Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ КОРМОВОЙ ПАТОКИ ИЗ ИК-ОБЛУЧЕННОГО ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ

Аксенов В.В. 1 Волончук С.К. 1 Резепин А.И. 1 Дубкова С.А. 1
1 Сибирский научно-исследовательский и технологический институт переработки сельскохозяйственной продукции РАН
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.
биохимическая конверсия
зерно
инфракрасное излучение (ик)
деструкция крахмала
кормовая патока
1. Аксенов В.В. Комплексная переработка растительного крахмалосодержащего сырья в России / В.В. Аксенов. Вестник КрасГАУ. – 2007. – № 5. – С. 213–218.
2. Березовикова И.П. Обоснование режимов микронизации зерна пшеницы для производства цельнозерновых продуктов / И.П. Березовикова, П.Е. Влощинский. Техника и технология пищевых производств. – 2011. – № 3. – С. 5–7.
3. Волончук С.К. Подготовка зерна пшеницы инфракрасным облучением для получения кормовой патоки / С.К. Волончук, В.В. Аксенов, С.А. Дубкова, А.И. Резепин. Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 10. – С. 12–14.
4. Зверев С.В. Повышение качества фуражного зерна высокотемпературная микронизация / С.В. Зверев, А.М. Соловьев, М.В. Брусков и др. – М.: ДеЛипринт, 2001. – 35 с.
5. Мотовилов К.Я. Наноэкобиотехнология производства зерновых паток для животноводства: методические рекомендации / К.Я. Мотовилов, О.К. Мотовилов, В.В. Аксенов В.В., и др. – Новосибирск, 2015. – 60 с.
6. Панфилова И.А. Разработка технологии быстроразвариваемой крупы и хлопьев из целого зерна пшеницы профилактического назначения с использованием ИК-обработки: автореф. дис.. канд. техн. наук: / Панфилова Ирина Аркадьевна. – М., 1998. – 22 с.
7. Патент РФ №2012125099/13, 10.06.2012. / В.И. Сыроватка, Ю.А. Иванов, Т.С. Комарчук, А.Н. Векленко. Способ производства вспученного фуражного зерна // Патент России № 2518726. Публ. 10.06.2014.
8. Производство взорванных зерен [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://msd.com.ua/pishhevye-koncentraty/proizvodstvo-vzorvannyx-zeren/(дата обращения 23.06.2015).

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.


Библиографическая ссылка

Аксенов В.В., Волончук С.К., Резепин А.И., Дубкова С.А. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ КОРМОВОЙ ПАТОКИ ИЗ ИК-ОБЛУЧЕННОГО ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 12. – С. 9-12;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35711 (дата обращения: 21.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074