Исследование влияния параметров обработки зерна амаранта перед помолом на свойства полученной муки

Решение проблемы обеспечения потребителей качественными и безопасными продуктами питания возможно за счет тщательного подхода к выбору сырья и способов его переработки.

К одному из направлений современных технологий переработки зернового сырья относится производство новых видов продуктов, не подвергающихся длительной тепловой обработке, а также разработка рецептур комбинированных пищевых изделий с заданными свойствами не только для расширения ассортимента,

но и уменьшения себестоимости выпускаемой продукции. При подготовке к производству зернового сырья широко применяется его предварительная обработка повышенными температурами, что обеспечивает улучшение усвояемости питательных веществ зерна.

Одна из разновидностей тепловой обработки зерна – микронизация, сущность которой заключается в быстром интенсивном нагреве зерна инфракрасными лучами. Под воздействием инфракрасных лучей, распространяющихся со скоростью света, вызывается вибрация молекул обрабатываемого вещества с частотой 80–170 млн циклов в секунду, что обеспечивает быстрый нагрев внутренней части зерна. При этом содержащаяся в нем влага не успевает испариться и как бы закипает, превращаясь в пар. Наблюдается разрушение структурного каркаса зерна и изменение физико-химических свойств вырабатываемой из такого сырья муки. В частности, заметное влияние ИК-нагрев оказывает на углеводный комплекс: происходит декстринизация крахмала и в некоторой степени его клейстери-зация, что влияет на повышение атакуемости крахмала глюкоамилазой в несколько раз; денатурирует белок, вследствие чего изменяется фракционный состав белкового комплекса: снижается доля водорастворимых и солерастворимых белков и повышается содержание щелочерастворимых белков, без изменения остаются липидный и витаминный составы зерна, причем отмечается сохранность тиамина, рибофлавина, никотиновой кислоты, а также снижается доля антипитательных веществ зерна [1].

В последнее время ИК-обработка находит широкое применение в пищевом производстве, в различных его отраслях, включая зерноперерабатывающую, хлебопекарную, кондитерскую, пищеконцентратную и т. д. Используют ИК-обработку в основном на тех технологических этапах, на которых предусмотрено тепловое воздействие на сырье и полуфабрикаты, т. е. в зерноперерабатывающей отрасли ИК-облучение подходит для стадий нагрева, сушки и дополнительной термообработки зернового материала, в пищеконцентратной отрасли – для обжарки и бланширования, в хлебопекарной отрасли – для выпечки. Прогнозируется положительная рентабельность включения ИК-обработки в технологический процесс. Изделия, полученные с применением ИК-облучения, характеризуются улучшенными качественными показателями по сравнению с изделиями, изготовленными по традиционным технологиям. Отмечается повышенная усвояемость пищевых продуктов с ИК-обработкой [2].

Глубина проникновения ИК-лучей обусловливается свойствами обрабатываемого материала. Если структура коллоидная, капиллярно- пористая, то ИК-лучи могут проникать до 7 мм внутрь. Такое воздействие влияет на биохимические изменения, происходящие в подвергающихся ИК-обработке пищевых продуктах [3].

Под воздействием ИК-лучей происходит быстрый нагрев зерна до 90–170 °С, что влечет резкое повышение давления пара в зерновке, и, как следствие, приводит к ее размягчению и вспучиванию. Получаемый эффект можно объяснить тем, что частоты ИК-лучей кратны или совпадают с частотами колебания атомов молекул обрабатываемого материала, вызывая при этом интенсивное колебание некоторых групп атомов. Следует отметить, что энергия отдельных химических связей соизмерима с энергией фотонов ИК-лучей: при λ ≥ 1,0 мкм энергия фотона Е = hν ≤ 2·10–19 Дж, а энергия связи группы “-С-С-» – 2·10-19 Дж, для “-О-Н-» – (0,32 ÷ 0,46) 10-19 Дж. Основными биохимическими изменениями при ИК-обработке являются денатурация белка, разрушение крахмальных зерен, снижение активности антипитательных веществ, повышение микробиологической чистоты [4, 5].

Л.Я. Ауэрман, А.С. Гинзбург и другие авторы, изучая вопрос о влиянии ИК-обработки на качество готовых изделий отмечали, что ИК-облучение при выпечке хлеба позволило получить продукт с более тонкостенной пористостью, чем при обычной выпечке. При переработке зерна с примесью проросшего применение ИК-облучения оказывает благоприятное влияние на качество теста и готового хлеба, приготовленного из такого зерна. Использование ИК-излучения ускоряет биохимические процессы, протекающие при теплотехнологической обработке, что положительно сказывается на качестве готовых изделий [3].

Структура зерна пшеницы, подвергшегося термовлажностной обработке при ИК-облучении, разупрочняется. ИК-излучение влияет на кинетику этого процесса, и изменяются его физико-химические характеристики: константы скорости разупрочнения, энергии активации и термодинамические функции зерна. А.В. Азарскова в своих исследованиях установила, что при термообработке ИК-способом молекулы располагаются направленно в зависимости от электромагнитных свойств зерна в процессе разупрочнения его структуры. Это подтверждает, что химическая природа зерна определяет его текстуру [6].

Проводились исследования по изучению влияния ИК-обработки на пшеничную свежесмолотую муку, а также выработанную из зерна, поврежденного клопом-черепашкой. Было установлено, что 6–8-минутное воздействие ИК-лучей на перечисленные виды пшеничной муки значительно улучшает ее хлебопекарные свойства: увеличивается сопротивление растяжению клейковины в 4,5–6 раз, расплываемость теста сокращается на 25–34%, увеличивается упругость мякиша на 2,5–9,6%.

Представлены исследования биохимического состава ячменя при его микронизации. Было установлено, что ИК-облучение влияет на белковый состав: общее содержание белка не изменяется, но наблюдается уменьшение на 39,4% доли водорастворимых белков, на 22,6% – солерастворимых и на 18,6% – проламинов, при этом перевариваемость ИК-обработанного белка не уменьшается. Микрони-зация влияет на углеводный комплекс ячменя. Возрастала доля декстринов почти в 5 раз, что вызвано декстринизацией крахмала ячменя под действием ИК-лучей. Улучшалась усвояемость углеводного комплекса ИК-обработанного ячменя, так как содержание водорастворимых веществ увеличивалось, а также повышалась атакуе-мость крахмала ячменя глюкоамилазой [7, 8].

Были изучены свойства различных видов зерна, подвергавшегося ИК-излучению с целью получения «взорванных» зерен. Под воздействием ИК-лучей резко увеличивается температура и давление парогазовой среды зерна, нарушается целостность крахмальных зерен и увеличивается доля высокоперевариваемых декстринов. «Взорванное» зерно отличается измененными структурой, формой и прочностью, а также практически стерильно [9].

Задачей использования ИК-обработки для зерна амаранта является получение новых функциональных продуктов питания высокого качества с заданными свойствами.

Материалы и методы

Термообработку амарантовой крупки ИК-методом осуществляли на установке УТЗ-4 (рисунок 1).

Рисунок 1. Общий вид установки УТЗ-4:  1 – разгрузочное отверстие; 2 – темперирующий бункер;

3 – нагревательная кассета; 4 – загрузочный бункер;

5 – пульт управления; 6 – ленточный транспортер

Figure 1. Main view of the installation of UTZ-4: 1 – discharge opening; 2 – tempering hopper; 3 – heating cassette; 4 – loading hopper; 5 – control panel; 6 – belt conveyor

Установка представляет собой нагревательную камеру, через которую проходит ленточный транспортер. Имеется возможность регулирования скорости движения ленты и толщины слоя материала на ленте. Нагревательная камера оборудована тремя кассетами, в каждую из которой встроены 27 кварцевых галогеновых ламп [10].

Определение крупности частиц муки проводили в соответствии с ГОСТ 27560 c использованием рассева лабораторного с частотой колебаний 180–200 об./c-1 и комплекта сит из шелковой или синтетической ткани по ГОСТ 4403-91 и из проволочной сетки № 45 и 067.

Определение угла естественного откоса муки, средней плотности, а также объемной массы муки проводят согласно ГОСТ 28254-89.

Результаты исследования

Температурный режим обработки – 110…150 °С. При прохождении через камеру с амарантовой крупкой происходят физические изменения: крупка вспучивается и увеличивается в объеме в 1,6 – 2раза, а также растрескивается. Структурный каркас крупки разрушается. При повышении температуры под воздействием ИК-излучения влага превращается в пар, давление резко увеличивается, что приводит к уменьшению прочности зернового сырья и способствует снижению энергозатрат при его дальнейшем размоле [11].

Проводилась оценка процесса тепловой обработки амарантовой крупки при ее ИК-обработке на описанной установке. Для этого пропускали слой крупки различной толщины (образец 1 – 2…3 мм; образец 2 – 3…5 мм; образец 3 – 5…7 мм) с начальной температурой 22 °С по транспортеру аппарата с различной скоростью (0,025–0,110 м/с).

По результатам проводимых испытаний при ИК-обработке амарантовой крупки были получены:

─ кинетика нагрева крупки в зависимости от плотности теплового потока при различной скорости движения ленты (рисунок 2);

─ кинетика убыли массы амарантовой крупки при различном времени обработки и в зависимости от плотности теплового потока (рисунок 3).

Исследовали процесс нагрева амарантовой крупки, а также изменение ее массы в зависимости от скорости движения ленты транспортера, интенсивности потока ИК-излучения и толщины слоя амарантовой крупки в зоне термообработки.

0,025 м

-■- 0,033 м

0,042 м

0,11 м/с

Плотность теплового потока, кВт/м2

а

b

m2

Плотность теплового потока, кВт/м

с

Рисунок 2. Кинетика нагрева крупки в зависимости от плотности теплового потока при различной скорости движения ленты: a – образец 2; b – образец 1; c – образец 3

c – sample 3

Figure 2. Heating kinetics of grits, depending on the heat flux density at different tape speeds: a – sample 2; b – sample 1;

0,025 м/с

-■- 0,033 м/с

0,042 м/с

0,11 м/с

а

m2

Плотность теплового потока, кВт/м21 Heat flux density, kW / m2

b

c

Рисунок 3. Кинетика убыли массы амарантовой крупки при различной скорости движения транспортера в зависимости от плотности теплового потока: a – образец 2; b – образец 1; c – образец 3

Figure 3. Kinetics of mass loss of amaranth grains at different speeds of movement of the conveyor depending on the heat flux density: a – sample 2; b – sample 1; c – sample 3

Были проведены опыты для различных комбинаций плотности ИК-излучения, продолжительности нахождения амарантовой крупки в зоне термообработки, причем толщина слоя крупки также изменялась. Были получены хорошие результаты при скорости транспортерной ленты 0,042 м/с и мощности ламп 69,2 кВт/м2. Дальнейшие исследования были направлены на установление зависимости между параметрами микронизации амарантовой крупки и свойствами полученной из нее муки. Одной из основных характеристик любого вида муки является крупность помола, которая влияет на качество производимых из нее хлебобулочных и мучных кондитерских изделий. Мука крупного

Таблица 1.

Результаты фракционирования по крупности частиц амарантовой крупки, подвергнутой ИК-обработке

помола отличается более темным цветом по сравнению с мукой тонкого помола. Изделия, полученные из такой муки, характеризуются пониженным объемом, бледноокрашенной коркой и грубой толстостенной пористостью. Результаты фракционирования с помощью лабораторного рассева продуктов, полученных после ИК-обработки амарантовой крупки, представлены в таблице 1. Анализ данных таблицы 1 показал, что в результате микронизации при указанном режиме (образцы 1–3) наблюдается увеличение среднего размера частиц крупки на 2,58–12,39% соответственно по сравнению с исходной крупкой.

Table 1.

The results of the fractionation according to the size of particles of amaranth grains, subjected to infrared processing

Наименование фракции, сход с сита номер Name of the faction, exit from the screen number	Доля фракции, %| Fraction, %
	Образец 1 Sample 1	Образец 2 Sample 2	Образец 3 Sample 3	Контроль (исходная крупка) Control (initial grit)
067	83,6	75,5	70,8	62,6
045	12,1	20,7	26,0	34,5
27	4,3	3,8	3,2	2,9
Размер частиц, среднее значение, мкм Average particle size, um	653	633	596	581

Следует отметить, что выход муки из амарантовой крупки, обработанной ИК-излучением, выше, чем муки, полученной из нативной амарантовой крупки (таблица 2). Рассев показал, что сход с сита № 27 для муки из термообработанной амарантовой крупки в 2,3–3,5 раза увеличивается по сравнению с мукой из нативной крупки. Причем в первом случае сход с сита № 27 состоял в основном из оболочечных частиц, тогда как для второго случая сход включал не только оболочку крупки, но и крупные частицы перисперма.

Таблица 2.

Результаты рассева амарантовой муки

Table 2.

The results of sieving amaranth flour

Наименование фракции, сход с сита номер Name of the faction, exit from the screen number	Доля фракции, %| Fraction, %
	Образец 1 Sample 1	Образец 2 Sample 2	Образец 3 Sample 3	Контроль (исходная крупка) Control (initial grit)
27	0,9	0,8	1,2	2,8
35	8,8	6,8	12,7	13,8
38	12,3	11,2	14,6	15,6
43	4,7	4,9	4,5	3,9
Проход через сито № 43 Pass through sieve No. 43	73,3	76,3	67,0	63,9
Размер частиц, среднее значение, мкм Average particle size, um	117	115	122	126

Данные таблицы 2 свидетельствуют о том, что эффективность размола термообработанной амарантовой крупки выше, чем нативной, причем отмечено, что полностью отделяется перисперм от оболочечных частиц.

В таблице 2 показано, что наименьший размер частиц был характерен для муки, полученной из 2-го образца крупки при скорости транспортерной ленты 0,042 м/с, мощности ИК-ламп 69,2 кВт/м2, и толщине слоя крупки 3–5 мм, а максимальный – для муки, выработанной из контрольного образца – нативной крупки. Кроме того, данные таблицы 2 свидетельствуют о том, что все образцы полученной амарантовой муки соответствуют требованиям ГОСТ Р 52189-2003 для пшеничной муки первого сорта по такому показателю, как проход через сито № 38, тогда как для муки контрольного образца значение показателя – сход с сита № 27 (доля крупных частиц), не соответствует требованиям указанного стандарта.

Поскольку условия хранения, транспортирования и дозирования сыпучих материалов (муки, крупки) существенно зависят от их структурно-механических свойств, то для рациональной организации технологического процесса необходимо определить данные характеристики продуктов переработки зерна амаранта.

К структурно-механическим свойствам муки относятся такие показатели, как средняя плотность, объёмная масса и угол естественного откоса.

Сыпучие материалы могут сохранять равновесие на горизонтальной плоскости, при этом образуя некоторый угол с плоскостью, который называется углом естественного откоса. Основное влияние на величину угла естественного откоса сыпучих материалов оказывает их дисперсность (размер частиц, их неоднородность), наличие внутреннего трения между частицами, которое, в свою очередь, зависит от формы и характера частиц продукта, а также его влажности. Определив значение угла естественного откоса исследуемого материала, можно сделать вывод о его сыпучести, так как данный показатель обратно пропорционален величине угла естественного откоса [10, 11].

Для подбора емкостей для хранения и транспортирования сыпучего материала необходимо знать его массу, которую можно рассчитать, определив объемную массу продукта. Существует зависимость: чем больше объемная масса, тем меньше места необходимо для размещения определенного количества сырья. Объемная масса сыпучего материала зависит от его влажности, гранулометрического состава, а также от химического состава, в частности содержания золы.

Результаты определения средней плотности, объемной массы и угла естественного откоса продуктов переработки зерна амаранта приведены на рисунке 4 и в таблице 3.

a

Рисунок 3. Структурно-механические свойства муки и амарантовой крупки: a – средняя плотность; b – объемная масса исследуемых образцов: 1 – термообработанная амарантовая крупка; 2 – мука из термообработанной крупки (образец 2); 3 – мука из термообработанной крупки (образец 3); 4 – мука из термообработанной крупки (образец 1); 5 – мука из необработанной крупки (контрольный образец); 6 – нативная амарантовая крупка; 7 и 8 – пшеничная мука первого и второго сорта

Образцы | Samples

b

Figure 3. Structural and mechanical properties of flour and amaranth grains: a – average density; b – bulk density of the studied samples: 1 – heat-treated amaranth grit; 2 – flour from heat-treated grits (sample 2); 3 – flour from heat-treated grits (sample 3); 4 – flour from heat-treated grits (sample 1); 5 – flour from untreated grits (control sample); 6 – native amaranth grains; 7 and 8 – wheat flour of the first and second grade

Таблица 3.

Значение угла естественного откоса

Table 3.

Angle of repose

Проба | Sample	Угол естественного откоса, φ Angle of repose, φ	Проба | Sample	Угол естественного откоса, φ Angle of repose, φ
Амарантовая: | Amaranth:
Крупка термообработанная Heat-treated crumbs	35,9	Нативная крупка Native grains	34,1
Мука из термобработанной крупки (образец 2) Heat-treated flour flour (sample 2)	43,8	Мука из нативной крупки Native Flour Flour	45,6
Мука из термобработанной крупки (образец 3) Heat-treated flour flour (sample 3)	43,3	Мука из термобработанной крупки (образец 1) Heat-treated flour flour (sample 1)	40,4
Пшеничная: | Wheat:		Ржаная обдирная Rye peeled	42
Первый сорт First grade	40
Второй сорт Second grade	45

Все проанализированные образцы муки из амарантовой крупки имеют несколько большее значение показателя средней плотности, чем у пшеничной муки первого и второго сорта. Образец 2 отличается наибольшими значениями средней плотности, что представляет удобство для транспортирования и хранения такой муки.

Значение показателя объемной массы наибольшее у нативной амарантовой крупки (0,8 г/см3), а образцы 2 и 3 по данному показателю приближены к пшеничной муке первого и второго сорта.

Наименьший угол естественного откоса, следовательно, максимальная сыпучесть, характерны для нативной и термообработанной амарантовой крупки. Остальные проанализированные образцы амарантовой муки характеризовались