Сельское хозяйство / 4.Технологии хранения и переработки сельско­хо­зяйственной продукции

 

д.т.н. Станкевич Г.Н., асп. Валентюк Н.А.

Одесская национальная академия пищевых технологий, Украина

Теоретическая проработка способов сушки зерна амаранта

 

Использование нетрадиционных видов сырья и инновационных подходов к его обработке, хранению и переработке в пищевые продукты и корма, является наиболее прогрессивным направлением развития пищевой отрасли. К одному из таких, нетрадиционных для нашего региона видов сырья, относится амарант. Амарант является зерновой культурой, которую применяют в различных отраслях народного хозяйства (пищевой, медицинской, животноводческой) многих стран мира. Особенностью этой зерновой культуры является то, что в ее химический состав по сравнению с традиционно культивируемыми и выращиваемыми зерновыми, входит сравнительно большое количество энергетически и биологически ценных веществ, соотношение и состав которых формирует уникальные особенности и высокие потребительские свойства продуктов переработки амаранта, например – амарантовое масло, богатое скваленом. Амарантовое масло – это природный сбалансированный комплекс биологически активных веществ, способный восстановить гормональную и иммунную системы, а также улучшить обмен веществ в организме человека и животных. Сквален, в свою очередь, обладает способностью гасить свободные радикалы, благодаря ненасыщенным связям, и может выступать в роли антиоксиданта. Эти особенности амаранта используют в медицине, косметологии и при производстве функциональных продуктов питания [1-3].

В ответ на повышение потребительского спроса, вызванного интересом к использованию в переработке этой зерновой культуры, производители сталкиваются с рядом проблем, вызванных отсутствием современных эффективных технологических решений в области первичной обработки и хранения такого сырья. Данные обстоятельства вызваны тем, что для послеуборочной обработки и последующего хранения этой культуры, отсутствуют какие либо нормирующие эти процессы нормативные акты и регламенты. Однако, существуют рекомендации по ряду физико-химических показателей и требований к безопасности исходного сырья при переработке. В связи с этим становится актуальным поиск оптимальных путей послеуборочной обработки и подготовки к хранению свежеубранного зерна амаранта, которые бы учитывали биохимические и технологические особенности этой культуры, а так же позволяли сохранить его потребительские свойства до последующей целевой переработки.

Из всех существующих на сегодняшний момент методов сушки зерна (тепловых, специальных и механических) наибольшее распространение получил тепловой метод с использованием конвективной, кондуктивной, терморадиационной сушки, а также сушки зерновых масс в электромагнитном поле сверх высокой частоты (СВЧ) [4].

При конвективной сушке тепловая энергия передается зерну от нагретого газа (нагретого воздуха или его смеси с продуктами сгорания топлива). То, что нагретый газ одновременно выступает как теплоноситель и влагопоглотитель, обуславливает относительную простоту конструкций конвективных зерносушилок. Во время конвективной сушки зерно может находиться в разных состояниях: плотном неподвижном, гравитационно-подвижном, псевдоожиженном, виброкипящем падающем или взвешенном. Состояние зернового слоя определяет активную поверхность зерна, которая контактирует с агентом сушки, а, следовательно, интенсивность процесса сушки. Чем выше эта поверхность и равномернее омывается каждая зерновка агентом сушки, тем равномернее ее нагрев и выше интенсивность влагоотдачи [4, 5].

Особенностями сушки мелкосеменных культур, в частности амаранта, является то, что они обладают высокой насыпной плотностью, которая мало зависит от способа укладки (гравитационного или инерционного), и обуславливается их ботаническими свойствами, выраженными в форме, линейных размерах и крупности. Следствием этого является незначительная величина межзерновых пространств в зерновом слое мелкосеменных (амаранта), и соответствующее этому высокое значение аэродинамического сопротивления такого слоя. Именно этот показатель приводит к низкой скорости движения сушильного агента и неравномерному его распространению в плотном неподвижном или гравитационно-подвижном состоянии зерна во время сушки, что в свою очередь приводит к низким коэффициентам тепло- и массопередачи, а так же неравномерному нагреву зерновой массы. Использование псевдоожиженного, виброкипящего, падающего или взвешенного состояния при конвективной сушке мелкосеменого зерна является более перспективным, но при этом содержит ряд сложностей в реализации. Основными из которых являются высокое значение парусности и низкая скорость витания мелкосеменных. Эти особенности усложняют подбор режимов работы соответствующих сушильных установок. Кроме того, промышленных конвективных зерносушилок в которых реализована сушка в псевдоожиженном, виброкипящем падающем или взвешенном состояния – нет.

Во время кондуктивной сушки зерна, теплота передается ему кондукцией от нагретой, греющей поверхности, которая обогревается паром, горячей водой или газом. Влага, испаряющаяся с поверхности зерна, поглощается холодным или подсушенным воздухом, который подается в сушильную камеру. Скорость сушки зависит от температуры греющей поверхности и толщины зернового слоя. Негативными аспектами использования кондуктивной сушки для мелкосеменного зерна является то, что вследствие низкой тепло- и температуропроводности такого зерна, усугубленного высокой насыпной плотностью,  происходит неравномерный нагрев слоя зерновой массы. При этом наблюдается перегревание и ухудшение качества нижнего слоя зерна, который контактирует с греющей поверхностью [4, 5].

Терморадиационную сушку зерна осуществляют путем использования для этой цели инфракрасного излучения или солнечного света. Однако, с учетом того, что зерно относится к категории материалов обладающей малой проницаемостью, для инфракрасного излучения его использование для обработки партий в промышленных масштабах является нецелесообразным. Этот способ используют в основном для предварительного нагрева поверхностных слоев зерновой массы в комбинации с другими методами сушки. Естественную сушку зерна солнечными лучами возможно провести только в сухую и ясную погоду. Следует отметить, что данный подход является очень трудоемким, и в значительной степени зависит от погодных условий [4, 5]. Тем не менее, этот способ глубоко изучается и рекомендуется для сушки амаранта зарубежными специалистами [6].

Сушка зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты основана на явлении поляризации. Под воздействием высокой частоты во влажном материале полярные молекулы воды (диполи) изменяют расположение своих осей вдоль электрического поля. При этом возникают процессы взаимодействия молекул между собой, вследствие чего внутри материала подверженного СВЧ обработке образуется теплота, а также возникает градиент температуры, направленный внутрь зерновой массы, под воздействием которого влага перемещается к поверхности зерна. Количество выделенной теплоты зависит от напряженности электрического поля и его колебаний, а также от диэлектрических свойств зерна [4, 5]. Сложностью использования СВЧ обработки для сушки мелкосеменных культур зерна является то, что вследствие малых геометрических размеров зерновок, в них происходит достаточно быстрое повышение температуры, и они перегреваются.

Исходя из вышеизложенного, актуальной является задача, не только по разработке технологических рекомендаций и регламентов сушки, но и комплексной проработке способов обеспечивающих оптимальные режимы десорбции лишней влаги в промышленных партиях зерна амаранта.

Наиболее целесообразным решением для обеспечения сушки амаранта, с учетом его физико-химических особенностей, является комбинированный подход с одновременным использованием нескольких методов сушки. К таким методам относится конвективно-микроволновая сушка с использованием импульсных режимов СВЧ обработки для нагрева зерна, и одновременно с этим, конвективной подачи воздуха для охлаждения зерновок и сорбции влаги с их поверхности. Эффективность такого подхода подтверждается уже на стадии теоретического анализа комбинированного воздействия конвективно-микроволновой сушки на связь влаги в колодных капиллярно-пористых телах.

Дело в том, что согласно классификации П.А. Ребиндера (рис.1) все формы связи влаги в телах делятся на три большие группы, которые охватывают химические, физико-химические и механические связи воды в телах [4].

 

 

Рис.1. Классификация видов связи влаги в коллоидных капиллярно-пористых телах по П.А. Ребиндеру.

 

Химическая связь влаги в телах обеспечивается ионными и молекулярными силами. Ионная связь образуется во время химических реакций с образованием нового вещества. Вода, как таковая, исчезает и переходит в состав вещества. Молекулярно связанная влага образуется в результате кристаллизации (образование кристаллогидрата) и входит в определенных количествах в структуру вещества[4, 5].

Различают три вида физико-химической связи влаги: адсорбционная, осмотическая и структурная. Адсорбционно-связанная влага – это слой воды толщиной в несколько сотен молекул, адсорбированных на активной поверхности зерна. Прочность связи адсорбированных молекул воды не одинакова. С появлением второго, третьего и последующих слоев – прочность связи уменьшается. Осмотически связанная влага проникает внутрь клеток зерна в результате осмотического давления. При увлажнении зерна концентрация растворимой фракции внутри клетки становится большей, чем снаружи (возникает осмотическое давление воды), благодаря чему вода проходит в середину клетки сквозь ее стенки. Связь, обусловленную новыми структурными образованиями во время формирования геля, относят к структурной иммобилизованной связи влаги [4, 5].

К механически связанной влаге относят ту, что связана микро-, макрокапиллярами и смачиванием. Связь смачивания обладает наименьшей прочностью. Попав на поверхность, влага может просачиваться в середину зерна в результате осмотического давления, образуя новый вид связи – осмотический или структурный. При этом зерно увеличивается в объеме.

В соответствии с данной классификацией, влага в зерне имеет разную силу связи с его твердым скелетом: от наиболее прочной, обусловленной молекулярными силами, до сугубо механического удерживания воды на поверхности зерновки. Исходя из этого при конвективной, кондуктивной и терморадиационной сушке зерна, в зависимости от режимов обработки зерновой массы, технических и технологических свойств оборудования, происходит последовательное разрушение связей, и удаление свободной воды, начиная с поверхностной, механически связанной влаги. По мере нагревания зерна происходит последовательная деструкция связей влаги в семенах, с начала рвутся механические связи: обусловленные смачиванием и далее макро-, и соответственно, после этого – микрокапиллярные связи. После удаления механически связанной воды, идет также последовательно, удаление физико-химически связанной влаги из внутренних слоев зерновки, начиная со структурной, после удаления которой, затрагивается осмотически-связанная влага. В процессе десорбции необходимым условием для удаления осмотически-связанной влаги является наличие большей концентрации растворимой фракции вне клетки, чем внутри нее. Адсорбционно-связанная вода, из физико-химической группы, обладает наибольшей энергий связи с твердым скелетом зерна. Именно поэтому, удаление адсорбционно-связанной влаги сопровождается дополнительными затратами энергии, вследствие чего значительно снижается К.П.Д. сушки как таковой. Кроме того, применение конвективной, кондуктивной и терморадиационной сушки для удаления адсорбционно-связанной воды, сопровождается значительным повышением температуры зерна, превышающем его термоустойчивость, что, в свою очередь, влечет за собой не только снижение товарно-продовольственного качества, но и приводит к потере жизнеспособности зерна. Химически связанная влага настолько прочно связана с зерном, что ее при сушке не удаляют, даже не учитывают содержание в зерне, относя ее количество к массе сухого вещества. Из вышеизложенного следует, что при конвективной, кондуктивной и терморадиационной сушке разрушение связей влаги с твердым скелетом зерновки и ее удаление происходит, начиная с поверхности последовательно продвигаясь к внутренним слоям зерна.

В отличие от конвективной, кондуктивной и терморадиационной сушки, при СВЧ обработке в первую очередь нагреваются внутренние слои, содержащие наибольшее количество влаги. Кроме того, во внутренних слоях зерновки наиболее быстро происходит испарение влаги, что приводит к увеличению внутреннего давления водяных паров, относительно давления паров на поверхности материала. Из чего следует то, что при сушке зерна с применением электромагнитного поля сверхвысокой частоты последовательное разрушение связей влаги с твердым скелетом зерновки происходит, начиная с внутренних слоев, и влага под действием разности давлений водяных паров внутри зерновки и на ее поверхности перемещается к периферическим слоям зерна [4, 6]. Импульсные режимы СВЧ обработки позволяют выравнивать температуру и влажность в отдельных семенах зерновой массы. Кроме того, благодаря периодической организации процесса СВЧ сушки, появляется возможность интенсифицировать этот процесс, путем использования более высокой температуры нагрева сырья, градиент которой компенсируется в перерывах между импульсами, и соответственно не приводит к ухудшению биохимических свойств компонентов зерна [4, 5].

Исходя из теоретического анализа механизма разрушения связей влаги с материалом (зерном) можно сделать вывод, что конвективно-микроволновая сушка с использованием импульсных режимов СВЧ обработки для нагрева зерна, и одновременно с этим, конвективной подачи воздуха – обеспечит удаление излишней влаги с сохранением пищевой ценности амаранта и его жизнеспособности, т.к.:

1.     Применение СВЧ позволит интенсифицировать процесс разрушения связей влаги с твердым скелетом зерновки, и будет способствовать ее перемещению из внутренних слоев к поверхности, что в свою очередь сократит время сушки.

2.     Применение импульсных режимов позволит использовать более высокие температуры нагрева сырья, градиент которых компенсируется в перерывах между импульсами, и соответственно не приводит к ухудшению биохимических и биологических свойств зерна.

3.     Конвективная обработка наружным воздухом обеспечит удаление влаги с поверхности зерна, и при этом будет способствовать его охлаждению.

Благодаря теоретической проработке существующих способов сушки зерна произведен выбор направления, обеспечивающего оптимальный подход к послеуборочной обработке свежеубранного зерна амаранта. Аналитическим путем обоснованы целесообразные режимы обработки амаранта позволяющие производить десорбцию лишней влаги, и при этом сохранять биохимически и биологически ценные свойства этого сырья.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1.   Чиркова Т.В.  Амарант – культура XXI века [Текст] / Т.В.Чиркова // СОЖ – 1999г, – № 10. – С. 22–27.

2.   Шнейдер Т.И. Использование амаранта в макаронных изделиях [Текст] / Т.И.Шнейдер, Е.В. Петрова // Пищевая пром–сть. – 2002 – № 7.– С. 76–77.

3.   Железнов А.В. Амарант – хлеб, зрелище и лекарство [Текст] / А.В. Железнов // Химия и жизнь – 2005 г. –  №6. –С. 56–61.

4.   Станкевич Г.М. Сушіння зерна [Текст] / Г.М. Станкевич, Т.В. Страхова, В.І. Анатазевич – К.: Либідь, 1997. – 352 с.

5.   Жидко В.И. Зерносушение и зерносушилки [Текст] / В.И. Жидко, В.А. Резчиков, В.С. Уколов. – М.: Колос, 1982. – 239 с.

6.   Ronoh E.K. Modeling Thin Layer Drying of Amaranth Seeds under Open Sun and Natural Convection Solar Tent Dryer. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript 1420. Vol. XI. November, 2009 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.cigrjournal.org/index.php/Ejounral/article/viewFile/ 1420/1276.

7.     Будников Д.А. Интенсификация сушки зерна активным вентилированием с использованием электромагнитного поля СВЧ [Текст] // Д.А. Будников / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук – З: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2008 г., - 164 с.