Верещинский А.П.‚ кандидат технических наук, генеральный директор ООО «ОЛИС»,
 Музыка Н.С.‚ инженер-технолог, ООО «ОЛИС»

Как известно, водно-тепловую обработку (ВТО) в мукомольном производстве применяют для направленного изменения технологических свойств зерна с целью создания оптимальных условий для его переработки в сортовую муку. В результате ВТО возрастает эластичность оболочек зерна и снижается прочность эндосперма, что обеспечивает эффективность последующего избирательного измельчения. Таким образом, достигается цель сортовых помолов: измельченный эндосперм извлекается в муку, а оболочки направляются в отруби. Кроме того, при ВТО изменяются биохимические свойства зерна и выработанной из него муки: снижается зольность муки, повышается выход и улучшается качество клейковины, возрастает активность ферментов. Исходя из значимости влияния на результаты производства, ВТО является основой подготовки зерна к проведению сортовых помолов.

Согласно современной классификации, основой которой являются особенности использования температурного фактора при обработке зерна, различают методы холодного и горячего кондиционирования. Сравнительный анализ технологической эффективности методов ВТО показывает, что горячее кондиционирование несколько эффективнее, однако при реализации значительно сложнее холодного, требует дорогостоящего аппаратного обеспечения, а нагрев зерна до температуры 50-70 °С связан со значительными затратами энергии. В настоящее время из-за перечисленных особенностей на отечественных мельзаводах методы горячего кондиционирования не применяются и в условиях мирового дефицита энергии, а также высокой ее стоимости, теряют свою перспективность.

Вместе с тем, холодному кондиционированию также свойственны некоторые существенные недостатки. Основной проблемой холодного кондиционирования является ограниченная водопоглощающая способность зерна, что в ряде случаев требует проведения его увлажнения в несколько этапов с промежуточными отволаживаниями. Организация многоэтапного кондиционирования существенно повышает затраты на создание и эксплуатацию линии ВТО зерна. Кроме того, для обеспечения технологического эффекта при холодном кондиционировании необходимо продолжительное отволаживание зерна, что требует наличия бункеров значительной емкости. В соответствии с действующими рекомендациями [1] приращение влаги за один этап увлажнения не превышает 3,0-3,5%, а суммарное рекомендуемое время отволаживания может составлять более 24 ч.

Как показывает обзор литературы, недостатки холодного кондиционирования обусловлены особенностями анатомического строения зерна и гигроскопических свойств его составляющих. В работах Г.А. Егорова, Е.Д. Казакова, Л.Н. Любарского [2., 4.], а также других отечественных и зарубежных исследователей, механизм взаимодействия воды с зерном всесторонне и глубоко изучен. Установлено, что при контакте с водой зерно почти мгновенно поглощает 3-5% влаги, и лишь по прошествии 15-30 мин происходит дальнейшее возрастание его влажности. Этот первоначальный «захват» воды осуществляется плодовыми оболочками зерна, и определяется степенью развитости их капилляров и пор.

Дальнейшее отволаживание зерна связано со значительным торможением проникновения влаги в эндосперм семенными оболочками и алейроновым слоем. Семенная оболочка, имея слабо выраженную капиллярную систему, насыщается влагой значительно медленнее плодовой и обладает меньшей пропускной способностью при ее миграции внутрь зерновки пшеницы. Алейроновый слой характеризуется высокой гидрофильностью и водопроницаемостью, что связано со значительным содержанием в его клетках белков. Вследствие прочного удержания воды в алейроновом слое увлажнение эндосперма происходит с задержкой на 0,5-1‚0 ч.

Увлажнение эндосперма связано с его активным разрыхлением в результате образования сети микротрещин. Разрыхление эндосперма является основным воздействующим фактором, улучшающим мукомольные свойства зерна в результате ВТО. Такое изменение сопровождается набуханием зерен и снижением их стекловидности. Накопленные наукой и практикой данные показывают, что завершение периода разрыхления эндосперма, определяемого приостановкой перечисленных выше процессов, соответствует приобретению зерном оптимальных мукомольных свойств. Причем, чем больше приращение влаги и выше скорость ее переноса, тем значительнее улучшение мукомольных свойств зерна.

В работе Л. Н.Любарского [4] доказана исключительная роль зародыша при увлажнении зерна, который «перекачивает» воду внутрь зерна, используя диффузионно-осмотические силы. Отмечается, что увлажнение зерна через зародыш происходит более интенсивно по сравнению с увлажнением через оболочки. Кроме того, под действием ферментов зародыша осуществляется массовый перенос минеральных веществ в процессе ВТО из оболочек и алейронового слоя в эндосперм, а затем в зародыш. В результате такого переноса зольность оболочек, алейронового слоя и эндосперма снижается, а зародыша – возрастает.

Проведенный анализ позволяет сформулировать гипотезу о возможности интенсификации процессов холодного кондиционирования зерна путем его предварительного шелушения. Увеличение в результате шелушения развитости активной площади плодовой оболочки должно повысить водопоглощающую способность зерна, а целенаправленное разрушение целостности семенной оболочки и алейронового слоя – способствовать повышению скорости проникновения влаги в эндосперм. Вместе с тем, известно, что механическое воздействие на зерно, каковым является шелушение, может отрицательно влиять на его жизнеспособность. Очевидно, что чрезмерное повреждение зародыша является тем фактором, который ограничивает использование шелушения для интенсификации процессов кондиционирования.

С целью проверки выдвинутой гипотезы нами был проведен цикл лабораторных исследований по изучению жизнеспособности, водопоглощающей способности зерна, а также кинетики его отволаживания после обработки с разными индексами шелушения k. Изучение влияния обработки зерна шелушением на жизнеспособность зерна проводили путем оценки его энергии прорастания Еп, которую определяли по стандартной методике. На рис. 1 представлены графики зависимости энергии прорастания Еп от индекса шелушения k для образцов пшеницы с разными исходными значениями Еп.

Рис.1. Графики зависимости энергии прорастания Еп от индекса шелушения k.
Исходный образец: 1 - Еп = 75‚0%; 2 - Еп = 98‚0%

Из анализа графиков (рис.1) видно, что в диапазоне значений k=3-4%‚ наблюдается резкое снижение энергии прорастания Еп. При этом для части зерен характерно оголение внутренних органов зародыша. Дальнейшее увеличение значений k связано с усилением повреждений зародышей, а также появлением на поверхности зерновок оголенных участков эндосперма. Обследование зерен в процессе прорастания показывает, что их оголенные участки поверхности способствуют активному развитию плесневых грибов. Таким образом, снижение энергии прорастания вплоть до полной потери жизнеспособности шелушенных зерен связано как с механическим повреждением зародышей, так и с воздействием плесени. Следует заметить, что жизнедеятельность плесени приводит к изменениям специфических свойств белкового комплекса зерна и, как следствие. к снижению его пищевой ценности, ухудшению хлебопекарных достоинств, образованию многочисленных микотоксинов, некоторые из которых канцерогенны. Кроме того, замечено, что зерно, обработанное при значениях k более 3-4%, при увлажнении и отволаживании склонно к слеживанию и слипанию зерен с потерей сыпучести.

Водопоглощающую способность зерна определяли путем его непосредственного погружения в воду по следующей методике [2]. Испытываемые образцы зерна погружали в воду на разные сроки. После извлечения из воды образцы немедленно просушивали между листами фильтровальной бумаги, отволаживали в течение 24 ч раздельно в герметичных емкостях, определяли их влажность по стандартной методике и вычисляли приращение влажности ΔW. Результаты указанных опытов представлены на рис. 2.

Рис.2. Графики зависимости приращения влажности ΔW от индекса шелушения k.
Исходный образец: W = 12,87 %.
Время погружения в воду: 1 – 10 с;  2 – 20 с; 3 – 30 с.

Приращение значений влажности, определенных для нешелушенного зерна (ΔW = 3,0-3‚5%), тождественны результатам, полученным исследователями ранее, и свидетельствуют о том, что рекомендованное приращение влаги за один этап кондиционирования [1] обусловлено предельной водопоглощающей способностью нешелушенного зерна. Полученные нами данные показывают, что увеличение индекса шелушения k вызывает существенное возрастание значений ΔW, особенно в диапазоне k=0-3%. Вместе с тем, при значениях индекса шелушения k более 8% наблюдается снижение приращения влажности зерна.

Рис.3. График изменения стекловидности в зависимости от времени отволаживания t:
1 - k=0%; 2 - k=1‚5%; 3 - k=3‚1%; 4 - k=5‚1%; 5 - k=7,4%; 6 - k=8‚9%

Кинетику отволаживания зерна изучали по снижению его стекловидности. Образцы зерна увлажняли с одинаковым приращением влаги и отволаживали в герметичной посуде. Через каждый час отволаживания определяли их стекловидность. На рис. 3 представлены графики зависимости стекловидности зерна от времени отволаживания t при разных значениях k.

Полученные результаты позволяют установить, что возрастание индекса шелушения k приводит к существенному увеличению скорости отволаживания зерна. При этом максимальная скорость отволаживания наблюдается в области значений к=5%. Дальнейшее увеличение значений индекса шелушения k приводит к снижению скорости отволаживания.

Закономерности, представленные на рис. 2 и 3, подтверждают справедливость выдвинутой гипотезы. Особенности полученных зависимостей объясняются изменением структуры поверхностных слоев зерна, а также количественного содержания его анатомических частей с разными гигроскопическими свойствами, что вызывается воздействием шелушения. В диапазоне значений k=0-3% возрастание водопоглощающей способности свидетельствует об увеличении активной площади оболочек. Однако сохранение структуры и количественного содержания алейронового слоя, аккумулирующего влагу, препятствует возрастанию скорости отволаживания зерна до максимальных ее значений. Дальнейшее повышение значений k связано с потерей зерновками значимого количества плодовых оболочек и снижению жизнеспособности зародыша, что должно приводить к снижению водопоглощающей способности зерна. Однако отсутствие плодовой оболочки и нарушение целостности семенной оболочки создает условия для поступления влаги непосредственно в алейроновый слой, что компенсирует ее «захват», хотя и с меньшими приращениями. Максимальная скорость отволаживания, наблюдаемая в области значений k=5%, по-видимому, обусловлена потерей зерновками большей части семенной оболочки и развитию надрывов алейронового слоя, что улучшает проникновение влаги в эндосперм. Снижение удельного содержания алейронового слоя (при значениях k более 5%), отличающегося высокой гигроскопичностью и способностью надежно удерживать поглощенную влагу, приводит к снижению водопоглощающей способности зерна и скорости его отволаживания. Известно, что при гидратации образующие клейковину белки эндосперма формируют структуру поверхностного слоя, характеризуемого пониженной проницаемостью влаги. В связи с этим оголенный в результате шелушения эндосперм не способен быстро поглощать значительное количество влаги и надежно ее удерживать.

Результаты проведенных исследований позволяют сформулировать следующие выводы.

  • Предварительное шелушение пшеницы существенно повышает ее водопоглотительную способность и скорость проникновения влаги в эндосперм.
  • Подготовка зерна шелушением к кондиционированию должна вестись без оголения внутренних органов зародыша и эндосперма (k=3-4%), что в большинстве случаев позволяет ограничится одним этапом ВТО и обеспечить ее технологическую эффективность при существенном сокращении времени отволаживания.
  • Шелушение зерна до значений индексов k, позволяющих обеспечить максимально возможную скорость миграции влаги, может использоваться после первого этапа кондиционирования с целью скоростной корректировки его результатов на последующем этапе кондиционирования.
  • Широкое внедрение в промышленность способа интенсификации ВТО зерна путем его шелушения требует уточнения на основе практики помолов изложенных результатов и разработки соответствующих режимов с учетом различий качества поступающих в переработку помольных партий зерна.

Опубликовано по материалам
"Хранение и переработка зерна"
научно-практический журнал
№6 (156) январь 2012

ЛИТЕРАТУРА

  • Правила организации и ведения технологического процесса на мукомольных заводах. – К.: Киевский институт хлебопродуктов, 1998. – С.17
  • Егоров Г.А. Технологические свойства зерна. – М.: Агропромиздат, 1985. – 333с.
  • Казаков Е.Д. Гигроскопичность составных частей зерна //Тр/МТИПП. – 1952. –С. 64-68.
  • Любарский Л.Н. Рожь. – М.: Издательство технической и экономической литературы, 1956. – 264 с.