5. Биохимические процессы, происходящие при хранении зерновых продуктов

Согласно литературным данным хранение крупяных продуктов имеет свои особенности по сравнению с другими продуктами переработки зерна. Оно определяется гигроскопичностью, наличием микрофлоры, состоянием липидной фракции и зависит от способа гидротермической (ГТО) обработки крупы, а так же от ее вида.

Окислительные процессы в крупе протекают более интенсивно, чем в муке за счет большего содержания в первой липидной фракции.

Крупа, подвергнутая ГТО, имеет повышенную стойкость при хранении, так как обладает низкой гигроскопичностью, которая объясняется денатурацией белков и уменьшением пористости крупы. Влаготепловая обработка инактивирует липазу и липоксигеназу, при этом происходит снижение кислотного числа жира, что делает продукт более стойким при хранении.

Количество водорастворимых веществ при хранении уменьшается незначительно. Кислотность же увеличивается за счет гидролитического расщепления жира и белковых веществ [28, 40, 67].

Микробиологические процессы в крупе протекают быстрее и интенсивнее по сравнению с зерном, так как зерно крупы освобождено от оболочек, следовательно, более доступно для микроорганизмов. Однако пропаривание крупы существенно снижает обсемененность микроорганизмами, что улучшает ее бактериологические показатели безопасности.

Так же процессы порчи крупяных продуктов зависят от их влажности, которая может изменяться в процессе хранения, от температуры хранения. При развитии плесеней продукт становится потенциально опасным, так как в нем могут накапливаться микотоксины [17, 56].

Итак, литературные данные свидетельствуют о том, что термическая обработка оказывает существенное влияние на углеводный, белковый, липидный комплексы, на содержание витаминов и минеральных веществ, а также на стойкость продукта при хранении.

Методы тепловой обработки различаются по основному способу подвода энергии к обрабатываемому продукту и ин­тенсивности теплового воздействия, воздействие влаги - тем фазовым состоянием, в котором внешняя по отношению к про­дукту влага находится, механическое воздействие - характе­ром и схемой нагружения.

1. Методы механического разрушения зерна.

Измельчение, как технологическая операция, широко применяется во многих отраслях промышленности, в том числе пищевой и комбикормовой [43,44,52,54,91,124,1773.

Операция измельчения основана на явлении дефомирования и разрушения под действием прилагаемой силы или систе­мы сил. При этом в зависимости от способа приложения сил и возникающего при этом в объекте напряженно-деформированно­го состояния различают ряд схем нагружения [143,152].

Большинство авторов склонно считать удар и раздавли­вание при сжатии наиболее широко распространенными спосо­бами нагружения при измельчении [55,58,1483.

При раздавливании материал деформируется по всему объему. Схема, представляется в виде объекта квазистати­чески сжимаемого между двумя плоскопараллельными пластинами.

Удар различают двух видов: стесненный удар – реализуется по схеме раздавливания, но имеет место динамическое сжатие. Свободный удар – объект сталкивается с рабочим органом измельчителя или другими твердыми телами в полете.

Измельчение - довольно энергоемкий процесс. Кроме того он связан с расходом большого количества металла, зат­рачиваемого на замену и восстановление быстроизнашиваемых рабочих органов [67,85,148,175].

В настоящее время разработано и действует большое количество устройств для измельчения, самой различной конструкции. Имеется несколько систем их классификации ^65,58,82,150].

При переработке зернопродуктов ударному измельчению (многие авторы отдают предпочтение [43,55]. Однако, следует отметить, что во многих зарубежных странах при переработке фуражного зерна используют валковые дробилки или зерно плющат, что соответствует схеме сжатия (частично со сдви­гом при скольжении валков). В табл. 1.1. приведены .данные по сравнительному испытанию молотковых и валковых дробилок [154].

Удельные энергозатраты некрторых типов дробилок

Как.видно, в данном случае по энергозатратам валковая дробилка имеет некоторое преимущество. Замечание о целесо­образности использования валковых дробилок (плющилок) при переработке зерна влажностью более 14 % высказано в работе

[158].

Среди обширного многообразия машин для измельчения

кусковых и сыпучих материалов существенную часть составляют конструкции, в той или иной степени использующие энергию свободного удара (дезинтеграторы, молотковые дробилки, струйные и центробежно-ударные мельницы и т.п.)

Например, в комбикормовой промышленности наибольшее распространение получили молотковые дробилки, Классификация этих дробилок по конструктивным особенностям основных рабочих органов дана в работах [16,85]. За рубежом идет постоянное совершенствование существующих конструкций и разработка новых.

Однако, до настоящего времени удовлетворительной мето­дики оценки их параметров функционирования не разработано. Одной из основных причин такого положения является отсутс­твие приемлемой математической модели основного процесса - разрушения частиц свободным ударом.

К сожалению, ни одна из существующих теорий не дает возможности делать удовлетворительные количественные оцен­ки процесса работы дробилок ударного действия [48,100]. Более того, и качественная сторона процесса измельчения не всегда отражается в них адекватно. Это вызвано, прежде всего, как сложностью физических явлений, протекающих в процессе удара и разрушения, так и сложностью строения объектов воздействия.

Если в случае кристаллов можно говорить о каких-то фундаментальных, наблюдаемых физико-математических пара­метрах, то в случае, например, зерна, с его сложной струк­турой, это часто теряет смысл.

В основных теориях рассматриваются зависимости ка­чества измельчения от затраченной при этом энергии [3,143]. В общем случае необходимо учитывать параметры процесса измельчения и характеристики измельчаемого про­дукта, как это показано на рис.1.1.

Рис.1.1 Прямая задача моделирования процесса измельчения.

В качестве параметров процесса измельчения при сво­бодном ударе могут выступать скорость удара, число ударов, удельная энергия удара, угол падения, время измельчения (при дискретной обработке) или скорость подачи сырья (при непрерывной) . Характеристики измельчаемого продукта могут Включать его геометрические параметры, влажность, физи­ко-механические параметры (модуль упругости, твердость), прочностные свойства (предел прочности, деформация до раз­рушения .

Наиболее полным показателем качества измельчаемого продукта является его гранулометрический (фракционный) состав - распределение частиц по размеру.

Используются частные показатели, характеризующие распределение - средний размер частиц, доля частиц круп­ностью больше или меньше заданной (сход или проход с сита с отверстиями заданного размера) и т.п. [3,100,1433. Наря­ду с рассмотренным подходом, часто имеет место и постанов­ка обратных задач. Например, оценить энергию, затраченную на измельчение, задаваясь качеством конечного продукта. Или оценить скорость удара (критическую скорость удара) в зависимости от физико-механических и прочностных свойств исходного продукта.

Теорией измельчения занимались многие исследователи. Наиболее полный обзор полученных результатов можно найти в работах 13,43,55,143,1523.

Ряд классических теорий может быть получено из прос­той эмпирической гипотезы, в основе которой лежит матема­тическая зависимость предложенная Чарльзом

dE= -C

где dЕ - изменение энергии;

dх - изменение размера;

х - размер частиц;

С,n - положительные константы.

Здесь полагается, что между изменением размера частицы при измельчении и потраченной энергией имеет место про­порциональность. Однако, коэффициент пропорциональности в свою очередь зависит от размера частиц и тем больше, чем меньше частица, т.е. учтен известный из теории прочности масштабный эффект [173].

Полагая n=1; 1.5; 2, получаем после интегрирования зависимости из теорий Кика, Бонда или Реттингера соответс­твенно.

Далее Чарльз ввел в это уравнение функцию распределе­ния частиц по размерам до и после измельчения, таким обра­зом учтя фракционный состав продуктов до и после перера­ботки.

В условиях эксплуатации, а так же при концептуальной проработке конструкции дробилки возможна следующая поста­новка задачи: для известного продукта и качества измельче­ния минимизировать энергозатраты. Управляющим воздействием выступает режим работы дробилки, который определяет пара­метры процесса измельчения.

Представляет интерес зависимость, предложенная для процессов измельчения в барабанных (шаровых) мельницах, несмотря на то, что здесь имеет место скорее схема стеснен­ного удара [3].

М/Мо =

где М - сход с контрольного сита по массе;

Мо - исходная масса материала на контрольном сите;

Е - удельный расход энергии на размол; к,m - положительные коэффициенты.

Анализируя процесс измельчения в шаровых мельницах и большое количество экспериментальных данных, Андреев С.Е. предложил несколько модифицировать выше указанное выраже­ние. Решающим фактором, по его мнению, "являются: коли­чество "полезной" работы мелющих тел, приходящееся на еди­ницу количества измельчаемого материала, и эффективность ее использования". В связи с этим он вводит новый параметр л и уравнение (1.2) приобретает вид

(1.3)

где N - полезная мощность;

т) - коэффициент эффективности условий размола;

В - производительность мельницы.

Более того, используя результаты Петрова В.П., экспе­риментально показавшим, что

К= а d^п,

где d - размер частиц, образующих остаток на контрольном сите; а,n - коэффициенты,

Андреев С.Е. записывает общую формулу уравнения кине­тики измельчения в шаровых мельницах, выражающую зависи­мость остатка на контрольном сите от удельного расхода энергии и предельной крупности частиц в виде

М/Мо = 1СГ^аа ШйЩ.

(1.4)

После преобразований выражение (1.4) можно предста­вить в виде

л ГУ)

Р= (3.6788 е)~^{ас1 Е} , где Р - доля измельченного материала;

Б - удельный расход энергии на размол.

В данном случае режим работы дробилки непосредственно в уравнение не входит, а учитывается, вероятно, коэффици­ентом эффективности условий размола. Отметим экспоненци­альный характер зависимости доли разрушенного материала от удельных затрат энергии.

Более сложное выражение, с учетом таких конструктив­ных параметров дробилки как диаметр шаров и объем мельни­цы, используя теорию вероятности получено Розом [143]. Од­нако и здесь режим, работы дробилки в уравнении отсутству­ет.

В случае измельчителей ударного действия, типа молот­ковых дробилок, дезинтеграторов и т.п. режим работы опре­деляется частотой вращения ротора и числом рабочих орга­нов. С ними связаны такие параметры измельчения свободным ударом, как скорость и число ударов при прохождении части­цы через рабочую зону.

Попытка промоделировать работу безситовой молотковой дробилки вертикальной компоновки предпринята в работах [146,147]. Это потребовало разработки частной модели, оце­нивающей влияние параметров свободного удара на эффектив­ность процесса разрушения зерна [66,68,691.

Качество и эффективность процесса измельчения во мно­гом определяется физико-механическими характеристиками продукта, поступающего на переработку. Предварительная подготовка сырья или создание условий внутри рабочей зоны, изменяющие эти характеристики, может существенно улучшить

показатели процесса. из методов, применяемых для разрушения перерабатываемого сырья и создания льготных условий измельчения можно отметить [143,200]:

• добавка жидких или порошкообразных сыпучих сред, обволакивающих частицы и препятствующих их агломерации;

• охлаждение перерабатываемого продукта и самой ма­шины;

• измельчение в атмосфере защитного инертного газа;

• измельчение в вакууме;

• повышение температуры при измельчении;

• добавление ПАВ;

• приложение резонансных колебаний;

• воздействие внутренних сил, которые возникают в ре­зультате изменения давления паров, находящихся в трещинах и порах.

Из перечисленных методов в производстве зернопродук­тов нашел применение последний. При этом, он реализуется двумя путями. В первом случае перерабатываемый продукт на­сыщается влагой, подвергаясь воздействию пара, в условиях повышенного давления. Затем давление резко сбрасывается.

Во втором случае производится быстрый нагрев, возмож­но предварительно увлажненного продукта. Внутренняя де­сорбция влаги создает избыточное давление, релаксируемое в результате частичной деструкции продукта. Данный эффект достигается, например, нагревом СВЧ или в кипящем масле, и инфракрасным излучением.

Предварительная ИК термообработка приводит и к изменению физико-механических свойств зерна: снижению жесткости и разрушающего усилия, повышению пластичности и т.п. В результате при измельчении существенно сокращаются энергозатраты, удается исключить операцию пропаривания перед плющением [70,170,205].

В обеих случаях преследуется цель механически разру­шить защитную оболочку зерна и увеличить активную поверх­ность биохимических реакций и ферментативного воздействия в процессе переваривания. Отмечено, что не только скармли­вание дробленого зерна эффективней, чем цельного, но и для каждого вида животных и даже возрастных групп существует оптимальная крупность измельченного продукта [43,136,140, 158,1641.

В процессе дробления, наряду с макроразрушением зер­новок, происходит перестройка структуры крахмала на моле­кулярном уровне, что приводит к декстринизации тем больше, чем интенсивнее механическое воздействие. Известен способ получения модифицированного крахмала в дезинтеграторе, обеспечивающем скорость соударения частиц с рабочими орга­нами до 300 м/с [11].

При плющении происходит декстринизация крахмала и тем большая, чем меньше зазор между валками [50]. Кроме того, плющение препятствует ретрограции крахмала в хлопьевидных продуктах, т.е. фиксируются те изменения в структуре крах­мала, которые были достигнуты ранее тем или иным путем, в том числе и ИК нагревом [30,192,197]. ^

Однако, использование интенсивного нагрева для дест­рукции зерна и снижения его прочностных характеристик пе­ред разрушением было бы энергетически неоправдано, если бы не ряд положительных изменений, происходящих в химическом, биохимическом и микробиологическом комплексах зерна под действием тепла.

1. Исследование микроструктуры зерна после ИК трмообработки.

Анатомически зерно делится на три части: эндосперм, зародыш и окружающие их оболочки [61]. Соотношение анато­мических частей (в % к сухой массе), например, для ячменя составляет: эндосперм - 75...81.5, зародыш со щитком - 2.5...3.0, оболочки - 2.5...3.5. Следовательно, большую часть заполнения оболочки составляет эндосперм, который сформирован в виде клеток, заполненных крахмальными грану­лами сферической, элиптической или ограненной формы со средними размерами порядка 20 мкм. Промежутки между грану­лами в большей или меньшей степени заполнены белковым ве­ществом, образующим матрицу.

Оболочки в зерне выполняют защитную функцию. Суммар­ная толщина оболочек с прилегающими клетками алейронного слоя в зависимости от вида зерна колеблется от 30 до 173 мкм.

Если крахмал и белок являются основными питательными веществами в зерне, то оболочки - источник пищевых воло­кон, важное значение которых в пищеварительной деятельное-

ти человека особенно отмечается диетологами [2,111,1861.

Крахмал и белок зерна представляют собой биополимеры, в макромолекулах которых имеются отдельные группы атомов располагающие некоторым запасом свободной энергии. Эти группы выступают в роли активных центров, которые могут удерживать одну или несколько молекул воды. При дальнейшем увлажнении происходит образование молекулярных гроздей во­ды и конденсация влаги в микрокалиллярах [59,613.

Согласно принятым представлениям все формы связи воды с коллоидным капиллярно-пористым телом делятся на три группы: химическую, физико-химическую и физико-механичес­кую [40,1053.

Наиболее прочная химическая связь. Нарушение этой связи происходит в результате химических превращений, иногда при высокотемпературном прокаливании.

Физико-химическая связь обусловлена воздействием мо­лекулярного силового поля или осмотического давления, физико-механически связанной жидкостью понимается жид­кость, находящаяся в капиллярах и жидкость смачивания. Последние два вида связи воды с коллоидным капиллярно-по­ристым телом сравнительно легко нарушаются нагревом.

Зерно имеет сложную структуру и может быть отнесено к коллоидным капиллярно-пористым телам [38,40,593. Поэтому при взаимодействии влаги с зерном обнаруживаются все виды связи перечисленные выше.

Анализ капиллярно- пористой структуры зерна дает до­вольно сложную картину распределения капилляров и пор во диаметру [59,61,1723. По некоторым данным, эмпирические ‘функции распределения диаметров имеют вид кривых распреде­ления Максвела. Превалирующий диаметр капилляров составляет