СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ИНАКТИВАЦИИ СЕМЯН БОБОВЫХ КУЛЬТУР, СРЕДСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ИНАКТИВИРОВАННЫЙ ПРОДУКТ
METHOD FOR THERMAL INACTIVATION OF LEGUMINOUS CROPS SEEDS, METHOD IMPLEMENTATION MEANS AND INACTIVATED PRODUCT

Изобретение относится к области переработки сельскохозяйственного сырья, в частности к области переработки семян бобовых культур, и может быть использовано при переработке семян сои, кормовых бобов, гороха, люпина, вики при производстве пищевых продуктов, а также компонентов кормов и кормовых добавок для сельскохозяйственных животных и птиц.
Известен (RU, патент 2085088) способ тепловой обработки зерновых продуктов (в том числе и бобов сои) электрофизическими методами, включающий в себя два этапа обработки. На первом этапе продукт в течение 30-90 с нагревают тепловой энергией, например энергией ИК-излучения, до температуры 95-105°C без существенного изменения его влагосодержания. На втором этапе продолжительностью 20-60 секунд температуру продукта доводят до 120-180°C с использованием электромагнитного поля СВЧ с удельной мощностью не менее 5 кДж/кгс.
Известный способ обладает возможностью инактивации ингибиторов сои без замачивания и варки, но высокая конечная температура обработки 180°C ведет к денатурации белка, окислению нативного масла, ухудшению потребительских свойств сои.
Наиболее близким аналогом разработанного способа можно признать (RU, патент 2238662) известный способ и устройство инактивации семян бобовых культур. Согласно известному способу семена подвергают циклическому нагреву, причем во время нагрева семян осуществляют их перемещение в направлении сверху вниз, при этом нагрев семян осуществляют через равные промежутки времени, при этом продолжительность нагрева семян при каждом цикле составляет не менее 0,5 промежутка времени между смежными циклами нагрева. Известное устройство содержит, по меньшей мере, одну секцию нагревателя с корпусом, расположенный на входе в нагреватель узел загрузки продукта и расположенный на выходе из нагревателя узел для выгрузки продукта. Нагреватель выполнен в виде расположенных в его корпусе горизонтальных труб и распределителя для подвода теплоносителя к трубам, при этом трубы расположены параллельными рядами со смещением от ряда к ряду, а горизонтальный шаг труб в каждом ряду составляет не менее 1,3 и не более 2,0 диаметров трубы, причем расстояние между смежными рядами труб составляет не менее 1,3 и не более 2,0 диаметров трубы, а смещение труб от ряда к ряду составляет 0,5 горизонтального шага труб.
Недостатком известного технического решения можно признать неполноту удаления антипитательных веществ, а также невысокую энергоэффективность.
Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке способа термической инактивации семян бобовых культур, а также средства его реализации.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа, состоит в обеспечении возможности получения семян бобовых культур с низким содержанием антипитательных веществ при высоком содержании усвояемых аминокислот и белка, пригодных для использования в качестве ингредиента пищевых продуктов, а также компонентов кормов и кормовых добавок для сельскохозяйственных животных и птиц.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ термической инактивации семян бобовых культур. При реализации разработанного способа производят термообработку семян ступенчатым нагревом с последующим увлажнением и охлаждением термически инактивированных семян, первым измельчением семян и вторым измельчением семян, при этом температура последней ступени нагрева составляет от 101 до 170°C, после охлаждения температура продукта составляет менее 60°C, а после стадии увлажнения содержание влаги в продукте составляет от 11 до 13,5 мас.%. Обычно увлажнение проводят водой или водосодержащим реагентом. Предпочтительно в процессе термообработки семена бобовых культур перемещают через зону нагрева с постоянной скоростью, что обеспечивает получение всеми обрабатываемыми семенами одинакового количества тепловой энергии. При этом предпочтительно семена перемещают в вертикальном направлении как под действием сил гравитации, так и при дополнительном воздействии вибрации, прилагаемой к перемещающимся семенам. Преимущественно промежуток времени между окончанием предыдущей ступени нагрева и началом следующей ступени нагрева продукта не превышает удвоенной продолжительности предыдущей ступени нагрева продукта. Это обеспечивает распределения поступившей в семя тепловой энергии по всему объему семени, а также позволяет осуществить самопроизвольное равномерное распределение влаги по всему объему семени. В случае совместной обработки семян нескольких бобовых культур их смешение преимущественно производят перед обработкой. Обычно смешение осуществляют путем одновременной подачи семян различных бобовых культур на транспортер, подающий семена на термообработку. Регулируя скорость подачи каждого из видов обрабатываемых семян, регулируют их соотношение в готовой смеси. Однако смешение семян может быть проведено и после термообработки, когда смешивают в соответствующем соотношении семена, уже прошедшие термообработку. Температура семян бобовых культур, поступающих на термическую инактивацию, зависит от внешних условий. Указанный интервал температур в совокупности с предшествующей ступенчатой термообработкой обеспечивает практически полное удаление антипитательных веществ из семян бобовых культур. Последующее увлажнение и принудительное охлаждение до температуры менее 60°C совместно с естественным охлаждением за счет выхода полупродукта (термически инактивированных семян бобовых культур) из средства термообработки позволяет повысить содержание усвояемых углеводов. Увлажнение полупродукта после стадии принудительного охлаждения до доведения содержания влаги в продукте от 11 до 13,5% позволяет, с одной стороны, довести содержание влаги до требований стандарта, и, с другой стороны, при необходимости дополнительно охладить предварительно измельченные термически инактивированные семена бобовых культур, что приводит к повышению длительности хранения готового продукта.
В результате реализации способа получен инактивированный продукт, представляющий собой термически инактивированные семена сои и/или семена люпина, и/или семена кормовых бобов. Соотношение компонентов в смеси, а также степень инактивации каждого вида семян зависит от требований, предъявляемых к готовому продукту, а также от области дальнейшего применения продукта.
Для термической инактивации семян бобовых культур может быть применено устройство термической инактивации семян бобовых культур. Устройство термической инактивации (инактиватор) содержит корпус, в котором установлена, по меньшей мере, одна секция нагревателя, на входе в корпус установлен узел загрузки сырья, на выходе из корпуса расположен узел для выгрузки продукта, причем нагреватель выполнен в виде множества труб, внутренние объемы которых соединены с системой подачи теплоносителя, а также с системой отвода теплоносителя, при этом расстояние между соседними трубами соизмеримо с размером обрабатываемого семени, а трубы расположены параллельными рядами со смещением от ряда к ряду, при этом устройство дополнительно содержит средство подачи воды или пара в объем нагревателя.
В качестве теплоносителя может быть использована любая текучая неагрессивная среда, способная перемещаться по внутреннему объему труб при температуре, необходимой для термической инактивации семян бобовых культур. В частности, в качестве теплоносителя может быть использован пар, а также жидкости или жидкие смеси, в том числе и растворы с высокой температурой кипения. Обычно используют трубы из стали, поскольку они достаточно устойчивы к действию практически любых видов теплоносителя, обладают хорошей теплопроводностью и могут быть достаточно легко смонтированы в корпусе любым известным путем. Преимущественно устройство содержит несколько уровней размещения труб в секции нагревателя. По меньшей мере, часть труб в секции могут быть изогнуты, что обеспечит большую площадь контакта поверхности трубы с внутренним объемом корпуса.
Вышеуказанное техническое решение обеспечивает нагрев поступающих в секцию семян бобовых культур до необходимой температуры в течение короткого промежутка времени. Предпочтительно для повышения теплоотдачи и создания эффекта смешивания обрабатываемых семян бобовых культур, чтобы трубы в секции были расположены параллельно со смещением от ряда к ряду. Но для усиления теплового воздействия на обрабатываемые семена бобовых культур трубы могут быть расположены параллельно в ряду, но в соседних рядах трубы могут быть расположены под углом относительно направления труб предыдущего ряда. Кроме того, внутренние объемы труб в ряду и/или в секции могут быть соединены между собой в корпусе более одного раза с образованием сетчатой структуры. Это обеспечит большую теплоотдачу внутри корпуса. В одном из вариантов реализации разработанного устройства использован корпус прямоугольного сечения в поперечнике, при этом трубы, изготовленные из стали, проходя через внутренний объем корпуса, частично выходят за его пределы и закреплены сварными или резьбовыми соединениями на корпусе. При этом вне пределов корпуса трубы соединены в единую систему путем сообщения внутренних объемов труб изогнутыми полыми перемычками. Однако корпус может иметь в сечении и отличную от прямоугольной форму. Кроме того, соединение труб полыми перемычками может быть произведено и внутри корпуса. С одной стороны, это несколько усложняет монтаж, но, с другой стороны, несколько уменьшает тепловые потери. Поскольку желательно, чтобы основная часть тепловой энергии поступила на обрабатываемые семена бобовых культур на первой стадии обработки, источник теплоносителя предпочтительно подключен к внутреннему объему трубы верхнего ряда труб. Таким образом, теплоноситель поступает первоначально в верхние ряды труб, проходит по объединенной системе труб, нагревая внутреннее пространство корпуса и обрабатываемые семена бобовых культур и выходит их одной из труб нижнего ряда. В некоторых вариантах реализации разработанной конструкции теплоноситель затем поступает в теплообменник, нагревается там и повторно поступает на вход системы труб. Для обеспечения термической инактивации семян любых бобовых культур желательно, чтобы устройство содержало более одной секции нагревателя. Из предшествующего опыта работы следует, что при указанном количестве секций происходит термическая инактивация семян любых бобовых культур. Для уменьшения тепловых потерь желательно использовать термоизолированный корпус устройства. Термоизоляция корпуса может быть произведена любым известным путем. На выходе из корпуса может быть установлено средство регулирования скорости перемещения семян по устройству. Предпочтительно, оно может быть выполнено в виде ирисовой диафрагмы. Указанное средство подачи воды или пара в объем нагревателя может быть выполнено в виде патрубка, предпочтительно установленного в нижней части устройства.
Способ реализуют следующим образом.
Семена бобовых культур, подлежащие термической инактивации, загружают в, по меньшей мере, один приемный бункер. В случае использования одного бункера при необходимости получения смеси термически инактивированных семян различных бобовых культур в приемном бункере происходит их смешивание. В случае использования нескольких бункеров в каждый из используемых бункеров помещают семена одной из бобовых культур и, регулируя удельную подачу через норию семян каждого бобового растения на транспортер системы подачи исходных семян бобовых культур в бункер-накопитель, производят на транспортере предварительное составление смеси семян бобовых культур заданного состава. Затем осуществляют перемещение семян (или смеси семян) в бункер-питатель. Из бункера-питателя предпочтительно самотеком исходные семена поступают в устройство термической инактивации семян. При этом предварительно во внутренний объем труб устройства термической инактивации семян подают поток теплоносителя. В устройстве термической инактивации обрабатываемые семена самотеком перемещаются в направлении сверху вниз, проходя через секции нагрева. Для постоянства скорости перемещения возможно использование генератора вибрации, воздействующего на устройство термической инактивации. Удаление термообработанных бобов осуществляют из нижней части указанного устройства. Выделившаяся при термической инактивации семян влага в виде пара удаляется через загрузочное отверстие устройства термической инактивации. Теплоноситель, проходя по системе труб сверху вниз через все секции, разогревает внутренний объем корпуса. В процессе перемещения семян бобовых культур внутри корпуса происходит их термообработка с инактивацией. Поскольку скорость перемещения семян бобовых культур внутри корпуса предпочтительно практически постоянна, то все обрабатываемые (инактивируемые) семена получают практически одинаковое количество тепловой энергии. Это обеспечит при одинаковой скорости перемещения смеси бобов в вертикальной плоскости одинаковые условия прогрева смеси. При необходимости скорость перемещения обрабатываемых (инактивируемых) семян по корпусу может быть уменьшена или увеличена с использованием средства регулирования скорости перемещения семян по устройству (предпочтительно, в виде заслонки) или придания корпусу устройства термической инактивации вибрации.
При перемещении смесь бобов поступает в первую зону нагрева, где к каждому семени подводят определенное количество тепловой энергии. При дальнейшем перемещении в семени происходит процесс перераспределения тепла и влаги. При указанном процессе перераспределения подведенное во время первой ступени нагрева тепловой энергии равномерно перераспределяется по всему объему семени. Промежуток времени, во время которого в семени осуществляется процесс перераспределения тепла и влаги, то есть промежуток времени между окончанием первой ступени нагрева и началом второй ступени нагрева продукта предпочтительно не превышает удвоенной продолжительности нагрева продукта. Указанное временное соотношение между продолжительностью ступени нагрева и ступени перераспределения тепла и влаги определено эмпирически. Как показали проведенные исследования, при выходе за границу указанного диапазона происходит существенное увеличение энергоемкости всего процесса без увеличения указанного технического результата. При дальнейшем перемещении термически инактивируемых семян они поступают во вторую зону нагрева, где к каждому предварительно нагретому во время первой ступени нагрева семени подводят определенное количество тепловой энергии. За счет подведенного во время второй ступени нагрева тепла происходит нагрев остаточной влаги в семени. При дальнейшем перемещении семена выходят из зоны нагрева, и в семени происходит процесс дальнейшего перераспределения тепла и влаги. Далее ступени повторяются описанным выше образом, то есть осуществляют ступенчатый нагрев влаги каждого семени до необходимой температуры и перераспределения тепла и влаги после каждого цикла нагрева. Нагрев семян приводит к разрушению и значительному снижению активности содержащейся в них липоксигеназы и подобных ферментов, вызывающих плохой запах, вкус и вкусо-ароматические ощущения в готовых продуктах, т.е. повышению потребительских характеристик готового продукта.
После прохождения устройства термической инактивации термообработанные семена поступают по системе транспортировки термообработанных семян в охладитель семян, где происходит принудительное охлаждение термически инактивированных семян с сохранением значительного количества усвояемых аминокислот и белка. После охладителя термообработанные семена поступают в первый измельчитель термообработанных семян, где их раскалывают на 2-4 части. Измельченные бобы поступают в увлажнитель, где влажность измельченных семян доводят до установленной стандартом величины. Одновременно, при необходимости, происходит дополнительное охлаждение термообработанных семян бобовых культур. Увлажненные частицы поступают во второй измельчитель термообработанных семян, где получают частицы размером до 1-2 мм. Измельченные частицы через систему выгрузки измельченных термообработанных семян поступают на склад или в транспортный узел предприятия.
Достижение указанного технического результата будет в дальнейшем обосновано экспериментальными данными.
В дальнейшем сущность разработанного технического решения будет раскрыта с использованием примеров реализации.
Эксперименты проводили в виварии ГУП «Загорское» ЭПХ ВНИТИП РАСХН на цыплятах-бройлерах кросса «АВИАН-48». Кормление осуществляли вволю сухими полноценными комбикормами растительного типа. Сухой комбикорм содержал пшеницу, кукурузу, бобовые, жмых подсолнечный, муку рыбную, лизина монохлоргидрат, метионин, соль поваренную, монокальций фосфат, известняковую муку, премикс. В качестве бобовых использовали соевый жмых (контрольный опыт), смесь семян кормовых бобов и сои (соотношение 1:1), смесь семян люпина и сои (соотношение 1:1), смесь семян люпина, кормовых бобов и сои, взятых в соотношении 1:1.
Предварительно были определены питательная ценность используемых исходных зернобобовых культур (% на воздушно-сухое вещество) (табл.1).
Таблица 1
Питательные вещества и энергия
Люпин
Бобы кормовые
Соя
Обменная энергия, ккал/100 г
230
237
330
Сырой протеин
32,0
28,0
34,0
Сырая клетчатка
13,5
6,6
7,0
Сырой жир
3,7
1,5
16,6
Линолевая кислота
1,1
0,48
8,25
Кальций
0,29
0,11
0,22
Фосфор
0,43
0,5
0,65
Натрий
0,3
0,02
0,03
Аминокислоты
лизин
1,45
1,4
2,10
гистидин
0,96
0,74
0,9
аргинин
3,03
3,0
2,62
треонин
0,90
0,90
1,40
глицин
0,90
1,08
1,5
цистин
0,37
0,28
0,50
валин
1,13
1,30
1,60
метионин
0,37
0,24
0,48
изолейцин
3,32
2,40
1,70
лейцин
3,32
2,93
2,70
тирозин
-
0,8
1,02
фенилаланин
1,37
1,0
1,74
триптофан
0,21
0,28
0,36
Кормовые бобы, соя и семена люпина, а также их смеси были обработаны согласно вышеприведенной технологии. Для этого были сформированы вышеуказанные смеси, которые были обработаны по разработанной технологии. Используемое устройство содержит пять ступеней нагрева, при этом в первой ступени использована температура 35÷45°C, во второй ступени - 75÷85°C, в третьей - 95÷105°C, в четвертой и пятой - 110÷120°C.
Исследования были проведены по 7 группам бройлеров, где первая группа получала традиционный комбикорм, содержащий соевые бобы, вторая группа - комбикорм с необработанными кормовыми бобами и соевыми бобами, взятыми в соотношении 1:1, третья группа - комбикорм с необработанными семенами люпина и соевыми бобами, взятыми в соотношении 1:1, четвертая группа - комбикорм с необработанными соевыми бобами, кормовыми бобами и семенами люпина (взятыми в соотношении 1:1:1), пятая группа - комбикорм с обработанной смесью кормовых бобов и соевых бобов, взятых в соотношении 1:1, шестая группа - комбикорм с обработанной смесью семян люпина и соевых бобов, взятых в соотношении 1:1, седьмая группа - комбикорм с обработанной смесью, содержащей соевые бобы, кормовые бобы и семена люпина (взятыми в соотношении 1:1:1).
В табл.2 приведены основные зоотехнические результаты опытов на бройлерах.
Таблица 2
Показатели
группы
1
2
3
4
5
6
7
Живая масса (кг)
1936
1870
1842
1851
1975
1959
1992
В том числе петушков
2007
1910
1894
1877
2029
2061
2098
В том числе курочек
1865
1844
1821
1818
1921
1857
1962
Сохранность поголовья, %
97,1
96,2
95,9
95,8
97,2
97,1
100
Расход корма на 1 голову, кг
3,40
3,49
3,51
3,50
3,5
3,57
3,42
Затраты корма на 1 кг прироста,
1,76
1,87
1,91
1,89
1,77
1,82
1,72
Средне суточный прирост живой массы, г
51,2
47,3
48,0
46,6
52,3
51,9
54,2
Данные табл.2 подтверждают, что соевые бобы, кормовые бобы и семена люпина, обработанные с использованием разработанной технологии, с успехом заменяют соевые бобы и продукты их переработки без отрицательного влияния на продуктивность цыплят-бройлеров. Анализ больших бедренных костей цыплят-бройлеров на содержание сырой золы, кальция и фосфора показал, что введение соевых бобов, кормовых бобов и семян люпина, обработанных с использованием разработанной технологии, не ухудшает содержании кальция и фосфора в костях цыплят-бройлеров, хотя использование необработанных кормовых бобов и семян люпина отрицательно сказывается на содержании кальция и фосфора в костях.
Эксперименты показывают, что применение разработанного способа термической инактивации семян бобовых культур позволяет получить продукты с низким содержанием антипитательных веществ при высоком содержании усвояемых аминокислот и белка и повышении срока хранения готового продукта.