72, 73 99). Современные исследователи уделяют большое внимание пищевой ценности зерна сорго, однако в представленных данных наблюдается существенное различие отдельных показателей в зависимости от сорта (39, 75, 81, 119, 126, 143, 151, 156, 165, 169).

Химический состав зерна сорго по сравнению с некоторыми зерновыми культурами представлен в табл. 1.1 (125).

Данные табл. 1.1 свидетельствуют о благоприятном химическом составе сорго. Так, содержание белка у сорго значительно больше, чем у риса, содержание крахмала выше, чем у других зерновых, содержание кальция и некоторых витаминов превышает их количество по сравнению с представленными культурами. По химическому составу зерно сорго приближается к зерну кукурузы, однако, содержание крахмала и белка колеблется в более широких пределах, по содержанию жира оно уступает ей. В отличие от кукурузы сорго содержит в небольших количествах таннин и воск.

Отдельные составные части зерна сорго сильно разнятся по химическому составу. Примерно 90% всего крахмала и 80 % всего белка находятся в эндосперме. Основное количество жира и золы, а также около 20 % всего белка - в зародыше.

Химический состав анатомически их частей зерна сорго представлен в соответствии с (75) в табл. 1 .2.

Таблица 1.1

Химический состав (%) зерна сорго в сравнении с другими зерновыми культурами.

Компоненты Рис Просо Кукуруза Сорго

Белки 87 12,9 12 12,2

Жиры 3 4,5 5,7 4,7

Крахмал 64,2 63,2 66,2 67

Клетчатка 10,5 9,1 2,4 4

Зола 4,5 3,4 1,4 2,5

Фосфор 0,38 0,37 0,35 0,34

Кальций, мг 0,05 0,06 0,04 0.11

Витамины, мг/%

В! 0,34 0.32 0,38 0,46

в2 0,08 0,07 0,14 0.16

РР 3.82 2,85 2,1 3,3

Е 1 2,3 5,5 2,7

вб 0,54 0,43 0,48 0,4

Расти .углеводы 7 2-5 3 2,4-4,5

Таннин нет нет нет 0,2-3,5

Воск нет нет нет 0,3

Энергетическая ценность, ккал 238 311 325 323

Таблица 1.2

Химический состав анатомических частей зерна сорго.

Зерно и его части Содержа ние в зерне,% Количество, % к сухим веществам

Золы Белка N х 6,25 Сырого воска Жира Крахмала

Зерно 100 1,65 12,3 0,32 3,6 73,8

Эндосперм 82,3 0,37 12,3 - 0.6 82,5

Оболочка 7,8 2,02 6,7 - 4,9 34,6

Зародыш 9,8 10,36 18,9 - 28,1 13,4

Белки сорго не содержат клейковины и содержат три основные фракции (кафирин, глобулины и глютелины). Основным белком сорго является кафирин, количество которого достигает 7,9 % по отношению к сухим веществам (Козьмина 50, 61). По данным (154) в зерне сорго содержится 18 аминокислот, больше всего глютаминовой, лейцина и аланина,

В состав минеральных веществ сортового зерна, как и кукурузного, входят, главным образом, соли калия, магния, кальция, натрия и железа. Минеральные вещества зерна сорго распределены в отдельных частях сорго неодинаково. Основное количество их сосредоточено в зародыше, меньше - в оболочке.

Зерно сорго различных сортов имеет различную окраску: от белой до черной. Эта окраска обуславливается наличием пигментов в наружной цветочной оболочке и наружной оболочке ядра, часть которых способна проникать в алейроновый слой и окрашивать периферийные клетки эндосперма (124) . В соответствии с (140, 141, 150, 153, 174) пигменты сорго делятся на две широкие категории: ка роте паи ды и соединения с фенолом. Последние растворяются в воде и кислотах. Различают простые фенольные соединения и производные многоатомных фенолов (таннины). Первые окрашивают зерно в розовый, красный, фиолетовый, синий цвета, с различными металлами эти вещества образуют окрашенные комплексы. Таннины - бесцветные вещества, легко окисляются под действием

окислительных ферментов, превращаясь в вещества красного и коричневого цветов. С солями трехвалентного железа они обр�