Разработка нового способа обработки соевых бобов на основе инфракрасного энергоподвода

На правах рукописи

Стребков Владимир Борисович

РАЗРАБОТКА нового способа ОБРАБОТКИ СОЕВЫХ БОБОВ

на основе иНФРАКРАСНОГО ЭНЕРГОПОДВОДА

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 – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств».

Научных руководитель: кандидат технических наук, доцент

Кирдяшкин Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Карпиленко Геннадий Петрович

ГОУ ВПО «Московский государственный

университет пищевых производств»

кандидат технических наук

Степанищева Нина Михайловна

ВНИИ консервной и овощесушильной

промышленности

Ведущая организация: Московский государственный

университет технологий и управления

Защита состоится «26» июня 2008 года в 1200 часов, аудитория 229 на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 11.

Просим Вас принять участие в заседании Совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП.

Автореферат разослан « » ____________ 2008 г.

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

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Проблема обеспечения населения животным белком остро стоит во всем мире, в том числе и в России. Альтернативное решение – создание продуктов с высоким содержанием протеина на основе растительного сырья. Среди перспективных сырьевых ресурсов учеными в последние десятилетия выделяется соя.

Однако, несмотря на высокие пищевые достоинства соевых бобов, они требуют специфического технологического подхода при использовании для пищевых и кормовых целей, так как семена сои, в отличие от других сельскохозяйственных культур, содержат в своем составе ряд природных антипитательных веществ.

Главным образом, это ингибиторы протеазы и гемагглютенины (лектины, сапонины), а также вещества, вызывающие аллергические, эндокринные и рахитические расстройства.

Классические методы снижения антипитательных веществ основаны на длительной высокотемпературной обработке соевых бобов, предварительно прошедших стадии увлажнения, измельчения, либо при использовании цельных бобов – процесс варки.

Данным способам присущи существенные недостатки, связанные, во-первых, с использованием парового хозяйства, и как следствие с большими энергозатратами и повышенными требованиями к безопасности производства, во-вторых, со снижением питательной ценности готового продукта.

Исходя из вышеперечисленного исследования по разработке рациональных технических решений, основанных на методе инфракрасной обработки сои, позволяющих получать продукт с высокой биологической ценностью и низким (допустимым) содержанием антипитательных веществ, являются, несомненно, актуальными и перспективными.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является разработка нового способа обработки соевых бобов на основе инфракрасного энергоподвода, позволяющего получать продукты для пищевой и комбикормовой промышленности с высокими физико-химическими и функционально-технологическими свойствами.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие конкретные задачи:

– исследовать кинетику нагрева соевых бобов при ИК-обработке, в том числе, установить поверхностную температуру нагрева соевых бобов и средневзвешенную;

– выбрать продолжительность ИК-обработки соевых бобов, обеспечивающую достижение необходимой средневзвешенной температуры нагрева зерновой массы без превышения поверхностной температуры нагрева;

– разработать предложения по аппаратурному оформлению процесса термообработки;

– подобрать оптимальные режимы технологических операций: нанесение поверхностной воды перед ИК-обработкой и последующее темперирование;

– изучить влияние режимов термообработки на содержание ингибиторов трипсина и белковый комплекс соевых бобов;

– определить влияние параметров микронизации и темперирования на липидный комплекс соевых бобов, а также их микробиологическую обсемененность;

– разработать аппаратурно-технологические схемы получения продуктов из соевых бобов, прошедших стадию термообработки, и определить их качественные показатели и функциональные свойства;

– провести опытно-промышленную проверку разработанного способа обработки соевых бобов, прошедших стадию термообработки.

Научная новизна

Впервые осуществлен анализ поэтапного изменения технологических свойств соевых бобов при их тепловой обработке и показано преимущество метода ИК-нагрева по сравнению с применяемыми в настоящее время для обработки зернобобовых культур.

Экспериментально доказаны различия в теплофизических свойствах злаковых и бобовых культур, на основании которых впервые предложены конструктивные доработки серийно выпускаемой ИК-установки для термообработки зерна марки УТЗ-4.

Установлено влияние влажности и температуры ИК-обработки соевых бобов на скорость их нагрева, активность уреазы, растворимость протеина и ферментативную атакуемость белка.

Научно обоснована необходимость включения в технологический процесс термообработки стадии темперирования и установлено влияние ее продолжительности на биохимические показатели соевых бобов.

На основании комплекса выполненных исследований разработан новый способ обработки соевых бобов, прошедших стадию ИК-нагрева с последующим темперированием, защищенный Патентом РФ № 2313226.

Практическая ценность

Разработан способ обработки соевых бобов на основе ИК-энергоподвода, позволяющий:

- снизить содержание ингибиторов трипсина до безопасного уровня (не более 0,2 ед. рН по показателю активности уреазы);

- увеличить ферментативную атакуемость белка в 2,5-3,0 раза;

- стабилизировать липидный комплекс за счет инактивации липолитических ферментов соевых бобов;

• повысить микробиологические показатели конечного продукта;
• получить продукты (цельные соевые бобы, соевая мука и крупа) с высокими показателями качества.

Предложен новый метод оценки равномерности прогрева сырья на основе определения его поверхностной и средневзвешенной температуры.

Установлены рациональные режимы основных операций разработанного способа: степень увлажнения соевых бобов (4-6%), продолжительность ИК-обработки (50-60 с) и длительность темперирования (5-7 мин).

Разработанный способ обработки соевых бобов на основе ИК-нагрева и темперирования апробирован в условиях промышленного производства ООО «ПК Старт» (г. Долгопрудный) с получением Паспорта качества № 19 на линию термообработки сои.

Разработанный способ внедрен на действующем предприятии ООО "Август-Агро" (г. Саратов), выпускающем 9,6 т/сутки соевой муки.

Экономическая эффективность от внедрения разработанного способа составила для предприятия ООО "Август-Агро" 2,4 млн. руб. при сроке окупаемости капитальных затрат 10 мес.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на II Всероссийской научно-технической конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2004 г.), на III Юбилейной международной выставке-конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2005 г.).

Результаты настоящей работы демонстрировались на XI и XII международной специализированной торгово-промышленной выставке «Зерно-комбикорма-ветеринария» (г. Москва, ВВЦ, 2005-2006 гг.), на выставке «Соя в национальных проектах России» (г. Москва, ВВЦ, 2007 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы изложены в 7 публикациях, включая 4 статьи и 1 Патент РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной и экономической частей, выводов, списка литературы из 194 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 128 страницах машинного текста, содержит 18 рисунков и 25 таблиц.

1. Обзор литературы

В обзоре литературы приведена общая характеристика, ботаническая классификация и химический состав соевых бобов. Приведены данные о существующих современных методах термовлажностной обработки зернового сырья и их влиянии на изменение его технологических свойств.

Подробно рассмотрен процесс ИК-обработки сырья, изменений в нем и обоснована его перспективность для внедрения на предприятиях пищевой промышленности.

2. Экспериментальная часть

2.1. Материалы и методы исследования

Исследования осуществляли в лабораторных и промышленных условиях на базах ГОУ ВПО МГУПП и ООО «ПК Старт». Объектом исследования являлись соевые бобы сорта «Соната», выращенные в Краснодарском крае в период 2003-2005 гг.

Анализ соевых бобов проводили в соответствии с ГОСТ 17110-71 «Соя (промышленное сырье)». Влажность определяли по ГОСТ 10856-96; примеси, запах и цвет – по ГОСТ 10854-88; зараженность вредителями – по ГОСТ 10853-88.

Анализ биохимических показателей исходных и соевых бобов, прошедших термообработку, проводили с использованием: метода Къельдаля по ГОСТ 10846-91 для определения общего белка; ГОСТ 13979.3-68 для анализа сырого и растворимого протеина; метода Лоури для определения водорастворимого белка; метода формольного титрования для определения содержания аминного азота; ГОСТ 13979.9-69 для определения активности уреазы; титрометрического метода с потенциометрической индикацией по ГОСТ 5476-80 для определения кислотного числа соевого масла; метода Кауфмана по ГОСТ 5475-69 для определения йодного числа соевого масла. Аминокислотный состав определяли на анализаторе марки Хитачи.

Контроль микробиологического состояния сои осуществляли путем идентификации и подсчета бактериальной и грибной микрофлоры при высеве на чашки Петри с селективными питательными средами по ГОСТ 26668, ГОСТ 26670; общей обсемененности - на сухую питательную среду по ГОСТ 26672-86.

Показатели, характеризующие качество и функционально-технологические свойства, полученных продуктов проводили по общепринятым методикам во ВНИИ мясной промышленности им. В.М. Горбатова и испытательном центре ГНУ Всероссийского научно-исследовательского технологического института птицеводства (ВНИТИП).

Для экспериментального исследования ИК-обработки партии соевых бобов была применена серийно выпускаемая ООО «Производственная компания Старт» установка для термообработки зернового сырья УТЗ-4.

2.2. Результаты исследований и их обсуждение

2.2.1. Исследование кинетики микронизации соевых бобов и разработка предложений по аппаратурному оформлению процесса

Инфракрасная обработка зерна относится к одному из перспективных и активно развивающемуся способу изменения исходных технологических свойств сырья и достаточно широко используется при производстве ряда продуктов. Однако, имеющихся сведений по применению данного способа для целенаправленного изменения исходных свойств соевых бобов не достаточно, чтобы обосновать рациональные режимы, учитывающие специфику вида сырья.

Эксперименты по обработке соевых бобов с использованием ИК-энергоподвода проводили на нескольких пробах зерна, которые получали путем увлажнения исходного с W=9,0% до W=12,0%; 15,0%; 18,0%. ИК-нагрев вели на установке УТЗ-4 при мощности лучистого потока Е=22-24 кВт/м2. Температуру нагрева семян сои контролировали при помощи бесконтактного пирометра RayTeck Mini Temp FS.

Кинетика нагрева соевых бобов в зависимости от их исходной влажности представлена на рисунке 1.

W=9,0% W=12,0% W=15,0% W=18,0%

Рис.1. Кинетика нагрева соевых бобов на ИК-установке УТЗ-4 в зависимости от исходной влажности сырья

Установлено, что с увеличением влажности сои, закономерно возрастает продолжительность ИК-обработки. Так, к примеру, для прогрева зерна с влажностью 12,0% до температуры 100 С требуется 60 с, а с влажностью 18,0% - 80 с. Также можно отметить, что обработка сои методом ИК-энергоподвода требует большего времени нагрева в среднем 1,5-2 раза, чем обработка злаков.

Для научного обоснования влияния структурно-механической и капиллярно-пористой структуры отдельных видов зерна были проведены исследования по определению поверхностной и «внутренней» (средневзвешенной) температуры. Для этого использовали соевые бобы и зерно пшеницы с влажностью 15,0%, микронизацию вели до температуры нагрева поверхности сырья 120-130 °С (рис. 2).

Рис.2. Кинетика нагрева соевых бобов и зерна пшеницы

Установлено, что характер изменения поверхностной и средневзвешенной температур семян сои и зерна пшеницы имеет существенные различия. Так, разница между температурами для пшеницы составляет 3-7 С, для сои – 10-30 С.

То есть, ИК-обработка соевых бобов характеризуется большей неравномерностью прогрева внешних и внутренних слоев, по сравнению со злаковыми культурами. Данный факт должен учитываться при разработке рациональных режимов микронизации семян сои.

Кроме того, приведенные данные показывают, что за указанный период времени прогрева семена сои достигают средневзвешенной температуры на 60-70 С меньше, чем образцы пшеницы. Вместе с тем, известно, что ингибитор трипсина семян сои выдерживает прогрев при температуре 100 °С в течение 15 минут без снижения своей активности.

В связи с этим можно сделать вывод, что рекомендованные для злаковых культур режимы ИК-нагрева не могут быть использованы для обработки сои.

Показано (рис. 3), что сухое зерно с влажностью 9,0%, за 80 с достигает средневзвешенной температуры на уровне 115-120 С, достаточной для инактивации ингибитора трипсина. Образцы с более высокой влажностью не прогреваются до необходимой температуры.

W=9,0% W=12,0% W=15,0% W=18,0%

Рис.3. Кинетика средневзвешенной температуры ИК-нагрева семян сои в зависимости от исходной влажности сырья

Таким образом, конструктивные особенности существующей установки УТЗ-4 не позволяют применить ее для получения соевых бобов, с заданными качественными показателями.

Поэтому в работе предложено модернизировать существующую установку. В основу модернизации был положен осциллирующий режим, основанный на последовательности чередования периодов облучения и периодов отлежки. Такой режим позволяет минимизировать перепад температур на поверхности и внутри прогреваемого материала, что особенно актуально для довольно крупных по своим размерам зерен бобовых культур.

Поэтому далее была проведена модернизация УТЗ-4 и разработана установка УТЗ-4М для микронизации зернобобовых культур, в частности сои.

В модернизированной установке эффективность передачи энергии обеспечивается определенным размещением и количеством галогенных ИК-излучателей в тепловых блоках. Интенсификация продолжительности ИК-нагрева идет за счет уменьшения расстояния между цоколем ИК-излучателей и обрабатываемым продуктом, а также благодаря изменению параметров осциллирующего режима.

На рисунке 4 представлена кинетика нагрева сои на модернизированной установке в зависимости от их исходной влажности сырья. Установлено, что прогрев соевых бобов на установке УТЗ-4М характеризуется снижением на 25-30% продолжительности ИК-обработки.

W=9,0% W=12,0% W=15,0% W=18,0%

Рис.4. Кинетика средневзвешенной температуры нагрева соевых бобов на установке УТЗ-4М в зависимости от их исходной влажности

2.2.2. Исследование кинетики нагрева соевых бобов с нанесением поверхностной влаги

В работе выдвинуто предположение, что на инактивацию ингибитора трипсина в соевых бобах могли влиять не только достижение сырьем определенной средневзвешенной температуры, но и величина внутрикапиллярного давления, определяемая наличием свободной влаги, которая, в свою очередь, зависит от исходной влажности материала, а также длительность пребывания сырья в заданных условиях.

Процесс нанесения поверхностной влаги в работе осуществлялся с помощью увлажняющего шнекового транспортера, снабженного распылительной форсункой, которая позволяла нанести воду на поверхность материала в виде мелкодисперсной «пыли» для равномерности увлажнения соевых бобов.

В литературе отсутствуют данные об оптимальной влажности соевых бобов, предназначенных к ИК-обработке. Поэтому в работе был поставлен эксперимент, заключающийся в следующем: на образцы соевых бобов с влажностью 9,0%, 12,0%, 15,0% и 18,0% была нанесена вода в количестве 2,0%, 4,0%, 6,0% и 8,0% и смоделирован процесс перемешивания в шнековом транспортере и отлежки в приемном бункере ИК-установки. Далее образцы были подвергнуты ИК-нагреву в течение 50 с и определены значения средневзвешенной температуры (табл. 1).

Таблица 1. Влияние исходной влажности семян сои и количества наносимой поверхностной воды на изменение средневзвешенной температуры

при ИК-нагреве сырья

Количество поверхностной воды, %	Средневзвешенная температура ИК-нагрева, С
	W=9,0%	W=12,0%	W=15,0%	W=18,0%
Без нанесения	130	125	118	110
2	120	115	112	108
4	118	115	101	100
6	112	105	100	100
8	107	105	100	95