CC BY
2
МАШИНОСТРОЕНИЕ В АПК
УДК 663/1:621.9 DOI 10.24412/2311-6447-2024-2-186-192
Интенсификация технологии переработки зерна сои ультразвуком
Intensification of soybean grain processing technology
by ultrasound
Доцент Н.Л. Моргунова (ORCID ID 0000-0003-1671-0528), профессор Ф.Я. Рудик (ORCID 0000-0001-8444-0115), доцент В.С. Куценкова (ORCID 0000-00022468-9725), доцент А.В. Банникова (ORCID 0000-0002-8299-7208), аспирант Д.В. Макаров
Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова, кафедра технологии продуктов питания, тел. 8-845-269-26-24 rudik. sgau@mail. ru
Associate Professor N.L. Morgunova (ORCID ID 0000-0003-1671-0528), Professor F.Ya. Rudik (ORCID 0000-0001-8444-0115), Associate Professor V.S. Kutsenkova (ORCID 0000-0002-2468-9725), Associate Professor A.V. Bannikova (ORCID 0000-00028299-7208), Graduate student D.V. Makarov
Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov, chair of Food Technology, tel. 8-845-269-26-24 rudik. sgau@mail. ru
Аннотация. Зерно сои содержит до 60 % белка, близкого к белку животного происхождения, 9 незаменимых аминокислот. Оно хорошо приспособлено к хранению, обладает высокой пищевой и протеиновой ценностью. Но у сои есть ряд антипитательных веществ, усложняющих ее использование в пищевой и кормовой промышленности. Высокое содержание белка фермента ингибитора трипсина (до 15 %) и уреазы создает условия для плохой усвояемости продукта и корма, при этом потери доходят до 20 %, что снижает ее потребительскую ценность. Существующие способы инактивации ингибитора трипсина и уреазы основаны на обработке теплотой. Повышенная температура обработки наряду с инактивацией антипитательных веществ ведет к денатурации белка и потере свойств аминокислот, что ухудшает продуктовую и протеиновую ценность. Рассмотрен способ переработки соевых бобов при производстве продуктов питания и кормов для сельскохозяйственных животных. Предлагаемая технология основана на низкотемпературной обработке сои ультразвуковыми пульсирующими микропотоками высокого давления, что позволяет снизить до 98 % ингибирующую активность соевого сырья и активность уреазы. Обработку сои проводили окисляющим раствором, содержащим перекись водорода в концентрации 9 %, при температуре 20 °С с одновременной акустической обработкой 2 ультразвуковыми излучателями с частотой ультразвука 20 кГц, создающими направленные кавитиру-ющие микропотоки, интенсифицирующие процессы массопередачи и массоотдачи при удалении вредных составляющих.
Abstract. Soybean grain has many remarkable properties and, above all, a huge, up to 60 %, amount of protein close to animal protein, nine essential amino acids, high yield in our climatic zone, well adapted to storage, has high nutritional and protein value. However, it also has a number of anti-nutritional substances that complicate its use in the food and feed industries. The high protein content of the trypsin inhibitor enzyme, up to 15 %, and ureases create conditions for poor digestibility of the product and feed, while losses reach up to 20 %, which reduces its consumer value. The existing methods of inactivation of the trypsia and urease inhibitor are based on heat treatment. The increased processing temperature, along with the inactiva-tion of anti-nutrients, leads to protein denaturation and loss of amino acid properties, which worsens the product from the standpoint of food and protein value. The article discusses the method of processing soybeans in the production of food and feed for farm animals. The proposed technology is based on low-temperature processing of soybeans with ultrasonic pulsating high-pressure microflows and allows reducing the inhibitory activity of soy raw materials and urease activity by up to 98 %. Soybean processing is carried out with an oxidizing solution containing hydrogen peroxide at a concentration of 9 % at a temperature of
© Н.Л. Моргунова, Ф.Я. Рудик, В.С. Куценкова, А.В. Банникова, Д.В. Макаров, 2024
20 °C with simultaneous acoustic treatment with two ultrasonic emitters with an ultrasound frequency of 20 kHz, creating directed cavitating microflows that intensify the processes of mass transfer and mass transfer when removing harmful components.
Ключевые слова: ультразвук, кавитация, соя, обработка, трипсин
Keywords: ultrasound, cavitation, soy, processing, trypsin
Особенностью сои является наличие протеолитических ингибиторов, препятствующих усвоению белка. Поэтому в пищевой и комбикормовой промышленности используется соевое зерно в чистом виде и в смесях с содержанием не более 2-5 % ингибиторов. Отрицательным также является действие уреазы, представляющей собой гидролитический фермент из группы амидаз, обладающей свойством катализировать гидролиз мочевины с образованием углекислого газа и аммиака, что приводит к неприятному вяжущему вкусу, запаху, низкой потребительской пищевой ценности и усвояемости корма. Сырые соевые бобы требуют термической обработки, с помощью которой осуществляется экстракция бобов, что приводит к изменению их химических и биологических свойств и снижает антипитательные свойства. Однако тепловые процессы ведут к денатурации белка сои, высоким потерям незаменимых аминокислот и в целом к снижению питательной ценности.
Цель работы - совершенствование технологии переработки сои путем интенсификации процесса с помощью низкочастотного ультразвука. Для экспериментальных исследований были использованы зерна сои сортов "Злата", "Бара", "Соер-4", "Соер-5". Активность уреазы определяли по ГОСТ 13979.9-69, активность ингибитора трипсина - казеинолитическим методом М. Л. Какейды (в модификации И. И. Бен-кена). Исследования проводили в лабораториях Вавиловского университета.
Соевый белок должен усваиваться желудочно-кишечным трактом животного или человека, попадая в кровь в виде свободных аминокислот [1]. Это протекает под действием ферментов, участвующих в химическом взаимодействии, но характерным является то, что ингибиторы образуют с протеолитическими ферментами животного происхождения, в частности с трипсином и химотрипсином, стабильные комплексы, в которых фермент теряет активность. Ингибиторы резко снижают эффективность усвоения белка, вызывая торможение роста и гипертрофию поджелудочной железы [2].
Установлено, что на долю водорастворимых соединений приходится до 90 % ингибирующей активности, поскольку массовое соотношение водорастворимых и спирторастворимых групп составляет приблизительно 2,3:1,0, следовательно, для удаления антипитательных веществ необходимо экстрагировать ингибиторы в растворитель, в частности, в воду [3] (рис. 1).
Существуют различные методы обработки бобовых, которые снижают содержание ингибиторов. Поскольку они являются веществами белковой природы, любые физические или химические воздействия могут привести к потере биологически ценных свойств. Соя - самая распространенная кормовая культура. Известны способы промывки соевых бобов водой, замачивания в растворе щелочей, солей, кислот [3]. Отрицательным фактором является то, что химические методы обработки соевых бобов связаны с затратами на очистку, обезвреживание сточных вод и утилизацию отходов, вдобавок ко всему способы, основанные на химических процессах, плохо совместимы в пищевых продуктах и корма. Известны термические способы обработки соевых бобов, когда зерно обжаривают, варят, готовят на пару, подвергают инфракрасной или микроволновой обработке [4-11]. Это сопровождается значительными технологическими затратами и снижением пищевой ценности продукта (рис. 2).
Рис. 1. Технологическая схема производства комбикормов для сельскохозяйственных животных 1 - бункеры для сырья,; 2 - блочные магнитные сепараторы; 3 - блочные дробилки; 4 - блочные дозаторы; 5 - шнековый смеситель; 6 - пресс-гранулятор; 7 - охлаждающая колонна; 8 - бункер для накопления и отгрузки сырья
Представленные методы более результативны для разрушения уреазы и не так активно воздействуют на ингибиторы. Длительная термическая обработка приводит к разрушению структуры зерна, денатурации белка, высокой потере незаменимых аминокислот и образованию каши, что нежелательно для производства кормов. Приготовление сои на пару, как частный метод тепловой обработки, также имеет существенные недостатки. Пар активно воздействует на поверхностный слой соевых бобов и не проникает вглубь, в результате чего вредные вещества удаляются неравномерно.
При термообработке в автоклавах уреаза разрушается, а ингибитор трипсина - только на 45 %. При микроволновой обработке ингибитор трипсина разрушается, а уреаза - только на 40 % [11].
Исследования, проведенные с 2013 по 2019 гг., позволили усовершенствовать процесс получения корма для животных за счет измельчения соевых бобов, что позволяет значительно повысить процесс массопередачи при их обработке направленными пульсирующими акустическими кавитирующими микропотоками, возбуждаемыми низкочастотными ультразвуковыми генераторами. Предлагаемая технология позволяет снизить ингибирующую активность и показатели уреазы до нормируемых значений (рис. 3, 4). Измельчение соевых бобов позволяет сократить время обработки до 10 мин.
Рис. 2. Способы подготовки зернобобовых культур к производству кормов
Время обработки, мин
Рис. 3. Зависимость активности ингибитора от времени обработки
Производство комбикормов с переработанной соей по предлагаемой технологии представлено на рис. 5.
Рис. 4. Исследование активности уреазы
Рис. 5. Технологическая схема получения комбикорма на основе измельченных соевых бобов: 1 - бункеры для сырья,; 2 - блок магнитного сепаратора; 3 - блок дробилки; 4 - предлагаемое устройство для интенсивной обработки измельченных семян сои в поле акустических ультразвуковых волн; 5 - насос; 6 - емкость для смешивания; 7 - загрузочный резервуар с перекисью водорода; 8 - загрузочный резервуар с водой; 9 - бункер для накопления и отгрузки осажденного ингибитора; 10 - барабанная сушилка; 11 - промежуточный бункер; 12 - фильтр-отстойник; 13 - емкость для хранения; 14 - дозатор; 15 - шне-ковый смеситель; 16 - пресс-гранулятор; 17 - охлаждающая колонна; 18 - бункер для накопления и отгрузки
В бункеры 1 осуществляется загрузка исходных компонентов комбикорма, которые после отделения металлических примесей на магнитных сепараторах 2 подаются на линию дробилок 3, где происходит их измельчение. В дальнейшем очищенные и измельченные семена сои направляются в устройство ультразвуковой обработки 4. Туда с помощью насоса 5 и соединенного с ним подводом воды питательного резервуара 6 подается рабочая смесь, компонентами которой являются перекись водорода и вода, предварительно закачанные в соответствующие резервуары 7 и 8. В процессе ультразвуковой обработки происходит интенсивная гидратация семян, про-
текающая за счет процесса экстракции водорастворимых ингибиторов и осуществления активного окисления фермента уреазы за счет воздействия, производимого акустической кавитацией полостей перекисью водорода. Насыщенный растворенный протеин удаляется из рабочей зоны устройства и накапливается в емкости 13, откуда впоследствии направляется в фильтр-отстойник 12. В фильтрующем отстойнике смесь отходов разделяется на жидкую и твердую фазы, первая из которых может быть повторно использована в технологическом процессе, а вторая - после сбора в бункере 11 должна быть высушена в барабанной сушилке 10 и в дальнейшем поступить для отправки в бункер 9. Другие компоненты полученного сырья при транспортировке проходят через зону ультразвуковой обработки, непосредственно следуя за блоком промежуточных бункеров для хранения, откуда они затем подаются на линию дозирования 14 и далее в шнековый смеситель 15. Готовая кормовая смесь снова накапливается в промежуточном бункере, дозируется и направляется в зону гранулирования 16. Полученные кормовые гранулы высушиваются, охлаждаются в охлаждающей колонне 17 и подаются в бункер 18, откуда периодически отгружаются. Предлагаемая технология производства кормов для животных позволяет снизить ин-гибирующую активность соевого сырья и снизить уреазный индекс до нормируемых значений. Обработку сои следует проводить совместно с окисляющим раствором, вырабатываемым ультразвуковыми кавитирующими микропотами при температуре 30 °C с одновременной акустической обработкой двумя ультразвуковыми излучателями с частотой ультразвука 20 кГц, создающими интенсивные кавитационные пульсирующие микропотоки высокого давления в течение 10 мин. По результатам исследований разработан технологический процесс инактивации фермента ингибитора трипсина и уреазы и конструкционная проработка, по которым получены патент на пол. мод. № 208531 РФ «Устройство для обработки зерна, пивного солода, семян масличных культур» [10]; патент на пол. мод. № 223297 РФ «Многофункциональное шнековое устройство для обработки зерновых и зернобобовых культур» [11].
ЛИТЕРАТУРА
1. Garaeva, S.N. 2009 Amino acids in the living organism / S.N, Garaeva, G.V. Redkozubova, G.V. Postolati // Chisinau: Academy of Sciences of Moldova. - 2009. - рр.325.
2. Рудик, Ф.Я. Совершенствование технологии переработки сои с использованием ультразвука / Ф.Я. Рудик, Б.П. Загородских, Н.Л. Моргунова, Ю.А. Кодацкий. - Текст: непосредственный // Вестник Мордовского университета. - Том 28, № 2. - 2018. - С. 266-286.
3. Рудик, Ф.Я. Интенсификация водной обработки зерна сои с помощью ультразвука / Ф. Я. Рудик, Н. Л. Моргунова, Ю. А. Кодацкий. - Текст: непосредственный // Научное обозрение. - 2013. - № 1. - С. 66.
4. Патент РФ № 2004131519. Способ получения термообработанной соевой крупки / Доценко С.М., Гиль О.Б. - 2004. - Текст: непосредственный.
5. Гапанова, Л.В. Современные технологии переработки сои в России / Л.В. Гапанова, Т.А. Полежаем, Н.В. Болотовская, А.Л. Кузьмин. - Текст: непосредственный // Главный агроном. - 2006. - № 4. - С. 85-86.
6. Комолых, О.М. Новый способ устранения «бобового привкуса» при переработке семян сои на пищевые цели / О.М. Комолых, Р.В. Комолых, В.О. Комолых. - Текст: непосредственный // Научные основы повышения эффективности с.-х. производства на Дальнем Востоке России: матер. IV Казьминских чтений. -Хабаровск, 2006. - С. 127-129.
7. Новикова, В.А. Микронизация кормового зерна как способ подготовки его к скармливанию / В.А. Новикова. - Текст: непосредственный // Вестник КрасГАУ.
- 2008. - № 2. - С.275- 278.
8. Филатов, В.В. Тепловая обработка зерна сои при инфракрасном энергоприводе / В.В. Филатов, В.В. Кирдяшкин, Р.Р. Азизов. - Текст: непосредственный // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2008. - № 5. - С. 34.
9. Фролов В.Ю Классификация способов инактивации антипитательных веществ / В.Ю. Фролов, Д.П. Сысоев, Г.Г. Класнер, С.С. Горб.
- Текст: непосредственный // International scientific and practical conference world science. - № 4(8). - С. 39-43.
10. Патент РФ № 208531. Устройстводля обработки зерна , пивного солода, семян масличных культур / Рудик Ф.Я, Макаров Д.В., Сундуков Е.А. [и др]. - 2021.
- Текст: непосредственный.
11. Патент РФ № 223297 Многофункциональное шнековое устройство для обработки зерновых и зернобобовых культур / Рудик Ф.Я., Макаров Д.В., Сундуков
E.А. [и др]. - 2023. - Текст: непосредственный.
REFERENCES
1. Garaeva, S.N. 2009 Amino acids in the living organization / Garaeva S.N., Redkozubova G.V., Postolati G.V. // Chisinau: Academy of Sciences of Moldova. - 2009.
- pр.325.
2. Rudik, F.Ya. Improvement of soybean processing technology using ultrasound /
F.Ya. Rudik, B.P. Zagorodskikh, N.L. Morgunova, Yu.A. Kodatsky // Bulletin of the Mordovian University. - 2018. Volume 28, - №. 2. - pp. 266-286.
3. Rudik, F.Ya. Intensification of aqueous processing of soybean grain using ultrasound / F.Ya. Rudik, N.L. Morgunova, Yu.A. Kodatsky // Scientific Review. - 2013.
- №. 1. - pр. 66.
4. Dotsenko S.M., Gil O.B. Method of obtaining heat-treated soy grits // RF Patent № 2004131519. - 2004.
5. Gapanova, L.V. Modern technologies of soybean processing in Russia / L.V. Gapanova, T.A. Polezhaem, N.V. Bolotovskaya, A.L. Kuzmin // Chief agronomist. - 2006. - №. 4. - pp. 85-86.
6. Komolykh, O.M. A new way to eliminate the "bean flavor" in the processing of soybean seeds for food purposes / O.M. Komolykh, R.V. Komolykh, V.O. Komolykh // Scientific foundations of increasing the efficiency of agricultural production in the Far East of Russia: materials of the IV Kazmin readings. Khabarovsk, 2006. - pp. 127-129.
7. Novikova, V.A. Micronization of feed grain as a way to prepare it for feeding // Bulletin of KrasGAU. - 2008. - № 2. - pp. 275-278
8. Filatov, V.V. Thermal processing of soybean grain with infrared power drive / V.V. Filatov, V.V. Kirdyashkin, R.R. Azizov // Storage and processing of agricultural raw materials. - 2008. - № 5. - pр. 34.
9. Frolov, V.Yu. Classification of methods of inactivation of anti-nutritional substances / V.Yu. Frolov, D.P. Sysoev, G.G. Klassner, S.S., Gorb // International scientific and practical conference world science. - № 4(8), - pp. 39-43.
10. Patent of the Russian Federation № 208531 Devices for processing grain, beer malt, oilseeds / Rudik F.I, Makarov D.V., Sundukov E.A. etc. - 2021.
11. Patent of the Russian Federation № 223297 Multifunctional screw device for processing grain and leguminous crops / Rudik F.Ya., Makarov D.V., Sundukov E.A., etc.-2023
