CC BY
32
Kopмonnpoизвoдcmвo. Тexнoлoгии
ПОЛУЧЕНИЕ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ КОРМОВЫХ ДОБАВОК ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКОЙ ЗЕРНА ОЗИМОЙ РЖИ С ОЦЕНКОЙ ПИЩЕВОЙ ЦЕННОСТИ
Е.В. СЛАВНОВ (фото),
доктор технических наук, профессор, Институт механики
сплошных сред УрО РАН, г.Пермь
В.П. КОРОБОВ (фото),
кандидат медицинских наук, доцент,
Л.М. ЛЕМКИНА,
кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, г. Пермь
Ключевые слова: зерновые Урала, процесс экструзии, озимая рожь, пищевая ценность готового продукта.
Повышение рентабельности животноводства может быть обеспечено внедрением в практику новых методов приготовления кормов. К таким методам может быть отнесён метод экструзии. Использование экструзионной переработки позволяет: улучшить переварива-емость и усвояемость, улучшить стойкость при хранении, получить новые виды продуктов с высокими вкусовыми качествами, использовать механизацию и автоматизацию процесса переработки зерновых продуктов. Экструзионная технология широко используется для переработки соевых и некоторых зерновых культур, но значительно реже для переработки озимой ржи. В то же время рожь для районов Урала имеет особое значение. Рожь даёт устойчивый урожай, по энергетической ценности превосходит такие зерновые, как ячмень, просо, кукуруза, овес. Однако используется с ограничением в кормлении животных. Расширение использования озимой ржи по-
зволит решить не только задачу наличия кормовой базы, но и уменьшить нагрузку в весенний период предпосевной обработки, успешно бороться с сорняками.
Цель и методика исследования
Целью выполнения работы является оценка эффективности использования экструзионной технологии переработки увлажненной крошки озимой ржи для подготовки концентрированных кормовых добавок. Это требует изучения состояния основных питательных компонентов на всех стадиях производства кормовых материалов - от исходного пищевого сырья до готовых к употреблению продуктов [1].
Для подготовки экструдатов ржи использовалась опытная установка [2]. Она (рис. 1) состоит из экструзионного блока, блока подготовки зерна, системы подачи воды, системы контроля и управления. Секции корпуса прессующего шнека выполнены по внутреннему диаметру с продольными нарезками. Блок
подготовки зерна состоит из загрузчика ■и увлажнителя. Увлажнитель предназначен для повышения влажности исходного продукта до необходимого уровня перед подачей его в экструзионный блок. Система контроля и управления обеспечивает автоматическое поддержание параметров процесса.
Основные технические характеристики установки: производительность - до 200 кг/час; температурное воздействие
- до 2000С; диаметр прессующего шнека
- 63 мм; диапазон изменения скорости прессующего шнека - 25-200 об./мин; обороты приводов увлажнителя и загрузчика регулируемые; производительность водяного насоса - 0-40 л/час; суммарная номинальная мощность электронагревателей по трем зонам - 3 кВт.
При экструдировании продукта большое значение имеет давление, развиваемое прессующим шнеком перед экструзионной головкой. Это давление экструзии определяет рабочую точку и самоустанавливается в зависимости от напорности шнека и гидродинамического сопротивления головки. В установке предусмотрено регулирование давления экструзии в процессе работы за счёт изменения геометрии канала. Техническое решение защищено патентом по заявке №2006103055/13(003322).
По данным предварительной тарировки, позволившей согласовать работу отдельных узлов в процессе экструзии, было выбрано несколько режимов работы экструдера, отличающихся оборотами, температурами по зонам и давлением экструзии. Технологический процесс переработки увлажненной крошки озимой ржи был устойчив, весовая производительность была доведена до 180-200 кг/ час. Ряд использованных режимов представлен в таблице 1. Во втором столбце таблицы 1 влажность приведена в единицах нониуса водяного насоса, что соответствует 22-23% влажности по ма-
Рисунок 1. Схема экструзионной установки: 1 - блок экструзионный; 2 -блок подготовки зерна; 3 - шкаф системы контроля и управления; 4 -мотор-редукторы; 5 - форсунки водные; 6 - трубопроводы системы подачи воды; 7 - комплект кабелей.
Grain crops of Ural, extrusion process, winter rye grains, food value of finished products.
Кормоппроизводство. Технологии
Параметры режимов экструзии увлажненной
Таблица 1
крошки озимой ржи
№ Вп, (ед. насоса) Т1-Т2-Т3 (0 С) п, (об./мин) Р, (ат) О, (кг/час) (сух./влаж.)
1 2 3 4 5 6
1 38 70-142-185 №=31; №=6.4; N3=5.1 19-15 21/26
2 63 65-153-188 №=50,5; №=10,9 N3=8,5 22-15 35/43
3 117 68-154-187 Nо=56; №=20,2 N3=15,6 25-17 65/80
4 101 69-157-187 №=81,3; №=17,7 N3=13,3 30-14 56/69
5 117 69-154-189 №=120; №=20,2 N3=15,6 44-22 65/80
6 117 70-160-190 №=120; №=25,8 N3=19,6 50-27 81/96
7 117 69-154-189 №=120; №=20,2 N3=15,6 44-22 65/80
8 117 69-154-189 №=120; №=20,2 N3=15,6 44-22 65/80
9 117 100-170-195 №=150; №=30 N3=24,4 30-55 100/115
10 117 100-170-195 №=150; №=30 N3=24,4 102 100/115
11 117 100-170-195 №=150; №=30 N3=24,4 30 100/115
12 117 100-170-195 №=150; №=30 N3=24,4 80-40 100/115
13 117 100-170-195 №=150; №=30 N3=24,4 40-50 100/115
14 117 113-184-213 (110-180-210) №=160; №=41 N3=31,0 25-90 128/143
15 117 113-184-213 (110-180-210) №=160; №=41 N3=31,0 25-90 128/143
16 117 113-184-213 (110-180-210) №=177; №=41 N3=31,0 25-90 128/143
Рисунок 2. Образцы экструдатов разной вспученности
териалу. Необходимо отметить, что при оборотах прессующего шнека 100-120 об./ мин и выше, процесс приобретал характер, близкий к автоколебательному. С периодичностью 400-600 секунд менялось давление экструзии: медленно увеличивалось и затем падало. Диапазон его изменения зависел от параметров процесса. В момент повышения давления менялось соотношение интенсивно вспученного продукта (рисунок 2, справа) и частично вспученного (рисунок 2, слева). Интенсивно вспученный продукт имеет малую вязкость, его истечение происходит с большими скоростями и при малых давлениях. Когда его доля в общем расходе через инструмент уменьшается, давление экструзии повышается. По-видимому, это приводит к росту интенсивности скоростей сдвига при течении в шнеке (за счет противодавления), перетеканию (фильтрации) влаги от экструзионной головки, подготовке экструдата меньшей вязкости и его истеканию при сниженном давлении. Дальше цикл повторяется.
В проведенной работе использованы методы изучения содержания в кормовых продуктах свободной глюкозы, как главного энергетического компонента пищи животных, а также содержания свободного аминного азота, характеризующего доступность низкомолекулярных пептидных соединений и аминокислот для всасывания в пищеварительном тракте. Выбор данных показателей обусловлен их интегральным значением для характеристики энергетической и биологической ценности пищевых продуктов.
Определение содержания свободной глюкозы проводили высокоспецифическим глюкозооксидазным методом [3]. Подготовку образцов осуществляли следующим образом. Продукт тонко измельчали в мельнице для зерна. Навески полученных образцов (0,5 г) добавляли к 10 мл 0,1 М фосфатного буферного раствора (рН 7,0), перемешивали, а затем вносили 0,25 мл препарата амилоглюко-зидазы. Раствор фермента амилоглюко-зидазы готовили непосредственно перед употреблением растворением одной таблетки медицинского препарата МЕ-ЗИМ-форте в физиологическом растворе. Для оценки уровня эндогенного гидролиза и ферментативного расщепления полисахаридов в контрольном варианте вместо раствора фермента вносили 0,25 мл физраствора. Пробы инкубировали 2 часа при 37оС при периодическом перемешивании. После окончания инкубации образцы центрифугировали при 3000 об./ мин в течение 10 мин. К 100 мкп супернатантов добавляли 2 мл реактива для определения глюкозы. Состав реактива: 500 мл 0,1 М ацетатного буфера (рН 5,5), 50 мг аминофеназола, 20 мг глюкозооксидазы, 3 мг пероксидазы и 15 мг карболовой кислоты. Пробы инкубировали в течение 30 мин, а затем добавляли 100 мкл 0,2Н ЫаОН и измеряли оптическую плотность при 490 нм в кювете на 5 мм против контрольной пробы, которая содержала вме-
Кормоппроизводство. Технологии
Таблица 2
Изменение содержания свободной глюкозы и аминоазота растворимых соединений после экструзии и обработки экструдатов зерна ржи препаратом пищеварительных ферментов (усредненные данные трехкратных исследований образцов)
Образцы Содержание св. глюкозы в экстр-те до и после мезима Содержание св. аминоазота в экстр-те до и после мезима
Св гл ю коза, м г% Св глюкоза + мезим, м г% приращение, м г% ами ноазота, м г% ам иноазота + мезим, мг% приращение, м г%
1 2 3 4 5 6 7
Исх. рожь 16,5 70,85 54,35 1 ,38 2,61 1,23
1 2,4 80,9 78,5 1 ,26 4,52 3,26
2 1,9 68,2 66,3 1 ,28 5,05 3,77
3 7,9 53,9 46 1 ,34 7,5 6,16
4 6,7 53,9 47,2 1 ,3 5,68 4,38
5 3,5 95,2 91 ,7 1 ,24 7,8 6,56
6 5,2 69,8 64,6 1 ,26 5,29 4,03
7 4,3 109,5 105,2 1 ,32 5,68 4,36
8 4,3 121,9 117,6 1 ,34 6,08 4,74
9 13,99 190,8 1 76,81 1 ,28 3,44 2,16
10 9,41 139,93 1 30,52 1 ,26 3,16 1,9
11 6,19 143,36 1 37,17 1 ,28 3,16 1,88
12 6,36 141,2 1 34,84 1 ,32 3,6 2,28
13 5,34 176,5 1 71,16 1 ,46 2,77 1,31
14 6,48 127,2 1 20,72 1 ,79 3,25 1,46
15 5,72 164,1 1 58,38 1 ,4 2,77 1,37
16 4,96 178,73 1 73,77 1 ,32 2,81 1,49
^ 250 -
*
| 100 і
8 0- у = 0,74" Р2 =
2 7х + 30,7 0,7446 04 73 06 ю о 0 01 эроты шн 01 ека, об/м 01 1ИН 01 01 0 200
♦ Гл-Ме ■ ПрГл Линейный (ПрГл)
Рисунок 3. Содержание свободной глюкозы в экструдатах, полученных при разных оборотах шнека
250
200
£ 150 £ 100
50
130
135
140 1 45 150 155
средняя температура
160
165
170
у = 3,5076х - 405,97 Р2 = 0,8088
♦ Гл-Ме
ПрГл ‘
■Линейный (ПрГл) I
Рисунок 4. Содержание свободной глюкозы в экструдатах при разных температурных режимах
100
80
60
20
0
0 50
у = -0.0055Х2 + 0,9695х + 11,063 Р = 0,7028
100
обороты шнека
200
♦ Ам-Ме*10
ПрАм*10 ■
■Полиномиальный (ПрАм*10)
Рисунок 5. Содержание свободного аминоазота в экструдатах, полученных при разных оборотах шнека
сто супернатанта 100 мкп воды. Расчет вели по калибровочному графику, сохраняющему линейность до 200 мг%.
Определение содержания свободного аминоазота низкомолекулярных соединений вели колориметрическим методом Узбекова в модификации Чул-ковой [4] с использованием нингидри-на, взаимодействующего при высокой температуре с аминогруппами аминокислот с образованием окрашенных комплексов, оптическая плотность которых пропорциональна содержанию свободных аминокислот и пептидов в исследуемом препарате. Изучение содержания свободного аминоазота вели в образцах материала до и после обработки препаратом пищеварительных протеаз, источником которых также служил препарат Мезим-форте, приготовленный как указано выше.
Результаты исследований
Надежность и сравнительная простота использованных биохимических методов исследования позволили получить и оценить данные относительно содержания свободной глюкозы и аминно-го азота в исходных образцах зерна ржи и полученных из них экструдированнных продуктах. В таблице 2 приведены результаты исследований содержания свободной глюкозы и аминоазота растворимых соединений в экструдатах (столбцы 2-ой и 5-й) и после обработки экструдатов зерна ржи пищеварительными ферментами препарата МЕЗИМ-Форте (столбцы 3-й и 6-ой) для образцов, полученных при различных параметрах процесса экструзии (см. таблицу 1). В четвертом и седьмом столбцах таблицы дано приращение содержания свободных глюкозы и аминоазота, соответственно. Представленные в таблице данные указывают на то, что экструзия приводит к существенному изменению состояния полимерных углеводных и белковых компонентов зерна с увеличением их доступности для амилоглю-козидаз и протеаз. Сравнительные биохимические исследования содержания в исходном зерне и продуктах его экструзионной переработки свободной глюкозы и общего аминоазота аминокислот и низкомолекулярных пептидных соединений, а также атакуемости белковых и углеводных компонентов пищеварительными ферментами показали значительное повышение в опытных образцах уровня обоих показателей. Полученные данные свидетельствуют о значительном возрастании в процессе экструзии пищевой ценности конечных продуктов.
Наличие в процессе экструзии диссипативных тепловыделений, определяемых сдвигом, приводит к взаимному влиянию температурных, кинематических и силовых условий, затрудняя нахождение их влияния на качество готового продукта непосредственно. Изменение оборотов прессующего шнека не только меняет эффективный сдвиг, но и время пребывания материала в
0
Кормоппроизводство. Технологии
у = -1.0765х + 193.2
Р = 0 6065____________средняя температура_________________
♦ Ам-Ме*10 ■ ПрАм*10-----------------Линейный (ПрАм*10)
Рисунок 6. Содержание свободного аминоазота в экструдатах, полученных при разных температурных режимах
200 150 • 100
х 5
те <г
50
5 0
о
►
* * < >
1 1 1 ■ 1 1
3
время (час)
+ ПрГл ПрАм*10
Рисунок 7. Изменение содержания свободных глюкозы и аминоазота во
время рабочей смены
4
5
канале шнека. Поэтому, рассматривая влияние скорости вращения шнека или средней по зонам температуры, можно говорить только о некоторых тенденциях и косвенной оценке.
На рисунках 3 и 4 представлено изменение содержания свободной глюкозы в экструдатах в зависимости от оборотов прессующего шнека и средней по зонам температуры (сплошные линии -линии тренда). Можно отметить, что общей тенденцией является повышение содержания свободной глюкозы с увеличением как оборотов, так и средней температуры. На рисунках 5 и 6 в тех же координатах построены зависимости содержания в экструдатах свободного аминоазота. Видно, что повышение средней температуры приводит к сни-
жению содержания аминоазота. Зависимость от оборотов более сложная.
Это можно объяснить тем, что при повышении оборотов увеличивается эффективный сдвиг в материале, скорее всего имеющий положительное влияние. В то же время, в результате возрастает диссипативный разогрев, что сказывается отрицательно. Определение влияния технологических параметров переработки на качественные показатели получаемого продукта требует дальнейших дополнительных исследований. Имея в виду результаты эксперимента на лабораторном экструдере, в этом направлении наблюдается достаточный запас по улучшению качества продукта. Однако уже на основании полученных результатов
можно полагать, что возрастание атакуемости ферментами углеводных субстратов, в основном, связано с режимами температурного воздействия, а повышение содержания в экструдатах аминоазота, как показала обработка пищеварительными ферментами, зависит от приложенных сдвиговых деформаций и снижается при повышенных температурах.
В экспериментах наблюдались колебания исследуемых показателей качества продукта в случае неизменных параметров процесса. Поэтому был проведен эксперимент по определению изменения качественных показателей продукта в пределах рабочей смены. Результаты представлены на рисунке 7. Разброс по свойствам от среднего значения составляет порядка 20%. Выводы
1. Эксрузионная переработка зерна ржи приводит к значительному повышению атакуемости углеводных и белковых субстратов зерна ржи гидролитическими ферментами пищеварительного тракта, что обуславливает существенное возрастание его пищевой ценности.
2. Повышение содержания свободной глюкозы и атакуемости глюкозидазами полиуглеводных компонентов в экструдированных продуктах в рассматриваемом диапазоне, по-видимому, связано с деполимеризацией полиуглеводов зерна ржи при высоких температурных режимах обработки и увеличении скорости сдвига экструдируемого материала.
3. Возрастание в экструдированном материале содержания свободного азота низкомолекулярных соединений, вероятно, отражает снижение молекулярной массы, обусловленное разрывом белковых молекул зерна, связанное с наложением на материал деформаций сдвига в процессе экструзии.
4. Существенное повышение тепловых режимов экструзионной переработки, возможно, сопровождается температурной деструкцией белковых субстратов с потерей свободного аминоазота при дезаминировании пептидных и аминокислотных компонентов зерна.
Литература
1. Славнов Е.В., Коробов В.П., Ситников В.А. Технология переработки зерна озимой ржи, повышающая его пищевую ценность и экологическую чистоту // Тезисы докладов VI Международной конференции «Проблемы загрязнения окружающей среды». - Пермь: ИЭГМ, 2005. - С.46.
2. Пестов В.М., Бабушкин В.А., Славнов Е.В., Судаков А.И. и др. Экструзионная установка для переработки крахмалосодержащих продуктов. - Комбикорма. - 2006. - №3. - С. 31-32.
3. Вилкова В.А. Определение количества и радиоактивности глюкозы в тканях. В кн.: Методы биохимических исследований. -Л.: ЛГУ, 1982. - С.234-238.
4. Колб В.Г., Камышников В.С. Клиническая биохимия. - Минск: «Беларусь», 1976. - С. 59-62.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 07-08-97603р_офи, № 06-08-00480-а.
