Технология переработки некондиционного зерна ржи на пищевые и кормовые цели

На правах рукописи

БАХИТОВ ТАРГЕН АМАНДЫКОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕКОНДИЦИОННОГО

ЗЕРНА РЖИ НА ПИЩЕВЫЕ И КОРМОВЫЕ ЦЕЛИ

Специальность: 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Колпакова Валентина Васильевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Карпиленко Геннадий Петрович

доктор технических наук, профессор

Еркинбаева Роза Канатбаевна

Ведущая организация НОУ ДПО «Международная промышленная

академия»

Защита состоится «3» марта 2011 года в 13 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.03 при ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, ауд. 302, корп. А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПП

Автореферат разослан «_______» _____________ 2011 г.

Ученый секретарь Совета, к.т.н., доцент И.Г. Белявская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ведущее место в обеспечении населения продуктами питания занимает зерно, что само уже предполагает поиск и разработку новых технологий глубокой его переработки для повышения эффективности использования. Достигнутый сегодня уровень развития технологий позволяют использовать зерновое сырье по новым технологиям с получением не только традиционной муки и крупы, но других не менее ценных пищевых продуктов для использования их в различных отраслях пищевой и комбикормовой промышленности. Замена импортных сырьевых ингредиентов (сахар, сиропы, белковые препараты) на отечественные - важнейшая проблема обеспечения населения высококачественными продуктами питания в достаточном количестве и ассортименте.

Особенности географического расположения зерносеющих районов, сезонность воспроизводства их ресурсов и другие факторы подвигают специалистов к комплексной переработке растительного сырья, включая и некондиционное зерно. Ежегодно некондиционное зерно ржи производится в количестве от 1 до 3 млн. т., и как кондиционное зерно требует эффективного и рационального использования, если учесть существующую потребность в отечественных пищевых ингредиентах природного происхождения.

Сегодня известны некоторые способы переработки зерна ржи на сахаристые продукты, крахмал, белок, этанол (Попадич И., Шуб И., 1994; Ладур Т, Андреев Н., Лукин Н. и др., 1996, 1997; Колпакова В., Крикунова Л., Кононенко В., 2003 и т.д.), однако технологии переработки некондиционного зерна с одновременным получением сахарного сиропа и пищевых белковых препаратов пока не разработаны. А если учесть, что в питании людей существует дефицит и сахара, и белка, то проблему переработки некондиционного зерна ржи по новой ресурсосберегающей технологии для получения высококачественных компонентов как пищевого, так и кормового назначения следует считать довольной актуальной.

Работа проводилась в рамках научных направлений кафедр «Органическая и пищевая химия» МГУПП, «Технологии пищевых производств» ОГУ (2003-2009 г.), подпрограммы «Технология живых систем» НТП Минобрнауки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2003-2004 гг.) и Госконтракта П175 «Экологически безопасные ресурсосберегающие процессы получения, модификации и применения пищевого растительного белка из различных видов сельскохозяйственного сырья, включая некондиционное и отходы» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы».

Цель и задачи исследований - создание технологии комплексной переработки некондиционного зерна ржи для получения сахаро- и белоксодержащих продуктов с целью расширения сырьевой базы и применения их в пищевой и комбикормовой промышленности.

В задачи исследований входило:

- изучение показателей качества и химического состава некондиционного зерна ржи;

- разработка режимов экструзионной обработки, определение химического состава и физико-химических свойств обработанного зерна ржи;

- исследование динамики гидролиза углеводов зерна ферментными препаратами;

- разработка способа выделения и исследование физико-химических свойств белков;

- изучение химического состава продуктов гидролиза зерна ржи;

-разработка блок-схемы и аппаратурно-технологической схемы переработки некондиционного зерна ржи;

- определение путей использования сахарного сиропа, белкового продукта и твердого остатка зерна ржи в пищевой и комбикормовой промышленности;

- апробация процессов переработки зерна, разработка проектов НД на технологию, пищевые продукты и комбикорма с ингредиентами из некондиционного зерна ржи.

Научная новизна. Научно обоснована технология переработки некондиционного зерна ржи с получением сахарного сиропа, пищевого белкового концентрата и белоксодержащего продукта из твердого остатка со штаммом Ls1-06 гриба Laetiporus sulphureus.

Показано, что в процессе экструзии зерна ржи наблюдается процесс превращения ионизированных частиц зерна ржи из истинного состояния в коллоидное (мицеллярное).

При этом одновременно протекают процессы деструкции белков с преимущественным превращением глиадина в низкомолекулярные альбумины, глобулины и денатурации (агрегации) с образованием остаточных нерастворимых фракций.

Температура клейстеризации крахмала экструдированного зерна ржи на 42-43оС ниже аналогичного показателя исходного зерна.

Температурный оптимум действия эндоамилазы на крахмал экструдированного зерна на 13-15оС ниже, чем на крахмал неэкструдированной ржи.

В процессе уваривания сахарного сиропа наиболее чувствительны к температурному воздействию незаменимые аминокислоты: лизин, лейцин, изолейцин, метионин, цистеин.

Практическая значимость. Разработана новая комплексная технология переработки некондиционного зерна ржи с получением сахарного сиропа, пищевого белкового концентрата и комбикормов с аппаратурно-технологической схемой и оптимальными технологическими режимами.

Преимуществом технологии является комплексное использование основных компонентов зерна с предварительным выделением белковых веществ и возвратом побочного продукта (сыворотка) в производство сахарного сиропа; доказательство биоконверсии твердого целлюлозсодержащего остатка в белоксодержащий продукт.

Технология переработки зерна ржи обеспечивает:

- сокращение стадии приготовления сиропа с 10-22 до 6,2-7,0 ч;

-энергосбережение за счет понижения температуры гидролиза крахмала эндоамилазой на 13-15оС;

-повышение качества сахарного сиропа за счет выделения белков и исключения реакции меланоидинообразования;

- ресурсосбережение, импортозамещение.

Определены пути применения сахарного сиропа, взамен крахмальной патоки в пшеничном, ржаном, ржано-пшеничном хлебе, кондитерских изделиях (леденцовая карамель, сахарные, молочные помадные конфеты, щербет); белкового продукта как обогатителя для вермишели; гидролизата, твердого остатка – для корма карповых рыб и крупного рогатого скота.

Проведена опытно-экспериментальная апробация процесса, разработаны проекты НД: ТИ на процесс переработки некондиционного зерна, ТУ «Концентрат белковый ржаной пищевой», ТУ «Сироп сахарный ржаной»; ТУ «Изделия макаронные белковые»; ТУ, ТИ, технологическая схема и рецепты на корма для прудовых рыб и крупного рогатого скота.

Срок окупаемости капитальных вложений - 1,08 г. при переработке 1556 т. сырья и рентабельности 16%. Расчетная прибыль - 2293 руб. на 1 т. сырья.

Новизна практических решений защищена патентом РФ № 2316968.

Апробация работы. Результаты исследований представлялись на отчетной НТК “Технологии живых систем” (Москва, 2004г.), III Международной конференции «Управление технологическими свойствами зерна (Москва, 2005), Всероссийских НПК «Перспективы развития пищевой промышленности России», «Вызовы ХХ1 века и образования», Международной НПК «Пищевая промышленность: состояние, проблемы, перспективы» (Оренбург, 2005, 2006, 2009.г.г.), Общероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Пищевые технологии» (Казань, 2006 г.), «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2007), НПК, посвященной 15-летию технологического факультета Воронежского ГАУ имени К.Д. Глинки (Воронеж, 2008), МНК студентов и молодых ученых «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания» (Москва, 2009г) и других конференциях.

Работа награждена 3 дипломами и золотой медалью за разработку наукоемкой технологии для пищевой и перерабатывающей промышленности.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 24 печатных работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованных источников и 11 приложений. Основной текст работы изложен на 140 страницах, содержит 28 рисунков, 54 таблицы. Библиографический список включает 188 российских и зарубежных авторов.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В обзоре литературы приведены сведения о народнохозяйственном значении зерна ржи, приведены его характеристики как сырья для получения сахаро- и белоксодержащих продуктов, химический состав различных анатомических частей, физико-химические характеристики белков, углеводов. Обобщены данные о путях использования зерна ржи, включая некондиционное (крупяная, хлебопекарная, кондитерская, макаронная, спиртовая отрасли пищевой промышленности, производство комбикормов), дана характеристика зерна ржи как перспективного крахмал-, сахаросодержащего и белкового сырья.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследования проводились на кафедрах органической и пищевой химии МГУПП, технологии пищевых производств ОГУ, органической химии МГУПБ. Общая схема исследований представлена на рисунке 1.

2.1 Материалы и методы исследований

В качестве материалов исследования использовали 5 образцов некондиционного зерна ржи, ферментные препараты Термамил 120Л, Глюкозим Л 400, Шеарзим 500 Л.

Полупродуктами и готовыми продуктами служили: белковая паста, гидролизат, твердый остаток, белковый концентрат, сахарный сироп; пшеничный, ржаной, ржано-пшеничный хлеб (рецептуры «Российский», «Орловский», «Московский», «Гражданский»); макаронные изделия, леденцовая карамель по рецептуре «Монпансье», ирис «Сливочный», помадные конфеты, «Детские», «Школьные», «Киевская помадка», мармелад «Фигурный», щербет, комбикорм для рыб (рецепт К 111-1) и крупного рогатого скота (рецепт КК-65-711).

Для разработки рецептур хлебных, кондитерских и макаронных изделий использовали: муку ржаную обдирную, ржаную обойную, пшеничную 1 и 2 сорта; крахмальную патоку (ГОСТ Р 52060-2003), солод ржаной ферментированный; поваренную соль; дрожжи прессованные хлебопекарные и другое сырье, отвечающее требованиям ГОСТов и ТУ.

Показатели свойств зерна определяли по методам : натура – ГОСТ 10840-64; масса 1000 зерен – ГОСТ 13586.3-83; влажность – ГОСТ 13586.3-85; энергия прорастания – ГОСТ

Рисунок 1 – Общая схема исследований

12038-84; типовой состав – ГОСТ 10940-64; запах и цвет – ГОСТ 10967-90; зараженность,

поврежденность вредителями – ГОСТ 13586.4-83; содержание сорной и зерновой примеси – ГОСТ 30483-97, число падения – ГОСТ 30498-97. Для оценки качества зерна ржи использовали шкалу ГОСТ 16990-88. Зерно экструдировали на пресс-экструдере кафедры «Технологии пищевых производств» ОГУ. Электропроводность водно-зерновой суспензии изучали с помощью кондуктометра КП-001. Вязкость суспензий из образцов зерна исследовали на амилографе «Брабендер» (Германия), для определения степени гидролиза вязкость полисахаридов ржи с ферментами измеряли стандартным методом (ГОСТ 8420-74) на вискозиметре ВПЖ-4 =2,62 мм. При анализе химического состава зерна, продуктов гидролиза, готовых изделий использовали общепринятые методы и методы ГОСТов. Функциональные свойства белков определяли по методам, опубликованным в работах Колпаковой В.В., Нечаева и др. (1995г). Аминокислотный состав определялся на анализаторах Т-339 (Чехия) и фирмы Хитачи.

Качество сырья (мука, дрожжи, патока, соль и др.) соответствовало требованиям ГОСТ. Активация дрожжей сиропом проводилась с «фазой активации» (Ройтер И.М., 1977г), кислотность определялась по методу, предусмотренному ГОСТ 27493-87.

Статистическую обработку данных осуществляли методами дисперсионного анализа, для поиска оптимальных режимов использовали метод ПФЭ-22 (Грачев Ю.П., 1978 г.)

2.2 Результаты и их обсуждение

Разработка технологии комплексной переработки некондиционного зерна ржи с получением сахарного сиропа и белковых продуктов пищевого и кормового назначения осуществлялась с применением ферментных препаратов, катализирующих гидролиз полисахаридов, направленных, с одной стороны, на комплексную переработку нетрадиционного растительного сырья, с другой, – на получение высококачественных ингредиентов с достаточно высоким выходом.

Определены показатели качества зерна ржи (таблица 1), для чего проанализировано 5 образцов и установлено, что оно принадлежит к некондиционному зерну с числом падения менее 80 с. Зерно имело серый, коричневый или серо-зеленый цвет и неплесневелый запах.

Таблица 1 – Технологические показатели зерна ржи

Натура, г/л	Масса 1000 зерен, г	Влажность, %	Сорная, зерновая примесь, %	Число падения, с	Энергия прорастания, %
590-601	25-28	12,2-14,3	5,3-6,8	66-72	78-85

Химический состав и физико-химические свойства экструдированного зерна ржи.

Учитывая, что отличительной особенностью зерна ржи является присутствие пентозанов, способных взаимодействовать с другими компонентами, разрабатывались приемы, направленные на извлечение белков, осветление сахарного сиропа и повышение его выхода. Для этого использован процесс экструзии и подобраны оптимальные условия для ее проведения на универсальном пресс-экструдере: степень измельчения сырья (проход через сито отв. 2мм) - 87-95%, влажность - 17-18%, отволаживание 25-30 мин; температура 120-140 оС, давление 9-10 МПа.

Определение химического состава (таблица 2) показало, что массовая доля крахмала в зерне уменьшалась на 35%, клетчатки – в 3,8 раза, пентозанов – на 33% и одновременно в 19 раз повышалось количество декстринов и в 3,5 раза – восстанавливающих сахаров.

Таблица 2 – Влияние экструдирования на химический состав зерна

Показатели	Исходное зерно	Экструдированное зерно
Массовая доля влаги, %	12,8	7,07
Массовая доля, % с.в.:
Крахмал	63,6	40,6
Декстрины	1,60	30,5
Сахара: восстанавливающие	4,78 0,22	5,96 0,79
Клетчатка	3,69	0,95
Белок % (Nх5,7)	9,64	9,49
Жир	1,10	0,90
Зола	2,00	1,80
Кальций, фосфор	0,22 + 0,39	0,21 + 0,40
Гемицеллюлозы, в т. ч. пентозаны	13,6 11,9	10,1 8,00