Влияние гидротермической обработки на свойства зерна
Оставить комментарий! Категория: Хлебные технологии Опубликовано: Янв 04, 2012
Применяя ГТО, инженер-технолог направленно изменяет исходные свойства зерна для их оптимизации и обеспечения высокой технологической эффективности.
Партии зерна, поступающие на переработку, имеют различные свойства. Неодинаково реагирует зерно разных партий и на изменение параметров ГТО. Для того чтобы избрать необходимый вариант ГТО данной партии зерна, необходимо располагать сведениями о зависимости происходящих в зерне изменений от параметров режима обработки.
Изменение микроструктуры зерна. Под воздействием ГТО микроструктура анатомических частей зерна претерпевает необратимые изменения, которые усиливаются при повышении температуры процесса, а также в случае применения пара, СВЧ-обработки, использования инфракрасных лучей и т.п. Некоторые из этих методов уже широко применяют в мукомольном и крупяном производстве, другие проходят разработку и опытную проверку.
При пропаривании зерна наблюдается изменение только белковых матриц в связи с денатурацией белка. Инфракрасное облучение существенно влияет на крахмальные гранулы и на белковые прослойки. Но особенно резко изменяется микроструктура при совместном воздействии инфра-красного облучения и пропаривания. В этом случае наблюдается значительная клейстеризация крахмальных гранул, практически полная их деградация. Биохимический анализ устанавливает повышение содержания декстринов, а физиологические испытания — повышение усвояемости продуктов.
Применение жестких режимов ГТО в крупяном производстве способствует повышению прочности ядра вследствие образования монолитной структуры. Характер этих изменений зависит не только от методов и режимов ГТО, но и от природных свойств эндосперма, определяемых его химическим составом и микроструктурой. С повышением давления пара и продолжительности пропаривания эти изменения усиливаются. В особенности это важно для таких крупяных культур (гречихи, проса, риса), у которых исходная прочность ядра невелика.
Сушка зерна после пропаривания является одним из этапов ГТО в крупяном производстве. При сушке снижается влажность поверхностных слоев, в .особенности цветковых пленок и оболочек. Но наблюдаются также определенные изменения и в ядре зерна.
Для повышения хрупкости цветковых пленок и оболочек крупяного зерна желательно применять интенсивную сушку, например в кипящем слое. В результате пористые цветковые пленки быстро обезвоживаются, растрескиваются и легко отделяются от зерна при шелушении. Но при чрезмерно продолжительной сушке изменения могут затронуть и микроструктуру эндосперма, в нем могут появиться микротрещины, что является нежелательным при производстве крупы.
Изменение физико-химических свойств зерна. Под влиянием ГТО изменяются все физико-химические свойства зерна, за исключением массы 1000 зерен. Это обусловлено набуханием зерна при увлажнении, необратимым изменением его структуры, разрыхлением эндосперма в мукомольном или консолидацией его структуры — в крупяном производстве.
При холодном кондиционировании зерно пшеницы набухает так, что объем зерна мелкой фракции возрастает сильнее, чем крупной. В связи с этим повышается выравненность партии зерна, что положительно влияет на результаты всех дальнейших технологических операций.
Натура зерна при отволаживании вначале резко снижается, а затем несколько возрастает. Это связано не только с набуханием зерна, но и с изменением влажности оболочек.
Стекловидность зерна в условиях мукомольного производства снижается в зависимости от влажности, температуры процесса и его продолжительности. На рисунке XV-И показана взаимосвязь стекловидности пшеницы и степени разрыхления эндосперма при холодном кондиционировании. Эти показатели хорошо коррелируют, так как оба связаны с образованием в эндосперме зерна микротрещин.
Коэффициент объемного расширения увлажненного зерна пшеницы под влиянием температуры изменяется по сложной кривой, с максимумом в области 35…45°С. Очевидно, эта область определяет наиболее интенсивное развитие в зерне физико-химических процессов.
В крупяном производстве под воздействием особых режимов ГТО улучшается набухаемость и разваримость крупы. Подобный результат установлен и в комбикормовом производстве при обработке зерна в экструдерах. Если набухаемость зерна принять за 100 %, то после экструзии она составила для пшеницы 600, а кукурузы 850 %. Изменение биохимических свойств зерна. ГТО зерна существенно влияет на биохимические свойства зерна и готовой продукции. Для данной партии зерна эти изменения зависят от метода и режимов обработки.
При изменении влажности и температуры в зерне развиваются биохимические процессы, под влиянием которых происходит перераспределение химических веществ по анатомическим частям зерновки, появляются продукты гидролиза биополимеров и т. п.
Установлено, что клейковина слабой и сильной пшеницы не различается по химическому составу, а имеет один и тот же набор аминокислот и одинаковое соотношение глиадина и глютенина. Это позволяет при правильно подобранном режиме направленно изменять ее свойства. Например, при скоростном кондиционировании можно укрепить слабую клейковину, а крепкую — ослабить при холодном кондиционировании или же проводя обработку при температуре 30…35°С.
Определенное значение для характеристики муки, имеет содержание механически поврежденных при размоле крахмальных гранул. Установлено, что при влажности зерна пшеницы I типа 14,5…15,5% крахмальные гранулы в наибольшей степени подвержены повреждению, а при повышении влажности до 16… 16,5% эта способность их резко снижается.
Под влиянием ГТО и биохимических процессов в зерне изменяется содержание в муке биологически активных соединений, а также минеральных веществ. При ГТО крупяных культур происходит заметное изменение соотношения различных фракций белка. Наиболее чувствительны альбумины и глобулины, а при обработке овса — и проламины. В крупяном производстве применяют более жесткие режимы обработки, что вызывает снижение растворимости белков. Например, при пропаривании овса в течение 5 мин при давлении пара 0,15 МПа содержание нерастворимых белков составило 18,9%, при 0,30 МПа —58,2, при 0,50 МПа—67,8%, в то время как в исходном зерне только 10,9 % (в расчете на сухое вещество белка). Свободные аминокислоты, а также образовавшиеся при гидролизе белков вступают в реакцию с сахарами, образуя трудногидролизуемые комплексы.
Значительно изменяются и свойства крахмала. Так, при ГТО гречихи получено, что при давлении пара 0,25 МПа и продолжительности пропаривания 1 мин содержание крахмальных гранул, клейстеризующихся при комнатной температуре, составило 3 %, при 5 мин 18, при 10 мин 40 %. Изменяется и характеристика крахмального студня. Для большинства крупяных культур наблюдается снижение вязкости водно-мучных суспензий. Это обусловлено модификацией крахмала под влиянием влажности, температуры и давления. Заметно повышается и атакуемость крахмала а- и р-амилазами.
В результате частичного гидролиза крахмала в крупе повышается содержание декстринов и Сахаров. Однако восстанавливающие сахара активно вступают в реакцию меланоидинообразования, поэтому их содержание может понизиться. Заметно изменяется и липидный комплекс крупы, в частности повышается их устойчивость к окислению. Изменяется также активность ферментов.
Возрастание их содержания указывает на частичный гидролиз крахмала. Заметно возрастает в овсяной крупе содержание слизистых веществ при повышении давления пара. При 0,1 МПа их количество составляло 0,7, при 0,3 МПа—2,4 %.
Обработка зерна в экструдере при 150…200°С также приводит к повышению степени клейстеризации крахмала более чем на 50 % и суммарного содержания декстринов и Сахаров более чем на 10%. При сочетании пропаривания зерна ячменя с поджариванием (в комбикормовом производстве) содержание декстринов возрастает до 18…20 % при исходном их содержании в необработанном зерне около 1 %.
Крупа после ГТО лучше хранится. Это связано с понижением активности ферментов зерна, а также почти полным уничтожением микрофлоры при жестких режимах обработки. Изменение структурно-механических свойств зерна. Одной из основных задач ГТО является направленное изменение структурно-механических свойств анатомических частей зерна. Это вытекает из технологической цели переработки зерна в муку и крупу; необходимо обеспечить разделение эндосперма (ядра) зерна и остальных анатомических частей, так как мука и крупа должны получаться преимущественно из эндосперма.
В исходном состоянии структурно-механические свойства эндосперма зерна и оболочек (или цветковых пленок) заметно различаются. Но различие не столь велико, поэтому при переработке сухого зерна невозможно достигнуть высоких технологических результатов.
На структурно-механические свойства зерна существенное влияние оказывают влажность, температура, продолжительность отволаживания.
При повышении влажности возрастает пластичность зерна, вследствие чего увеличивается пластическая и общая деформация зерна при сжатии, а упругость снижается. Особенно резкие изменения наступают при влажности 15…16%. При температуре выше и ниже 0°С темп изменения этих показателей различен. При отрицательных температурах упругие свойства зерна выражены сильнее, чем при положительных. При дальнейшем повышении температуры до 55 °С величина 8 продолжает возрастать по прямолинейному закону, достигая при этом 32 %.
Продолжительность отволаживания при холодном кондиционировании также влияет на структурно-механические свойства зерна. Для пшеницы I типа при температуре 20 °С, влажности 15,1 % и деформации сжатия установлено, что относительная деформация возрастает в течение 12 ч, затем остается постоянной. Это указывает на завершение в основном к этому моменту преобразования структуры и связанных с ней свойств зерна.
При изучении преобразования структурно-механических свойств крупяных культур под влиянием ГТО получено следующее. Для ядра риса влажностью 12,8 % до обработки 8=6,7 %, а после пропаривания и подсушивания до той же влажности 8=7,3 %, т.е. относительная деформация несколько возросла; при 14,8 % после пропаривания 8- 17,0%, а после отволаживания в течение пяти суток снизилась до 4 %. Это хорошо отражает происходящие в зерне преобразования.
Изменение технологических достоинств зерна. Происходящие в зерне ГТО затрагивают все свойства зерна. В конечном счете это отражается на его технологических свойствах вследствие зависимости их от биохимических, структурно- механических и других свойств. Преобразование исходных технологических свойств зерна, их оптимизация — главная цель ГТО.
С увеличением разрыхления эндосперма возрастает извлечение продуктов 1-го качества и снижается их зольность, поэтому величина их отношения (показатель К) растет.
Влажность зерна при холодном кондиционировании — один из решающих факторов оптимизации технологических свойств зерна. Большое значение имеет не только степень увлажнения зерна, но и величина изменения исходной влажности. Опыты показывают, что наилучшие результаты получаются при повышении влажности зерна на 4,5…5,5 %, причем не за один прием, а в два этапа. Для обеспечения такого изменения влажности необходимо, чтобы исходное значение было 11…12%.
Следует иметь в виду, что различные способы ГТО в разной степени воздействуют на свойства зерна. Обычно применение тепла хорошо сказывается на технологических свойствах зерна. Результаты помола зерна, прошедшего скоростное кондиционирование, заметно выше, чем при холодном кондиционировании. Повысился общий выход муки, причем за счет муки высшего сорта. Заметно снизилась зольность муки.
Если зерно поступает в охлажденном (ниже 0°С) состоянии, то оболочки его становятся хрупкими и при размоле измельчаются, в результате чего ухудшается качество муки. При снижении температуры зерна заметно возрастает зольность муки, а выход высоких сортов муки уменьшается.
Наиболее благоприятные для технологии помола значения все эти показатели приобретают в довольно узком диапазоне влажности — от 15,5 до 16,5 %. Эта зона влажности получила название зоны технологических оптимумов. На рисунке показано также изменение технологических свойств пшеницы в процессе отволаживания при холодном кондиционировании. Зона технологических оптимумов также хорошо видна. Но практика показывает, что оптимальная продолжительность отволаживания зависит от исходной характеристики партии зерна: типа, стекловидности, крупности, а также его температуры.
Для риса также установлено, что при влажности зерна 12,5… 13,5 % выход целого ядра при шелушении наивысший. Так, при повышении влажности с 10,8 до 13 % выход целого ядра возрос на 4,7 %, а при дальнейшем повышении влажности до 15% снизился на 2,3%. На выход целой крупы при шлифовании риса заметно влияет даже относительная влажность воздуха; считают, что необходимо поддерживать ее в пределах 70…80 %.
При ГТО ячменя благодаря пропариванию зерна общий выход перловой крупы увеличился более чем на 10%, причем за счет наиболее ценной крупы № 1 и № 2.
Хорошо влияет ГТО на результаты переработки в крупу овса, проса, гречихи, гороха, кукурузы. Например, при пропаривании овса в течение 3 мин при 0,10 МПа коэффициент шелушения составил 89…91 %, а образование дробленого зерна снизилось до 1,3 %; для исходного зерна их значения составляли 70…75 и 5…6 %.
Выход хлопьев при ГТО овсяной крупы также заметно повышается; так, если первоначально он составлял 94,5 %, то при пропаривании в течение 3 мин и давлении 0,15 МПа уже 96,2 %. В результате пропаривания кукурузы при давлении 0,20 МПа в течение 5 мин выход наиболее крупной фракции возрастает на 15…20 %, а коэффициент извлечения зародыша на 20…25 %. ГТО зерна приобрела важное значение и на комбикормовых заводах. Зерно поджаривают, пропаривают перед плющением, пропаривают в сочетании с поджариванием, экструдируют, обрабатывают ИКЛ.
В результате такой обработки происходит денатурация белков, частичная клейстеризация крахмала, а также образование декстринов и других низкомолекулярных продуктов гидролиза крахмала. Благодаря этому существенно возрастает питательная ценность комбикормов, усвояемость азота, снижаются затраты корма на единицу привеса животных. Кроме того, жесткие режимы вызывают практически полную гибель микроорганизмов, т.е. обеспечивают санитарную чистоту комбикормов. Частично разрушаются при этом и афлатоксины. Установлено, что наиболее заметно происходит изменение свойств белков и крахмала ячменя при быстром нагревании увлажненного до 16% зерна в кипящем слое при температуре 300 °С. В течение 2 мин зерно нагревается до 180…200°С, вспучивается и растрескивается. Если перед таким нагревом зерно было пропарено, то содержание декстринов в нем возрастает до 36%, переваримость крахмала увеличивается в 3,0…3,3 раза.
При кормлении поросят-отъемышей комбикормом с использованием такого зерна привес животных возрастает на 15…20 %, а расход корма снижается до 25 % по сравнению с контролем. При кормлении телят важное значение имеет клейстеризация крахмала. Если она составляет 40…45%, то привес животных увеличивается на 10… 15%.
В результате ГТО улучшаются также потребительские достоинства муки и крупы; При ГТО риса также повышается содержание витаминов в крупе. Повышается усвояемость гречневой, ячменной, овсяной и других видов крупы. Разваримость крупы и вкусовые качества также улучшаются, возрастает привар.
Таким образом, ГТО позволяет обеспечить существенное повышение технологических достоинств зерна при производстве муки, крупы и комбикормов. Необходимо при организации и ведении процесса строго придерживаться существующих рекомендаций.
Гидротермическая обработка зерна на мукомольных заводах
Гидротермическую обработку зерна на мукомольных заводах проводят как с использованием сложных машин и аппаратов, снабженных автоматическими системами контроля и регулирования, так и достаточно простых устройств типа бункеров для отволаживания. Все они объединены технологической схемой, определяющей необходимую последовательность воздействия на свойства зерна.
В процессе ГТО на зерно воздействуют водой и теплом. Поэтому параметрами, определяющими режим этого процесса, являются влажность, температура, давление и продолжительность процесса (в целом и по этапам).
Изменить влажность зерна можно различными способами: добавлением воды в массу зерна, мойкой зерна в специальных машинах, обработкой зерна паром в особых аппаратах-пропаривателях. Увлажненное зерно можно прогреть или же провести последующие этапы процесса при обычной температуре.
Конкретное сочетание этих параметров процесса определяет вариант (метод) ГТО, а значения параметров в данном методе — режим обработки. Метод холодного кондиционирования состоит в увлажнении зерна и последующей выдержке его (отволаживании) в бункерах; название метода обусловлено тем, что его проводят без подогрева зерна. В процессе скоростного кондиционирования зерно обрабатывают паром в сочетании с последующей мойкой в холодной воде. Благодаря такому резкому воздействию на зерно свойства его изменяются быстро, и необходимая продолжительность отволаживания значительно сокращается. Поэтому данный способ и получил название скоростного кондиционирования.
Общим для обоих методов гидротермической обработки является обязательное доувлажнение зерна на 0,3…0,5 % и отволаживание его в течение 20…40 мин непосредственно перед подачей в измельчающую машину (вальцовый станок I др. е.). Это необходимо для увлажнения поверхностных слоев зерна (оболочек и алейронового слоя), благодаря чему их прочность резко повышается, они плохо измельчаются, образуя крупные частицы отрубей, легко отделяемые на ситах от муки. Зерно увлажняют посредством мойки или же дозированной подачей воды в различных увлажнительных установках (БУВ-1 и т.п.). Повышается влажность зерна и при пропаривании в аппарате типа АСК При холодном кондиционировании зерно проходит обработку в машине для мокрого шелушения, дополнительное увлажнение, отволаживание, при высокой стекловидности рекомендуется двукратное увлажнение и отволаживание зерна. Эта последовательность этапов является основной по данному методу ГТО.
Величину основного увлажнения в машине для мокрого шелушения и увлажнительных аппаратах устанавливают как разность между влажностью, принятой на I др. е., и исходной влажностью зерна. При установлении величины влажности ржи, передаваемой на I др. е., и продолжительности ее отволаживания после увлажнения необходимо учитывать стекловидность зерна (до 30 % и выше), а также относительную влажность воздуха, температуру зерна, воды и воздуха.
При обойных помолах пшеницы с влажностью менее 14 % и ржи с влажностью менее 13,5 % зерно перед помолом достаточно увлажнить на 0,5… 1 % с отволаживанием пшеницы не менее 2…3 ч и ржи не менее 1…2 ч.
В случае применения машин Al-ЗШН-З для шелушения зерна при обдирном помоле ржи или же обойных помолах пшеницы и ржи режимы холодного кондиционирования существенно не изменяются. Конкретные показатели их приведены при рассмотрении технологической схемы подготовки зерна к этим помолам.
При скоростном кондиционировании после кратковременного (20…40 с) пропаривания в аппарате типа АСК зерно в течение нескольких минут выдерживают в нагретом состоянии в теплоизолированном бункере, затем его подвергают мойке холодной водой (из водопровода) в моечной машине, обработке во влагоснимателе, доувлажнению и отволаживанию. Иногда, нет необходимости обрабатывать зерно во влагоснимателе, например, если исходная влажность зерна была низкой. Тогда зерно направляют сразу на доувлажнение. Если нет необходимости в доувлажнении, то исключают и этот этап из схемы скоростного кондиционирования.
Скоростное кондиционирование для ржи не применяют, хотя исследования указывают на более высокую эффективность этого метода при сортовых помолах ржи по сравнению с холодным кондиционированием. Важное значение имеет правильная организация отволаживания зерна в бункерах. Если бункер имеет в днище только одно выпускное отверстие, то вследствие особенностей истечения сыпучих материалов выходящее зерно будет неоднородным по технологическим свойствам.
В последние годы мукомольные заводы переведены на непрерывное (поточное) отволаживание. Разгрузка и загрузка бункеров происходит не периодически, а непрерывно, и зерно в бункерах постоянно перемещается сверху вниз, не перемешиваясь, для этого в днище бункера делают большое число отверстий (примерно по одному на 0,6… 1 м2 сечения). Продолжительность отволаживания зерна регулируют скоростью его движения.
Важное значение имеет правильная организация ГТО зерна. Наивысшая технологическая эффективность обеспечивается при раздельной подготовке каждого из компонентов помольной смеси. Например, при раздельной подготовке зерна пшеницы по методу холодного кондиционирования при трехсортном помоле получен общий выход муки 79,4 %, средневзвешенной зольностью 0,77%. При совместной подготовке это-го зерна выход муки снизился до 78,6%, а зольность увеличилась до 0,84%. Одновременно с этим повысился и удельный расход электроэнергии на помол — с 36,7 до 40,8 Вт-ч/кг, т. е. более чем на 11 %. Выход муки высоких сортов уменьшился на 2,6 %. Все это указывает на преимущества раздельного ведения ГТО.
Заметно повышаются результаты при применении двукратного увлажнения— отволаживания зерна. Например, при опытном помоле пшеницы I типа получено: при одноэтапном холодном кондиционировании общий выход муки составил 77,2 % при зольности 0,63 %; при двухэтапном выход муки возрос до 78,1 %, а зольность снизилась до 0,59 %. Доувлажнение зерна перед I др. с. также играет важную роль. Этот прием обеспечивает повышенную влажность оболочек по сравнению с эндоспермом. Поэтому они мало измельчаются при помоле, образуют крупные отруби, которые легко отделяются от муки при сортировании продуктов измельчения в рассевах.