СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВСПУЧЕННОГО ЗЕРНА
PUFFED GRAINS PRODUCTION METHOD

Изобретение относится к обработке пищевых продуктов, а именно к переработке зерна, и может быть использовано в пищевой промышленности для производства круп быстрого приготовления, а также в сельскохозяйственном производстве для изготовления кормов.
Известен способ приготовления взрывом продуктов из зернового сырья, включающий подачу дозы зерна в камеру спекания, нагрев и сдавливание зерна матрицами, вспучивание зерен при быстром разведении матриц на высоту готового продукта, при этом зерно подают с ускорением 0,01-0,05 g и сбрасывают в камеру питания с высоты 5-10-кратной толщине зерна (см. патент РФ №2080085, МПК A23L 1/18, А23Р 1/14, опубл. 27.05.1997 г.).
Недостатком известного способа является повышенные энергозатраты на производство зернового продукта, а также вследствие контакта с горячей поверхностью возможно получение пережженного зерна, что снижает качество готового продукта.
Известен способ производства гречневой крупы, не требующей варки, включающий очистку зерна гречихи от примесей, сортирование на фракции по крупности, пропаривание при давлении 0,55-0,60 МПа в течение 6-8 мин до влажности 18-19% и одновременное шелушение для получения целых и расколотых на части ядер гречихи, последующее взрывание в другом аппарате при температуре нагрева 260°С и избыточном давлении 1,0 МПа, охлаждение и провеивание (см. патент РФ №2185750, МПК A23L 1/18, опубл. 27.07.2002 г.).
Технологические параметры способа характеризуются высокой энергоемкости при пропаривании исходного зерна для создания давления 0,55-0,60 МПа, сам процесс длителен по времени, а одновременная обработка как целых, так и расколотых зерен приводит к неоднородному составу полученного продукта, что снижает его питательную ценность.
Известен способ производства взорванных зерен, включающий нагревание сырья в кипящем слое перегретым паром атмосферного давления с последующим резким созданием вакуума, при этом температура и скорость перегретого пара соответственно составляет 413-473 К и 2,0-5,0 м/с, а продолжительность обработки им - 1-5 мин (см. патент РФ №1386156, МПК A23L 1/18, опубл. 07.04.1988 г.).
Недостатком известного способа является его трудоемкость, длительность и большие энергозатраты, так как требуется создание вакуума и высокой температуры пара.
Известен способ термической обработки зерна, включающий нагревание зерна в потоке теплового агента с одновременным обогревом инфракрасными лучами, при атмосферном давлении, при этом поток теплового агента подают на движущийся слой зерна периодически с частотой 0,3-10,0 Гц, причем суммарный расход агента по отношению к массовому расходу зерна составляет 10,0-15,0, а скорость подачи агента на слой зерна составляет 1,0-5,0 величины скорости витания обрабатываемых зерен (см. патент РФ №2051595, МПК A23L 1/18, опубл. 10.01.1996 г.).
Использование ИК-излучения приводит к удорожанию и усложнению процесса получения взорванных зерен.
Наиболее близким является способ производства вспученного зерна, включающий загрузку зерна в камеру, герметизацию камеры, гидротермическую обработку зерна под давлением в газообразном теплоносителе, сброс давления в камере до атмосферного, при этом в качестве газообразного теплоносителя используют водяной пар, инжектируемый в герметизированную камеру, с давлением не ниже 0,5 МПа и температурой не более 200°С, а длительность обработки зерна паром не превышает 60 с (см. патент РФ №2220586, МПК А23К 1/00, A23L 1/18, опубл. 10.01.2004 г.).
Недостатком известного способа является высокая энергоемкость, а также невысокая пищевая ценность продукта вследствие переувлажнения зерна, а также необходимость досушивания зерна после обработки с целью увеличения его срока хранения.
Задачей настоящего изобретения является снижение затрат на производство вспученного зерна, повышение качества, пищевой и кормовой ценности продукта.
Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является обеспечение оптимальных условий для разрыхления структуры крупы и деструкции клеточных стенок путем подсушивания наружных оболочек зернового материала и сохранения уровня влажности более глубоких слоев.
Поставленная задача достигается тем, что в способе производства вспученного зерна, включающем загрузку зерна в камеру, герметизацию камеры, обработку зерна, согласно изобретению в камеру подают под давлением предварительно подогретый газообразный теплоноситель, затем камеру мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно с избыточным давлением перемещают в приемный бункер.
При этом в качестве газообразного теплоносителя используют, например, воздух.
Кроме того, давление газообразного теплоносителя не более 3 МПа, а температура не более 400°С.
Помимо того, перед обработкой газообразным теплоносителем зерновой материал обрабатывают паром.
При этом давление пара не более 0,499 МПа, а время обработки водяным паром не более 600 с.
Заявляемая совокупность признаков позволяет за счет использования в качестве теплоносителя подогретый сухой газ определенного давления и температуры оптимизировать процесс разрушения клеточной стенки для зерна каждого вида, дает возможность управлять режимом гидролиза, регулируя глубину воздействия влаги на зерновые оболочки и внутренние структуры зерна на клеточном уровне за счет подсушивания наружных оболочек зернового материала и сохранения уровня влажности более глубоких слоев.
Это способствует созданию более благоприятных условий для разрыхления структуры крупы и деструкции клеточных стенок, что повышает качество готового продукта и его питательную ценность.
Относительно мягкий режим обработки паром и последующее воздействие сухим теплоносителем высокого давления (не более 3 МПа) позволяет реализовать процесс вспучивания зерна повышенной влажности или смоченного водой вообще без инжекции пара, что снижает затраты на производство готового продукта.
Кроме того, использование сухого подогретого газообразного теплоносителя позволяет исключить переувлажнение обрабатываемого зерна, его слипание в комки в процессе пропаривания и осуществить регулирование (стабилизировать) степени влажности готового продукта.
Использование при необходимости предварительного подогрева и увлажнения обрабатываемого материала паром с низким давлением (не более 0,499 МПа) позволяет снизить затраты на производство вследствие снижения капитальных затрат на строительство котельной, дающей давление более 0,499 МПа.
Заявляемый способ позволяет также расширить ассортимент обрабатываемого зернового материала.
Так, при обработке зерна бобовых растений большое значение имеет показатель растворимости протеина, который зависит от температуры пропаривания. Снижение растворимости протеина является отрицательным фактором в кормлении животных, так как вызывает снижение его переваримости.
Заявленный способ позволяет более точно регулировать показатели содержания антипитательных факторов некоторых видов зерна в допустимых пределах так же, как и растворимость протеина, что имеет решающее значение при их использовании в кормлении животных.
В результате применения заявленного способа растворимость протеина снижается меньше, чем после обработки высоким давлением (больше 0,499 МПа) и температурой, что характеризует его сравнительно высокую переваримость.
При давлении больше 0,499 МПа повышается температура пара и соответственно должно быть снижено время обработки зерна, чтобы показатель его растворимости и связанный с ним показатель переваримости оставались в допустимых пределах. При этом в верхних слоях зерна, прогретых более интенсивно, растворимость протеина будет уменьшаться быстрее, чем в центре. Вследствие этого в готовом продукте показатель растворимости протеина в наружных слоях зерна будет запредельно низким, а во внутренних прогрев будет недостаточным для достижения поставленной задачи. Вместе с тем при проведении анализов растворимости протеина средний показатель может быть в допустимых пределах, но это не будет отражать истинное его значение, так как верхние слои зерна будут перегреты, а нижние - недостаточно нагреты.
Заявляемый способ поясняется чертежом, где позиции означают следующее: 1 - дозатор; 2 - герметичная камера; 3 - приемная камера; 4 - загрузочный клапан камеры 2; 5 - канал для подвода пара; 6 - канал для подвода подогретого газа; 7 - разгрузочный клапан.
Способ также поясняется таблицей.
Способ производства вспученного зерна включает загрузку зернового материала в камеру и герметизацию камеры.
Если зерновой материал поступает на обработку сухим, то в камеру предварительно подается пар под давлением не более 0,499 МПа.
Под действием пара материал подогревается, увлажняется, внешние слои размягчаются и материал прогревается, а давление способствует проникновению влаги внутрь.
Давление пара в камере менее 0,499 МПа - достаточное для эффективного увлажнения обрабатываемого материала на всю глубину.
При давлении пара не более 0,499 МПа зерновой материал прогревается медленнее и равномернее, чем при высоком давлении и соответствующей ему температуре, а избыточная влага из наружных слоев зерна удаляется последующей обработкой сухим теплоносителем. При испарении влаги температура наружных слоев зерна стабилизируется, а более глубокие и сухие слои продолжают прогреваться.
Давление пара выше 0,499 МПа в заявляемом способе нецелесообразно ввиду того, что пар используется только для проникновения влаги внутрь, а не для взрыва зерна.
В зависимости от вида обрабатываемого зернистого материала время обработки паром не более 600 с.
После обработки зернистого материала паром его подачу прекращают, в камеру подают под давлением не более 3 МПа предварительно подогретый до температуры не более 400°С газообразный теплоноситель, например атмосферный воздух или азот.
Если зерновой материал поступает на обработку переувлажненным, то его обработку можно производить без подачи пара, сразу подавая подогретый газ.
Время обработки газообразным теплоносителем не более 300 с.
Затем камеру мгновенно разгерметизируют и обработанный зернистый материал с избыточным давлением, которое создано подогретым газом (не более 3 МПа), перемещают в приемную камеру не более чем за 2 с.
Использование относительно сухого подогретого газа вместо пара позволяет обеспечить оптимальные условия для разрыхления структуры крупы и деструкции клеточных стенок за счет подсушивания наружных оболочек зернового материала и сохранения уровня влажности более глубоких слоев.
Кроме того, это позволяет исключить переувлажнение материала и регулировать степень влажности готового продукта, а при необходимости - его подсушивать.
Давление в приемном бункере перед разгерметизацией поддерживают равным или ниже атмосферного - не более 0,1 МПа.
При этом вода, содержащаяся в зернистом продукте, разогретом в герметичной камере до температуры выше, чем температура кипения при давлении приемной камеры не более 0,1 МПа, моментально вскипает и разрушает структуру зернистого продукта.
Снижение давления ниже атмосферного в приемном бункере позволяет осуществлять вспучивание зерна при пониженных показателях давления и температуры обработки с целью более мягкого температурного воздействия на зерно и сохранения его полезных свойств, но с разрушением клеточных структур.
Это обусловлено тем, что при понижении давления ниже атмосферного температура кипения воды тоже понижается, например, при давлении 49 кПа (0,5 ат) температура кипения воды равна 80,9°С, а процесс вспучивания зерна протекает при резком вскипании воды, находящейся внутри него, и разрушении клеточных структур выделившимся паром.
В результате зернистые материалы приобретают микропористую структуру, внешние слои растрескиваются, крахмал зерна частично гидролизуется, увеличивается его способность впитывать воду.
Изменяя параметры обработки в указанных выше пределах можно изменять степень деструкции исходного материала.
Осуществление способа дано на примере обработки зерна пшеницы при различных параметрах обработки.
Пример 1.
Обработке подвергалось зерно пшеницы с влажностью до обработки 14% и с объемной массой 0,74 кг/л.
В камеру подавался пар под давлением 0,45 МПа и с температурой 146°С, по истечении 12 с подача пара прекращалась и в камеру подавался под давлением 0,8 МПа подогретый до температуры 200°С воздух.
По истечении 28 с камеру мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно пшеницы с избыточным давлением, которое создано подогретым газом, перемещают в приемную камеру.
Вода внутри зерна вскипает и избыточное давление разрушает структуру зернистого продукта.
Зерно после обработки имело влажность 13%, а его объемная масса составляла 0,610-0,650 кг/л.
Пример 2.
Обработке подвергалось зерно пшеницы с влажностью до обработки 14% и с объемной массой 0,74 кг/л.
В камеру подавался пар под давлением 0,45 МПа и с температурой 146°С, по истечении 12 с подача пара прекращалась и в камеру подавался под давлением 1,0 МПа подогретый до температуры 220°С воздух.
По истечении 28 с камеру мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно пшеницы с избыточным давлением, которое создано подогретым газом, перемещают в приемную камеру.
Вода внутри зерна вскипает и избыточное давление разрушает структуру зернистого продукта.
Зерно после обработки имело влажность 11%, а его объемная масса составляла 0,520-0,560 кг/л.
Пример 3.
Обработке подвергалось зерно пшеницы с влажностью до обработки 14% и с объемной массой 0,74 кг/л.
В камеру подавался пар под давлением 0,45 МПа и с температурой 146°С, по истечении 12 с подача пара прекращалась и в камеру подавался под давлением 1,2 МПа подогретый до температуры 250°С воздух.
По истечении 28 с камеру мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно пшеницы с избыточным давлением, которое создано подогретым газом, перемещают в приемную камеру.
Вода внутри зерна вскипает и избыточное давление разрушает структуру зернистого продукта.
Зерно после обработки имело влажность 8%, а его объемная масса составляла 0,250-0,280 кг/л.
Пример 4.
Обработке подвергалось зерно кормовых бобов с влажностью до обработки 14% и с объемной массой 0,78 кг/л.
В камеру подавался пар под давлением 0,45 МПа и с температурой 146°С, по истечении 40 с подача пара прекращалась и в камеру подавался под давлением 0,8 МПа подогретый до температуры 150°С воздух.
По истечении 280 с камеру мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно кормовых бобов с избыточным давлением, которое создано подогретым газом, перемещают в приемную камеру.
За счет избыточного давления вода внутри зерна вскипает и разрушает структуру зернистого продукта.
Зерно после обработки имело влажность 14%, а его объемная масса составляла 0,650-0,680 кг/л.
Пример 5.
Обработке подвергалось зерно пшеницы с влажностью до обработки 14% и с объемной массой 0,74 кг/л.
В камеру подавался пар под давлением 0,45 МПа и с температурой 146°С, по истечении 20 с подача пара прекращалась и в камеру подавался под давлением 2,5 МПа подогретый до температуры 150°С воздух.
По истечении 20 с камеру мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно пшеницы с избыточным давлением, которое создано подогретым газом, перемещают в приемную камеру.
За счет избыточного давления вода внутри зерна вскипает и разрушает структуру зернистого продукта. Зерно разрывается на части.
Зерно после обработки имело влажность 10%, а его объемная масса составляла 0,180-0,220 кг/л.
Пример 6.
Обработке подвергалось зерно ячменя с влажностью до обработки 14% и с объемной массой 0,76 кг/л.
В камеру подавался пар под давлением 0,45 МПа и с температурой 146°С, по истечении 45 с подача пара прекращалась и в камеру подавался под давлением 0,8 МПа подогретый до температуры 380°С воздух.
По истечении 15 с камеру мгновенно разгерметизируют и обработанное зерно ячменя с избыточным давлением, которое создано подогретым газом, перемещают в приемную камеру.
За счет избыточного давления, вода внутри зерна вскипает и разрушает структуру зернистого продукта. Зерно приобретает темно-желтый цвет, запах поджаренного хлеба. Внешние оболочки зерна разорваны.
Зерно после обработки имело влажность 8%, а его объемная масса составляла 0,450-0,480 кг/л.
Пример 7.
Обработке подвергалось зерно проса с влажностью до обработки 12%, с объемной массой 0,740 кг/л.
Биологической особенностью проса является сравнительно мелкий размер семян и твердая цветковая оболочка, поэтому для его вспучивания необходимо размягчить и разрушить эту оболочку. Режим обработки проса включает сильное увлажнение и быстрый прогрев зерна.
В камеру подавался пар под давлением 0,2 МПа, с температурой 115°С. По истечении 20 с подача пара прекращалась, и в камеру подавался под давлением 0,3 МПа подогретый до температуры 400°С воздух.
По истечении 3 с камеру мгновенно разгерметизируют, и обработанное зерно проса с избыточным давлением перемещается в приемную камеру.
Под воздействием температуры и перепада давления вода внутри зерна и цветковых оболочек вскипает и зерно вспучивается, разрывая все зерновые оболочки.
Просо после обработки имеет влажность 11-12%, а его объемная масса составляла 0,650-0,700 кг/л.
Пример 8.
Обработке подвергалось зерно подсолнечника влажностью 8%, с объемной массой 0,410 кг/л.
Биологической особенностью подсолнечника является высокое содержание белка и жира. Для сохранения свойств белка и жира требуется длительный прогрев при относительно мягком режиме. Из-за высокого содержания жира (50%) ядро подсолнечника сравнительно мягкое, при этом оболочки (лузга) прочные.
В камеру подавался пар под давлением 0,12 МПа, с температурой 103°С. По истечении 10 с подача пара прекращалась, и в камеру подавался под давлением 0,7 МПа подогретый до температуры 50°С воздух.
По истечении 20 с камеру мгновенно разгерметизируют, и обработанное зерно подсолнечника с избыточным давлением перемещается в приемную камеру. При давлении в приемной камере 0,08 атм и ниже происходит вскипание воды внутри зерна и разрушение его структуры.
После обработки подсолнечник имеет влажность 9%, а его объемная масса составляла 0,310-0,340 кг/л.
Изменение объемной массы зерна при различных параметрах обработки свидетельствует об изменении его пористости.
Способ позволяет регулировать показатель объемной массы обработанного зерна, изменяя температуру и давление теплоносителя в зависимости от поставленной задачи. Для кормовых целей достаточно провести относительно мягкую обработку (Пример 1), для пищевых целей больше подходит жесткая обработка (Пример 3), для эффективного прогрева кормовых бобов требуется более длительное время обработки газообразным теплоносителем (Пример 4), для получения более пористой структуры обработанного зернового материала требуется более высокое давление газообразного теплоносителя (Пример 5).
Результаты обработки сведены в таблицу.
Заявляемый способ может быть реализован на установке, содержащей дозатор 1, герметичную камеру 2 и приемную камеру 3.
Камера 2 содержит загрузочный клапан 4, отдельный канал 5 для подвода пара, канал 6 для подвода подогретого газа и разгрузочный клапан 7.
Обрабатываемый материал из дозатора 1 поступает в загрузочный клапан 4 в камеру 2. Камера 2 герметизируется и, если необходимо, по каналу 5 в камеру 2 подается под давлением предварительно подогретый пар.
По истечении заданного в зависимости от вида обрабатываемого материала времени подача пара прекращается и в камеру подается под давлением подогретый, например, атмосферный воздух.
По истечении времени камера 2 разгерметизируется и через разгрузочный клапан 7 обрабатываемый материал поступает в приемную камеру 3, где структура зернистого продукта разрушается под действием избыточного давления, образованного внутри него.
Готовый продукт выгружается из приемной камеры 3.
Обработанное зерно и крупяные изделия пригодны для производства продуктов, не требующих варки, а также в сельскохозяйственном производстве для изготовления кормов.
При использовании в корм, обработанное зерно повышает продуктивность животных за счет увеличения его энергетической питательности, перевариваемости, скорости ферментации и ферментолиза в пищеварительном тракте.
Объемная масса зерна пшеницы в зависимости от параметров обработки при постоянном времени 50 с
Вариант обработки
Влажность зерна до обработки
Давление пара, МПа
Температура пара, °С
Давление воздуха, МПа
Температура воздуха, °С
Влажность зерна после обработки, %
Объемная масса зерна, кг/л
1
14
0,45
146
0,8
200
13
0,610-0,650
2
14
0,45
146
1,0
220
11
0,52-0,56
3
14
0,45
146
1,2
250
8
0,310-0,350