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).
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.