Влияние параметров экструзионной переработки на содержание свободной глюкозы в зерне озимой ржи

УДК 636.085

Е.В. Пепеляева, ст. преподаватель; М.А. Трутнев, канд. техн. наук, доцент,

ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, Россия

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭКСТРУЗИОННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НА СОДЕРЖАНИЕ СВОБОДНОЙ ГЛЮКОЗЫ В ЗЕРНЕ ОЗИМОЙ РЖИ

Введение. Технология экструзионной переработки в последние годы широко используется в приготовлении высококачественных кормов. Корма, полученные таким способом, обладают высокими пищевыми качествами, хорошо перевариваются и усваиваются организмом животных, а также способны длительное время храниться, не теряя своих свойств [6, 7, 8, 10, 11].

Особое значение для районов Урала имеет экструзионная обработка зерна ржи. Озимая рожь в районах рискованного земледелия дает стабильные и высокие урожаи (до 50 ц/га), а в НИИСХ Северо-Востока выведены сорта урожайностью более 9 т/га [1, 4, 9]. Также рожь является хорошим предшественником для других культур, а сроки ее уборки на 2-3 недели раньше, чем пшеницы. Ограниченное использование ржи в кормлении животных связано с наличием в зерне антипита-тельных веществ и особенностями структуры сложных углеводов (крахмала). Кроме того, зерно ржи обладает своеобразным вкусом, который животным не нравится. Процесс экс-трудирования озимой ржи позволит расширить использование зерна в кормопроизводстве и уменьшить нагрузку в весенний период предпосевной обработки [4,9].

Процесс экструзии достаточно сложный, так как на продукт осуществляется совместное воздействие механическим напряжением сдвига, давлением и температурой, в результате чего создаются условия для протекания термодинамических процессов, приводящих к физическим и к биохимическим изменениям структуры конечного продукта, и, как следствие, его питательных свойств [3, 10, 12]. Существенное влияние на конечный продукт оказывает длительность пребывания материала в канале шнекового экструдера.

Результаты исследований, проведенных в последние годы, показывают, что процесс экструзии позволяет в 2-2,5 раза увеличить содержание свободной глюкозы в зерне озимой ржи [6, 7]. Однако исследование влияния параметров процесса на пищевые качества, в частности, содержание свободной глюкозы непосредственно на экструдере затруднено тем, что невозможно задавать и контролировать один параметр, не изменяя другие. Например, увеличение скорости вращения шнека приводит к увеличению давления в предматричной зоне, увеличению температуры обрабатываемого материала за счет диссипативных тепловыделений и уменьшению времени пребывания материала в канале экструдера [3].

Методика. Целью представленной работы является определение зависимости содержания свободной глюкозы в экструдате зерна озимой ржи от параметров процесса экструзии: скорости сдвига, давления и времени пребывания материала в канале экструдера.

В качестве исходного сырья в эксперименте была использована крошка зерна озимой ржи влажностью 23%.

Изучение влияния параметров процесса на содержание свободной глюкозы проводилось на установке, разработанной совместно с Институтом механики сплошных сред УрО РАН [5]. В основу установки положена теория ротационной вискозиметрии [2]. Установка позволяет исследовать образец весьма однородный по объему, при этом не только механически воздействовать на материал, но и исследовать изменения свойств материала во времени, вызванные структурными превращениями. Рабочая камера имеет боковые стенки и два диска, имеющие рифления для уменьшения эффекта скольжения исследуемого материала по их поверхностям. Установка позволяет задавать и контролировать в рабочей

камере необходимые параметры: давление, температуру, окружную скорость нижнего диска и измерять крутящий момент нагрузки на нижнем диске.

При планировании данного эксперимента использовали квадратичную модель плана Box-Behnkena.

Обработку опытных данных производили на ПК с помощью программы STAT-GRAPHICS Plus 4.0.

Эксперимент проводили следующим образом. Измельченную крошку зерна озимой ржи доводили до влажности 23%. Далее образец установленной постоянной массой 15 гр. помещали в предварительно разогретую до заданной температуры рабочую камеру лабораторной установки, где на него воздействовали усилием с помощью верхнего плунжера, скоростью сдвига с помощью нижнего плунжера, вращающегося с определенной окружной скоростью. По истечении заданного интервала времени эксперимент останавливали. На основании зарегистрированных показаний

Полученные результаты исследований (см. таблицу) подтверждают, что параметры, воздействующие на зерновой материал в процессе экструзии, приводят к увеличению содержания свободной глюкозы в зерне озимой ржи, это свидетельствует о существенных изменениях состояния углеводных компонентов зерна с увеличением их доступности для пищеварительных ферментов, вырабатываемых в пищеварительном тракте животных.

датчиков усилия, перемещения верхнего диска, крутящего момента на нижнем диске, частоты вращения нижнего диска вычисляли давление в рабочей камере и эффективную скорость сдвига. Эксперимент повторяли согласно плану: при давлении в диапазоне 1 ^4МПа. скорости сдвига 5^20 с"1, длительности воздействия 5(Н15Ос.

Кормовые свойства экструдируемого зерна определяли по содержанию свободной глюкозы как главного энергетического компонента кормов животных.

Исследования полученных образцов на содержание свободной глюкозы проводили в лаборатории Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН высокоспецифическим глюкозооксидазным методом [8].

Результаты. Параметры воздействия и результаты лабораторных исследований содержания свободной глюкозы в полученных образцах экструдата зерна озимой ржи приведены в таблице.

На основе данных, полученных в ходе проведенного многофакторного эксперимента, и их обработки построены графические зависимости содержания свободной глюкозы от давления, эффективной скорости сдвига и времени пребывания материала в канале экструдера (Рис. 1-3).

Таблица

Результаты исследований содержания свободной глюкозы в зерне озимой ржи

№ опыта Р, МПа Y, с"1 Т, с Свободная глюкоза, мг%

Исх. рожь - - - 70,8

1 2,5 12,5 100 156

2 1 5 100 92,7

3 4 5 100 96,3

4 1 20 100 93,5

5 4 20 100 88,3

6 1 12,5 50 91,4

7 4 12,5 50 96,2

8 2,5 12,5 100 156,8

9 1 12,5 150 96,5

10 4 12,5 150 96,2

11 2,5 5 50 92,15

12 2,5 20 50 90,96

13 2,5 5 150 88,4

14 2,5 20 150 94,9

15 2,5 12,5 100 160,15

20

Рис. 1. График зависимости содержания свободной глюкозы от давления и скорости сдвига при среднем значении времени воздействия на материал Т=100 с

172

о4 152

ад Е 132

ад 112

92

130150

Рис. 2. График зависимости содержания свободной глюкозы от давления и времени воздействия на материал при средней скорости сдвига у=12,5 с

-1

168

о4 148

ад Е 128

€\ "ад 108

88

11 У, С-1

Рис. 3. График зависимости содержания свободной глюкозы от скорости сдвига и времени воздействия на материал при среднем давлении Р=2,5 МПа

Выводы. По результатам проведенных исследований установлено, что на увеличение содержания свободной глюкозы в экструдате влияют изменения всех параметров: давления, скорости сдвига и времени воздействия на материал.

Анализируя зависимость содержания свободной глюкозы от физико-механических факторов (давления, скорости сдвига и времени пребывания материала в канале шнека), воздействующих на зерновой материал в процессе экструдирования, можно сделать вывод,

что наибольшее содержание свободной глюкозы (более 150 мг%) получено при давлении в диапазоне от 2 до 3 МПа, скорости сдвига в диапазоне от 10 до 15 с"1 и времени пребывания материала в канале шнека от 80 до 120 с. Результаты эксперимента позволяют оптимизировать процесс экструдирования и дают теоретическую базу для проектирования экструдеров с заданными характеристиками качества продукции при относительно низкой энергоемкости процесса.

Литература

1. Сысуев В.А., Кедрова Л.И. Итоги выполнения научных исследований конкурсного проекта МНТП «Рожь» // Нива Урала. 2012. №6. С. 7-9.

2.Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения / Пер. с англ. СПб. : Профессия, 2007.

560 с.

3.Наноструктурные изменения зерна озимой ржи в процессе экструзии / Е.В. Славнов, Е.А. Ляпунова, В.П. Коробов, Л.М. Лемкина, Е.В. Пепеляева // Аграрный вестник Урала. 2010. №5. С. 75-78.

4. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В. Озимая рожь - резерв кормовой базы животноводства // Сельскохозяйственные вести. 2008. №2.-С.

5. Способ определения зависимости пищевой ценности биопродукта от параметров физико-механического воздействия на него и устройство для этого : пат. №2408883 Рос. Федерация. №2009102462/13; заявл. 26.01.09 ; опубл 10.08.10, Бюл. № 22. 8 с.

6. Производство и скармливание экструдированного зерна озимой ржи: рекомендации / В.А. Ситников, М.А. Трутнев, Е.В. Пепеляева, Е.В. Славнов. Пермь : ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2012. 32 с.

7.Ситников В.А., Морозков Н.А., Славнов Е.В. Нетрадиционные способы подготовки концентрированных кормов и результаты скармливания их животным // Аграрный вестник Урала. 2008. №3. С. 52-55.

8.Славнов Е.В., Коробов В.П., Лемкина Л.М. Получение концентрированных кормовых добавок экструзионной обработкой зерна озимой ржи с оценкой пищевой ценности // Аграрный вестник Урала. 2008. №3 С.80-83.

9.Гончаренко А.А. Состояние производства и селекция озимой ржи в Российской Федерации // Нива Урала. 2012. №6. С. 4-6.

10. Mermtlstein Н.Н. Extrusion of ingredients/ Н.Н. Menntlstein// Food technology - 2000, Vol. 54, № 3 - PP. 92-93.

11. Menntlstein H.H. Challenges in extrusion / H.H. Menntlstein// Food technology - 1997, Vol. 51, № 9 - PP. 87 - 88.

12. Mikrostractural changes in zein proteins during extmsion/ Battennan-Azcona Sheri J., Lawton John W., Hamaker Bmce R.//Scanning. - 1999. - Vol. 21, №3. - PP. 212-216.