Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,778

IMPROVED METHOD OF PRODUCING FODDER MOLASSES FROM IR-IRRADIATED FROM GRAIN WHEAT

Aksenov V.V. 1 Volonchuk S.K. 1 Resepin A.I. 1 Dubkova S.A. 1
1 Siberian research and technology institute of agricultural production processing
В статье приведены результаты исследований процесса получения кормовой патоки из ИК-облученного зерна пшеницы. Установлено, что вследствие деструкции крахмала зерна и значительного уменьшения прочности зерна при ИК-облучении возрастает скорость протекания биохимических преобразований, содержание углеводов в патоке существенно повышается, по сравнению с патокой, полученной из необработанного зерна. При этом затраты времени и энергии значительно уменьшаются. На основании статистически обработанных результатов исследований получена эмпирическая зависимость, математически отражающая влияние переменных факторов процесса на содержание сахаров в патоке. Делается вывод о целесообразности использования результатов работы при разработке усовершенствованной технологии получения кормовой патоки из разнообразных видов зернового сырья, подвергнутого ИК-обработке.
The article presents the results of studies on the processing of IR-irradiated wheat to molasses. It is established that in consequence of the destruction of starch grains and a significant reduction of grain strength under IR-radiation increases the rate of biochemical transformations. The content of sugar in molasses is significantly increased, compared to syrup obtained from raw grain. While time and energy are significantly reduced. On the basis of statistical processing of results of studies obtained empirical relationships, mathematically reflecting the influence of variable factors of the process on the sugar content in the molasses. The conclusion about expediency of use of research results in the development of improved technology to obtain molasses of various types of grain IR-radiation.
biohemiical convesion
heat grain
infrared radiation (ir)
destruction of starch
a fodder molasses

Общепризнано, что во всех физиологических процессах животных важная роль принадлежит углеводам. Углеводы, с одной стороны, являются одним из основных источников энергии для животных, а с другой стороны, – питательной средой для синтеза микробиального белка. Недостаток углеводов в рационах крупного рогатого скота (КРС) снижает перевариваемость и усвояемость питательных веществ кормов, приводит к разбалансировке биохимических процессов у животных, снижает молочную продуктивность и продуктивное долголетие, а также дает ряд других негативных последствий. Особенно сильно проявляются отрицательные явления при недостатке углеводов в рационах высокопродуктивных животных, что не позволяет им реализовать свой генетический потенциал продуктивности и существенно уменьшает продуктивное долголетие [5].

В мировой и отечественной практике кормопроизводства существуют различные способы и технологии обработки зернового сырья с целью повышения его питательной ценности и усвояемости. К ним относятся: замачивание, поджаривание, экструдирование, кондиционирование зерна, а также другие способы обработки. Вышеперечисленные технологии обладают рядом существенных недостатков: низкая конверсия зернового крахмала в сахара (5–7 %), высокие энергозатраты и высокая температура обработки [1].

В связи с вышеизложенным, назрела острая необходимость разработки новых технологий, позволяющих перерабатывать имеющееся в хозяйствах зерновое крахмалсодержащее сырье на кормовые патоки малозатратными и экологически безопасными способами.

Одним из путей совершенствования процесса получения кормовой патоки является использование в качестве сырья зерна, разрушенного под действием тепловых и электромагнитных излучений, когда идут изменения крахмальной цепочки. Например, «взрыв» зерна по аналогии с получением воздушной кукурузы [8]. Движущей силой этого процесса является влага зерновки, которая вследствие термовлагопроводности (термодиффузии) по капиллярам и порам перемещается к центру зерна. Осуществить это можно, например, ИК-облучением зерна. Так как величина плотности потока ИК-излучения достаточно большая, то влага, сконцентрированная в центре зерновки, нагревается до 110–150 °С, испаряется очень быстро, что приводит к мгновенному повышению давления водяных паров. При этом зерно разрушается, но не рассыпается, уменьшаются его прочностные характеристики, что способствует снижению энергозатрат при его дальнейшей обработке (помоле, плющении и т.д.), а также облегчается разжевывание животными [2, 6].

Анализ научных и других источников свидетельствует о том, что имеются данные о результатах отдельных работ, направленных на разработку способов и технологических процессов получения и использования полуфабрикатов из зернового сырья на кормовые цели [4, 7]. Однако в литературе отсутствуют данные о получении кормовой патоки из ИК-облученного зерна пшеницы.

Ранее нами были проведены исследования по определению зависимости степени деструкции крахмала и прочностных характеристик зерна пшеницы от влажности и плотности потока ИК-излучения, с учетом, того что влажность зерна при уборке урожая вследствие различных погодных условий находится в диапазоне 12–18 %. Было установлено, что крахмал частично подвергается деструкции, а прочностные характеристики зерна уменьшаются до 6 раз [3]. Эти данные позволяли предположить, что процесс ферментативной биоконверсии облученного зерна должен протекать за более короткие промежутки времени и с меньшими затратами энергии.

Цель исследования

Целью исследования является изучение режимов биоконверсии зерна пшеницы, подвергнутого ИК-облучению при определенных значениях плотности потока и влажности, в кормовую патоку, обеспечивающих увеличение выхода сахаров, снижение продолжительности процесса и, соответственно, энергозатрат.

Материалы и методы исследования

Для исследований было подготовлено цельное зерно пшеницы, обработанное инфракрасным излучением по 9 вариантам, и зерно пшеницы, необработанное, в качестве контроля. Для исследования процесса осахаривания зерна в процессе получения кормовой патоки использовались мультиэнзимные композиции. Исследование влияния параметров биотехнологической конверсии зерна в кормовую патоку проводилось на разработанной в ГНУ СибНИТИП оригинальной установке – гидромеханическом диспергаторе (рисунок).

aksen1.tif

Лабораторная установка гидродинамического диспергирования. 1 – емкость рециркуляции; 2 – датчик температуры; 3 – продуктопровод; 4 (а–б) – затворы; 5 – кавитационная ячейка; 6 – сальниковый узел; 7 – электродвигатель; 8 – рама-компенсатор; 9 – канал для слива; 10 – модуль охлаждения сальникового узла; 11 – водоподводящие шланги; 12 – вода; 13 – стойки; 14 – щит управления ; 15 – частотный преобразователь;16 – индикатор температуры;17 – выключатель; 18 – кнопки «Пуск» и «Стоп», 19 – кнопка аварийного отключения; 20 – амперметр; 21 – подводящий кабель; 22 – индикатор скорости вращения двигателя, 23 – теплоизоляция; 24 – расходомер воды

При проведении исследований контролировалось содержание сахаров в пробах, отобранных при различных временных выдержках и энергозатраты на производство кормовой патоки.

Общий сахар в патоке определялся по гостированной методике.

Основными элементами гидромеханического диспергатора являются емкость рециркуляции (1) и кавитационная ячейка с рабочими органами (5). В ёмкость рециркуляции заливается вода, включается диспергатор и порциями вносится ИК-обработанное зерно. По окончании внесения зерна вносятся мультиэнзимные композиции, емкость закрывается и далее подвергается гидромеханической обработке. Пробы патоки отбираются через равные промежутки времени. В процессе гидромеханической обработки реакционная масса многократно проходит через рабочие органы. В результате интенсивных гидродинамических и гидромеханических воздействий на водо-зерновую суспензию идёт её диспергирование и саморазогрев: стадия желатинизации-клейстеризации. Последующие стадии процесса разжижения и осахаривания проводятся в присутствии мультиэнзимных композиций.

Аналогичные операции проводились и с необработанным зерном.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты исследований приведены в таблице. Установлено, что при ферментативной биоконверсии необлученного цельного зерна значимый выход углеводов в патоке достигает значений 16,80 % (таблица, строка № 1) через 210 минут обработки. После ИК-облучения зерна той же влажности (12 %) близкие результаты по содержанию углеводов в патоке достигаются уже за 60 минут обработки, когда выход углеводов составил 16,98 % (таблица, строка № 2). Увеличение плотности потока ИК-излучения при 12 % влажности зерна приводит к повышению выхода сахаров в среднем на 2,5 % (таблица, строки № 2–4).

Экспериментальные данные по ферментативному гидролизу ИК-облученного и необлученного зерна

п/п

Контролируемые параметры

Продолжительность обработки, мин

Исходная влажность зерна, %

Плотность потока

ИК-излучения, кВт/м2

30

60

90

130

170

210

Содержание общего сахара в патоке, %

1

12,0

необлученное зерно

9,876

12,040

13,893

14,510

15,436

16,801

2

12,0

17,0

12,040

16,980

17,906

19,141

19,759

19,141

3

12,0

20,0

6,174

13,275

14,819

17,598

18,524

21,611

4

12,0

23,0

15,128

15,438

15,445

17,906

18,529

21,617

5

15,0

17,0

22,229

18,524

19,141

20,685

21,920

17,598

6

15,0

20,0

20,685

21,610

21,611

21,614

21,928

22,229

7

15,0

23,0

6,174

8,644

9,570

11,423

14,819

24,696

8

18,0

17,0

12,349

15,436

18,524

19,141

20,067

22,229

9

18,0

20,0

6,792

13,584

15,436

17,906

19,141

20,685

10

18,0

23,0

18,524

20,067

21,611

23,155

23,772

24,699

Биоконверсия ИК-облученного зерна с большей влажностью (15 % и 18 %) показала, что содержание сахаров в патоке увеличивается на 2 % по сравнению с зерном 12 % влажности (таблица, строки № 5–10). По сравнению с необлученным зерном этот показатель возрастает на 8 % (таблица, строка № 1).

В результате множественного регрессионного анализа экспериментальных данных содержания сахаров в патоке, связанных с влиянием изменяемых параметров, а именно, влажности зерна и плотности потока ИК-излучения, получена эмпирическая зависимость:

Y = 2,142 + 0,291*X1 + 0,754*X2,

где Y – содержание сахаров, %;

Х1 – влажность зерна, %;

Х2 – плотность потока ИК-излучения, кВт/м2.

Анализируя регрессионное уравнение, отражающее зависимость выхода общего сахара от влажности зерна и плотности потока ИК-излучения, можно заключить, что на реакционную способность в большей степени влияет плотность ИК-излучения, в то время как влажность зерна оказывает существенно меньшее влияние.

Установлено, что продолжительность процесса биоконверсии ИК-облученного зерна сокращается в среднем в 3,5 раза, а энергозатраты уменьшаются в 2,5 раза.

Выводы

Результаты исследования показывают, что предложенный способ дает достоверный результат и может быть использован для разработки усовершенствованной технологии получения кормовой патоки путем механо-биохимического воздействия.

При получении кормовой патоки из предварительно ИК-обработанного зерна, снижаются время биоконверсии зерна и энергетические затраты по сравнению с существующим процессом. Вероятно, это происходит за счет уменьшения прочности зерна и повышения атакуемости деструктурированного крахмала ферментами мультиэнзимной композиции.

Значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы при разработке технологии получения кормовой патоки из других видов зернового сырья, подвергнутого ИК-облучению.