CC BY
29
УДК: 664.727.085
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ КОРМОВОЙ ПАТОКИ
B.В. АКСЕНОВ, кандидат химических наук, зав. отделом
C.К. ВОЛОНЧУК, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник (e-mail: volonchuk2015@ yandex.ru)
А.И. РЕЗЕПИН, научный сотрудник
С.А. ДУБКОВА, научный сотрудник
Сибирский научно-исследовательский технологический институт переработки сельскохозяйственной продукции Сибирского федерального научного центра агробиотехнологии РАН, пос. Краснообск, а/я 358, Новосибирский р-н, Новосибирская обл., 630501, Российская Федерация
Резюме. Исследования проводили с целью сокращения времени биоконверсии зерна пшеницы и энергозатрат на реализацию технологии производства кормовой патоки путем предварительной обработки ИК излучением. Работа выполнена в лабораториях института переработки сельскохозяйственного сырья. Партии зерна влажностью 12, 15 и 18 % облучали на разработанной в институте лабораторной установке ИК излучением с плотностью потока 17-23 кВт/м2 Степень деструкции крахмала определяли по ГОСТ29177-91, прочность зерен до и после ИК обработки - на оригинальном приборе Сибирского института физико-технических проблем, энергозатраты - по показаниям электросчетчика СО ЭБ1. Наибольшая степень деструкции крахмала, выраженная через содержание глюкозы, отмечена в вариантах с зерном влажностью 15 % при продолжительности обработки 130 с (47,457 мг/г сухого вещества) и с зерном влажностью 18 % при продолжительности обработки 190 с (46,606 мг/г сухого вещества). Плотность потока ИК излучения составила 17 кВт/м2. Наибольшее уменьшение прочности зерна после ИК обработки отмечено при влажности 15 % (в 6раз). Ферментативный гидролиз облученного (9 вариантов) и необлученного зерна проводили на установке роторно-импульсного типа (РПА), разработанной в СибНИТИП. Содержание общего количества сахаров в патоке после ферментативного гидролиза ИК облученного зерна определяли в 6-и пробах: через 30, 60, 90, 130, 170 и 210 мин. Одинаковое количество сахаров 16,8 % отмечено в 6-й (210 мин) пробе патоки из не облученного зерна и 2-й (90 мин) пробе из облученного зерна. При этом время на биоконверсию зерна уменьшилось в 2,1-2,4 раза, а общие энергозатраты с учетом затрат на ИК облучение - в 1,27-1,36 раза.
Ключевые слова: зерно пшеницы, инфракрасный, ферментативный гидролиз, деструкция, крахмал, патока, энергозатраты, эффективность.
Для цитирования: Оценка эффективности технологических приемов совершенствования способа получения кормовой патоки В.В.Аксенов, С.К. Волончук, А.И. Резепин, С.А. Дубкова //Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. №2. С. 45-47.
В ГНУ СибНИТИП была разработана технология производства кормовых паток из различных видов зернового сырья, которая на стадии предварительной обработки зерна предусматривает его замачивание или дробление [1]. Воду, используемую для гидролиза, подвергают электродиализу для активации и получения нужных значений рН [1].
Основные достоинства такой технологии заключаются в следующем:
возможность использования различных видов фуражного зерна;
ремонтопригодность и долговечность оборудования;
оборудование и реактивы отечественного производства.
Технологию с 2005 г. успешно используют в ряде хозяйств Новосибирской и Томской областей, Красноярского и Алтайского краев, Республики Татарстан. Более широкое ее распространение сдерживают высокая стоимость оборудования и значительные энергозатраты. При этом если снижение стоимости оборудования возможно благодаря использованию современных материалов, обладающих повышенными прочностными характеристиками, и путем его серийного производства, то для решения задачи уменьшения энергозатрат на стадии биоконверсии зерна необходимо проведение соответствующих научных исследований.
Анализ публикаций и патентов по обсуждаемой теме свидетельствует о том, что существуют различные способы физического воздействия на зерновое сырье с целью изменения его прочностных и физико-химических свойств, обеспечивающие более полное и легкое усвоение питательных веществ при кормлении животных и птицы [2, 3]. При этом один из основных способов обработки - микронизация зернового сырья - процесс быстрого нагрева в потоке ИК излучения. В ходе его реализации вследствие термовлагопровод-ности (термодиффузии), влага по капиллярам и порам перемещается к центру зерновки. Так как величина подводимой и поглощаемой энергии достаточно большая, то влага нагревается до 110-150 °С, что приводит к быстрому испарению и повышению давления водяных паров в зерне, которое «взрывает» его. При этом нарушается целостность зерновки, уменьшаются ее прочностные характеристики, что способствует снижению энергозатрат при дальнейшей технологической обработке (помоле, плющении и др.), а также облегчению разжевывания животными [4, 5].
Цель исследований - сократить время биоконверсии зернового сырья и общие энергозатраты при реализации существующей технологии производства кормовой патоки путем предварительной обработки зерна ИК излучением.
Условия, материалы и методы. Для постановки эксперимента были сформированы три партии пшеничного зерна влажностью 12, 15 и 18 %. Влияние параметров ИК обработки на степень деструкции крахмала и прочность зерновки определяли на разработанной в ГНУ СибНИТИП лабораторной установке (рис. 1), обеспечивающей регулирование плотности потока облучения зерна электромагнитным полем инфракрасного диапазона длин волн ближнего спектра, генерируемым лампой марки кгТ 2201000, в пределах 17-23 кВт/м2 (в опыте изучали варианты с плотностью потока 17, 20 и 23 кВт/м2).
Зерно раскладывали слоем равным толщине одной зерновки на поддоне. Облучение прекращали при резком увеличении зерна в размерах. Степень деструкции крахмала определяли по ГОСТ 29177-91[6] в аналитической лаборатории СибНИТИП, прочность зерна до и после ИК обработки - на приборе для определения прочности различных видов растительной продукции разработки Сибирского физико-технического института аграрных проблем [7].
н
Рис. 1. Лабораторная установка для ИК обработки зерна: 1 - поддон с зерном, 2 - регулируемый по высоте отражатель с ИК лампой, 3 - датчик температуры в камере.
Экспериментальные исследования включали измерение следующих контролируемых параметров:
массовая доля влаги в исходном сырье и готовом продукте, %;
расход энергии, кВтч; длительность ИК воздействия, с; Удельную энергию варьировали путем установки отражателей с ИК лампами на разной высоте по отношению к поддону с сырьём.
Энергозатраты контролировали по показаниям электросчетчика СО ЭБ 1 (ГОСТ 30207-94), влажность сырья определяли по ГОСТ 13586.5-2015 [8] время воздействия секундомером CASIO №203Q 05.
Влияние предварительной обработки зерна различной влажности ИК излучением с разной плотностью потока на выход сахаров в кормовой патоке, получаемой в процессе ферментативного гидролиза, изучали на установке роторно-импульсного типа (РПА), используемой в существующем технологическом процессе производства кормовой патоки (рис. 2).
Роторно-импульсные аппараты относятся к гидромеханическим преобразователям механической энергии в акустическую, тепловую и энергию других видов, что позволяет интенсифицировать гидромеханические и тепломассообменные процессы в нестационарных потоках при обработке гетерогенных сред [9].
В режиме ферментативного гидролиза зернового крахмалосодержащего сырья в РПА контролировали следующие параметры:
расход энергии, кВтч; время обработки, мин; температура, °С.
Внесение ферментных препаратов осуществляли по стандартной схеме [10]. Контроль за рН водной среды для проведения ферментативного гидролиза облученного зерна в РПА осуществляли рН-метром «Нитрон». Пробы патоки отбирали через 30, 60, 90, 130, 170 и 210 мин в соответствии с динамикой изменения температуры этапов процесса: клейстеризация (желати-низация), ожижение, осахаривание.
Результаты и обсуждение. Высокая влажность зерна способствовала большей декстринизации крахмала, но при этом возрастала продолжительность облучения, то есть увеличивались энергозатраты. Кроме того, есть вероятность клейстеризации крахмала, что не способствует атакуемости его амилолитически-ми ферментами и увеличивает время изготовления кормовой патоки. Наибольшая степень деструкции крахмала, выраженная через содержание глюкозы (47,457 и 46,606 мг/г сухого вещества), отмечена соответственно в двух вариантах: влажность зерна 15 %, продолжительность обработки 130 с и влажность зерна 18 %, продолжительность обработки 190 с. При этом плотность потока ИК излучения составляла 17 кВт/м2. Наибольшее уменьшение прочности зерна (в 6 раз) отмечено после ИК обработки при его влажности 15 %.
Самое высокое количество сахаров из необлученно-го зерна влажностью 12 % отмечено в пробе 6 (210 мин гидролиза). При обработке облученного зерна такой же влажности аналогичное количество сахаров наблюдали уже через 60 мин (см. табл.). Повышение интенсивности ИК обработки зерна 12 %-ной влажности не приводило
Рис. 2. Принципиальная схема гидродинамического контура с кавитационной ячейкой: 1 - резервуар рециркуляции, 2 - датчик температуры, 3 - труба, 4 (а-б) - затворы, 5 - ячейка кавитационная, 6 - охлаждаемый узел, 7 - электродвигатель, 8 - рама-компенсатор вибраций, 9 - канал для слива готовой продукции/или слив в канализацию, 10 - модуль охлаждения сальникового узла, 11 - водоподводящие шланги, 12 - вода, 13 - стойки, 14 - пульт управления, 15 - частотный преобразователь, 16 - индикатор температуры, 17 - вводный выключатель, 18 - кнопки «Пуск» и «Стоп», 19 - кнопка аварийного отключения, 20 - амперметр-индикатор питания двигателя, 21 - кабель электропитания, 22 - индикатор скорости вращения двигателя, 23 - теплоизоляция, 24 - расходомер и шланг подвода воды.
Таблица. Содержание общего количества сахаров в патоке после ферментативного гидролиза ИК облученного зерна
Контролируемые параметры
Номер пробы (продолжительность обработки, мин)
исходная влажность зерна, %
плотность потока ИК излучения, кВт/м2
1 (30)
2 (60)
3 (90)
4 (130)
5 (170)
6 (210)
12,0 12,0 12,0 12,0 15,0 15,0 15,0 18,0 18,0 18,0
не облученное 17,0 20,0 23,0 17,0 20,0 23,0 17,0 20,0 23,0
9,876 12,040 6,174 15,128 22,229 20,685 6,174 12,349 6,792 18,524
12,040 16,980 13,275 15,438 18,524 21,610 8,644 15,436 13,584 20,067
13,893 17,906 14,819 15,445 19,141 21,611 9,570 18,524 15,436 21,611
14,510 19,141 17,598 17,906 20,685 21,614 11,423 19,141 17,906 23,155
15,436 19,759 18,524 18,529 21,920 21,928 14,819 20,067 19,141 23,772
16,801 19,141 21,611 21,617 17,598 22,229 24,696 22,229 20,685 24,699
к росту содержания сахаров. Увеличение влажности обрабатываемого зерна способствовало повышению выхода сахаров при продолжительности процесса 1 ч, особенно в варианте с влажностью 15 % и плотностью потока 17 кВт/м2. Однако при обработке зерна более 90 мин это преимущество нивелировалось.
В целом при производстве кормовой патоки по усовершенствованной технологии из ИК облученного зерна время биоконверсии зернового сырья составило 87-100 мин, что в 2,1-2,4 раза меньше, чем обычного (210 мин). При этом общие энергозатраты на реализацию технологического процесса с учетом ИК облучения зерна составили 5,83 кВт-ч, что в 1,27-1,36 раза мень-
ше, чем в варианте с использованием обычного зерна (7,48-8,01 кВт-ч).
Выводы. Введение технологического приема ИК обработки зерна пшеницы в существующую технологию производства кормовой патоки из необлученного зерна обеспечивает сокращение времени биоконверсии зернового сырья и общих энергозатрат. Из изученных вариантов подготовки зерна перед ферментативным гидролизом наилучшие результаты обеспечило облучение зерна влажностью 15 % с плотностью потока ИК-излучения 17 кВт/м2, при этом затраты времени на биоконверсию уменьшились в 2,1-2,4 раза, а общие энергозатраты с учетом затрат на ИК облучение - в 1,27-1,36 раза.
Литература.
1. Аксенов В.В. Комплексная переработка растительного крахмалосодержащего сырья в России//ВестникКрасГАУ. 2007. № 5. С. 213-218.
2. Панфилова И. А. Разработка технологии быстроразвариваемой крупы и хлопьев из целого зерна пшеницы профилактического назначения с использованием ИК-обработки: автореф. дис.... канд. техн. наук. М., 1998. 22 с.
3. Способ производства вспученного фуражного зерна / В.И. Сыроватка, Ю.А. Иванов, Т.С. Комарчук, А.Н. Векленко // Патент РФ № 2012125099/13, 10.06.2012. Патент России № 2518726. Опубл. 10.06.2014.
4.Повышение качества фуражного зерна высокотемпературная микронизация/С. В. Зверев, А. М. Соловьев, М. В. Брусков и др. М.: ДеЛипринт, 2001. 35 с.
5.Производство взорванных зерен [Электронный ресурс]. URL: http://msd.com.ua/pishhevye-koncentraty/proizvodstvo-vzorvannyx-zeren/(дата обращения 23.06.2015).
6. ГОСТ 29177-91. Зерно. Методы определения состояния (степени деструкции) крахмала. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. 7 с.
7. Микропроцессорный прибор для измерения физических величин, характеризующих прочностные свойства ягод / В.В. Ми-неев, А.Ф. Алейников, В.А. Золотарев, В.М. Фурзиков, О.В. Елкин//Сибирский научный вестник. 2015. № 19. С.72-82.
8. ГОСТ 13586.5-93. Зерно. Метод определения влажности. М.: Стандартинформ, 2009. 8 с.
9. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика: монография. М.: Машиностроение - 1, 2001. 260 с.
10. Отчет о НИР по теме 10.02.03.02: «Разработать технологию переработки голозерного овса на кормовую патоку» (промежуточный) /рук. В.В. Аксенов; исполн.: А.И. Резепин, Д.В. Анисимов, В.С. Пономарева. Новосибирск: Сибирский научно-исследовательский и технологический институт переработки сельскохозяйственной продукции, 2012. 43 с.
EVALUATION OF EFFICIENCY OF TECHNOLOGICAL METHODS FOR IMPROVEMENT OF THE OBTAINING METHOD OF FODDER MOLASSES
V.V. Aksenov, S.K. Volonchuk, A.I. Resepin, S.A. Dubkova
Siberian Research and Technological Institute of Processing of Agricultural Products of the Siberian Federal Research Center of Agricultural Biotechnology of the RAS, pos. Krasnoobsk, a/y 358, Novosibirskii r-n, Novosibirskaya obl., 630501, Russian Federation Abstract. The goal of our study was to reduce the time of bioconversion of wheat grain and energy consumption during the preparation of molasses by preliminarily processing the grain by IR irradiation. The study was performed at the laboratories of the Institute of Processing of Agricultural Raw Materials. Grain batches with 12, 15, and 18 % moisture were treated with IR radiation with a flux density of 17-23 kW/m2 by a laboratory unit designed in the Institute. The degree of starch destruction was determined according to GOST (State Standard) 29177-91; the grain stability before and after IR irradiation was determined on an original instrument designed at the Siberian Institute of Physicotechnical Problems; the energy consumption was determined from the readings of the SO EB 1 electric power meter. The highest degree of starch destruction, expressed in terms of glucose content, was noted for grain with 15 % moisture at a treatment time of 130 s (47.457 mg/g of dry substance) and 18 % moisture at a treatment time of 190 s (46.606 mg/g of dry substance). The IR flux density was 17 kW/m2. After IR treatment, the stability of grain decreased to the greatest extent (sixfold) in the case of 15 % moisture. The enzymatic hydrolysis of the irradiated (9 variants) and unirradiated grain was performed on a rotor-pulse apparatus (RPA), designed in the Siberian Research and Technological Institute of Processing of Agricultural Raw Materials. The total sugar content in the molasses after the enzymatic hydrolysis of the IR-irradiated grain was determined in six samples in 30, 60, 90, 130, 170, and 210 min. The equal percent of sugar (16.8 %) was noted in the sixth sample (210 min) of molasses from the unirradiated sample and the second (90 min) sample from the irradiated grain. The grain bioconversion time, in this case, decreased 2.1-2.4 times, and the total energy consumption including consumption on IR irradiation reduced 1.27-1.36 times. Keywords: wheat grain, infrared, enzymatic hydrolysis, destruction, starch, molasses, energy consumption, efficiency Author Details: V.V. Aksenov, Cand. Sc. (Chem.), head of division; S.K. Volonchuk, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow (e-mail: volonchuk2015@yandex.ru); A.I. Resepin, research fellow; S.A. Dubkova, research fellow.
For citation: Aksenov V.V., Volonchuk S.K., Resepin A.I., Dubkova S.A. Evaluation of Efficiency of Technological Methods for Improvement of the Obtaining Method of Fodder Molasses. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2017. V. 31. No 2. Pp. 45-47 (in Russ.).
