1.2.4.Применение ик-излучения при переработки зернового сырья

Обработка зерна и продуктов помола зерна инфракрасными лучами может иметь различные цели, например: сушка свежеубранного урожая; прогрев зерна перед помолом; борьба с вредителями; улучшение гигиенического состояния. Первоначальные исследования по использованию микроволнового излучения преследовали цель снизить потери зерна при хранении, причиняемые амбарными вредителями и порчу зерна за счет развития бактериальной и грибной микрофлоры. Однако в последние годы микроволновое излучение используют и для достижения других целей. Известно, что некоторые виды облучения приводят к определенным биохимическим и физическим изменениям в материале, подвергающемся облучению. Именно эти возникающие изменения и то влияние, которое они оказывают на конечный продукт, и представляют интерес для исследования.

Работами К. Лоренца показано влияние излучения на питательную полноценность и химический состав облученных мяса, овощей и фруктов. Однако сведений о влиянии излучений на пищевые достоинства и химический состав злаковых культур пока недостаточно . Т. Окаб разработал метод измерения количества влаги в зерне, основанный на микроволновом излучении. Этот метод обладает высокой точностью и обеспечивает практически мгновенный анализ влажности в обмолоченном неизмельченном зерне. Кроме того, микроволновый метод пригоден для контроля за содержанием влаги в зерне, подвергнутом тепловой сушке в потоке перед закладкой его на хранение. Разработана экспериментальная установка для сушки зерна сельскохозяйственных культур, в основе которой положено сочетание вакуума с микроволновым излучением. Такая установка обеспечивает повышение производительности сушки зерна, многих видов сельскохозяйственных культур, включая пшеницу. Примером внедрения энергии микроволн в практику служат результаты исследований Н. Доти и Бекера по кондиционированию зерна пшеницы перед помолом. В своих опытах с пшеницей указанные авторы предпринимали попытку оценить тот уровень микроволнового излучения, который вызывает нарушения мукомольных характеристик зерна и влияет на качество продукции. Л. Марк-Артур и Б.Д' Апполония в своих исследованиях микроволнового излучения приводят результаты, которые согласуются с данными более ранних исследования о нарушении структуры клейковинных белков в результате термической деструкции. Деструктивные изменения происходят не только в белках, но затрагивают также компоненты углеводной природы. При облучении образцов неповрежденного зерна отмечено ухудшение всех хлебопекарных показателей, что указывает на денатурацию или изменение свойств клейковинных белков. В России работы по изучению термообработки зерна ИК-излучением начали проводиться в 1934 г. инженером Н.Н. Воробьевым, Это были попытки создания устройств для дезинсекции и интенсификации процесса сушки зерна на основе применения различного рода инфракрасных излучателей. Оптические свойства анатомических составляющих зерна пшеницы и кукурузы как объектов терморадиационной обработки были изучены И.Ф. Пятаковым. Его работой было показано, что зерну, как объекту терморадиационной обработки, свойственна избирательность по отношению к различным частотам инфракрасного спектра. Также было показано, что в спектральной области 1,7-2,7 мкм зерну пшеницы свойственно максимальное пропускание ИК-излучения; в спектральной области 2,7-3,0 мкм зерну свойственно одинаковое максимальное поглощение ИК-излучения; в спектральной области 3,6-5,0 мкм наибольшим пропусканием обладает оболочка, а эндосперм - наибольшим поглощением. При использовании ИК-излучения в целях обжарки кукурузных хлопьев экспериментально исследованы спектральные и интегральные терморадиационные характеристики кукурузных хлопьев, а также их теплофизические свойства. Исследован процесс обжарки и найдены его оптимальные режимы. Обжаривание хлопьев с использованием ИК-излучения значительно улучшает их потребительские и пищевые достоинства по сравнению с хлопьями, обжаренными в газовой печи. В этих хлопьях значительно повышается пористость, товарный вид, содержание общего сахара, крахмала, жира, декстринов. В.А.Афанасьев провел сравнительные исследования биохимического состава ячменя, подвергавшегося поджариванию и микронизации. Выявлено, что при двух способах тепловой обработки происходит уменьшение водо- и солерастворимой фракции белка, при этом общее содержание белка практически остается неизменным. В поджаренном ячмене содержание водорастворимого белка уменьшается на 55,3%, а солерастворимого - на 37,5%. При микронизации эти значения гораздо меньше, соответственно39,4% и 22,6%. Количество проламинов в поджаренном ячмене уменьшается на 46,8%, а в микронизированном только на 18,6%.

Результаты изучения влияния ИК-нагрева на атакуемость белков зерен ячменя пищеварительными ферментами показали, что перевариваемость белка при ИК-облучении не снижается. Обработка зерна ИК-лучами оказывает существенное влияние и на углеводный комплекс зерна, происходит декстринизация крахмала. В отличие от клейстеризации процесс декстринизации характеризуется незначительным набуханием крахмальных гранул и их разрушением в зависимости от температурного режима. При декстринизации крахмала изменяются его физико-химические свойства. Наблюдается повышение содержания веществ, растворимых в воде, что способствует лучшей усвояемости продукта. При пропаривании ячменя также происходит частичная декстринизация крахмала. Количество декстринов увеличивается на 1,5-2,0% по сравнения с исходным зерном. Содержание декстринов в ячмене увеличивается в результате микронизации в 5 раз и может составить 12,8%. Декстринизация крахмала в свою очередь увеличивает атакуемость крахмала глюкоамилазой, что способствует улучшению его перевариваемости. ИК-нагрев зерна является эффективным способом обеззараживания и улучшения санитарного состояния, увеличивает гигроскопичность зерна, его набухаемость. Прочность ячменя после обработки уменьшается. Исследования терморадиационных и оптических характеристик зерна пшеницы, кукурузы, овса, рисовой и перловой крупы с использованием целого зерна и его морфологических составляющих (оболочек, эндосперма) проводились Т.Н.Грибковой. Показано влияние структуры зерновки, влагосодержания и цвета, выявлено, что различие в структуре зерновки (мучнистость, стекловидность) обусловливает различие ее оптических свойств. С увеличением стекловидности зерна отражательная способность снижается. Спектры пропускания имеют аналогичный характер.

Повышение влагосодержания приводит к увеличению отражения слоя зерна на всех длинах волн. В то же время светло-янтарная пшеница обладает больней отражательной способностью, чем темно-янтарная. Используя экспериментальные данные автором были рассчитаны спектральные коэффициенты, характеризирующие оптические свойства материала: спектральный коэффициент поглощения Кх, спектральный коэффициент отражения Sx и спектральный коэффициент ослабления Lx. Анализ литературных данных дает основание сделать вывод о том, что основное преимущество способа микронизации перед способом гидротермической обработки заключается в том, что микронизация вызывает декстринизацию крахмала, которая способствует лучшей его усвояемости, сокращает время приготовления, за счет поджаривания полученная крупа может обладать более ароматным запахом и хорошим вкусом. И.Б.Хейфец занимался разработкой способов, обеспечивающих производство из крупяного сырья концентратов, не требующих варки. Им разработан способ получения концентратов из крупяного сырья, сочетающий гидратацию, замораживание и инфракрасную обработку. Был определен режим инфракрасной обработки, обеспечивающий высокое качество готового продукта из перловой крупы.

Термообработку производили в два этапа. На первом этапе продолжительность обработки составляла 4 мин при интенсивности 9 кВт/м , на втором этапе - 7 мин при интенсивности 5 кВт/м . А.М.Худоногов считает, что из способов тепловой обработки зерна, кедровых орехов, лекарственно-технического сырья, трав, ягод, грибов предпочтительно применять электроинфракрасный нагрев. Этот способ обусловливает простоту конструкции электротехнических средств, он многофункционален, позволяет экономно расходовать энергию. Идея использования ИК-излучения для тепловой обработки сельскохозяйственных и других продуктов растительного происхождения не нова, но имеет большое значение. Л.С.Зелинская предложила технологический процесс переработки гречихи с использованием ИК-излучения, который позволяет снизить дробимость ядра, за счет чего увеличивается выход ядрицы на 5-7% против достигнутого на гречезаводах. Установлено, что микронизация гречихи и крупы приводит к полному уничтожению микрофлоры, что благоприятно сказывается на хранении крупы. Переработка гречихи с применением ИК-излучения способствует получению гречневой крупы с улучшенными потребительскими достоинствами, в частности с уменьшением времени ее варки при увеличенных значениях коэффициентов объемного и весового привара каши. С помощью данного способа обработки можно удовлетворить специфические требования к технологическому процессу: сохранение в продуктах питательных веществ и витаминов, ароматических и вкусовых свойств.

Применение ИК обработки в производстве нетрадиционных продуктов питания на зерновой основе В США запатентован процесс ИК-нагрева при перемешивании и плющении на мельничном роллере целого зерна или семян бобовых, в результате которого получают быстроприготовляемый, устойчивый в хранении и легкоусвояемый пищевой продукт типа хлопьев или вафель. Исходным сырьем служит зерно кукурузы, пшеницы, ржи, ячменя и других злаковых культур, а также соевые бобы, фасоль, горох, рис, картофель, кукурузная мука, семена хлопчатника. Процесс микронизации и получения нового вида продукта отличается от обычного производства вафельных хлопьев. Сухое зерно из бункера попадает на вибрирующий транспортер и во время движения в течение 25 с подвергается действию ИК-лучей. Когда зерна приобретают пластичность, они сходят с конвейера и попадают в роллер, где сплющиваются, становятся слегка вздутыми и напоминают по консистенции вафли, слегка хрустящие, но не жесткие. Их влажность около 8%, толщина < 1,25 мм (бобовые несколько толще), общий объем в массе становится на 3050% больше, чем до сплющивания. Для их восстановления можно добавлять примерно 30% воды. Преимущества производства нового продукта следующие: низкая влажность снижает опасность порчи при длительном хранении; при ИК-нагреве разрушаются ферменты, которые способствуют прогорканию, поэтому горечь не появляется; повышается усвояемость на 25% по сравнению с исходным продуктом.

Микронизированные зерновые и бобовые продукты применяются в пищу как готовые завтраки или же входят в состав супов и различных других блюд. По сравнению с производством обычных плющенных зерен или хлопьев по новому способу, достигается значительная экономия топлива и электроэнергии. Паровая обработка вообще не применяется . В Великобритании разработан способ переработки, предусматривающий нагрев зерна инфракрасными лучами в течение короткого времени, достаточного для его размягчения. При нагреве не допускается подсушивание и поджаривание зерна. Непосредственно после нагрева горячие и мягкие зерна прокатываются в вафли или хлопья, насыпной вес которых не превышает 50% от веса исходного материала. Прочность хлопьев достаточна для того, чтобы они не крошились. Таким способом можно обрабатывать различные сорта кукурузы, пшеницы, ржи, ячменя, бобов сои, а также других бобовых культур, особенно различные сорта сорго. При обработке сорго время нагрева перед прокаткой составляет менее 1% от времени нагрева, достаточного для растрескивания зерен .Установка для осуществления предложенного способа содержит бункер, в котором смонтирован вибратор, встряхивающий решето для очистки зерна.Для улучшения очистки можно применять воздушное дутье. С решета зерно поступает на наклонную вибрирующую плиту. Плита приводится в колебательное движение кривошипом и рычагом так, что зерно скатывается с нее и при этом проходит группу инфракрасных нагревателей. Зерно затем поступает в бункер, на выходе из которого установлены два раскатывающих валка.

Толщина готового продукта не превышает 1,2мм. Академиком Ю.М. Плаксиным проведены фундаментальные исследования научно-технических основ пищевой теплотехнологии при ИК-энергоподводе. Е.П.Тюревым исследовано термическое действие ИК-излучения на различные виды зерна для получения "взорванных" зерен. В процессе нагрева - "взрыва" нарушается структура зерна, его форма, прочность, происходит полная стерилизация зерна. ИК-обработка зерна с получением "взорванных" зерен вызывает его нагрев и разрушение крахмала в зерне. Вместе с тем, рост температуры и давления парогазовой среды в зерне сопровождается термохимической деструкцией крахмальных зерен, ведущей к образованию высокоперевариваемых декстринов. В.А.Гунькин разработал способ производства ржаных хлопьев и получил новый продукт из микронизированного зерна ржи. Установлена возможность использования ржаных хлопьев в хлебопечении с целью обогащения хлеба биологически ценными веществами и пищевыми волокнами. Полученные результаты легли в основу НТД на ржаные хлопья из микронизированного зерна и на новые сорта хлеба с использованием микронизированных продуктов из зерна ржи. Также показано, что для получения ржаных хлопьев наряду с доброкачественным зерном может быть использовано проросшее зерно ржи.

Введен показатель эффективности ИК-обработки зерна ржи для оперативного контроля производственного процесса. Английская фирма "Макронайзинг Ко Лтд" является наиболее крупной по разработке и постановке оборудования и технологии для микронизации зерна, используемых при производстве зерновых завтраков и комбикормов. Фирма поставляет оборудование в 22 страны. Технология, разработанная фирмой, при сравнительно низких энергозатратах обеспечивает высокую степень декстринизации зернового крахмала, что почти в 2 раза повышает усвояемость зерновых ресурсов при производстве стартерных комбикормов для молодняка животных. Повышенным спросом в Англии пользуются зерновые завтраки, готовые к употреблению. Например, фабрика "Чешир Хоулвуде ЛТд" выпускает порядка 1000 т продукции в месяц. Всего выпускается зерновых завтраков по 14 рецептурам. Основной зерновых завтраков, является микронизированное зерно, которое вводится в количестве 50-60% от массы завтрака. Кондитерская фабрика "Юнайтед Бисквит" в Лондоне - самая крупная в Европе, из микронизированных овсяных, и пшеничных хлопьев с добавлением сахара и шоколада производит козинаки. Другой областью применения микронизации в Англии является пивоварение, где применяется процесс обжаривания добавок из пшеницы.

Фирма "Макронайзинг Ко Лтд" в последнее время работает над созданием технологий, включающих использование микронизации в сочетании с экструдированием. За рубежом микронизации подвергают практически зерно всех культур, кукурузу, ячмень, сорго, рис, бобы. Процесс микронизации изучается, создается специальное оборудование, расширяется сфера его применения. Таким образом, микронизация зерна позволяет получить новые зерновые продукты, быстрого приготовления и устойчивые в хранении. Задачей использования ИК-обработки зерна является получение новых (нетрадиционных) комбинированных продуктов питания с заданными свойствами высокого качества.