CC BY
133
УДК 631.365.25:633.853.494
СВЧ-ОБРАБОТКА КОМБИКОРМОВ
В.И. Сыроватка
Представлен анализ СВЧ-обработки компонентов комбикормов, выявлены возможности рационального применения этого процесса.
Ключевые слова: компоненты комбикормов, СВЧ-энергия, электромагнитное поле, частота волн, длина волны, кинетика нагрева, фуражного зерна.
Введение.
Обеспечение безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов - важнейшее приоритетное направление государственной политики в области здорового питания населения России. Реализация этого направления подкреплена законодательной, нормативной и методической базой. Организован мониторинг состояния питания, качества и безопасности пищевых продуктов. Госсанэпидслужбой ежегодно проводится более полутора миллионов исследований по санитарно-химическим и более двух миллионов - по санитарно-микробиологическим показателям. При анализе наличия различных контами-нантов химической и микробиологической природы установлено, что наиболее часто эти показатели в зерне и продуктах его переработки не соответствуют требованиям. Доля пищевой продукции, не соответствующей гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям, с 1995 года находится на уровне 7-8% [1].
Необходимость СВЧ-обработки компонентов комбикормов.
1. В зависимости от вида фуражного зерна в нем содержится 50-70% крахмала, который плохо усваивается животными и птицей. При тепловой обработке крахмал переходит в усвояемые декстрины и полисахариды.
Зерновые корма. По химическому составу зерновые корма делят на две группы: богатые углеводами (зерна злаков) и богатые протеином (зерна бобовых). Зерновые корма отличаются высокой энергетической питательностью (от 1 до 1,3 кормовых единиц в 1 кг корма), хорошей переваримостью органического вещества (70—90%), высоким содержанием фосфора, витаминов комплекса В, особенно тиамина, и витамина Е. Однако зерновые не могут быть единственным кормом в рационе животных; протеин зерновых кормов отличается относительно невысокой биологической ценностью, в них мало белков, жира, кальция и отсутствует каротин [2].
Зерновые корма злаковых культур. Кукуруза, ячмень, пшеница, овес и другие содержат в среднем: протеина - 8-14%, жира - 2-3% (овес - 5%, кукуруза - 6-8%), клетчатки - 2-3% (ячмень - до 5%, овес - до 10%), крахмала -60-70% и минеральных веществ - 1,5-4%.
Из всех зерновых кормов наиболее ценна по энергетической питательности кукуруза, отличающаяся высоким содержанием крахмала (до 70%) и жира (до 6%). В состав комбикормов для птицы кукурузу включают до 60% по массе.
2. Нейтрализация антипитательных веществ (ингибиторов) в сое и рапсе, которых содержится 5-10% . Они ингибируют ферменты, вырабатываемые поджелудочной железой. В результате поджелудочная железа вынуждена продуцировать их более интенсивно, что вызывает её гипертрофию.
Эффективным путем устранения ингибиторов является тепловая обработка в сочетании с повышенным давлением. Увеличивает эффективность термообработки также предварительное пропаривание сои в течение 20-30 мин. Наибольшую энергетическую ценность в комбикормах составляют семена рапса, поскольку содержат 40-48% жира и 21-33% сырого протеина при коэффициенте переваримости 84,4-93,4%.
Однако семена рапса содержат эруковую кислоту, которая не утилизируется ферментативной системой млекопитающих и имеет тенденцию накапливаться в различных тканях. Эруковая кислота вызывает нарушение сердечнососудистой системы, инфильтрации скелетной мускулатуры и миокарда, цирроз печени. Доля эруковой кислоты в составе растительных масел: рапсовое масло 56-65%, горчичное - 50%, сурепное масло - 47%. Семена рапса подлежат глубокой термообработке. Температура разложения эруковой кислоты - 3800С [3].
3. Зерновое сырье и другие компоненты, используемые для производства комбикормов, нередко обсеменены микроорганизмами, где присутствуют токсичные для человека и животных продукты метаболизма этих грибков (рис.1).
Обеззараживание всех компонентов улучшает качество комбикормов. Использование в комбикормах рыбной, мясокостной муки, мелассы, жиров и др. не зерновых компонентов невозможно без тепловой обработки.
о
3 с.
я
н
<У
3 =
■а
Рис. 1. Группы бактерий по максимальным температурам роста
4. Для достижения температуры обрабатываемого комбикорма 170-180 С применяются сложные технологические схемы и дорогостоящее оборудование (рис.2): первый этап - нормализация смеси - рассыпной комбикорм паром прогревается до 1000С; второй - пропускается смесь через экспандер, где смесь подогревается до 125-1300С; иногда через экструдер, где температура смеси достигает 1500С; и в заключение - корма подаются в гранулятор, где температура гранул достигает 1800С. Этой температуры недостаточно для более глубокой декстринизации (только 60%). Все это ведет к увеличению расхода электроэнергии.
Рис. 2. Технологическая схема тепловой обработки
комбикормов: 1-приемный бункер, 2- сборный шнек, 3-кондиционер, 4-емкость для жира,
5-емкость для мелассы,
6-емкость минеральных добавок,
7-экструдер, 8-измельчитель,
9-пресс, 10-охладитель, 11-просеиватель, 12-ротоспрей
5. Технологическую схему производства гранулированных комбикормов следует упростить и значительно снизить удельную энергоемкость, металлоемкость и капиталоемкость, что возможно при выполнении процесса тепловой обработки в области сухого пара или энергии СВЧ.
Трудность борьбы с инфекционными агентами зерна пшеницы состоит в том, что они представлены, кроме того, и споровыми формами возбудителей, имеющими высокую устойчивость к температурному фактору. Поэтому, переработка зерна после предварительного увлажнения, стимулирующего начало прорастания спор, является необходимым условием в процессе его обеззараживания.
Температурное воздействие вызывает денатурацию белков и, следовательно, гибель возбудителей.
Заражение зерновых компонентов патогенными организмами в той или иной мере происходит ежегодно, и хотя уровень инфицированности корректируется рядом почвенно-климатических и антропогенных факторов, недобор урожая в среднем составляет 15-20, а в отдельных случаях - до 50% при одновременном ухудшении технологических и хлебопекарных качеств зерна.
В результате среднегодовой показатель потерь зерна только от болезней составляет около 20 млн тонн (от 10 до 30 в зависимости от условий года). Это около 70% общего недобора урожая, вызванного всем комплексом вредных объектов, включая вредителей и сорные растения. Удельный расход комбикормов возрастает в 1,2-1,5 раза.
Главным фактором, обеспечивающим возникновение эпифитотий болезни, является высокий потенциальный запас почвенной инфекции возбудителя. Количество полей с высокой инфицированностью достигает в настоящее время от 60 до 70%.
Метод ВЧ- и СВЧ-полей объединяет воздействие двух полей - электромагнитного и теплового, показывает высокую эффективность как в повышении посевных качеств семян, так и в оздоровлении их от комплекса патогенных микроорганизмов грибной, бактериальной и вирусной этиологии.
Многочисленными опытами в лабораторных и полевых условиях было установлено, что факторы СВЧ-обработки семян вызывают комплекс эффектов, начиная от оздоровления, улучшения их посевных показателей, до повышения урожайности, качества получаемой продукции животноводства [4].
На современном этапе научно-технического развития в пищевой и перерабатывающей промышленности, когда происходит смена технологий, может стать обработка сырья для этих отраслей энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) [6].
Технология обеззараживания растительного сырья с использованием ВЧ-и СВЧ-полей предполагает объединение следующих операций:
предварительное увлажнение зерна, так как в основе большинства технологических процессов, выполняемых с помощью СВЧ-энергии, лежит диэлектрический нагрев обрабатываемого материала;
нагрев продукции для достижения определенного уровня их равномерного увлажнения, а также инициации роста спор грибов; термическое обеззараживание.
СВЧ-нагрев следует отнести к новому виду энергосберегающей электротехнологии, благодаря следующим преимуществам по сравнению с обычным температурным нагревом:
1) тепловая безынерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения-выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал;
2) высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую (90%);
3) возможность осуществления избирательного, равномерного, быстрого нагрева;
4) экологическая чистота нагрева, поскольку при его использовании отсутствуют какие-либо продукты сгорания;
5) высокое бактерицидное действие.
Для СВЧ-метода характерен избирательный нагрев, заключающийся в способности нагревать быстрее более влажные компоненты.
Общая характеристика электромагнитных полей.
В современных условиях научно-технического прогресса в результате развития различных видов энергетики и промышленности электромагнитные излучения занимают одно из ведущих мест по своей экологической и производственной значимости среди других факторов окружающей среды [5].
Электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. Представляет собой взаимосвязанные переменные электрическое поле и магнитное поле. Взаимная связь электрического Е и магнитного Н полей заключается в том, что всякое изменение одного из них приводит к появлению другого: переменное электрическое поле, порождаемое ускоренно движущимися зарядами (источником), возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает в прилегающих к нему областях пространства переменное электрическое поле, и т. д. Таким образом, электромагнитное поле распространяется от точки к точке пространства в виде электромагнитных волн, бегущих от источника. Благодаря конечности скорости распространения электромагнитное поле может существовать автономно от породившего его источника и не исчезает с устранением источника (например, радиоволны не исчезают с прекращением тока в излучившей их антенне).
Радиочастоты и сверхвысокие частоты являются составной частью спектра электромагнитных излучений в частотном диапазоне от единиц Гц до 300 ГГц. Основными параметрами ЭМИ являются длина волны (А) и частота (/), которая связана с длиной волны обратной зависимостью (для условий распространения волны в воздухе): / = с/ А , где с - скорость света. Частоты колебаний
"5
ЭМИ измеряются в Герцах (Гц): 1 килогерц (кГц) = 10 Гц, 1 мегагерц (МГц)=106; Гц, 1 гигагерц (ГГц) = 109 Гц. Классификация РЧ и СВЧ приведена в таблице. На практике при оценке электромагнитной обстановки очень часто приходится учитывать отдельно или частоту колебаний, или длину волны.
Международная классификация электромагнитных волн по частотам
Наименование частотного диапазона Частота Наименование волнового диапазона Длина волны
Крайние низкие, КНЧ 3 - 30 Гц Декамегаметровые 100 - 10 Мм
Сверхнизкие, СНЧ 30 - 300 Гц Мегаметровые 10 - 1 Мм
Инфранизкие, ИНЧ 0,3 - 3 кГц Гектокилометровые 1000 - 100 км
Очень низкие, ОНЧ 3 - 30 кГц Мириаметровые 100 - 10 км
Низкие частоты, НЧ 30 - 300 кГц Километровые 10 - 1 км
Средние, СЧ 0,3 - 3 МГц Гектометровые 1 - 0,1 км
Высокие частоты, ВЧ 3 - 30 МГц Декаметровые 100 - 10 м
Очень высокие, ОВЧ 30 - 300 МГц Метровые 10 - 1 м
Ультравысокие, УВЧ 0,3 - 3 ГГц Дециметровые 1 - 0,1 м
Сверхвысокие, СВЧ 3 - 30 ГГц Сантиметровые 10 -1см
Крайне высокие, КВЧ 30 - 300 Гц Миллиметровые 10 - 1 мм
Гипервысокие, ГВЧ 300 - 3000 ГГц Децимиллиметровые 1 - 0,1 мм
Примечание: жирным курсивом выделены частоты, генерируемые аппаратом [6].
Магнитные поля.
Магнитное поле представляет собой частную форму электромагнитного поля. В своем проявлении это силовое поле, основным свойством которого является способность воздействовать на движущиеся электрические заряды (в т.ч. на проводники с током), а также на магнитные тела независимо от состояния их движения. Источниками магнитного поля могут быть движущиеся электрические заряды (проводники с током), намагниченные тела и изменяющиеся во времени электрические поля. Основная количественная характеристика магнитного поля - магнитная индукция В, которая определяет силу, действующую в данной точке поля в вакууме на движущийся электрический заряд и на тела, имеющие магнитный момент.
СВЧ-обработка сельскохозяйственной продукции.
Использование сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного поля (ЭМП) для нагрева и сушки сельскохозяйственных материалов — весьма перспективное направление. Это обусловлено тем, что, по сравнению с традиционными методами нагрева, при СВЧ-сушке значительно сокращается продолжительность технологических операций: сушки, варки, стерилизации, размораживания, экстрагирования и др. Кроме того, обработка в СВЧ-поле не снижает пищевой ценности продуктов, более полно сохраняются витамины, минералы и обеспечивается высокое санитарное состояние готового продукта. Нагрев в СВЧ-установках происходит за счет поглощения продуктом энергии волн сверхвысокой частоты [7].
При традиционных способах термообработки и сушки - конвективном, радиационном, контактном - нагрев продукта происходит первоначально от поверхности вглубь материала. Если теплопроводность материала мала, то термообработка осуществляется медленно, отчего происходит локальный нагрев поверхностных слоев материала, что вызывает его растрескивание (например, у зерна). В зоне действия СВЧ-энергии различные вещества ведут себя по-разному. Диэлектрики и вещества, не содержащие воду, не нагреваются, а вла-госодержащие предметы могут освободиться от воды до абсолютно сухого вещества, выделяя при этом большое количество тепла.
Основное преимущество СВЧ-сушки сельскохозяйственных материалов -наиболее полное сохранение питательных веществ и возможность более точного контроля процесса сушки. Последнее объясняется сравнительной простотой осуществления такого контроля (в первую очередь по влажности и температуре), благодаря тому, что процесс нагрева материала в СВЧ-поле практически безинерционный и параметры поля можно менять в любой момент и в широких пределах. Очень эффективен микроволновой комплекс сушки лесоматериалов, позволяющий в десятки раз сократить сроки сушки, сэкономить немало электроэнергии и производственных площадей, а главное - улучшить качество получаемой продукции.
Весьма востребованными могут оказаться комплексы и технологии консервирования овощей и фруктов при пониженных температурах, комплекс для микроволновой стабилизации вин, микроволновая технология сушки и обеззараживания зерна при хранении, микроволновой комплекс для сушки кирпича, пенобетона и керамических изделий, технология микроволновой подготовки субстрата для выращивания грибов и другие.
Краткие понятия микроволновой сушки.
В отличие от конвективной, кондуктивной, ИК-сушки, сублимационного метода сушки пищевых продуктов, СВЧ-метод имеет существенные коренные отличия, позволяющие добиться наилучшего результата при изготовлении целого ряда продуктов, в том числе и воздушного сыра. Эти отличия заключены в самом физическом принципе СВЧ-воздействия на пищевые продукты. Конкретно суть микроволновой сушки в следующем.
Длина волны электромагнитного излучения (ЭМИ), вырабатываемого сверхвысокочастотным МАГНЕТРОНОМ (диодом) - основа любой микроволновой печи, подобрана таким образом, что ЭМИ воздействует только на молекулы воды в любом продукте. ЭМИ магнетронов, проникая внутрь продукта, заставляет молекулы воды колебаться с большой скоростью. Следовательно, возрастает сила трения между молекулами и, соответственно, повышается температура, что и приводит к процессу испарения. Таким образом, процесс испарения начинается равномерно по всему объему и при температуре кипения воды, т.е. достаточно низкой для сохранения всех первоначальных свойств продукта. Именно этом заключено коренное отличие СВЧ-сушки от остальных [8].
Отличительной характеристикой инфракрасной установки УТЗ-4 от существующих, в основном в проектах и единичных экземплярах аналогичных машин, является осциллирующий режим прогрева обрабатываемого материала. Такой режим нагрева позволяет минимизировать градиент температур на поверхности и внутри прогреваемого сырья. Особенно это касается довольно крупных по своим размерам зернобобовых культур.
При нагреве зернового сырья инфракрасным излучением с постоянной плотностью теплового потока разность температур на поверхности и внутри зерна соевых бобов диаметром 6-8мм при влажности 14-15% составляет 600С при нагреве поверхности до температуры 1800С. Более высокие температуры нагрева вызывают обгорание поверхности (рис.3).
200 ■ 180 ■ 160 ■ 1« ■ 12) ' 100 ■ 80 ■ £0 ■ 40 ■ 20 ■ 0 ■
I У
1 У
у /
/
/ 2
1 2 э 0 0
1« ■ 120 ■ 100 ■ 80 ■ 60 ■ 40 ■ 20 ■ I
1 -
У/
/V
10 20 30 40 50 60
Рис. 3. Кинетика нагрева сои ИК-излучением
а) постоянный поток
1-на поверхности зерна;
2-внутри зерна.
в) осциллирукщий
Соя, обработанная таким образом, как и другое зерновое сырье имеет в своем составе всю гамму биохимических и химических изменений, происходящих при тепловой обработке, от крайне нежелательных свойственных жесткой обработке на поверхности до недостаточной для получения положительного эффекта внутри зерна. На рис. 3 представлена кинетика нагрева соевых бобов с влажностью 14-15% при постоянном облучении и осциллирующим переменным тепловым потоком.
Выводы
1. На современном этапе происходит перевод технологий на энергию электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ). СВЧ широко используется в радиосвязи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, физике, в области науки и техники для переработки хранения продуктов питания.
2. Главным фактором возникновения болезней зерна является высокий потенциальный запас почвенной инфекции возбудителя. Количество полей с высокой инфицированностью достигает в настоящее время 70%. Среднегодовой показатель потерь зерна, в зависимости от условий года, только от болезней составляет от 10 до 30 млн. тонн. Это около 70% общего недобора урожая, вызванного всем комплексом вредных объектов, включая вредителей и сорные растения. При этом удельный расход комбикормов, приготовленных из такого зерна, возрастает в 1,2-1,5 раза.
3. Обработка комбикормов и отдельных ингредиентов электромагнитным полем сверхвысокой частоты вызвана необходимостью перевода крахмала в усвояемые декстрины и полисахариды; нейтрализации антипитательных веществ ингибиторов в сое и эруковой кислоты в рапсе; обеззараживания токсичных для людей и животных бактерий, грибков и микробов в зерновых компонентах комбикормов; тепловой обработки рыбной, мясокостной муки, мелассы и жиров. Применение СВЧ-обработки позволяет упростить технологию производства комбикормов, снизить удельную энерго и материалоемкость.
4. СВЧ нагрев относится к новому виду энергосберегающей электротехнологии благодаря следующим преимуществам: тепловая безынерционность, т.е. возможность мгновенного включения теплового воздействия на обрабатываемый материал; высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую (90%); возможность избирательного, равномерного, быстрого нагрева; экологическая чистота нагрева, так как при этом не образуется каких либо продуктов сгорания; высокое бактерицидное действие; наиболее полное сохранение питательных веществ продуктов питания и комбикормов; существенное сокращение времени технологических процессов. Для СВЧ-метода характерен избирательный нагрев - способность нагревать более влажные компоненты.
5. Коренное отличие воздействия СВЧ на пищевые продукты заключается в том, что длина волны вырабатываемая магнетроном подобрана такой, что воздействует только на молекулы воды; проникая внутрь продукта она заставляет колебаться молекулы воды с большой скоростью, возрастает сила трения между молекулами и повышается температура, что приводит к испарению воды.
Литература:
1. Цугленок, Н.В. Методы и математические модели процесса обеззараживания продовольственного зерна. - Красноярск, 2004.
2. Krutikov-v.ru [Электронный ресурс]. - [Б.м.], 2012.
3. Эруковая кислота [Электронный ресурс]: Википедия - свободная энциклопедия.
4. Микроволновая технология [Электронный ресурс].
5. Диденко, А.Н. СВЧ-энергетика. Теория и практика. - М.: Наука, 2003.
6. Общая характеристика электромагнитных полей [Электронный ресурс] // qrachev.distudy.ru
7. СВЧ-обработка сельскохозяйственной продукции [Электронный ресурс] // biaqroferm.ru
8. Краткие теоретические базовые понятия микроволновой сушки // www.ru-anack.ru
Сыроватка Владимир Иванович, академик Россельхозакадемии, заведующий отделом ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства Тел. 8(4958)67-99-67 E-mail: [email protected]
The analysis of the microwave feed processing components, identifying the rational use of this process.
Keywords: animal feed components, microwave energy, electromagnetic field, the wave frequency, wavelength, kinetics, heat, feed grains.
