Электротермическое воздействие энергией СВЧ-поля — экологичное решение проблемы качества и безопасности зернового сырья

АГРОИНЖЕНЕРИЯ

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

УДК 664.641.1:66З.1

Г.Г. Юсупова, доктор с.-х. наук Р.Х. Юсупов, доктор техн. наук

Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина

ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГИЕЙ СВЧ-ПОЛЯ — ЭКОЛОГИЧНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА И БЕЗОПАСНОСТИ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ

В условиях реформирования сельского хозяйства многие негативные процессы, сложившиеся на начальном этапе и приведшие к спаду производства продукции растениеводства, сохраняются и в настоящее время. Сократилось количество активных защитных мероприятий, что привело к ухудшению фитосанитарного состояния сельскохозяйственных угодий.

В результате среднегодовые потери зерна составляют 10...30 % в зависимости от погодных условий. В то же время используемые в целях защиты растений пестициды способствовали значительному полиморфизму микроорганизмов, расширению их адаптивных свойств и повышению токсикоген-ного потенциала.

Устойчиво сохраняется тенденция к нарастанию численности и распространению большинства возбудителей болезней зерновых культур в послеуборочный период.

Среди возбудителей болезней, вызывающих явные и скрытые потери зерна, наиболее опасны микроскопические грибы и выделяемые ими микотоксины. Последние существенно влияют на безопасность зерна, продуктов его переработки и хлеба.

Наряду с микроскопическими грибами большую опасность для хлебобулочных изделий представляют спорообразующие бактерии рода Bacillus, вызывающие картофельную болезнь хлеба.

Сложившаяся ситуация диктует необходимость более пристального внимания к физическим и биологическим методам воздействия на микрофлору зерна. Кроме того, для отраслей пищевой и перерабатывающей промышленности необходимы такие приемы, которые наряду с эффективным обезвреживанием токсикогенных микроорганизмов обеспечат сохранение должных технологических свойств белково-протеиназного и углеводно-амилазного комплексов зерна и продуктов его переработки, улучшат физико-химические показатели продукции и обеспечат микробиологическую безопасность хлеба [1].

Потребность в разработке современных технологий превентивного действия привела к необходимости создания эффективного физического (электротермическое воздействие энергией СВЧ-поля) метода обработки.

Инновационным способом борьбы с микроорганизмами является метод электротермическо-

го воздействия энергией СВЧ-поля. Это комбинированный метод, в котором сочетается воздействие двух полей — электромагнитного и теплового. Данный метод безопасен и технологичен. Явления, наблюдаемые при воздействии СВЧ-энергии на живые ткани, имеют в основном тепловой характер.

Электротермический метод СВЧ-воздействия обладает следующими преимуществами по сравнению с обычным температурным нагревом: тепловая безынерционность; высокий кпд преобразования электрической энергии в тепловую (90 %); возможность избирательного, равномерного, быстрого нагрева; экологическая чистота нагрева; фунгицидное и бактерицидное действие. Эти особенности позволяют отнести метод к новому виду энергосберегающей электротехнологии.

Электротермическую обработку энергией СВЧ-поля целесообразно совмещать с общепринятыми в технологии методами на стадии стабилизации влажности по нескольким причинам:

• зерно очищено от большинства примесей (пыли, сечки, дробленого зерна), что благоприятно повлияет на эффективность обеззараживания;

• зерно полностью обработано водой и находится в стадии стабилизации и отволажива-ния, имея при этом благоприятную для данного вида обработки влажность 15,5.16,5 %;

• возможность совмещения процессов отвола-живания и электротермической обработки зерна энергией СВЧ-поля;

• предприятию не требуется значительных дополнительных материальных затрат на переоборудование технологической линии. Анализ имеющихся данных показал целесообразность использования электротермического воздействия энергией СВЧ-поля для обеззараживания зерна, прошедшего этапы первичной и вторичной очистки, гидротермической обработки и находя-

щегося на стадии стабилизации влажности (таблица). Использование методов электротермического обезвреживания микроорганизмов должно войти в разрабатываемую комплексную систему подготовки продовольственного и фуражного зерна к переработке. Установлено, что существующая технологическая система подготовки зерна к помолу не снижает зараженности зерна и продуктов его переработки. В результате контаминация микроорганизмами превышает допустимые пределы.

Показано, что электротермическое воздействие энергией СВЧ-поля целесообразно совмещать с процессом отволаживания в бункере перед подачей зерна на первую драную систему, поскольку зерно на этом этапе прошло все стадии очистки, в том числе обработку водой, и имеет влажность 15,5.16,5 %.

В помольных партиях зерна преобладающее распространение имеют гельминтоспориоз-но-альтернариозно-фузариозные комплексы инфекций. Анализ 93 образцов, отобранных от различных помольных партий, показывает, что зерно повсеместно заражено грибами родов Fusarium — 54, Alternaria — 89, Bipolaris — 85, Stachybotrys — 17, Aspergillus — 43, Penicillium — 67, Mucor — 79, а также спорообразующими бактериями р. Bacillus — 93 образца.

При электротермическом воздействии энергией СВЧ-поля денатурация белка в зависимости от влажности зерна, интенсивности нагрева, температуры, длительности воздействия имеет разную степень выраженности. В зависимости от изменений, вызванных электротермическим воздействием энергией СВЧ-поля, в зерне и муке можно выделить три стадии качественных изменений клейковины [2]:

I — при сочетании минимальных и средних значений экспозиции (т = 30.60 с) и скорости нагрева (V = 0,4...0,6 °С/с) наблюдаются незначитель-

Обеззараживание зерна энергией СВЧ-поля

Стадия технологического произ- Общее микробное число, 1-109КОЕ/г Споровые бактерии, 1105 КОЕ/г Плесневые грибы, 1105 КОЕ/г

водственного процесса До обработки После обработки До обработки После обработки До обработки После обработки

Перемешивание Выделение металломагнитной 56,3 56,1 47 47 69 69

примеси 57,0 56,0 46 45 69 69

Подогревание до 15 °С 66,0 56,0 46 45 53 53

Ситовоздушный сепаратор 63,0 56,0 45 45 49 48

Камнеотделительная машина 50,0 56,0 45 45 49 48

Триеры-куколеотборники 49,3 55,3 44 44 48 48

Триеры-овсюгоотборники 45,1 55,3 44 44 48 48

Очистка поверхности зерна 45,0 49,0 42 42 47 47

ГТО 57,3 0,0 49 0 51 0

Отволаживание, 20.30 мин 69,0 0,0 51 0 58 0

ное повышение температуры ^ = 33.45 °С) и первые признаки денатурации, которые проявляются в ослаблении растяжимости клейковины;

II — при повышении температуры до 60 °С (экспозиция т = 60 с, скорость нагрева V = 0,6 °С/с) наблюдается дальнейший процесс денатурации. Клейковина зерна укрепляется, и по показателю ИДК зерно переходит из второй группы (удовлетворительное и слабое качество) в первую (хорошее качество клейковины);

III — при нагреве до температуры 75 °С (экспозиция т = 60.90 с, скорость нагрева

V = 0,6...0,8 °С/с) происходит дальнейшее укрепление клейковины, она становится крошащейся и часто не отмывается совсем. Хлебопекарные свойства муки, полученной из такого зерна, снижаются.

Регулируя показатель ИДК зерна путем воздействия энергией СВЧ-поля, можно вырабатывать муку с определенными технологическими качествами.

Сочетание методов гидротермической обработки и электротермического обеззараживания с учетом энергии СВЧ-поля, исходного качества зерна и состояния его клейковины позволяет дифференцированно использовать режимы. В зависимости от области применения муки появляется возможность изменения ее реологических свойств.

При исследовании воздействия режимов электротермического обеззараживания зерна пшеницы на углеводно-амилазный комплекс во всех вариантах не наблюдалось значительных изменений этого показателя.

На приборе фаринограф исследовалось влияние обработки зерна энергией СВЧ-поля на физические свойства муки и теста. Данный прибор регистрирует изменение динамики поведения теста по характеру изменения крутящего момента. При этом регистрировалось сопротивление теста механическому воздействию лопастей тестомесилки, что позволило фиксировать изменения свойств теста во времени — его образования, устойчивости и разжижения, а также водопоглотительную способность муки.

Водопоглотительная способность (ВПС) влияет на весь процесс хлебопечения. Увеличение во-допоглощения приводит к лучшей желатинизации крахмала, большему поднятию тестовых заготовок при выпечке, улучшению состояния мякиша. Мука с высокой ВПС увеличивает выход продукции. В то же время чрезмерное водопоглоще-ние снижает взаимодействие между протеинами и крахмалом.

В ходе эксперимента установлено, что электротермическое воздействие энергией СВЧ-по-ля при экспозиции 30.60 с и скорости нагрева

0,6...0,8 °С/с увеличивает время образования теста в 5.7 раз, устойчивость теста — на 2.3 %, продля-

ет время размягчения теста на 3 %, но не оказывает влияния на водопоглотительную способность. В совокупности улучшение этих показателей повышает балловую оценку муки, т. е. значение показателя «силы муки», в 3.4 раза.

Жесткие режимы (экспозиция 90 с, скорость нагрева 0,8 °С/с) приводят к деградации клейковины, снижают время образования теста на 20 %, устойчивость теста на 1 %, ВПС снижается на 0,5 %, а устойчивость теста увеличивается в 3.3,5 раза. Это связано с денатурацией ферментов муки. «Сила муки» снижается на 35.38 %. Мягкие режимы снижают ВПС на 2,5 %, время образования теста — на 40 %, устойчивость — на 3.5 %, время размягчения сокращается в 2.2,5 раза. При этом «сила муки» снижается на 30 %.

Преобладающими компонентами зерна и муки являются углеводы. Поэтому важным было установить влияние энергии СВЧ-поля на сахаробразую-щую способность муки и активность амилолитиче-ских ферментов, от которых в свою очередь зависит качество хлеба.

Амилолитическую активность муки, обработанной энергией СВЧ-поля, определяли амилографическим методом на приборе амилограф.

Анализ результатов экспериментальных исследований показывает, что жесткие режимы (т = 90 с, V = 0,8 °С/с) не влияют на свойства крахмала, в том числе на начало клейстеризации. Температура клейстеризации остается без изменения, но значение максимума клейстеризации увеличивается в 2.2,5 раза, что снижает хлебопекарные свойства муки. Средние значения режимных параметров (экспозиция т = 60 с, скорость нагрева

V = 0,6 °С/с) не вызывают изменения показателей начала, максимума и температуры клейстеризации. Мягкие режимы (т = 30 с, V = 0,4 °С/с) не ускоряют начало клейстеризации и не повышают температуру клейстеризации, но при этом максимум клейстеризации снижается на 7.20 %.

Влияние энергии СВЧ-поля на белково-про-теиназный комплекс муки и реологические свойства (соотношение упругих и пластичных свойств) теста определяли альвеографическим методом.

В результате анализа реологических свойств установлено влияние электротермического воздействия энергией СВЧ-поля на упругие и пластичные свойства теста. При обработке в жестких режимах (т = 90 с, V = 0,8 °С/с) растяжимость теста снизилась в 3.3,5 раза, деформация теста — в 2 раза, эластичность теста сведена к нулю. Таким образом, установлено, что обработка муки в указанных режимах недопустима, поскольку снижает хлебопекарные свойства в 3 раза. Обработка в режимах (т = 30.60 с, V = 0,4...0,6 °С/с) не повлияла на реологические свойства теста. В то же время установлено, что в результате электротермиче-

ского воздействия энергией СВЧ-поля в средних режимах увеличиваются показатели газообразования и газоудержания. Объем образовавшегося газа увеличился на 3.5 %, показатель удержания газа увеличился на 5.7 %, коэффициент газоудержания возрос на 3.5 %.

Обнаружено, что воздействие энергией СВЧ-поля при соблюдении режимных параметров и температуры нагрева приводит к снижению титруемой кислотности получаемой муки. Для наглядности в опыте было использовано зерно пшеницы с титруемой кислотностью 5 град. Режимы обработки: экспозиция т = 120.180 с, скорость нагрева

V = 0,24.0,4 °С/с. Во всех вариантах опыта после обработки энергией СВЧ-поля кислотность уменьшалась в 1,5.2 раза.

Пробная выпечка хлеба, моделирующая технологический процесс, является одним из важнейших методов исследования, поскольку лишь в процессе выработки хлеба выявляется роль отдельных физико-химических показателей зерна и муки. Метод пробной выпечки позволил выявить в производственных условиях влияние электротермического воздействия энергии СВЧ-поля на показатели качества и микробиологическую безопасность хлебобулочных изделий. Исследования влияния электротермического воздействия энергией СВЧ-поля на хлебопекарные свойства муки и качество хлеба проводили при разных способах тестоприготовле-ния (опарной, безопарной и ускоренной «холодной» технологии).

Установлено, что жесткие режимы электротермической обработки зерна (скорость нагрева 0,8 °С/с и экспозиции 90 с) приводили к уменьшению объема хлеба, появлению бледной корки, об-

разованию плотного неэластичного мякиша со слаборазвитой пористостью. В ходе технологического процесса увеличивается продолжительность окончательной расстойки. Пористость хлеба снижается на 2 % по отношению к контрольному образцу.

Мягкие и средние режимы обработки (скорость нагрева 0,4...0,6 °С/с и экспозиция 30.60 с) приводили к тому, что продукция по качеству не отличалась от контроля. Хлеб имел сухой эластичный мякиш, с тонкостенной развитой пористостью. Показатели объема и пористости исследуемых образцов были выше, чем у контрольных. Исследования по микробиологическим показателям показали, что обработка муки энергией СВЧ-поля снижает численность спор бактерий, вызывающих картофельную болезнь хлеба, до безопасных пределов. Признаки развития картофельной болезни хлеба проявляются на 3.5 сут позднее, чем в контроле.

Таким образом, обработка зерна и муки энергией СВЧ-поля при скорости нагрева 0,4...0,6 °С/с и экспозиции 30.60 с сохраняет и улучшает физические свойства зерна и муки, реологические характеристики теста и при этом повышает качество и микробиологическую безопасность хлебобулочных изделий.

Список литературы

1. Цугленок, Н.В. Комплексная система обеззараживания зерна и продуктов его переработки / Н.В. Цугленок, Г.И. Цугленок, Г.Г. Юсупова. — Красноярск: Крас-ГАУ, 2004. — 252 с.

2. Юсупова, Г.Г. Обеспечение микробиологической безопасности зерновых культур в технологиях производства муки и хлебобулочных изделий: автореф. дис. . доктора с.-х. наук: 05.18.01 / Г.Г. Юсупова. — Красноярск: КрасГАУ, 2010. — 36 с.

УДК 621.31:658.382.3

С.И. Белов, канд. техн. наук Н.Р. Горбунова

Т.Б. Лещинская, доктор техн. наук

Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СТРАТЕГИИ ПОВЫШЕНИЯ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 0,38...10 КВ

Электробезопасность как система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей и животных от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества является одной из наиболее важных проблем во всех развитых стра-

нах и находится под постоянным контролем на самом высоком государственном уровне.

С выходом Федерального закона «О техническом регулировании» повысилась значимость безопасности при организации процессов производства и эксплуатации электросетевых объектов. Возникла потребность в разработке и обосновании