CC BY
38
УДК 633.14:664.2; 633.16(045)
Изучение целесообразности производства крахмала и побочных продуктов из шелушенного зерна ржи и ячменя
Л.П. Носовская; Л.В. Адикаева; В.Г. Гольдштейн, канд. техн. наук
ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, п. Красково, Московская область Реферат
Зерно ржи и ячменя обрушивали на шелушильной машине ЗШН. Полученные зерновые фракции разделяли на два продукта: первый продукт состоял из шелушенного зерна и незначительного количества частично шелушенных зерен, а также дробленых частей зерна, которые не просеивались через сетку отверстиями 2 х 1,5 мм; второй продукт состоял в основном из шелухи и частиц измельченного зерна - прохода через сито с отверстиями 2 х 1,5 мм. Выход шелушенной ржи составил 97,3 %, ячменя - 88,7 %. Массовая доля крахмала в шелушенном зерне ржи составила 65,7 %, в шелушенном зерне ячменя - 65,8 %. Массовая доля крахмала в шелухе и проходе через сито с отверстиями 2 х 1,5 мм для ржи составила 23,5 %, для ячменя - 10,7 %. Массовая доля крахмала в шелушенном зерне ржи увеличилась на 2,2 %, в зерне ячменя - на 4,8 %. Выход крахмала из шелушенного зерна ржи на 4,5 % выше, чем из целого зерна, а из шелушенного зерна ячменя - на 6 %. Увеличение выхода крахмала можно объяснить значительным уменьшением потерь крахмала с мезгой, что подтверждено экспериментально. Выход мезги из шелушенного зерна ржи меньше на 7,4 %, по сравнению с этим показателем при переработке целого зерна; выход мезги при переработке шелушенного ячменя уменьшился на 12,3 %. Выход крахмала Б при переработке шелушенного зерна ржи и ячменя изменялся незначительно. Выход экстракта из шелушенного зерна ржи увеличился в 1,5 раза, из шелушенного ячменя - в 1,6 раза. В экстракте, полученном из шелушенного зерна ржи, наблюдается увеличение массовой доли белка в 1,5 раза, при переработке обрушенного ячменя увеличения выхода белковых компонентов не обнаружено. Выход растворимых веществ в промывную воду из шелушенного зерна ржи больше в 2,1 раза, а из шелушенного ячменя - в 1,8 раза больше, чем из целого зерна. Следовательно, экстракция растворимых веществ из обрушенного зерна ржи и ячменя проходит эффективнее, чем из целого зерна.
Ключевые слова
крахмал; мезга; промывная вода; рожь; ферментация; шелушенное зерно (обрушенное зерно); экстракт; ячмень Цитирование
Носовская Л.П., Адикаева Л.В., Гольдштейн В.Г. (2019) Изучение целесообразности производства крахмала и побочных продуктов из шелушенного зерна ржи и ячменя // Пищевая промышленность. 2019. № 1. С. 60-63.
Study of the feasibility of production of starch and by-products from the flaky grain of rye and barley
L.P. Nosovskaya; L.V. Adikaeva; V.G. Gol'dshtejn, Candidate of Technical Sciences
All-Russian Research Institute of Starch Products - a branch of the Federal Science Center for Food Systems V.M. Gorbatov RAS, Kraskovo, Moscow region Abstracts
Grain rye and barley was treated at shelling machine ZShN. The obtained grain fractions were divided into two products: the first product consisted of flaky grain and a small number of partially flaky grains, as well as crushed grain parts that are not sifted through the grid holes 2 x 1.5 mm; the second product consisted mainly of husks and particles of crushed grain-pass through a sieve with holes 2 x 1.5 mm. The yield of the hushed rye was 97.3 %, barley 88.7 %. The mass fraction of starch in the husked rye grain was 65.7 %; in the husked barley grain 65.8 %. The mass fraction of starch in the husk and the passage through a sieve with holes of 2 x 1.5 mm for rye was 23.5 %; for barley - 10.7 %. It was found that the mass fraction of starch in the hulled grain of rye increased by 2.2 %, in the grain of barley-by 4.8 %. The extraction of starch from the flaky grain of rye is 4.5 % higher than from the whole grain, and from the flaky grain of barley by 6 %. The extraction of starch from the flaky grain of rye is 4.5 % higher than from the whole grain, and from the flaky grain of barley by 6 %. The increase in the yield of starch can be attributed to the considerable reduction of loss of starch with the pulp, which is confirmed experimentally. The output of the pulp from the flaky grain of rye is less by 7,4 %, compared with this indicator in the processing of the whole grain; pulp extraction during the processing of hulled barley decreased by 12.3 %. Extraction of starch "B" in the processing of flaky grain rye and barley has not changed significantly. The amount of soluble substances that pass into the extract from the flaky grain of rye increased 1.5 times, from the flaky barley 1.6 times. In the extract obtained from the flaky grain of rye, an increase in the mass fraction of protein is observed 1.5 times, during the processing of collapsed barley, an increase in the yield of protein components is not detected. The extraction of soluble substances in wash water from the husked rye grain is 2.1 times more, and from the husked barley - 1.8 times more than from whole grain. Consequently, the extraction of soluble substances from the collapsed grain of rye and barley is more effective than from the whole grain.
Key words
barley; extract, fermentation, hulled grain (flaky grain), pulp; rye; starch; washing water Citation
Nosovskaya L.P., Adikaeva L.V., Gol'dshtejn V.G. (2019) Study of the feasibility of production of starch and by-products from the flaky grain of rye and barley // Food processing industry = Pisshevaya promyshlennost. 2019. № 1. P. 60-63.
Оболочка зерна ржи состоит из плодовой (наружной) и семенной оболочки. Плодовая оболочка зерна выполняет защитные функции и представляет собой слой мертвых клеток, лишенных внутриклеточного содержимого, состоит из целлюлозы и минеральных солей. Плодовая оболочка состоит из трех слоев, клетки каждого удлинены вдоль или поперек оси зерна, причем та и другая форма клеток чередуется. Наиболее прочным и устойчивым является слой продольных клеток оболочки, он устойчив к различным видам обработки и непроницаем для воды, что придает оболочке зерна ее прочность [1]. В семенной оболочке также присутствует целлюлоза, но, кроме нее и минеральных веществ, в состав входят сахара, азотистые вещества, пигменты и др. компоненты.
в ячмене имеется еще и наружная оболочка, которая называется цветковой, составляющая 8-13% массы зерна. Цветковая оболочка состоит в основном из целлюлозы с небольшим количеством липи-дов, фенольных и азотистых соединений.
оболочки ячменя и ржи при переработке этих видов зерна на крахмал затрудняют его извлечение и могут использоваться только в качестве компонентов корма, побочного продукта производства зернового крахмала.
При шелушении (обрушивании) удаляются цветочные пленки, частично плодовые и семенные оболочки. в обрушенном зерне резко снижается количество клетчатки и пентозанов (со—ответственно 8292 % и 61-75% от их первоначаль—ного содержания).
Водорастворимые пентозаны обладают высокой сорбционной способностью воды, поглощая ее в 10 раз больше собственной массы. Кроме того, некрахмальные полисахариды при набухании образуют вязкие клееобразные растворы. При переработке зерна ржи и ячменя пентозаны существенно влияют на эффективность отделения крахмала от других компонентов зерна.
Установлено, что при уменьшении процента снятия шелухи (2,0-10,0%) потери крахмала снижаются. Выявлено что минимальными потерями крахмала характеризуется процесс шелушения ячменя: для всех образцов независимо от влажности и от процента снятия шелухи они не превышают 1,2%. Допустимая степень шелушения ржи для соответствующих влажностей составляет 5-6% [2].
В результате шелушения зерна получают смесь различных продуктов, которые условно можно разделить на пять фракций. Основная фракция - это шелушенное
зерно, или ядро. Некоторые зерна остаются не шелушенными и образуют вторую фракцию. При шелушении отделяются наружные пленки, которые являются третьей фракцией - шелухой (лузгой). При шелушении часть ядра дробится, дробленое ядро - это четвертая фракция. Часть ядра и пленок дробится до более мелких частиц, которые представляют собой мучку - пятую фракцию [3].
Переработка обрушенного зерна должна уменьшить потери крахмала при промывке мезги в результате значительного уменьшения ее массы.
В производстве комбикормов для птицы широко используется ячмень, который хорошо поедается птицей и положительно влияет на ее продуктивность. Однако существенным недостатком ячменя является то, что его цветочная пленка, содержащая клетчатку, прочно срастается с зерновкой, поэтому пленка плохо отделяется от ядра и, как следствие, клетчатка поступает в корма. Инновационным подходом в технологии производства высокопродуктивных комбикормов для птицы является применение технологии, позволяющей максимально эффективно удалять цветочные пленки на линии шелушения ячменя [4, 5]. Исследованиями в области спиртовой промышленности установлено, что при получении сусла по методу «холодного затирания» с измененными технологическими параметрами, используя в качестве сырья шелушенную рожь, позволяет достичь, а в ряде случаев превысить основные показатели качества сусла по сравнению с контрольным образцом, полученным по механико-ферментативному способу [6]. Частичное снятие верхних периферийных слоев зерновки ржи, составляющих до 5% общей массы, позволяет использовать более мягкие режимы его переработки, что снижает затраты на электроэнергию, упрощает технологическую схему производства и уменьшает потери. Установлено, что внесение ферментного препарата Viscoferm приводит к снижению вязкости исследуемой среды, что позволяет даже при высоких температурах получить сусло с высоким содержанием сухих веществ [7].
Цель работы - установить эффективность применения операции шелушения зерна ржи и ячменя перед их последующей переработкой на крахмал и крахмалопродукты.
Зерно ржи и ячменя предварительно обрушивали на шелушильной машине ЗШН. Полученные зерновые фракции разделяли на два продукта: первый продукт состоял из обрушенного зерна и незначи-
тельного количества частично обрушенных зерен, а также дробленых частей зерна, которые не просеивались через сетку отверстиями 2 х 1,5 мм; второй продукт состоял в основном из шелухи и частиц измельченного зерна -прохода через сито с отверстиями 2 х 1,5 мм.
Выход обшелушенной ржи составил 97,3 %, ячменя - 88,7%. Массовая доля крахмала в обшелушенном зерне ржи составила 65,7%, в шелушенном зерне ячменя - 65,8%.
Массовая доля крахмала в шелухе и проходе через сито с отверстиями 2 х 1,5 мм для ржи составила 23,5%, для ячменя - 10,7%.
Результаты по содержанию массовой доли крахмала в целом и обшелушенном зерне приведены на рис. 1. Массовая доля крахмала в шелушенном зерне ржи увеличилась на 2,2%, в зерне ячменя -на 4,8%.
Навески целого и шелушенного зерна ржи и ячменя массой 75 г замачивали в 0,4 %-ном растворе метабисульфита натрия в течении 48 ч при температуре 48-50 °С. По окончании процесса замачивания полученный зерновой экстракт отделяли от зерна, определяли концентрацию сухих веществ (СВ) и динамическую вязкость (мПа^с) на вискозиметре Гепплера KF 3.2.
Емкость с замоченным зерном, после отделения от зерна экстракта, заполняли водой и выдерживали водо-зерновую смесь в течение 3 ч при температуре 45 °с, после чего промывную воду отделяли от замоченного зерна, измеряли ее объем и концентрацию СВ.
В замоченное зерно добавляли 150 мл воды, нагретой до 40 °С, и измельчали водо-зерновую смесь на блендоре Braun в течение 3 мин. В каждую пробу измельченной зерновой массы (пробы с измельченным и обрушенным зерном) добавляли фермент Viscoferm (компании Novozymes, Дания) из расчета 200 г / т
Рис. 1. Изменение массовой доли крахмала в зерне ржи и ячменя при шелушении (обрушивании)
Таблица 1
Результаты исследования выхода и концентрации СВ в экстракте, промывной воде и фильтрате, полученных при переработке шелушенного и целого зерна ржи
и ячменя
Зерновой экстракт Промывная вода
Исследуемое зерно концентрация СВ, % выход СВ, % массовая доля белка, % СВ концентрация СВ, % выход СВ, %
Целое зерно ржи 5,9 7,8 18,5 2,1 3,0
Шелушенное зерно ржи 7,7 11,6 27,6 4,0 6,3
Целое зерно ячменя 3,3 4,9 19,6 1,1 1,5
Шелушенное зерно ячменя 4,9 8,0 19,7 1,8 2,7
Таблица 2
Результаты исследования фильтрата после ферментации и центрифугирования
зерновой массы
Фильтрат, полученный при переработке зерна
Исследуемое зерно Без ферментов С ферментом
СВ, % Выход СВ, % СВ, % Выход СВ, %
Целое зерно ржи 5,1 13,8 5,4 15,4
Шелушенное зерно ржи 3,0 8,8 3,6 10,6
Целое зерно ячменя 2,2 5,4 2,8 6,8
Шелушенное зерно ячменя 1,6 3,9 2,0 5,1
Таблица 3 Исследование динамической вязкости зернового экстракта фильтрата, полученного при центрифугировании зерновой массы
Исследуемое зерно Вязкость экс- Вязкость фильтрата, мПа^с
тракта, мПа •с без ферментации с ферментацией
Целое зерно ржи 0,93 16, 8 9,5
Шелушенное зерно ржи 2,3 5,8 4,5
Целое зерно ячменя 1,0 8,7 2,9
Шелушенное зерно ячменя 1,2 5, 1,7
Таблица 4 Качественные показатели крахмала и побочных продуктов переработки шелушенного и не шелушенного зерна ржи и ячменя
Крахмал А Мезга Крахмал Б
Исследуемое зерно Выход, % СВ зерна Массовая доля крахмала, % СВ крахмала Выход, % СВ зерна Массовая доля крахмала, % СВ мезги Выход, % СВ зерна Массовая доля крахмала, % СВ крахмала Б
Целое зерно ржи 37,0 0,9 20,3 30,4 23,4 71,8
Шелушенное зерно ржи 41,5 0,8 12,9 27,5 22,5 78,1
Целое зерно ячменя 36,9 1,0 26,8 23,5 23,5 68,0
Шелушенное зерно ячменя 42,9 0,9 14,5 27,0 22,6 71,0
зерна) и ферментировали при постоянном перемешивании в течение 4 ч при рН 4,6 и температуре 50 °С. Для снижения водородного показателя зерновой массы использовали Ш соляную кислоту. По истечении процесса ферментации раствор отделяли от зерновой массы центрифугированием на лабораторной центрифуге. В фильтрате определяли объем, массовую долю св и динамическую вязкость на вискозиметре Гепплера ^ 3.2. Отделенную на центрифуге зерновую
массу разбавляли водой до массовой доли СВ 18-20 % и семикратно промывали на капроновом сите № 70 для отделения крахмалобелковой суспензии от клетчатки (мезги). Промытую до йодной пробы мезгу высушивали и определяли массу мезги и массовую долю в ней крахмала. Крахмалобелковую суспензию разделяли на двухметровом желобе на крахмал А и крахмал Б. Крахмальные суспензии фильтровали через бумажный фильтр на воронке Бунзена под вакуу-
мом. Полученные образцы высушивались для определения их массы (выхода продуктов из переработанного зерна). В крахмале Б определяли массовую долю крахмала, в крахмале А - массовую долю белка.
В табл. 1, 2 и 3 приведены результаты исследования зернового экстракта, промывных вод и фильтрата после центрифугирования зерновой массы, которые были получены при переработке шелушенного и целого зерна ржи и ячменя.
Концентрация сВ и выход экстракта при переработке шелушенного зерна ржи и ячменя превышают аналогичные показатели, полученные при переработке целого зерна. Выход экстракта из шелушенного зерна ржи увеличился в 1,5 раза, из шелушенного ячменя - в 1,6 раза. В экстракте, полученном из шелушенного зерна ржи, наблюдается увеличение массовой доли белка в 1,5 раза, при переработке обрушенного ячменя увеличение выхода белковых компонентов не обнаружено.
Выход растворимых веществ в промывную воду из шелушенного зерна ржи больше в 2,1 раза, а из шелушенного ячменя - в 1,8 раза больше, чем из целого зерна. следовательно, экстракция растворимых веществ из обрушенного зерна ржи и ячменя проходит эффективнее, чем из целого зерна.
Извлечение СВ в фильтрат при центрифугировании зерновой массы при переработке целого зерна выше, чем из шелушенного, для зерна ржи в 1,45 раза, для ячменя - в 1,33 раза.
Следовательно, часть растворимых веществ извлекается из шелушенного зерна в процессе замачивания с переходом в экстракт и, в процессе промывания зерна, с выходом растворимых веществ -в промывную воду, т. е. выводится раньше из технологического процесса извлечения крахмала, что имеет значение для дальнейшего введения технологического процесса. Растворимые в воде некрахмальные полисахариды существенно влияют на процесс разделения крахмалобелковой суспензии и качество извлеченного крахмала.
Вязкости зерновых экстрактов, извлеченных из целого зерна ржи и ячменя, сопоставимы по полученным результатам. Но динамическая вязкость экстракта из обрушенного зерна ржи в 2,5 раза больше, чем экстракта из целого зерна ржи. Для обрушенного зерна ячменя этот показатель меньше всего в 1,2 раза. Эти данные свидетельствуют о разной экстрактивной способности
растворимых компонентов зерен ржи и ячменя.
Вязкость фильтрата из целого зерна ржи, полученного из зерновой массы без ферментации, в 1,8 раза выше, чем из зерновой массы из целого зерна, подвергнутой ферментации. Вязкость фильтрата, извлеченного из зерновой массы при переработке обрушенного зерна ржи, в 2,9 раза меньше, чем аналогичный показатель переработки целого зерна. Очевидно, шелушение зерна улучшает доступность некрахмальных полисахаридов зерна к действию собственных и микробных ферментов. Это утверждение согласуется с показателями вязкости фильтратов обшелушенного и нешелу-шенного зерна ржи.
Аналогичные результаты получены и при переработке обшелушенного и не-шелушенного зерна ячменя, причем ферментация зерновой массы обрушенного ячменя позволила снизить вязкость фильтрата на 2,8 мПа^с больше, чем у аналогичного показателя шелушенной ржи, что свидетельствует об избирательности фермента Viscoferm.
Результаты исследования продуктов переработки шелушенного и нешелу-шенного зерна ржи и ячменя приведены в табл. 4.
Выход крахмала из шелушенного зерна ржи на 4,5% выше, чем из целого зерна, а из шелушенного зерна ячменя - на 6%. Увеличение выхода крахмала можно объяснить значительным уменьшением потерь крахмала с мезгой. По сравнению с переработкой целого зерна, выход мезги из шелушенного зерна ржи уменьшился на 7,4%, а при переработке шелушенного ячменя - на 12,3%. Выход крахмала Б при переработке шелушенного зерна ржи и ячменя изменяется незначительно.
Необходимо отметить, что при переработке шелушенного зерна ржи и ячменя в зерновой экстракт и промывную воду вымывается свободный крахмал. С целью уменьшения потерь крахмала при его переработке рекомендуется использовать промывную воду для транспортировки зерна на сито отцеживания зерна перед помолом и после отстаивания осадка, который направляется для сопровождения зерна на измельчение, вода используется
для замачивания зерна. Фильтрат, полученный при отделении зерновой массы после ферментации, может быть использован в качестве промывной воды. Зерновой экстракт рекомендуется отстаивать и направлять на сопровождение зерна на дробление.
Полученные результаты подтверждают возможность применения операции шелушения зерна ржи и ячменя перед их последующей переработкой на крахмал и крахмалопродукты. Для обоснования целесообразности шелушения ржи и ячменя в каждом конкретном случае следует учитывать экономические аспекты производства, т. е. дополнительные затраты, связанные с шелушением, и полученный от его использования эффект.
ЛИТЕРАТУРА
1. Куропаткина, О.В. Усовершенствование технологического производства пшеничных хлопьев, готовых к употреблению/О.В. Куропаткина. - Автореф. дис... канд. техн. наук -М., 2015. - 27 с.
2. Крикунова, Л.Н. Шелушение зерна в технологии этанола/Л. Н. Крикунова, С.М. Рябова, О. С. Журба // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2012. - № 1. -С. 14-16.
3. Гафин, М.М. Шелушение зерна/М.М. Га-фин // Научный вестник технологического института - филиала ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина». - Димитровград, 2014. - № 13. - С. 96-100.
4. Питулина, А.И. Инновационные технологии в шелушении ячменя при производстве высокопродуктивных кормов для пти-цы/А.И. Питулина, А.С. Прокопец. - Сборник материалов II Международной научно-практической конференции «Инновационные исследования и разработки для научного обеспечения производства и хранения экологически безопасной сельскохозяйственной продукции». - Краснодар: ГНУ ВНИИ табака, махорки и табачных изделий РАСХН, 2017. -444-446 с.
5. Калугина, О. Ю. Научное обеспечение агропромышленного производства/О.Ю. Калугина, Н.Н. Новикова. - Материалы Международной научно-практической конференции. - Курск: Курская государственная
сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова, 2012. - 5-7 с.
6. Рябова, С.М. Ресурсосберегающий способ переработки ржи в спиртовой отрасли/ С. М. Рябова // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2013. - № 4. -С. 20-23.
7. Крикунова, Л.Н. К вопросу получения сусла из шелушенной ржи/Л.Н. Крикунова, С.М. Томгорова, И.В. Лазарева // Пиво и напитки. - 2015. - № 5. - С. 62-65.
REFERENCES
1. Kuropatkina, O. V. Usovershenstvovanie tehnoLogicheskogo proizvodstva pshenichnyh hLop'ev, gotovyh k upotrebLeniju/O. V. Kuropatkina. - Avtoref. dis... k. t. n. - M., 2015. -27 s.
2. Krikunova, L.N. SheLushenie zerna v teh-noLogii jetanoLa/L.N. Krikunova, S.M. Rjabova, O.S. Zhurba // Proizvodstvo spirta i Likerovod-ochnyh izdeLij. - 2012. - № 1. - S. 14-16.
3. Gafin, M.M. SheLushenie zerna/M.M. Gafin // Nauchnyj vestnik tehnoLogicheskogo insti-tuta - fiLiaLa FGBOU VO «UL'janovskaja GSHA im. P.A. StoLypina». - Dimitrovgrad, 2014. - № 13. -S. 96-100.
4. PituLina, A.I. Innovacionnye tehnoLogii v sheLushenii jachmenja pri proizvodstve vysoko-produktivnyh kormov dLja pticy / A.I. PituLina, A.S. Prokopec. - Sbornik materiaLov II Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Innovacionnye issLedovanija i raz-rabotki dLja nauchnogo obespechenija proizvodstva i hranenija jekoLogicheski bezopasnoj seL'skohozjajstvennoj produkcii». - Krasnodar: GNU VNII tabaka, mahorki i tabachnyh izdeLij RASHN, 2017. - 444-446 s.
5. KaLugina, O.Ju. Nauchnoe obespechenie agropromyshLennogo proizvodstva/O.Ju. KaLugina, N. N. Novikova. - MateriaLy Mezh-dunarodnoj nauchno-prakticheskoj konfer-encii. - Kursk: Kurskaja gosudarstvennaja seL'skohozjajstvennaja akademija im. prof. I.I. Ivanova, 2012. - 5-7 s.
6. Rjabova, S. M. Resursosberegajushhij sposob pererabotki rzhi v spirtovoj otras-Li/S.M. Rjabova // Proizvodstvo spirta i Likero-vodochnyh izdeLij. - 2013. - № 4. - S. 20-23.
7. Krikunova, L. N. K voprosu poLuchenija susLa iz sheLushennoj rzhi/ L.N. Krikunova, S.M. Tomgorova, I.V. Lazareva // Pivo i napitki. -2015. - № 5. - S. 62-65.
Авторы
Носовская Лилия Петровна, Адикаева Лариса Владимировна, Гольдштейн Владимир Георгиевич, канд. техн. наук ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, 140051, Московская обл., пос. Красково, ул. Некрасова, д. 11, [email protected]
Authors
Nosovskay Lilia Petrovna, Adikaeva Larisa Vladimirovna,
Goldshtein Vladimir Georgievich, Candidate of Technical Sciences All-Russian Research Institute of Starch Products - a branch of the Federal Science Center for Food Systems V.M. Gorbatov of RAS, 11, Nekrasov str., Kraskovo, Moscow region, 140051, [email protected]
