Оборудование для гидротермической обработки зерна
Обновлено: 18.09.2024
Под гидротермической обработкой понимают обработку зерна водой и теплом для направленного изменения (улучшения) всего технологического комплекса (мукомольных, хлебопекарных, макаронных, крупяных свойств) зерна, обеспечивающего наибольший выход готовой продукции с лучшими показателями качества и наименьшей затратой энергии.
Гидротермической обработке подвергают в основном зерно пшеницы, значительно реже зерно ржи, а также при переработке в крупу риса, овса, гречихи, кукурузы и гороха. При подготовке к переработке зерна применяют гидротермическую обработку и пропаривание. При гидротермической переработке на зерно воздействуют: вода, используемая для увлажнения зерновой массы; тепло, применяемое для прогрева зерна или его обезвоживания (сушки); длительность обработки зерна водой и теплом (пребывание в кондиционере), отволаживание в специальных бункерах; воздушная среда, в которой происходит гидротермическая обработка.
Влияние этих факторов на зерно усиливается при комплексном их воздействии. При подготовке зерна к помолу различают холодное, горячее, скоростное и вакуумное кондиционирование.
При холодном кондиционировании зерно водой температурой 18. 20 °С или подогретой до 30. 35 °С в аппаратах или моечных машинах увлажняют до 14,0. 16,5% и затем отволаживают в течение 4. 24 ч без регулирования температуры. При горячем кондиционировании используют специальные аппараты- кондиционеры. Зерно, увлажненное до 14. 16%, проходит тепловую обработку в кондиционере при температуре 45. 57 °С. Температурный режим обработки и его продолжительность (4. 12 ч) устанавливают в зависимости от реологических свойств клейковины, стекловидности и других показателей.
Горячее кондиционирование сопровождается более глубокими изменениями зерна и ускорением физико-химических и биохимических процессов по сравнению с холодным кондиционированием. Скоростное кондиционирование — это обработка зерна паром с применением специальных аппаратов (AGK), ускоряющее процессы, происходящие в зерне. На мукомольных заводах чаще используют холодное кондиционирование, реже горячее и изредка скоростное.
Кондиционирование зерна оказывает большое влияние на его мукомольное достоинство. Эндосперм становится рыхлее, оболочки эластичнее, связь их с эндоспермом ослабляется. Все это увеличивает выход и улучшает качество крупок и дунстов в драном процессе, повышает выход и качество (снижает зольность) готовой продукции, уменьшает удельный расход энергии. Воздействие воды и тепла вызывает в зерне комплексные физико-химические, коллоидные и биохимические процессы, приводящие к изменению его хлебопекарного достоинства.
Вода и тепло, применяемые при кондиционировании, создают для зерна (живой биологической системы) условия, совпадающие с теми, при которых зародыш зерна начинает расти. Это приводит к активизации его ферментных систем, к началу расщепления высокомолекулярных, до этого физиологически неподвижных веществ — начальному этапу перевода их в растворимое состояние и перемещения в зону зародыша для синтеза и формирования зачаточных тканей будущего растения.
Можно назвать две движущие силы переноса: первая — температурный градиент в теле зерновки, образуемый физическим процессом — набуханием, которое сопровождается выделением теплоты набухания, и биохимическим процессом — усилившимся процессом дыхания, генерирующим тепло; вторая — активизация щитка, выполняющего физиологическую роль передатчцг ка питательных веществ из эндосперма к пробуждающемуся зародышу через соприкасающуюся с ним систему сосущих клеток.
Биохимические процессы в зерне и зародыше, усиливающиеся при гидротермической обработке, тесно связаны с одновременно развивающимися теплофизическими явлениями. Те и другие, имея разную природу, в условиях гидротермической обработки активизируют биохимические процессы в зародыше, способствуют перемещению растворенных органических веществ.
Комплекс физико-химических и биохимических изменений тканей зерна при гидротермической обработке неоднозначно сказывается на изменении технологического достоинства зерна. Все зависит от генетических особенностей, зрелости и качества обрабатываемого зерна. Для повышения хлебопекарного достоинства наиболее часто необходимо улучшать зерно пшеницы с очень слабой или, наоборот (более редко), с очень крепкой клейковиной, т. е. в одном случае клейковину требуется укрепить, во втором — ослабить. У слабой клейковины улучшают реологические свойства, т. е. укрепляют при частичной тепловой денатурации белковых веществ, что достигается обработкой увлажненного зерна при повышенной температуре. Физические свойства крепкой клейковины улучшаются в результате частичного протеолиза белковых веществ. Этой цели наиболее полно отвечают условия холодного кондиционирования — продолжительное отволаживания при температуре 20. 35 °С.
При увлажнении зерна от 12. 13 до 17. 18% и отвола- живании в течение 24 ч наиболее сильно и в нежелательном направлении изменяются свойства слабой клейковины (упругость уменьшается, растяжимость возрастает). Это указывает на нецелесообразность применения к обработке слабой пшеницы холодного кондиционирования. Клейковина сильной пшеницы при холодном кондиционировании более устойчива, но ее качество (в результате ослабления) улучшается.
Физические свойства теста из зерна с крепкой клейковиной при использовании горячего кондиционирования ухудшаются. Реологические свойства клейковины пшеницы связывают наряду с другими факторами с количеством и соотношением сульф- гидрильных групп и дисульфидных связей. Имеются многочисленные наблюдения о большей величине отношения —SS—/SH-групп в сильной пшенице по сравнению со слабой.
При смешивании муки из зерна сильной и слабой пшеницы отношение —SS—/—SH всегда возрастает в одной и той же последовательности — с увеличением в смеси доли муки из сильного зерна и с переходом от более мягкого режима гидротермической обработки к более жесткому (фактические данные во всех случаях выше расчетных 86).
Гидротермическая обработка зерна усиливает технологический эффект смешивания муки разной хлебопекарной силы в зависимости от метода и режима. Наблюдаемое возрастание отношения —SS—/—SH (фактическое в большей степени, чем расчетное) свидетельствует о глубокой структурной перестройке и активном химическом взаимодействии белковых фракций смешиваемых партий зерна и муки.
В результате кондиционирования происходит значительное изменение активности ферментов зерна. Активность протеолити- ческих ферментов с увеличением влажности зерна и температуры повышается, но до определенного предела, а затем снижается. Оптимальные для действия протеолитических ферментов условия получены в опытах с мягкой озимой пшеницей: влажность зерна 17%, температура 50 °С и продолжительность обработки 30 мин (активность возросла при отволаживании в течение 24 ч в 1,5 раза). При более продолжительной экспозиции и повышении температуры активность протеаз постепенно уменьшается.
При влажности зерна выше 13,5. 14,5% резко возрастает (неодинаково в разных партиях пшеницы) активность глюта- матдекарбоксилазы, особенно в призародышевой части зерна. В результате содержание свободной глютаминовой кислоты уменьшается при одновременном увеличении количества *у-ами- номасляной кислоты.
изменение активности при гидротермической обработке зерна пшеницы ферментных вытяжек (J-амилазы и ^-фруктофуранозидазы. Активность ^-амилазы и р-фрук- тофуранозидазы зависит от влажности зерна. С увеличением влажности зерна повышается активность этих ферментов. Существенное влияние на их активность оказывает также температура обработки зерна.
Осахаривающая способность цельноразмолотого зерна при кондиционировании возрастает. По опытным данным, у пшеницы сорта Безостая 1 и рядовой она была соответственно (мг мальтозы на 10 г): в контроле 163 и 216, при холодном кондиционировании 220 и 264 и при горячем 300 и 336. Активность ферментов при гидротермической обработке повышается в результате увеличения их растворимости под влиянием нагрева и увлажнения зерна. Об этом свидетельствует возрастание доли азота водорастворимого белка (при холодном и горячем кондиционировании почти одинаково — примерно в два раза) при одновременном незначительном изменении процентного содержания небелкового азота в общем содержании азота.
Содержание связанных липидов в зерне при кондиционировании остается почти без изменения, проявляя слабо выраженную тенденцию к увеличению при горячем и скоростном кондиционировании. Гидротермическая обработка зерна сопровождается значительным изменением в группповом составе липидов. Опытным путем установлено, что наибольшее изменение претерпевают полярные липиды. Их содержание уменьшается, причем особенно сильно в группе связанных липидов: после холодного кондиционирования в 4 раза, горячего в 1,8 и скоростного в 2,3 раза.
Количество свободных жирных кислот заметно возрастает: это результат гидролитического расщепления прежде всего триацилглицеринов, а также и других фракций липидов. Исследователи указывают, что гидротермическая обработка зерна приводит к увеличению содержания витаминов в пшеничной муке ( 87).
Гидротермическая обработка зерна пшеницы вызывает уменьшение концентрации водорастворимых витаминов в периферийных слоях зерна и одновременно значительное возрастание их количества в зоне зародыша и небольшое — в эндосперме. Направленность в миграции водорастворимых витаминов при гидротермической обработке зерна биологически объясняется так: витамины как составная часть коферментов играют большую роль при эмбриональном пробуждении зерна.
Перемещение витаминов в зерне при обработке теплом и водой повышает их концентрацию в пшеничной муке. При нагреве зерна свыше 45. 50°С количество витаминов в муке снижается. Один из результатов гидротермической обработки — снижение зольности пшеничной муки высоких сортов: при холодном кондиционировании на 0,10. 0,12%, при горячем на 0,12. 0,15%. Это происходит по следующим причинам: гидротермическая обработка делает более эластичными оболочки, в связи с чем они с большей легкостью отделяются при размоле, снижая количество поступающих в муку высокозольных частиц; при обработке зерна водой и теплом происходит перемещение минеральных веществ вместе с растворенными питательными соединениями из периферийных слоев и эндосперма в зону зародыша ( 88).
При получении пшеницы из зерна I типа односортной муки 70%-ного выхода общее снижение зольности в результате гидротермической обработки зерна происходит на 15. 30% из-за уменьшения зольности эндосперма и на 70. 85% благодаря более полному отделению оболочек в связи с повышением их эластичности и пластичности.
Отдельные элементы, переходящие в состав золы, перемещаются по-разному. Перемещение фосфорсодержащих веществ сопровождается изменением различных форм фосфора. Содержание кислоторастворимого фосфора в целом при холодном способе обработки увеличивается больше, чем при горячем, а фосфора фитина, наоборот, при холодном кондиционировании уменьшается больше, чем при горячем. Неорганического фосфора при обоих вариантах гидротермической обработки становится больше.
Гидротермическая обработка вызывает отток фосфора из срединной и верхушечной частей и обогащение зародышевой части. В том же направлении (в зону зародыша) при холодном й горячем кондиционировании перемещаются железо и микроэлементы калий и магний.
Содержание кальция и натрия в зародыше уменьшается, и одновременно в эндосперме оно увеличивается. Иначе изменяется содержание марганца, никеля и цинка. Если при холодном кондиционировании они накапливаются в срединной части зерна при одновременном обеднении зародышевой, то при горячем кондиционировании концентрация этих микроэлементов в зародышевой части заметно повышается, а во всех остальных уменьшается. Фитин, перемещаясь в зону зародыша, под влиянием фермента фитазы гидролизуется с выделением фосфорной кислоты, вовлекаемой в многочисленные последующие превращения. Весь поступивший в эту зону магний также используется в процессах, развивающихся в пробуждающемся зародыше.
Обработка зерна паром с давлением 0,35 МПа в течение 40 с (скоростное кондиционирование) уменьшает время кондиционирования зерна в 4. 6 раз по сравнению с холодным, улучшает качество муки высшего, первого и второго сортов по цвету на 3. 4 единицы и более при снижении зольности на 0,02. 0,03%. Выход муки высоких сортов повышается на 1,5. 2,0%. Хлебопекарное достоинство зерна улучшается так же, как и при горячем кондиционировании. Наилучших результатов достигают при обработке слабой клейковины. Создается возможность более широкого и эффективного использования зерна пшеницы, в том числе с пониженным качеством.
Все сказанное о химических и технологических изменениях зерна при ГТО указывает на необходимость строго дифференцированного выбора режима кондиционирования зерна пшеницы с учетом ее исходного состояния и качества.
Нагревание или термическую обработку используют в тех случаях, когда клейковина слабая (сортовая особенность зерна, зерно поражено клопом-черепашкой, проросшее и др.)- Цель обработки заключается в том, что, нагревая зерно до температуры 55 . 65 °С, добиваются частичной денатурации белкового комплекса. В результате уменьшается гидратационная способность клейковины, она укрепляется, что приводит к улучшению ее физических свойств и, как следствие, к повышению хлебопекарного достоинства.
Разные фракции белкового комплекса при тепловом воздействии претерпевают неодинаковые изменения. Уже на этапе предварительного нагрева влажного зерна пшеницы при температуре 50 °С, еще не приводящем к денатурационной перестройке белковых веществ, наблюдаются глубокие изменения белка, различные для отдельных белковых фракций и при разных режимах сушки. Наиболее значительны они для альбуминов. Белки клейковины обладают более высокой стойкостью.
Метод улучшения технологического достоинства зерна пшеницы требует дифференцированного выбора режимов и скорости сушки с учетом исходного качества и состояния зерна с обязательной предварительной опытной проверкой. При этой проверке, исходя из состояния клейковинного комплекса, причины, вызвавшей ослабление клейковины, влажности и других показателей качества зерна, приходится устанавливать оптимальную температуру и продолжительность нагрева на небольших пробах зерна.
Метод не получил широкого производственного применения из-за сложности ведения процесса и в результате того, что неполноценное зерно улучшается только частично.
В крупяной промышленности широко применяют гидротермическую обработку зерна (ГТО) гречихи, ячменя, овса, гороха, пшеницы, кукурузы. ГТО позволяет изменить технологические свойства зерна: повысить крепость ядра, снизить прочность оболочек, что позволяет уменьшить количество битых ядер при шелушении и шлифовании, лучше отделить оболочки и зародыш. В качестве примера можно привести выход гречневой крупы без ГТО и с его применением. При переработке зерна базисных кондиций, без применения этой обработки получают 66% крупы, в т.ч. 10% продела, а крупы 1 сорта – 52%. С использованием ГТО общий выход крупы повысился до 67%, выход крупы 1 сорта – до 59 %, выход продела снизился вдвое – до 5%.
В зависимости от вида зерна и производимых круп различают разные методы ГТО: для пшеницы применяют холодное кондиционирование (t воды = 40°С) с дальнейшей отлежкой на протяжении 0,5-3 ч, а для гречихи, овса, гороха – горячее (пропаривание зерна на протяжении 1,5-8 мин.). Обработка зерна паром влечет за собой быстрое увлажнение и прогрев зерна, что повышает сопротивление зерна к разрушению, ослабевает связь между оболочками и ядром. После пропаривания зерно сушат, в результате чего оболочки стают хрупкими и легко отделяются.
Отдельно хочется отметить значительное повышение биологической ценности круп за счет проведения гидротермической обработки, позволяющей сохранить витамины и минеральные вещества, присутствующие в верхних слоях ядра и которые обычно теряются в результате шелушения и шлифовки. При проведении ГТО значительная часть указанных веществ растворяется и переносится под воздействием избыточного давления пара с периферийных слоев вглубь ядра. Также вследствие гидролиза жиров повышается стойкость круп при хранении.
Применяемые в крупяной промышленности пропариватели по принципу действия делятся на два типа: периодического и непрерывного действия. Первые отличаются большей эффективностью обработки, но их применение создает необходимость проектирования накопительных емкостей для сглаживания пульсации потока сырья. Пропариватели непрерывного действия имеют сравнительно меньшие габариты, но больший расход пара и более энергоемкий процесс обработки. Пропариватели обоих типов с их технической характеристикой указаны в табл. 1, и далее проведена их краткая характеристика.
Таблица 1
Марка
Цена, грн.*
* Цены уточняются на момент заказа
Пропариватели модификаций П3-КБ, БПБ и ПЗ относятся к пропаривателям периодического действия. Они оснащены специальными загрузочными и разгрузочными устройствами (шиберными задвижками). В цилиндрическом корпусе с коническим днищем и сферической крышкой расположен парораспределительный коллектор в виде пирамиды или змеевика, позволяющий равномерно распределить пар среди зерновой массы. Снаружи корпус снабжен арматурой подачи пара и сброса конденсата, а также контрольными устройствами и предохранительным клапаном. Зерно в пропаривателе находится на протяжении от 2 до 8 мин. в зависимости от вида обрабатываемого сырья. После окончания этого срока открывается клапан снижения давления. При достижении остаточного давления клапан закрывается, после чего открывается шиберная задвижка и происходит выпуск зерна из пропаривателя.
Рис. 1. Пропариватель П3-1
Отличительной возможностью пропаривателя П3-1 (рис. 1) является возможность переведения его в режим непрерывного действия. В этом случае вместо электромагнитных клапанов пропариватель комплектуется шлюзовыми затворами. Такой вариант работы дает возможность увеличить производительность от 3,5 до 6 т/ч, но при этом увеличивается расход пара от 600 до 800 м 3 /ч. Данные аппараты получили наибольшее распространение, так как имеют высокую эффективность обработки, более оптимальную производительность и усредненные энергозатраты.
Особенными в данном обзоре являются пропариватели непрерывного действия Я31.237 и Я31.229. В основу их действия положено принудительное смешивание обрабатываемого продукта с паром. В камеру одновременно подаются пар под давлением 0,07 МПа и пропариваемый продукт. В камере продукт смешивается с паром и перемещается шнеком к выпускному шлюзовому затвору.
Но независимо от типа пропаривателя для завершения цикла ГТО необходимо провести сушку обработанного продукта. Для этого используют электрические и вибрационные сушилки (табл. 2), а также паровые сушилки (табл. 3).
Таблица 2
Показатель
Аэровибрационная сушилка АВС-1
* Указана мощность привода и нагревателей соответственно
Ленточная сушилка Я31.222 – электрическая. Соответственно, при ее применении отпадает надобность в создании пара или агента сушки. Продукт поступает на сушильную ленту через питающий патрубок. В процессе движения ленты он нагреваются нагревателями, и достигается снижение влажности на 1-1,5%. Недостатком является невысокая производительность и большие затраты электроэнергии.
Аэровибрационная сушилка АВС зарекомендовала себя положительно, так как позволяет снимать влажность в различном диапазоне (1-6%) путем регулировки времени сушки продукта благодаря возможности изменения угла наклона кузова от 0 до 12°.
Рис. 2. Сушилка АВС-1
Недостатком ее также является невысокая производительность.
Таблица 3
Наибольшее распространение получили паровые вертикальные сушилки блочного типа СП-КБ и ВС. Сушилки представляют собой блочную сборную вертикальную конструкцию шахтного типа с прямоугольным поперечным сечением и коробами для подвода и удаления агента сушки. Их популярность, несмотря на большие габариты, объясняется возможностью сушки продукта с исходной влажностью до 20% и доведением ее до 14-14,5% за один проход. Также данные сушилки могут комплектоваться охладительными секциями.
Напоследок хочется отметить, что эффективность гидротермической обработки зависит не только от технических возможностей аппаратов, но и от проведения процесса в целом. Поэтому также необходимо уделять должное внимание методам и способам контроля и регулировки процессов.
* Обзор составлен на основании открытых источников информации, в том числе информационно-рекламной продукции компаний, указанных в обзоре
После очистки от примесей зерно подвергают гидротермической обработке (ГТО) – увлажнению и нагреву с помощью пара, последующему отволаживанию и сушке. Как уже упоминалось ранее, в результате увеличивается прочность ядра за счет клейстеризации крахмала и денатурации белка, а оболочки становятся более хрупкими и легче отделяются. (Оптимальная ГТО зерна возможна только при его влажности 13-15,5%.)
В процессе ГТО используют увлажнители, пропариватели и сушилки. Увлажнитель предназначен для внесения влаги в зерно в процессе его гидротермической обработки. Увлажнители устанавливаются в подготовительных отделениях предприятий по хранению и переработке зерна. Сушилка предназначена для сушки и поджаривания зерна крупяных культур и готовой крупы, комплектуется охладительной колонкой. П
Верхние пределы влажности пшеницы, указанные в таблице, относятся к зерну со стекловидностью выше 60%, нижние пределы — к зерну со стекловидностью менее 40%.
Скоростное кондиционирование. Основано на гидротермической обработке пшеницы паром, который увлажняет и нагревает зерно. Увлажнение происходит в результате конденсации пара на более холодной поверхности зерна. Тепло, выделяемое паром, позволяет нагреть зерно до 50—60°С в течение 30—50 с. Такой способ гидротермической обработки позволяет интенсифицировать процесс переноса влаги внутрь зерна и максимально сокращает время отволаживания.
Схема обработки зерна при скоростном кондиционировании показана на рисунке 80.
После обработки паром в аппарате ДСК для тепловой обработки зерно направляется в теплоизолированный бункер, где выдерживается до 10 мин. В результате тепловой обработки улучшаются свойства клейковины. После тепловой обработки зерно пшеницы температурой 45—60°С направляется в моечную машину, где охлаждается водой до 25—30°С. Резкое охлаждение зерна нарушает связь оболочек с эндоспермом, что облегчает процесс вымола и снижает расход электроэнергии на измельчение.
Если необходимо удалить часть полученной влаги, зерно направляют во влагосниматель, где оно продувается нагретым до 40—50°С воздухом.
Процесс скоростного кондиционирования зерна пшеницы завершается отволаживанием в течение 3—4 ч.
В связи с тем, что в процессе отволаживания зерна его оболочки несколько подсыхают и становятся хрупкими, на мукомольных заводах сортового помола пшеницы применяют дополнительный этап кондиционирования — увлажнение зерна на 0,3—0,5% перед I драной системой с отволаживанием в течение 20—30 мин.
Зерно увлажняют на увлажнительных машинах ЗУМ-2 и Т1-БУВ-10 распыливающего действия.
Добавленное к зерну небольшое количество влаги за короткое время отволаживания успеет проникнуть только в оболочки зерна, увлажнить их и сделать их эластичными, более стойкими для разрушения в процессе измельчения зерна на вальцовых станках.
Читайте также: