CC BY
28
УДК 636.085.55:636.085.68:675.92.027.3
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА
СОВМЕСТНОГО ЭКСТРУДИРОВАНИЯ ФУРАЖНОГО ЗЕРНА И ЗЕЛЕНОЙ МАССЫ ЛЮЦЕРНЫ
ПАХОМОВ В.И.,
доктор технических наук, заместитель директора по научной работе по механизации и электрификации сельского хозяйства ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской», e-mail: [email protected].
БРАГИНЕЦ С.В.,
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела переработки продукции растениеводства ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской», e-mail: [email protected].
БАХЧЕВНИКОВ О.Н.,
кандидат технических наук, научный сотрудник отдела переработки продукции растениеводства ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской», e-mail: [email protected].
АЛФЕРОВ А.С.,
кандидат технических наук, научный сотрудник отдела переработки продукции растениеводства ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской», e-mail: [email protected].
СТЕПАНОВА Ю.В.,
аспирант ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», e-mail: [email protected].
Реферат. Улучшение усвояемости зерновых компонентов кормов и повышение содержания каротина обеспечивается при совместном экструдировании фуражного зерна и зеленой массы растений. По результатам экспериментальных исследований их совместного экструдирования были определены рациональные параметры предварительной подготовки зернового и растительного сырья. Модуль крупности измельченного зерна должен составлять 1,5-2,5 мм, влажность зернового сырья - 13-14 %. Средняя длина частиц измельченной зеленой массы должна составлять 4-6 мм при исходной влажности 65-70 %. Такие параметры подготовки сырья обеспечивают рациональное сочетание высокой сохранности каротина в результате экструдирования и снижение энергоемкости этого процесса.
Ключевые слова: комбикорм, люцерна, зеленая масса, каротин, фуражное зерно, измельчение, экструдирова-ние, экструдер, экструдат.
RESULTS OF THE EXPERIMENTAL STUDIES OF PROCESS JOINT EXTRUSION THE FEED GRAIN AND VEGETATION MASS OF ALFALFA
PAKHOMOV V.I.,
doctor of Technical Sciences, Deputy Director for Scientific Research for Mechanization and Electrification of Agriculture, Agricultural Scientific Centre Donskoy, e-mail: [email protected].
BRAGINETS S.V.,
candidate of Technical Sciences, Leading Scientific Associate, Agricultural Scientific Centre Donskoy, Department Vegetable Feedstock Processing, e-mail: [email protected].
BAKHCHEVNIKOV O.N.,
candidate of Technical Sciences, Scientific Associate, Agricultural Scientific Centre Donskoy, Department Vegetable Feedstock Processing, e-mail: [email protected].
ALFEROV A.S.,
candidate of Technical Sciences, Scientific Associate, Agricultural Scientific Centre Donskoy, Department Vegetable Feedstock Processing, e-mail: [email protected].
STEPANOVA U.V.,
postgraduate Don State Technical University, e-mail: [email protected].
Essay. Improving of assimilability of grain components of forages and increase in content of carotene is provided in case of joint extrusion of feed grain and vegetation mass of plants. Rational parameters of preliminary preparation of grain and vegetable raw materials were determined from results of the experimental studies of their joint extruding. The module of fineness of the crushed grain shall make 1,5-2,5 mm, humidity of grain raw materials - 13-14 %. The average length of
particles of the crushed vegetation mass shall make 4-6 mm in case of the initial humidity of 65-70%. Such parameters of preparation of raw materials provide a rational combination of high safety of carotene as a result of extrusion and lowering of energy capacity of this process.
Key words: compound feed, alfalfa, vegetation mass, carotene, feed grain, grinding, extrusion, extruder, extrudate.
Введение. В числе важных задач, стоящих перед российской комбикормовой промышленностью, основными являются улучшение усвояемости зерновых компонентов кормов [1] и повышение содержания в кормах каротина [2]. Первая задача решается благодаря экс-трудированию фуражного зерна [3], а вторая благодаря включению в состав комбикормов зеленой растительной массы [4, 5]. Особенностью этих способов повышения качества кормов является то, что они могут быть совмещены в едином технологическом процессе при совместном экструдировании фуражного зерна и зеленой массы растений, в частности люцерны. В ходе технологического процесса измельченное зерно и растительная масса подаются в экструдер, причем предварительно они не смешиваются [6]. В экструдере осуществляется совместное экструдирование этих видов сырья, в результате которого получается зернорастительный экструдат. Отказ от предварительного смешивания сырья объясняется тем, что смешивание фактически происходит в экструдере в процессе экструдирования. Тем самым достигается экономия электроэнергии и повышение сохранности каротина.
Полученный экструдат после измельчения может быть использован непосредственно для кормления животных либо введен в качестве одного из компонентов в состав комбикорма.
Важное значение для эффективного протекания процесса экструдирования имеют параметры предварительного измельчения зерна и зеленой массы, их влажность, так как от этих показателей зависит энергоэффективность технологического процесса и сохранность содержащегося в листостебельной массе каротина.
Целью работы являлось экспериментальное определение рациональных параметров предварительной подготовки зернового и растительного сырья к экстру-дированию, обеспечивающих снижение затрат электроэнергии на операцию экструдирования и сохранность каротина в процессе обработки сырья.
Материал и методика исследования. Исследования проводились на экспериментальном одношнековом экструдере (рисунок 1), конструкция которого позволяет раздельно загружать в него зерно и зеленую массу.
Фуражное зерно пшеницы предварительно измельчали на молотковой дробилке с диаметром отверстий решет 3, 4 и 5 мм и дополнительно просеивали, изменяя тем самым модуль крупности измельченного зерна в пределах от 0,5 до 4,5 мм. Влажность зерна изменялась в пределах от 10 до 14 %.
Зеленая масса люцерны с исходной влажностью 6570 % измельчалась в дисковом измельчителе, диапазон изменения средней длины ее частиц составлял от 4 до 12 мм.
В общей массе экструдируемого сырья доля фуражного зерна составляла 85 %, зеленой массы люцерны - 15 % [6]. Температура на выходе из рабочей каме-
- 110-125°С. Подача сырья в экструдер
\
I
1 - загрузочный бункер для зерна; 2 - устройство для дозирования и загрузки зеленой массы;
3 - шнек экструдера
Рисунок 1 - Экспериментальный одношнековый экструдер
В качестве критериев рациональности были приняты содержание каротина в экструдате, характеризующее его потери в ходе технологического процесса, и удельные энергозатраты на экструдирование сырья. Влияние параметров предварительной подготовки зерна и растительной массы на процесс экструдирования оценивалось раздельно путем изменения значений параметров (размера частиц и влажности) одного компонента экструдата при неизменных значениях параметров другого. Следует отметить, что принудительного изменения влажности зеленой массы в ходе опытов не производилось.
Пробы фуражного зерна отбирались согласно ГОСТ 13586.3-83, его влажность определялась по ГОСТ 13586.5-2015. Отбор проб зеленой массы и экструдата производился согласно ГОСТ Р ИСО 6497-2011. Содержание каротина в зеленой массе и экструдате определяли фотометрическим методом согласно ГОСТ 13496.17-95. Исходную влажность зеленой массы и влажность экструдата определяли высушиванием при температуре 105°С по ГОСТ 31640-2012. В полученном экструдате визуально определялось наличие недоиз-мельченных в ходе экструдирования частиц зерна и растительной массы.
Результаты исследования. В результате экспери-
была постоянной - 60 кг/ч 1
2
3
ментов установлено, что величина модуля крупности измельченного зерна оказывает влияние на содержание каротина в готовом экструдате, которое увеличивается на 10 % от минимального значения при наибольшей величине частиц зерна 4,5 мм (рисунок 2).
га £
н
о а га
1 4
13
I | 1 2
I 2
га *
а
3 1 1
о О
1 0
90.0
88.0
86.0
84.0
82.0
га «
2 н
& Т
1 £
о ш " *
л £ Л
с
а>
¿г
0.5
4.5
1.5 2.5 3.5 Модуль крупности,мм ■ Содержание каротина , мг/кг Удельные энергозатраты , кВт-ч/п
Рисунок 2 - Влияние модуля крупности измельченного зерна на содержание каротина в экструдате и удельную энергоемкость экструдирования
В тоже время влияние гранулометрического состава зерна на энергоемкость экструдирования менее значительно и выражается в ее падении на 5 % при увеличении модуля крупности от 0,5 до 4,5 мм. Это может быть объяснено тем, что при уменьшении размера частиц зерна происходит увеличение крутящего момента на валу экструдера, что вызвано более плотным заполнением пространства между витками его шнеков мелкими частицами сырья и ускорением при этом процесса клейстеризации содержащегося в зерне крахмала, вызывающего повышение вязкости расплава [7]. Увеличением вязкости расплава, вероятно, объясняется и снижение содержания каротина в экструдате при малом размере частиц зерна: при этом происходит повышение температуры и давления в рабочей камере экструдера, что ускоряет процесс разрушения содержащегося в зеленой массе каротина.
Однако, при значениях модуля крупности более 3,5 мм в экструдате наблюдалось значительное количество недоизмельченных частиц зерна, что неприемлемо при его использовании для приготовления комбикормов. В связи с этим рационально измельчать предназначенное для экс-трудирования фуражное зерно до модуля крупности 1,52,5 мм.
Результаты экспериментов по определению влияния влажности зерна на энергоемкость экструдирова-ния (рисунок 3) подтвердили ранее известный эффект снижения энергоемкости этого процесса при увеличении влажности зерна [8]. В тоже время установлено, что увеличение влажности зерна приводит к значительному увеличению содержания каротина в экструдате: при изменении влажности с 10 до 14% содержание каротина увеличилось с 11 до 15 мг/кг, т.е. более чем на треть. По нашим предположениям, это объясняется снижением температуры в рабочей камере экструдера в результате увеличения средней влажности экструди-руемого сырья, что приводит к уменьшению степени разрушения каротина.
Таким образом, для эффективного осуществления процесса экструдирования необходимо увеличивать влажность зернового сырья. Однако, увеличение исходной влажности зерна выше 14 % приводит к увеличению влажности экструдата свыше 15 %, что неприемлемо. По этой причине рациональная величина влажности измельченного зерна перед экструдировани-ем должна составлять 13-14 %.
Результаты экспериментов по определению влияния средней длины частиц измельченной зеленой массы на процесс экструдирования (рисунок 4) показали большую значимость этого параметра.
Установлено, что увеличение средней длины частиц зеленой массы вызывает резкое повышение удельной энергоемкости экструдирования. При увеличении длины частиц с 4 до 12 мм энергоемкость увеличивается с 79 до 93 кВт-ч/т, т.е. на 18 %. Это объясняется дополнительными затратами энергии на доизмельчение крупных частиц в ходе экструдирования [9].
I-
о о.
(I
18
16
0 -514
1 5 п
£
£ 12 И
о о
10
_____—1 1 >
89.0
88.0
87.0
86.0
85.0
л
I-
п о. I-
(I
м
2 1-
^ =г
8 £ О Ш
о *
л
X
л с
о £
10 11 12 13 14
Влажность зерновых компоненто1,% ■ Соде ржание каротина , мг/кг Удельные энергозатраты , кВт-ч/'
Рисунок 3 - Влияние влажности зерна на содержание каротина в экструдате и удельную энергоемкость экструдирования
94.0
90.0
86.0
82.0
£ н
^ =г 0> ■
1 £ о со
78.0
£
4
12
6 8 10 Длина частиц,мм
■ Соде ржание каротина , мг/кг Удельные энергозатраты , кВт-ч/'
Рисунок 4 - Влияние средней длины частиц зеленой массы на содержание каротина в экструдате и удельную энергоемкость экструдирования
Содержание каротина в экструдате также возрастает по мере увеличения средней длины частиц зеленой массы, достигая 17 мг/кг против 14 мг/кг при минимальной длине 4 мм. Это объясняется, по нашему мнению, тем, что при крупном размере частиц основное соковыделение происходит не при предварительном измельчении их, а в ходе экструдирования, причем со-
держащий каротин сок сразу же поглощается частицами зерна. Однако, при средней длине более 8 мм в готовом экструдате наблюдаются недоизмельченные частицы зеленой массы, что недопустимо.
Таким образом, для эффективного осуществления процесса экструдирования следует измельчать зеленую массу до средней длины частиц 4-6 мм.
Вывод. По результатам экспериментальных исследований совместного экструдирования фуражного зерна и зеленой растительной массы были определены
рациональные параметры предварительной подготовки зернового и растительного сырья. Модуль крупности измельченного зерна должен составлять 1,5-2,5 мм, влажность зернового сырья - 13-14 %. Средняя длина частиц измельченной зеленой массы должна быть 4-6 мм при исходной влажности 65-70 %. Такие параметры подготовки сырья обеспечивают рациональное сочетание высокой сохранности каротина в результате экс-трудирования и снижение энергоемкости этого процесса.
Список использованных источников
1. Тишенков П.И. Как повысить эффективность использования зерна // Животноводство России. - 2014. - № 9.
- С. 67-68.
2. Племяшов К.В., Дмитриева Т.О., Варюхин А.В. Значение бета-каротина для крупного рогатого скота: опыт Ленинградской области // Вопросы нормативно-правового регулирования в ветеринарии. - 2016. - № 2. - С. 134136.
3. Янова М.А. Влияние экструдирования на пищевую и биологическую ценность зерна // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2011. - № 3. - С. 167-170.
4. Шевцов А.А., Дранников А.В., Коротаева А.А. Анализ инновационной привлекательности использования вегетативной массы растений в комбикормах // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2013. - № 1. - С. 224-226.
5. Шевцов А.А., Дерканосова А.А., Коротаева А.А. «Зеленые» инновации в производстве комбикормов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2015. - Т. 3. - № 4-3. - С. 240-242.
6. Брагинец С.В., Алфёров А.С., Бахчевников О.Н. Эффективный способ производства комбикорма с добавкой зеленой массы кормовых трав // Агротехника и энергообеспечение. - 2015. - № 4. - С. 32-39.
7. Исследование влияния гранулометрического состава экструдируемой смеси на процесс экструзии и качество многокомпонентных снэков / В.И. Степанов, В.В. Иванов, А.Ю. Шариков и др. // Техника и технология пищевых производств. - 2016. - Т. 43. - № 4. - С. 129-134.
8. Остриков А.Н., Абрамов О.В., Рудометкин А.С. Экструзия в пищевых технологиях. - СПб.: ГИОРД, 2004. -288 с.
9. Хоренжий Н.В. Дослвдження процесу екструдування комб1корм1в 1з вмютом вологих кормових трав (часть 2) // Зерновые продукты и комбикорма. - 2014. - № 2. - С. 32-37.
List of sources used
1. Tishenkov P.I. How to increase efficiency of use of grain // Livestock production of Russia. - 2014. - No. 9. - P. 6768.
2. Plemyashov K.V., Dmitriyeva T.O., Varyukhin A.V. Value of beta carotene for cattle: experience of the Leningrad region // Questions of normative and legal regulation in veterinary science. - 2016. - No. 2. - P. 134-136.
3. Yanova M.A. Influence of extruding on the nutrition and biological value of grain // Bulletin of the Krasnoyarsk state agricultural university. - 2011. - No. 3. - P. 167-170.
4. Shevtsov A.A., Drannikov A.V., Korotaeva A.V. The analysis of innovative attractiveness of use of vegetative mass of plants in compound feeds // Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. - 2013. - No. 1.
- P. 224-226.
5. Shevtsov A.A., Derkanosova A.A., Korotayeva A.A. Green innovations in production of compound feeds // Urgent directions of scientific research of the 21st century: theory and practice. - 2015. - Vol. 3. - No. 4-3. - P. 240-242.
6. Braginets S.V., Alferov A.S., Bakhchevnikov O.N. An effective method of production of compound feed with the component of vegetation mass of forage herbs // Farm machinery and power supply. - 2015. - No. 4. - P. 32-39.
7. Effect of particle size distribution of raw materials on extrusion cooking process and quality of composite snacks / V.I. Stepanov, V.V. Ivanov, A.Yu. Sharikov et al. // Food Processing: Techniques and Technology. - 2016. - Vol. 43. -No. 4. - P. 129-134.
8. Ostrikov A.N., Abramov O.V., Rudometkin A.S. Extrusion in food technologies. - St. Petersburg, GIORD, 2004. -288 p.
9. Khorenzhy N. V. Research process of compound feed extrusion moisture content of forage herbs (part 2) // Grain products and compound feeds. - 2014. - No. 2. - P. 32-37.
