Статья 1

Теория и практика инфракрасной обработки зернового сырья.

Н. Елькин, директор  ООО ПК «Старт», В. Стребков,  аспирант МГУПП,

В. Кирдяшкин  к. т. н., доцент МГУПП.

Тепловое воздействие на пищевое сырье является  необходимым условием  технологических процессов большинства пищевых производств. Термическая обработка  служит для дезинфекции,  физико-химической и структурно - механической модификации сырья.

          Известны три способа переноса теплоты: теплопроводность (в твердых телах и неподвижных жидкостях),  конвекция (в движущихся жидкостях) и излучение, или радиация (между двумя телами через промежуточную среду путем электромагнитных волн).

          Электромагнитные колебания с длинами волн от 0,75 до 200 мкм,    область которых расположена между видимой частью спектра и микроволновым диапазоном радиочастот, называют инфракрасным излучением (ИК). Невидимые человеческим глазом инфракрасные лучи были обнаружены в 1800 г. астрономом Уильямом  Гершелем  при исследовании солнечного спектра. Обычно различают ближнюю (075-2,5 мкм), среднюю (2,5-25 мкм) и дальнюю (более 25 мкм) ИК-области спектра. Это деление основано на особенностях взаимодействия излучения с веществом.

Источником  ИК - излучения является  любое нагретое тело, а энергия, отдаваемая им, определяется температурой нагрева. Особенностью инфракрасного излучения является проникновение лучистого потока в глубь облучаемого материала, а глубина проникновения зависит от его свойств и длины электромагнитной  волны. Преимущество такой обработки состоит в том, что ИК-лучи нагревают обрабатываемый объект по всему объему величины проникновения, а энергия фотона, поглощаемая биологическим полимером материала и сравнимая с энергией  связи атомов С – С, С – ОН, Н – ОН, приводит к значительным и регулируемым модификациям его физико-химических свойств.

          Исследования  параметров инфракрасной обработки зернового сырья с учетом его структурно-механических свойств, терморадиационных, спектральных и оптических характеристик проведенных отечественными и зарубежными учеными показали, что наиболее эффективными являются длины волн 0,6–2,0 мкм. В качестве ИК-генератора  необходимо использовать галогенный кварцевый генератор, представляющий собой герметичную трубку диаметром 10-11 мм, по центру которой подвешена  моноспираль из  вольфрама.   Температура спирали  2200–2400 ºС. Вакуумированная полость трубки заполнена аргоном с добавлением 1-2 мг паров йода,  который осуществляет регенерацию вольфрамовой нити. Срок службы таких генераторов, например, КГТ – 220-1000  составляет более 5000 часов. Благодаря высокой температуре излучателя и ярко выраженной селективности зернового сырья генераторы данного типа позволяют:

- подвести к обрабатываемому материалу  энергию в 20–100 раз большую, чем  при   кондуктивном  и конвективном энергоподводе, тем самым  сократить время обработки;

 - однородно обработать слой зернового сырья толщиной 4 –7 мм;

 - вызвать перестройку молекулярной цепи и изменение ориентации отдельных групп атомов в молекуле биологического материала;

 - обеспечить экологическую чистоту, безопасность и простоту регулирования процесса обработки.

        Вышеперечисленные возможности на протяжении многих  десятилетий привлекали внимание исследователей,  так как тепловая обработка является основным технологическим приемом построения процессов консервирования, дезинфекции, стерилизации, сушки, гидротермической обработки, производства и приготовления пищи.           

          В 1934 году инженером Никитиным было убедительно доказано явление селективности (избирательности) воздействия инфракрасного излучения на зерновую массу, как многокомпонентную систему, состоящую из злаковых культур и амбарных насекомых. Он добился полной гибели насекомых с  улучшением  семенных достоинств пшеницы  и ячменя. Измерения температуры объектов системы  при  одновременной обработке показали превышение этого показателя у амбарных вредителей на 10-15 ºС, по сравнению с температурой зерна.

          Тепловая обработка пищевого сырья при высоких температурах, особенно если она проводится при повышенном давлении и избытке воды,  сопровождается рядом нежелательных изменений их качества: потерей растворимости, а, следовательно, и усвояемости белка, прохождением меланоидиновых реакций,  приводящих к снижению обменной энергии, гидролитических процессов,  вызывающих распад жира и  появление неприятного запаха и вкуса.  По мере накопления исследовательских данных становилось ясно, что глубину упомянутых реакций  нельзя связывать только лишь с  температурным уровнем процесса,  избыточным давлением и наличием воды. Важно  учитывать  продолжительность выдержки пищевого сырья  в  этих условиях.

          Высокотемпературная кратковременная  ИК-обработка и её привлекательные стороны хорошо известны специалистам по переработке зерна.

         Эффективность тепловой обработки зернового сырья, например, в комбикормовой промышленности оценивается  рядом факторов:

- увеличением  перевариваемости крахмала злаковых и крахмалосодержащих культур (по высвобождению глюкозы при культивировании амилоглюкозидазой);

- степенью деструкции крахмала;

- разрушением  ингибиторов трипсина и антипитательных веществ зернобобовых культур (соя, маш, нут и т. д.);

- стабилизацией липидов масличных культур;

- повышением  санитарной чистоты зернового сырья;   

- увеличением  перевариваемости белка;

- сохранением витаминов;

- стоимостью обработки.                                                                                                           

Высокотемпературная инфракрасная обработка позволяет значительно повысить резервы зерновых в обеспечении рецепта комбикормов обменной энергией.

Нашими исследованиями установлено, что оптимум температур,  позволяющий добиться  высокой эффективности ИК-обработки зернового сырья, находится в диапазоне  120-135 ºС. Характер процесса высвобождения глюкозы в зависимости от температуры обработки зернового сырья (ячмень, пшеница, рожь, кукуруза) представленный на рисунке 1, показывает наличие температурного интервала, при котором крахмал теряет двойное лучепреломление в поляризованном свете и с большой легкостью переходит в глюкозу.  Избыток тепла (165 ºС и выше) приводит к образованию неестественных гликозидных и поперечных связей между единицами сахара и полимерными цепочками.

Кинетика нагрева ячменя, пшеницы,  ржи в зависимости от плотности лучистого потока и исходной влажности обрабатываемого зерна,  представлена на рисунке 2.  Скорость нагрева зерна зависит от его исходной влажности и плотности лучистого потока облучения.

ИК-обработка может проводиться технологом по двум  принципиально разным направлениям:

- микронизация (рис. 2 кривые 4, 5, 6),  когда скорость нагрева не превышает неких значений, приводящих к разрушению структуры зерновки,  а изменение биохимического состава, структурно-механических свойств, органолептических показателей находятся на уровне показателей,  достигаемых при  гидротермической  обработке  с  температурой зерна, не превышающей 100 ºС;

- высокотемпературная обработка (рис. 2 кривые 1, 2, 3), когда  энергия, подаваемая на объект,  обеспечивает  отсутствие  зоны испарения, а  вода  под  действием температурного градиента  термодиффузионным потоком проникает в зерно,  превращается в пар, разрушающий его структуру.

                                            Рис. 2. Кинетика нагрева.

 Зерно после обработки, которая продолжается 15-70 секунд с температурой 110-140 ºС, ссыпается в теплоизолированный бункер, где включается второй, не менее важный фактор теплового воздействия – время.

           Привлекательные стороны инфракрасной обработки зернового сырья  при производстве комбикормов широко известны  и  доказаны отечественной и мировой наукой.  Увеличение усвояемости крахмала на 30-40%, белка на 20-25%, перевариваемости клетчатки моногастричными животными  на 10-15%,  обеспечение практически полной санитарной чистоты получаемого после обработки продукта. Обработка полножирной сои позволяет добиться необходимой  степени разрушения ингибиторов трипсина,  сохранив на высоком уровне  такой важнейший показатель, как растворимость белка. Достаточно сказать, что ни один из  применяемых в настоящее время в практике способов тепловой обработки полножирной сои (тостирование, экструзия, экспандирование, варка  острым паром и т. д.) не обеспечивают такого соотношения разрушения ингибиторов трипсина и сохранения растворимого протеина (таблица 1).

Таблица 1

Показатели питательности соевых бобов при разных режимах

 инфракрасного нагрева.

Технология обработки является «ноу-хау» Московского Государственного университета пищевых производств и ООО «ПК Старт». На практике осуществление разработанной нами технологии состоит  из последовательности определенных технологических операций, выстроенных в технологическую  линию, представленную на рисунке 3.      

Рис. 3. Схема обработки соевых бобов.

На соевые бобы определенной исходной влажности  распылительной форсункой  наносится 2-3% воды. Шнековый транспортер со сплошным винтом,  перемещая бобы к зоне выгрузки,  тщательно перемешивает продукт,  втирая воду в оболочку сои, что  увеличивает её влажность до 29-30% (1). Зерно восстанавливает свою сыпучесть и загружается в приемный бункер-питатель инфракрасной установки для термообработки, где происходит процесс термодиффузии воды и передача энергии электромагнитного излучения соевым бобам (2). Время обработки и  конечная температура нагрева регулируется  скоростью транспортерной ленты. Для завершения биохимических процессов начатых энергетическим воздействием электромагнитной волны и стабилизации достигнутых преобразований бобы ссыпаются в теплоизолированный бункер, где продолжается тепловая обработка (3). Время темперироваия и другие режимные параметры определяются нормативно-технической документацией разработчика. Далее возможны различные варианты обработки модифицированных соевых бобов: охлаждение и  размол (4), для производства полножирной соевой муки с высоким содержанием водорастворимых веществ; плющение в горячем состоянии и охлаждение (5) – для прямого скармливания и т. п.

               Почему же такая кажущаяся простота инфракрасной обработки  и явные, проверенные многочисленными научными исследованиями, технологические  возможности этого метода (в России больше известного под термином «микронизация») в практике тепловой обработки зернового сырья в комбикормовой промышленности не применяется? 

            Причины две -  высокие удельные энергозатраты (стоимость) обработки и отсутствие оборудования способного осуществлять разработанные технологии.

 Промышленное применение ИК-нагрева при переработке зернового сырья остановилось на начальной стадии внедрения этого метода, когда фирма «Micronazing LTD» (Англия) реализовала способ ИК-нагрева влажного зерна (22-24%) до температуры 90-95 ºС с последующим плющением (флакированием)  его в горячем состоянии плющильными вальцами.  Применение газовой горелки  с температурой  поверхности керамической трубки  1000-1100 ºС с максимумом излучения  2,0-5,0 мкм значительно удешевляло обработку,  но  позволяло нагревать зерно только по режиму  «микронизации» (рис. 2 кривая 4, 5, 6). Попытки увеличить скорость нагрева (рис. 1 кривая 3) приводили к перегреву и обгоранию поверхности зерна.

 Поэтому разработчики были вынуждены ограничить плотность лучистого потока и  применить технологический прием предварительного увлажнения зерна  до влажности 22-24% , чтобы  за счет испарения охлаждать поверхность зерна. Тепловая обработка такого типа представляет собой процесс варки, ограниченный по времени количеством свободной испаряющейся воды.  

         Высокотемпературная инфракрасная обработка стала возможной  после исследований, проведенных в МГУПП с 1986 года, ВНИИЗ - с 1989 года,  ВНИИПП и СПТ – с  1991  года.  В результате исследований были подобраны генераторы  инфракрасного излучения с длиной волны  0,76-2,0 мкм  и глубиной  проникновения таких лучей  в зерновой слой  3-7 мм, а также разработаны оригинальные технологии  переработки зерна и крупы. «Производственная компания Старт» в 1998 году стала первой компанией в России, которая разработала, изготовила, испытала в производственных условиях и выпустила в серийное производство установку для термообработки  зерна  (УТЗ-4),  которая в настоящее время  применяется  при производстве  быстроразвариваемых зерновых и крупяных продуктов. Модифицированная установка УТЗ-4Ш используются при переработке зернофуража, шелушения и обжарки подсолнечника, стерилизации и модификации биохимических показателей круп, при производстве детского питания на зерновой основе и      т. д.   

 Удельное энергопотребление  работающих  в настоящее время в России, Белоруссии,  Украине, Эстонии  установок, а их более 150 штук, составляет  140-145 кВт электрической энергии в час на тонну зерна или крупы при её нагревании до 125-135 ºС. Производительность  УТЗ-4 при данном режиме работы  составляет 200-220 кг  переработанной крупы в час,  что обеспечивает высокую рентабельность водно-тепловой обработки при  производстве детского питания, быстроразвариваемых и не требующих варки крупяных продуктов. Отсутствие парового хозяйства и  «острого пара» на производстве делает его безопасным и экологически чистым.

           Решением  вопроса  снижения  энергозатрат при обработке зернового сырья и выпуском на рынок  тепловой машины с инфракрасным энергоподводом производительностью 1000 кг в час ООО «ПК Старт» приступила после накопления и  анализа данных шестилетней эксплуатации  УТЗ-4   и  УТЗ-4Ш  на пищевых предприятиях и компаниях, занимающихся зернопереработкой. На рисунке 4  показаны эпюры распределения температуры  во времени при разной высоте расположения  трубчатых кварцевых генераторов излучения (КГТ-220-1000) в нагревательном блоке УТЗ-4Ш. Данные свидетельствуют о значительном увеличении интенсивности процесса нагрева при уменьшении расстояния между  излучателем и поверхностью  ленты транспортера. Эта закономерность  хорошо известна в теории ИК-излучения, но возникающая при этом степенная зависимость увеличения неравномерности температурного поля при данном расположении генераторов (рис. 4 в) ограничивает эту возможность.

а – расстояние от нити генератора 9 см;

     б – расстояние от нити генератора 6 см;

     в – расстояние от нити генератора 3 см.

Рис. 4. Распределение поля температуры в поперечном сечении ленты транспортера при нагреве подовой поверхности в течение 60с.

Наши исследования, проведенные на стендах и серийно выпускаемых установках, показали, что  получить достаточную равномерность распределения поля температуры, и, следовательно, однородность обработки слоя зерна в поперечном сечении ленты транспортера  при данном расположении генераторов, можно только при  расстоянии  между источником и приемником энергии не менее 6 см  (рис. 4б). Уменьшение расстояния до 3-4 см (рис. 4в) вызывает видимые   невооруженным взглядом в  плоскостях  перпендикулярным осям  трубчатых генераторов  продольные полосы обоженного  зерна. Эффективность применения установок УТЗ-4 и УТЗ-4Ш в некоторых технологических процессах тепловой обработки зерна и крупы основана на том, что в них  расстояние  между генератором и обрабатываемым   объектом в 2–4 раза  меньше по сравнению с западными аналогами. Фирма «Micronazing», применяя газовые излучатели, которые расположены на расстоянии   250 мм от  поверхности зернового слоя  при прогреве его до 95 ºС,  затрачивает количество тепла,  эквивалентное       250-270 кВт на тонну зерна.           

          В настоящее время мы разработали принципиально новую концепцию аналитического расчета и физического моделирования процесса тепловой обработки  зернового сырья в постоянно изменяющемся осциллирующем режиме, что позволило разработать нагревательный блок  с  необходимой однородностью обработки зерна  вне зависимости от расстояния до источника инфракрасного излучения.   Опытно-промышленные испытания изготовленных блоков показали, что постоянно изменяющийся осциллирующий режим теплового потока значительно интенсифицирует процесс нагрева при высокой однородности обработки, как отдельной зерновки, так и слоя зерна. Опытно-промышленный образец нагревательного блока является работоспособным высокотехнологичным агрегатом. Удельные затраты электроэнергии на тонну нагретого до 125 ºС зерна составляют  95-100 кВт.

          В настоящее время ООО «ПК Старт» готовит к серийному выпуску агрегат инфракрасной обработки зернового сырья для зерноперерабатывающих отраслей пищевой промышленности производительностью 1000 кг в час при нагреве зерна до 120-130 ºС.

Более подробные сведения мы дадим в следующих номерах.

По всем вопросам обращайтесь по тел/факс. 408-76-03 Н.Елькин, директор  ООО ПК «Старт», В. Стребков,  аспирант МГУПП, В. Кирдяшкин  к. т. н., доцент МГУПП.