CC BY
46
ных режимах от 20 до 90°С с временной экспозицией от 1 до 7 ч. Полученную композицию использовали в качестве пищевой биологически активной добавки в технологии вареных колбасных изделий. В модельных фаршевых системах определяли водосвязывающую способность, стабильность эмульсии, предельное напряжение сдвига. В готовой продукции контролировали выход и органолептические показатели.
Обработку полученных результатов вели в пакетах прикладных программ Statistic v.6 и Statistic Neural Networks v.4.
Начальный этап обработки данных заключался в построении архитектуры нейронных сетей. При оптимизации полученных результатов исследования учитывали все возможные варианты сочетания факторов и все возможные варианты технологических режимов. Для эффективной оценки экспериментальных данных их экспортировали в приложение STATISTICA, в котором проводили визуальный анализ контурных поверхностей.
Влияние количественного содержания католита на выход готовых изделий, изготовленных на основе говядины, представлено на рис. 1.
Оптимальную точку для каждой функции определяли по 3£>-графикам статистических нейронных сетей.
На рис. 2 представлены результаты оптимизации количественного соотношения электроактивирован-ных фракций лакто-лактулозы и окары.
Влияние режимов предварительной тепловой обработки смеси окары с фракциями лакто-лактулозы на стабильность эмульсий модельных фаршевых систем представлено на рис. 3.
Таким образом, полученные результаты экспериментальных исследований, уникальные - природные свойства лактулозы, опыт применения ее в медицине и различных отраслях промышленности свидетельствуют о возможности использования лактулозосодержа-щих препаратов в разработке рецептурных композиций продуктов питания на мясной основе бифидоген-ной направленности. По своим свойствам и назначению данные продукты могут быть отнесены к функциональным, предназначенным как для питания, так и для комплексного лечения.
Научный консультант работы — д-р техн. наук, проф., акад. РАСХНА.Г. Храмцов. -л»--'-
■ ^ ЛИТЕРАТУРА -
1. Пат. 2169776 РФ. Способ получения сиропа, содержащего производные лактозы / Б.М. Синельников, А.Г. Храмцов, С.А. Ряб-цева и др. - Опубл. в БИПМ. - 2001. - № 18.
Кафедра технологии мяса и консервирования . « ^
Поступила 26.01.04 г. > • - 4 -.а*
- .......гн. .. 663.5.66.085.1
ИК-ОБРАБОТКА СЫРЬЯ В СПИРТОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ г Л
л.н. КРИКУНОВА, О.С. ОМИСОВА, О.С. ЖУРБА
Московский государственный университет пищевых производств ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии
Основным способом подготовки крахмала к сбраживанию в спиртовом производстве является непрерывное разваривание измельченного зерна под давлением с последующим осахариванием. Этот технологический прием достаточно хорошо изучен и описан в литературе. В результате воздействия высокой температуры и давления крахмал набухает, клейстеризуется и растворяется, т. е. подготавливается для действия ферментов. Причем чем жестче режим обработки, тем полнее и быстрее происходит его клейстеризация. Однако для растворения межклеточного вещества необходимо не только повысить температуру, но и поддерживать ее в течение некоторого времени.
Вместе с тем при такой обработке сырья протекает ряд нежелательных процессов. В первую очередь, действие высокой температуры приводит к потерям свободных сахаров. Последние могут взаимодействовать с аминокислотами (реакция Майяра) или подвергаться оксиметилфурфурольному разложению, что приводит
также к ухудшению качества этанола. Степень разложения сахаров зависит от режима разваривания и от pH среды.
Стадия разваривания крахмалсодержащего сырья в спиртовой промышленности всегда считалась наиболее теплоэнергоемкой и сложной с точки зрения техники безопасности. Принимая это во внимание, исследователи спиртового производства пришли к выводу, что совершенствование водно-тепловой обработки должно быть направлено на применение более мягких режимов разваривания, позволяющих свести к минимуму технологические потери и снизить накопление нежелательных примесей.
Таким образом, было сформулировано одно из основных приоритетных направлений спиртовой промышленности - переработка сырья без разваривания помола при повышенных давлениях. По результатам исследований, проведенных специалистами ВНИИ пищевой биотехнологии, была создана ресурсо- и теплосберегающая аппаратурно-технологическая схема и разработан режим многостадийного ферментативного гидролиза сырья при температуре, не превышающей Ю0°С [1|.
Однако переход на низкотемпературную схему подготовки сырья повысил требования к качественным характеристикам помола. Так, даже 5%-е снижение регламентированной величины прохода измельченного зерна через сито диаметром отверстий 1,0 мм (должен быть не менее 75-80%) приводит к значительному снижению выхода спирта [2].
Особенно трудно получить необходимую степень дробления зерна при использовании стандартного для спиртовых заводов измельчающего оборудования в случае переработки сырья с повышенной влажностью.
Вместе с тем в ряде отраслей пищевой промышленности широко применяются способы целенаправленного изменения реологических свойств зерна, позволяющие разупрочнить структуру зерновки.
Самым распространенным и широко используемым, к примеру, в мукомольно-крупяном производстве является гидротермическая или термовлажная обработка (ГТО), представляющая собой искусственное воздействие на зерно водой и теплом для придания ему оптимальных технологических свойств [3,4].
Еще одним способом изменения реологических свойств зерна можно считать ультразвуковую обработку [5]. Воздействие мощным акустическим полем ультразвуковой частоты, сопровождающееся появлением акустической кавитации, способно вызвать интенсификацию физико-химических процессов в водной среде. Полагают, что кавитационно-эрозионное разрушение материалов происходит под воздействием расклинивающего давления жидкости.
К технологическим приемам, направленным на снижение прочностных свойств сырья, следует также отнести методы экструдирования [6], шелушения зерна [7] и его биотехнологической предобработки [8].
Однако среди перечисленных способов целенаправленного изменения реологических свойств зерна для осуществления задач спиртового производства самым перспективным, исходя из теоретических предпосылок, является метод инфракрасного воздействия на сырье.
Под ИК-излучением принято понимать невидимую глазом область излучения, примыкающую к красному спектру видимого светового излучения, с длиной электромагнитных волн от 0,76 до 5,3 мк [9]. Инфракрасные лучи отличаются от других электромагнитных колебаний частотой, длиной, скоростью распространения волн. Тепловое воздействие ИК-лучей объясняется в настоящее время двойственностью электромагнитного поля или волновой природой квантов. При этом источник излучения создает электромагнитное поле, служащее носителем энергии: тепловая энергия передается с помощью этого поля и поглощается предметами окружающей среды, т. е. атомами облучаемого вещества [10].
Особенностью передачи тепла материалам, нагреваемым ИК-излучением, по сравнению с конвективной передачей, является возможность создания во много раз большей плотности потока тепла. Это позволяет
достичь значительно больших скоростей прогрева материала [9].
Основными параметрами, определяющими режим ИК-обработки зерна, являются его исходная влажность, время облучения, плотность падающего потока энергии. Последняя характеризует скорость нагрева и обычно изменяется в пределах 22-28 кВт/м2. При такой плотности падающего потока зерно нагревается быстро и в нем происходят следующие явления. Влага, равномерно распределенная по объему зерновки, начинает по капиллярам, порам двигаться к центру зерновки, т. е. в направлении теплового потока. Так как процесс идет быстро, перемешенная влага не успевает выйти наружу. При повышении температуры происходит ее испарение, пар скапливается в микрокапиллярах и порах зерновки. Дальнейшее нагревание (160°С) способствует увеличению давления водяных паров внутри зерновки. Это приводит к «взрыву» зерновки изнутри, в результате разрушается структурный каркас зерна.
Данный процесс нашел широкое применение при производстве ряда продуктов, в том числе новых нетрадиционных продуктов питания на зерновой основе.
Несмотря на большое количество экспериментальных данных, работ по применению ИК-обработки в спиртовом производстве до настоящего времени не проводилось. Вместе с тем существующие исследования не учитывают специфики переработки зерна в этанол, в частности необходимости полного сохранения крахмала зерна как основного компонента сырья, влияющего на выход спирта. В разработанных для му-комольно-крупяной, пищеконтрационной и других отраслей АПК технологиях допускается частичное термическое разрушение крахмала, не ухудшающее, а в ряде случаев и повышающее потребительские свойства продуктов [11, 12].
Исходя из изложенного, технологические режимы ИК-обработки требуют корректировки. В первую очередь в нашей работе предстояло определить максимально допустимую температуру нагрева зерна, при которой не происходило бы снижения по показателю «условная крахмалистость сырья». Одновременно изучались структурно-механические характеристики зерна.
Эксперименты по ИК-обработке зерна проводили на лабораторной установке, разработанной специалистами Московского государственного университета пищевых производств, принцип работы которой описан в [13].
Установка (рисунок) состоит из терморадиационной камеры 1, с находящимися внутри сферическими отражательными алюминиевыми поверхностями 2. Высокий коэффициент отражения полированного алюминия позволяет за счет многократного отражения создать внутри камеры более равномерный поток диффузного облучения, повысить КПД установки, а также уменьшить потери в окружающую среду.
В качестве генераторов ИК-излучения в установке применены излучатели типа КГТ-220-1000 4, которые крепятся к токоведущим медным клеммам и расположены сверху от поддона 5 с облучаемым сырьем.
Перемещение сферических алюминиевых поверхностей 2 позволяет регулировать плотность потока, падающего на продукт. Для изменения напряжения на клеммах ИК-генераторов в пределах 0-250 В в электрической схеме применен однофазный регулятор напряжения и регулятор тока. Плотность потока в термокамере 1 определяется с помощью радиационного термоэлемента ТРЭ, имеющего чувствительность 0,29 В/Вт. Для снятия температурных полей в облучаемом материале использованы хромель-капелевые термопары с диаметром проволоки 1 • 10'4 м. Автоматическая запись температуры осуществляется многоточечным потенциометром Н 320-1. Визуальный контроль за убылью массы осуществляется при помощи торози-онных весов. Перед каждой серией опытов термопары градуируются.
Величина плотности падающего потока излучения на облучаемую поверхность изменялась от высоты рабочей камеры. Вариация высоты происходила за счет перемещения облучаемой поверхности в вертикальном направлении посредством устройства 3.
В технологии спиртового производства самым распространенным методом определения условной крахмалистости сырья, под которой понимают общее количество углеводов, потенциально превращаемых в сбраживаемые сахара, является поляриметрический метод Эверса. Кроме того, условную крахмалистость зерна определяют химическим методом и методом бродильной пробы [14].
На первом этапе экспериментов были выполнены работы по выявлению влияния продолжительности обработки зерна т при плотности лучевого потока Е 22-24 кВт/м2 на показатель «условная крахмалистость» (табл. 1). Повышать плотность потока, как установлено данными [15], нецелесообразно в связи с неоднородностью зерновых масс и возможностью частичного обгорания отдельных зерен.
Таблица 1
Условная крахмалистость зерна, % на СВ
т ИК-обработки, с Метод Эверса Химический метод Метод бродильной пробы
Контроль (без обработки) 63,20 63,22 63,15
10 63,58 63,20 63,20
20 62,25 .63.-95, 63,74
30 63,03 65,40' 65,34
40 61,59 65,25 ' 65,30
50 64,04 62,97 62,85
60 63,47 61,03 61,10
Как видно из данных табл. 1, метод Эверса не может быть применен для анализа проб, подвергнутых ИК-обработке. В ряде случаев условная крахмалистость зерна возрастала в сравнении с контрольными образцами, в других - имела пониженное значение. Мы связываем данный факт с тем, что под действием ИК-облучения в зерне происходят изменения в углеводном составе, что в свою очередь отражается на конечной характеристике гидролизата, полученного после обработки помола зерна 1,124%-й соляной кислотой. Плоскость поляризации при этом отклоняется несколько иначе, чем в необработанном зерне.
Вместе с тем из представленных данных видно, что существует хорошая сходимость результатов между химическим методом и методом бродильной пробы в определении условной крахмалистости сырья. В связи с тем, что химический метод менее трудоемок, мы рекомендуем его для анализа зерна, подвергнутого ИК-обработке. Увеличение показателя сбраживаемых углеводов в некоторых вариантах (обработка в течение 30-40 с), вероятно, связано с излучающим воздействием и определением части гемицеллюлоз и, возможно, клетчатки как редуцирующих сбраживаемых углеводов.
Исследовали также влияние ИК-обработки на физические и структурно-механические свойства зерна различной влажности IV: натуру, степень дробления, модуль крупности и касательное напряжение (табл. 2). Последнее характеризует прочность зерновки на режущее усилие.
Полученные экспериментальные данные подтверждают установленные другими исследователями [12, 15] зависимости по снижению натуры, касательного напряжения и повышению доступности зерна к измельчению после его ИК-обработки.
Исходная влажность обрабатываемого зерна также существенно влияла, как установлено в экспериментах, на данные показатели.
Повышение влажности зерна с 12 до 14% в контрольном образце негативно отразилось на сырье, если оценивать его с позиции энергозатрат на. стадии из-мельчения. Степень дробления, характеризующаяся проходом через сито с диаметром 1,0 мм, снизилась с 72,1 до 66,3%, а модуль крупности и касательное напряжение, определенное методом непосредственного
Таблица 2
т ИК-обработки, с Натура, г/л Степень дробления, % Модуль крупности Касательное напряжение, Н/м2
Контроль W» сх 12%
(без обработки) 834,6 12,\ 0,98 3,85
15 820,5 75,3 0,92 3,18
30 811,6 80,1 0,80 2,61
45 544,1 95,0 0,52 1,67
60 576,4 95,9 0,54 1,24
Контроль 14%
(без обработки) 837,2 66,3 1,13 4,48
15 750,8 78,8 0,82 1,95
30 503,8 92,8 0,50 1,37
45 510,9 95,0 0,51 1,50
60 561,2 95,5 0,48 1,47
измерения давления, необходимого для разрушения зерновки, имели большее значение. Следовательно, подтвердился известный специалистам спиртовой отрасли факт ухудшения механических свойств зерна при его повышенной влажности.
Вместе с тем, как показывают экспериментальные данные, ИК-обработка зерна пшеницы с влажностью 14% более эффективна, чем с влажностью 12%. Так, если сравнивать образцы, подвергнутые ИК-воздейст-вию в течение 30 с (оптимальное время для полного сохранения крахмала в сырье), степень дробления их возросла до 92,8 против 80,1%; модуль крупности и касательное напряжение, наоборот, снизились соответственно с 0,80 и 2,61 для образца с влажностью 12% до 0,50 и 1,37 для образца с влажностью 14%.
Таким образом, ИК-воздействие можно рассматривать как перспективный способ обработки зерна, поступающего на спиртовые заводы, особенно имеющего повышенную влажность.
При выборе режимов ИК-обработки зерна необходимо ориентироваться на параметры, позволяющие полностью сохранить сумму сбраживаемых углеводов сырья, оценку которых следует проводить с использованием химического метода определения «условной крахмалистости».
ЛИТЕРАТУРА
1. Устинников Б.А., Громов С.И. Внедрение гидроферментативной обработки крахмалистого сырья на спиртовых заводах. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1992. - Сер. 24. - Вып. 1. - С. 32.
2. Сотников В.А., Федоров АД., Дьяконский П.И., Шайхутдинов P.P. Технология низкотемпературного разваривания крахмалистого сырья в производстве спирта (опыт эксплуатации технологии на предприятиях ГУП РТ «ТО Татспиртпром») // Современные ресурсо- и энергосберегающие технологии в спиртовой и ликероводочной пром-сти: Тез. докл. науч.-практ. конф. - Казань, 2000.-С. 14. '
3. Бутковский В.А., Мельников Е.М. Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производства (с основами экологии). - М.: Агропромиздат, 1989. - 464 с.
4. Лисицина Н.В. Исследование способов термической и гидротермической обработки ячменя при производстве комбикормов: Автореф. дис. ... канд. тенх. наук. - М., 1978. - 26 с.
5. Азарскова А.В. Применение ультразвуковых методов в пищевой и инженерной технологии. - М.: Пищевая пром-сть, 1992. -134 с.
6. Жушман А.И., Быкова С.Т., Карпов В.Г. Экструзионная обработка крахмала и крахмалсодержащего сырья. - М.: ЦНИИ-ТЭИпищепром, 1976. - 36 с.
7. Губрий Г.Г. Исследование и разработка дифференцированного способа получения этанола из зернового сырья с использованием целлюлаз: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 1994. -22 с.
8. Пат. 2162103 РФ. Способ производства этилового спирта из зернового сырья / Крикунова Л.Н., Максимова Е.М., Мельников Е.М., Орешкина Л.Ю. - Опубл. в БИПМ. - 2001. -№ 2.
9. Гинзбург А.С. Инфракрасная техника в пищевой промышленности. - М.: Пищевая пром-сть, 1966. - 407 с.
10. Красников В.В., Ильясов С.Г. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов. - М.: Пищевая пром-сть, 1978. - 360 с.
11. Пат. 2051595 РФ. Способ термической обработки зерна / СтаровойтенкоЕ.И., Цукров С.Л., Шелбанин Ю.В. -Опубл. в Б.И. -1996.-№ 1.
12. Тюрев Е.П. Эффективность теплотехнологических процессов обработки пищевых продуктов ИК-излучением: Дис. ... д-ра .техн. наук. - М., 1990. - 474 с.
13. Пат. № 2134995 РФ. Установка для термообработки зернового сырья / Елькин Н.В., Кирдяшкин В.В. - Опубл. в Б.И. -1999. -№24.
14. Полыгалина Г.В. Технохимический контроль спиртового и ликероводочного производства. - М.: Колос, 1999. - 334 с.
15. Панфилова И.А., Доронин А.Ф., Кирдяшкин В.В. Проблемы и перспективы использования ИК-технологии при производстве продуктов питания на зерновой основе. Вып. 1-2. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1997.-31 с.
Кафедра процессов ферментации и промышленного биокатализа
Поступила 13.02.04 г.
