CC BY
0
УДК 606:604.6 DOI 10.24412/2311-6447-2024-2-198-204
Повышение эффективности подготовки зерна к помолу пульсирующими ультразвуковыми микропотоками
Improving the efficiency of grain preparation for grinding by pulsating ultrasonic microflows
Доцент Н.Л. Моргунова (ORCID ID 0000-0003-1671-0528), профессор Ф.Я. Рудик (ORCID 0000-0001-8444-0115), доцент В.С. Куценкова (ORCID 0000-0002-2468-9725), доцент А.В. Банникова (ORCID 0000-0002-8299-7208),
Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии им. Н.И. Вавилова, кафедра технологии продуктов питания, тел. 8-845-269-26-24 [email protected]
доцент С.А. Леонова
Башкирский государственный аграрный университет, кафедра технологии общественного
питания и переработки растительного сырья,
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),
Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov, chair
of Food Technology, tel. 8-845-269-26-24
Associate Professor S.A. Leonova Bashkir State Agrarian University, chair of Technology of Public catering and processing of vegetable raw materials, [email protected]
Аннотация. Технологическая операция подготовки зерна к помолу включает в себя тщательную очистку оболочки, ее шелушение и насыщение зерновки влагой до 14,5-17,0 %. Применяемые технологии предполагают различные способы сухого и мокрого шелушения, холодного и теплого кондиционирования и отволаживания. Высокая степень очистки обеспечивается в случае, если зерно готовится для сортового помола с удалением алейронового слоя. В бороздке и бородке зерна, представляющих собой естественные, практически недоступные для шелушения углубления, задерживаются прочные микроминеральные частицы и следовые количества микронасекомых. Все идет в муку и ухудшает ее качество. Процесс увлажнения зерна, протекающий в специальных емкостях, длителен по времени (от 8 до 48 ч в зависимости от состояния зерна) и низок по стабильности отволаживания. По этой причине поставлена цель - повысить эффективность очистки и массопередачи за счет интенсификации процессов направленными пульсирующими ультразвуковыми микропотоками с кавитационным выносом загрязнений. Теоретическими исследованиями установлены основные корреляционные зависимости, влияющие на эффективность подготовки зерна к помолу. Экспериментальные исследования позволили изучить и обосновать технологию увлажнения и очистки зерна, разработать оригинальную конструкцию высокопроизводительной установки. Режимные параметры установки: частота ультразвука - 18 кГц; температура процесса - 30-40 °C; время обработки - 30-40 с; интенсивность ультразвуковых волн - 1 Вт/см2.
Abstract. The technological operation of preparing grain for grinding includes thorough cleaning of the shell, peeling and saturation of up to 14,5-17,0 % of the grain with moisture. The applied technologies involve various methods of dry and wet peeling, cold and warm conditioning and softening. A high degree of purification is provided if the grain is prepared for varietal grinding with the removal of the aleurone layer, and with wallpaper grinding, when the husk and the aleurone layer remain and are components of flour due to the biological characteristics of the grain surface in terms of purity are unsatisfactory. In the groove and
© Н.Л. Моргунова, Ф.Я. Рудик, В.С. Куценкова, А.В. Банникова, 2024
beard of the grain, which are natural, practically inaccessible to peeling recesses and villi, durable micromineral particles and trace amounts of microseconds are retained. Everything goes into flour and worsens its quality. The process of grain humidification, which takes place in special containers, is long in time (from 8 to 48 hours, depending on the condition of the grain) and low in the stability of cooling. For this reason, the goal is to increase the efficiency of purification and mass transfer by intensifying the processes with directional pulsating ultrasonic microflows with cavitation removal of impurities. Theoretical studies have established the main correlations affecting the effectiveness of grain preparation for grinding. Experimental studies made it possible to investigate and substantiate the technology of grain humidification and purification, to develop an original design of a high-performance installation, the design and operating parameters of a high-performance ultrasonic installation and technology providing a high degree of grain purification and humidification with operating parameters were studied and structured: ultrasound frequency - 18 kHz; process temperature - 30-40 °C; processing time - 30-40 s; the intensity of ultrasonic waves is 1 W/cm2. The article presents some research materials.
Ключевые слова: зерно, подготовка к помолу, очистка, шелушение, отволаживание, ультразвук, пульсирующие микропотоки, технология, установка
Keywords: grain, preparation for grinding, cleaning, peeling, softening, ultrasound, pulsating microflows, technology, installation
Производство муки - сложный технологический процесс. Приемы подготовки зерна к помолу имеют решающее значение для производства высококачественной муки. В России, помимо крупных производителей, переработкой зерна занимаются небольшие предприятия и фермерские хозяйства, производящие в основном обойную муку. Мукомольная промышленность России покрывает потребности населения в необходимых объемах муки, но в то же время слабая технологическая инфраструктура и инженерная отсталость многих мельниц препятствуют ее эффективному развитию [1].
Цель исследования - совершенствование технологии подготовки зерна к помолу за счет повышения качества очистки оболочки и интенсификации процесса увлажнения с обеспечением стабильных показателей качества.
Технологические свойства зерна определялись в соответствии со стандартными технологиями (ГОСТ 10847-74, ГОСТ 13586.5-93, ГОСТ 13586.1-68, ГОСТ 945076, ГОСТ 10846-91). Загрязненность зерна минеральными смесями оценивали с помощью микроаналитического метода, основанного на суммировании среднеквадратичных значений площадей загрязнения с образованием скоплений в бороздке и ворсинок семян. Зерно обрабатывали на лабораторной ультразвуковой установке УЗУ-4 путем изменения частоты ультразвука и температуры обработки.
Низкочастотный ультразвук применяется в различных областях пищевой промышленности. Его используют для интенсификации экстракции, гомогенизации, ускорения посола мяса, очистки, стерилизации и т.д. [2-9]. Для исследований была использована пшеница "Саратовская 29". Такой выбор был сделан в связи с большим распространением этого сорта в Поволжье. Использовали зерно со следующими физико-химическими характеристиками: влажность - 12,5 %; зольность - 1,9 %; клейковина - 24,5 %; микротвердость эндосперма - 150 МПа (15 кгс/мм2); белок - 11,5 %.
Эксперименты показали, что воздействие акустических кавитирующих пульсирующих микропотоков жидкости, генерируемых ультразвуковыми волнами частотой 18,0-18,5 кГц и интенсивностью ультразвука не менее 1 Вт/см2, называемое порогом кавитации на зерно, выражается в высоких пиковых значениях давления и скорости колебаний, выводящих состояние жидкости из равновесного хаотичного движущего в интенсивное направленное. В жидкости возникают значительные гидродинамические возмущения, представляющие собой импульсы высокого давления сжатия (микрошоковые волны) и микропотоки, генерируемые пульсирующими пузырьками. Они обладают свойствами разрывать биологические связи материала обрабатываемой поверхности, отделять покров, в данном случае, шелуху оболочки от алейронового слоя зерна, насыщать его влагой (рис. 1).
а б
Рис. 1. Состояние поверхности зерна (х4): а - обработанное акустической кавитацией в воде; б - необработанное зерно
Микротвердость оболочки влажного зерна, составляющая 27,0-31,6 МПа, существенно ниже давления, возникающего при схлопывании кавитационных пузырьков, достигающего 100 МПа. Многократные направленные гидравлические кумулятивные удары, возникающие из-за схлопывания кавитационных пузырьков в микропотоке жидкости, срывают и выносят с оболочки зерна микроминеральные загрязнения, следовые количества микронасекомых , разрушают оболочку зерна и обеспечивают его частичное отделение от алейронового слоя, что сокращает время и энергию для его полного отделения в будущем (рис. 2).
Рис;. 2. Зерно, обработанное акустической кавитацией в течение 30 с (*4)
При исследовании использовали следующие параметры: диапазон температур - 20; 25; 30; 40 °С; частота ультразвука - 18,0; 18,15; 18,30; 18,50 кГц; время озвучивания - 20; 40; 60; 80 с.
Окончание акустического кавитационного воздействия на зерно приводит к образованию микротрещин, заполненных водой. Первым признаком насыщения зерна водой является его набухание (см. рис. 2). Ультразвуковая обработка позволяет очистить поверхность зерна от минеральных смесей и насекомых-вредителей даже в труднодоступных местах: ворсинках семян и бороздках (рис. 3).
Рис. 3. Минеральное загрязнение в зернистой канавке (х4): 1 - отдельные поверхности частиц минеральных смесей
Установлена зависимость температуры нагрева воды от остаточной влажности при постоянной частоте колебаний 18 кГц. Высокое качество очистки зерна наблюдается уже при температуре нагрева воды до 30 °С и его очистке в течение 40 с (рис. 4, а). Дальнейшее понижение температуры приводит к необходимости увеличения времени выдержки, что нежелательно по производственным соображениям.
20 40 60 Время погружения, с а
Рис. 4. Зависимость изменения общей площади загрязнения поверхности зерна: а - от времени обработки и температурыI воды при частоте ультразвуковых колебаний 18 кГц; б - от переменных времени обработки и частотыI ультразвуковых колебаний при температуре обработки 30 °С
Исходя из рис. 4, б следует, что уровень очистки загрязнений с поверхности зерна зависит от частоты ультразвуковых колебаний и времени его обработки. Установлено, что величина загрязнения уменьшается с увеличением времени обработки и уменьшением частоты колебаний. Таким образом, установлены рациональные режимы: температура нагрева воды - 30 °С, частота колебаний - 18 кГц.
Показатель зольности, при прочих равных условиях, также характеризует качество очистки зерна (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость зольности зерна от времени обработки и температуры воды при частоте ультразвуковых колебаний 18 кГц
Определили, что показатель зольности зерна находится в прямой зависимости от качества очистки оболочки зерна. Наилучшие показатели по снижению зольности получены при ультразвуковой обработке с частотой 18 кГц при температуре нагрева воды 40 °С. Таким образом, содержание золы стабилизируется на уровне 1,16 %.
Микротвердость эндосперма снижается с увеличением времени обработки и температуры жидкости. Микротвердость стабилизируется и достигает оптимальных технологических показателей 13,4-13,0 кгс/мм2 при частоте ультразвуковых колебаний 18,0 кГц, температуре нагрева воды 30-40 °С и времени обработки 30-40 с (рис. 6 и 7).
Время обрябс
Рис. 6. Зависимость микротвердости эндосперма от переменных температуры воды и времени обработки при частоте 18 кГц
Время обработки,
Рис. 7. Зависимость влажности зерна от температуры воды и времени обработки на частоте 18 кГц
Ультразвуковая обработка стабилизирует процесс увлажнения в одновременно обрабатываемой партии зерна, интервал разброса показателей резко укорачивается. Требуемые параметры влажности зерна обусловлены необходимостью поддержания режимов работы при частоте ультразвуковых колебаний 18,0 кГц, температуре воды 30-40 °С и времени обработки 20-30 с.
Разработана технология подготовки зерна к помолу, основанная на ультразвуковой обработке зерна направленными пульсирующими микропотоками кавитаци-онного действия, значительно интенсифицирующими процессы очистки оболочки и массопередачу при увлажнении. Предлагаемая технология снижает зольность зерна на 60-70 %; влажность зерна выравнивается и стабилизируется на уровне 14,5-17,0 %; микротвердость эндосперма устанавливается на требуемом уровне - 13,4-13,0 кгс/мм2, время обработки в ультразвуковой установке составляет 40 с. Разработана конструкция шнековой ультразвуковой установки [12] подготовки зерна к помолу. Получены патенты на микроаналитический способ оценки загрязненности зерна [10] и способ профилактической обработки зерна [11].
ЛИТЕРАТУРА
1. Алтухов, А.И. Зерноперерабатывающая промышленность России в 2015 году: проблемы и пути их решения / А.И. Алтухов. - Текст: непосредственный / / Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 5.
- С. 2-10.
2. Аларкон-Рохо, А.Д. Использование ультразвука в мясопереработке / А.Д. Аларкон-Рохо, Х. Джанакуа, Дж.К. Родригес, Л. Панивник, Т. Дж. Мейсон. - Текст: непосредственный / / Наука о мясе. - 2015. - № 107. - С. 86-93.
3. Авада, Т.С. Применение ультразвука в анализе, обработке и контроле качества пищевых продуктов / Т.С. Авада, Х.А. Мохаррам, О.Е. Шалтут [и др.]. - Текст: непосредственный / / Исследования пищевых продуктов. - 2012. - № 48. - С. 410-427.
4. Даниловцева, И.В. Оптимизация технологических процессов гидролиза-экстракции при получении пектина из остатков плодов и ягод при хранении и переработке сельскохозяйственного сырья / И. В. Даниловцева. - Текст: непосредственный.
- 2007. - Т. 5. - С. 32-33.
5. Пакбин, Б. Вводный обзор применения ультразвука в процессах сушки пищевых продуктов / Б. Пакбин, К. Резаэль, М. Хагиги. - Текст: непосредственный / / Технология пищевых процессов. - 2014. - № 6. - С. 410.
6. Фэн, Х. Применение ультразвука в пищевой промышленности Ультразвуковые технологии для пищевой промышленности и биообработки / Х. Фэн. - Текст: непосредственный / / Пищевая инженерия. - 2010. - С. 65-105.
7. Збигнев, Дж. Применение ультразвука в пищевой технологии / Дж. Збигнев, Дж. Стадник, Д. Стасяк. - Текст: непосредственный / Acta Sci. Pol., Technol. - 2007.
- № 6(3). - С. 89-99.
8. Рудик, Ф.Я. Повышение кормовой ценности зерна сои за счет глубокой мокрой переработки сельскохозяйственного сырья / Ф.Я. Рудик. - Текст: непосредственный / / Пищевая промышленность. - 2012. - № 1. - С. 41-42
9. Рудик, Ф.Я. Совершенствование технологии переработки сои с использованием ультразвука / Ф.Я. Рудик. - Текст: непосредственный // Вестник Мордовского университета. - 2018. - № 28(2). - С. 266-286.
10. Патент РФ № 2621020. Способ оценки загрязненности зерна / Рудик Ф.Я., Богатырев С.А., Морозов А.А. [и др.]. - 2016. - Текст: непосредственный.
11. Патент РФ № 2707130. Способ профилактической обработки зерна / Моргунова Н.Л., Рудик Ф.Я., Красникова Е.С. - 2019. - Текст: непосредственный.
12. Патент РФ № 208531. Устройство для обработки зерна, пивного солода, семян масличных культур / Макаров Д.В., Сундуков Е.А., Рудик Ф.Я. [и др.]. - 2021. -Текст: непосредственный.
REFERENCES
1Altukhov, A.I. Grain processing industry of Russia in 2015: problems and ways to solve them / A.I. Altukhov // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2015. -№ 5. - pp. 2-10.
2Alarkon-Roho, A.D. 2015 The use of ultrasound in meat processing / Alarkon-Roho A.D., Janakua H., Rodriguez J.K., Panivnik L. and Mason T. J. // Science of meat.
- 2015. - № 107. - pp. 86-93.
3Avada, T.S. The use of ultrasound in the analysis, processing and quality control of food products / Avada T.S., Moharram H.A., Shaltut O.E., Asker D., Yusef M.M. // Food research. - 2012. - № 48. - рp. 410-427.
4Danilovtseva, I.V. Optimization of technological processes of hydrolysis-extraction in the production of pectin from the remains of fruits and berries during storage and processing of agricultural raw materials / I.V. Danilovtseva. - 2007. Vol. 5. - pp. 32-33.
5 Pakbin, B. An introductory review of the use of ultrasound in food drying processes / Pakbin B., Rezael K., Hagigi M. // Technology of food processes. - 2014.
- № 6. - рp. 410.
6Feng, H. Application of ultrasound in the food industry Ultrasonic technologies for the food industry and bio-processing / Feng X // Food engineering. - 2010.
- pp. 65-105.
7Zbigniew, J. The use of ultrasound in food technology / J. Zbigniew, J. Stadnik, D. Stasiak // Acta Sci. Pol., Technol. - 2007. - № 6(3). - рp. 89-99.
8Rudik, F.Ya. Increasing the feed value of soybean grain due to deep wet processing of agricultural raw materials / Rudik F. I // Food industry. - 2012. - № 1.
- pp. 41-42
9Rudik, F.Ya. Improvement of soybean processing technology using ultrasound / Rudik F.Ya // Bulletin of the Mordovian University. - 2018. - № 28(2).
- рp. 266-286.
10 Rudik F.Ya., Bogatyrev S.A., Morozov A.A. and others. Method for assessing grain contamination // Patent of the Russian Federation № 2621020. - 2016.
11 Morgunova N.L., Rudik F.Ya., Krasnikova E.S. Method of preventive grain processing // Patent of the Russian Federation № 2707130. - 2019.
12 Makarov D.V., Sundukov E.A., Rudik F.Ya. et al. A device for processing grain, beer malt, oilseeds // Patent of the Russian Federation № 208531. - 2021.
