Исследование влияния влажности зерна на процесс экструзии и качество готовой продукции

Введение. Потребности организма человека в энергии, биологически активных веществах, минеральных соединениях в значительной мере обеспечиваются за счет потребления продуктов питания, полученных в результате переработки зерновых культур [1–3]. Одним из способов переработки зерна в пищевой промышленности является экструдирование. В результате экструзии получают сухие завтраки (кукурузные палочки, снеки, чипсы и др.), ингредиенты для производства кондитерских изделий, текстурированную муку. Обработка методом экструзии крупяных культур позволяет получить быстрорастворимые пищевые продукты [4–6].

В процессе экструдирования в результате трения продукта о рабочие органы экструдера повышается давление в рабочей камере до 35– 50 атм., температура возрастает до 110–160 ºС. В результате сжатия продукта и воздействия на него высокой температуры изменяются структурно-механические свойства, белки и углеводы расщепляются на более простые, клетчатка превращается во вторичный сахар. За счет мгновенного падения давления на выходе из экструдера происходит взрыв зернового продук- та, сопровождающийся увеличением его объема и снижением влажности, что приводит к изменению его потребительских и технологических свойств.

Эффективность процесса экструдирования главным образом характеризуется коэффициентом расширения продукта на выходе из экструдера по отношению к исходному объему. На коэффициент расширения продукта, наибольшее влияние оказывает гранулометрический состав, плотность и влажность продукта подаваемого на экструдирование. Если гранулометрический состав и плотность в основном зависят от вида перерабатываемой культуры, то ее влажность является фактором, который регулируется перед экструдированием посредством гидротермической обработки продукта (ГТО) [7–10].

Цель исследования – повышение качества приготовления экструдатов путем оптимизации влажности поступающего на переработку зерна.

Задач: провести экспериментальные исследования по обоснованию рациональной влажности поступающего на экструдирование зерна при различных диаметрах отверстия фильеры экструдера.

Объекты и методы. Объектом исследования является технологический процесс экструдиро-вания зерна пшеницы в экструдере шнекового типа. Исследования проводились на экструдере ЭК-100 с использованием фильер диаметром 5; 8; 10 мм. Увлажнение зерна проводили водой с температурой 18–20 °С на увлажнителе лопастного типа. Необходимое количество вносимой в зерно воды при его увлажнении рассчитывали исходя из начальной и требуемой влажности по формуле [4]:

^Wф =^{С 1}1 о о - w_x , ^{кг, (1)}

где W ф - фактическое количество воды, кг; G_x -масса зерна до увлажнения, кг; IV- - исходная влажность зерна, %; V₂ — влажность зерна, до которой необходимо довести зерно в результате увлажнения, %.

Исследования проводились с использованием зерна пшеницы Новосибирская 31 с влажностью от 10 до 20 %, с интервалом 2 %. Отбор проб зерна проводили согласно ГОСТ 13586.32015 [11], а определение влажности - ГОСТ 13586.5-2015 [12].

Отволаживание зерна осуществляли до стабилизации стекловидности в пластиковых емкостях объемом 15 л при температуре окружающего воздуха 18-20 °С.

Стекловидность зерновок определяли по формуле [13]:

Ос = Пс Чс , %, (2)

где Ос - общая стекловидность, %; Пс - количество полностью стекловидных зерен, шт.; Чс -количество частично стекловидных зерен, шт.

Для определения эффективности процесса экструдирования за критерий качества предложен показатель увеличения объема продукта после экструдирования в, показывающий количество «взорванных» зерен, представляющий собой отношение объема экструдата после экс-трудирования V_k к начальному объему, поступающему на экструдирование, V/:

в = —, см³. (3) н ,

Объем зерна и объем полученного экструдата определяли в порядке, изложенном в ГОСТ 13586.3-2015 [11].

Результаты и их обсуждение. Результаты исследований по изменению влажности зерна пшеницы от продолжительности его увлажнения представлены на рисунке 1. Данные графической зависимости свидетельствуют о том, что в начальный период (5–7 мин) наблюдается самая высокая интенсивность поглощения зерном воды. Дальнейшее поглощение протекает менее интенсивно и достигает верхнего предела значения заданной влажности (W = 20 %) через 20 мин. Динамика изменения стекловидности зерна в зависимости от времени отволаживания представлена на рисунке 2.

Рис.1. Изменение влажности зерна пшеницы (W) от продолжительности его увлажнения ( τ )

Рис. 2. Изменения стекловидности (Ос) зерна в зависимости от времени отволаживания

Из полученной графической зависимости видно, что первые 1,5–2 ч отволаживания происходит интенсивное перераспределение влаги по объему зерновки, о чем свидетельствует снижение стекловидности с 75,2 до 63,0 %. Через 10 ч отволаживания показатель стекловид-ности стабилизируется, достигая своего минимального значения 53,2 %. Это говорит об окончании процесса влагопереноса в зерновке.

На основании проведенных исследований по увлажнению и отволаживанию зерна были выбраны граничные условия для предварительной подготовки зерна к процессу экструзии.

С учетом установленных параметров были проведены исследования по экструдированию зерна с различным диаметром отверстия фильеры экструдера.

При установке фильеры с диаметром отверстия 5 мм поданный на экструдирование зерновой материал с влажностью 20 % через 180–240 с начинал подгорать в зазоре между матрицей и шнеком экструдера. Температура в рабочей камере возрастала до 170 °С, сила тока двигателя привода шнека экструдера составляла 38–40 А, что превышает максимально допустимое значение, в связи с этим рабочий процесс был прекращен.

Результаты проведенных исследований по определению наибольшего увеличения объема экструдата (β) в зависимости от диаметра фильеры (d) и влажности поступающего на переработку зерна ( _н ) представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Зависимость увеличения объема экструдата (в) от диаметра отверстия фильеры (d) и влажности поступающего зерна ( W _н):

1 - d = 8 мм; 2 - d = 10 мм

Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что наибольшее увеличение объема экструдата, характеризующее качество получаемого продукта, β = 3,06 получено при влажности поступающего зерна на экструдиро-вание wн = 14,8 % с использованием фильеры диаметром отверстия d = 8 мм. При использова- нии фильеры диаметром отверстия d = 10 мм большее увеличение объема экструдата β = 2,05 получено при влажности зерна перед экструди-рованием Wн = 14,0 %.

Зависимость влажности полученного экструдата (и _к ) представлено на рисунке 4.

y=-0,757142857+0,755x-0,017857143X2 y=3,064285714+0,409375x-0,009598214x2

Рис. 4. Зависимость влажности полученного экструдата ( И _к)

от диаметра отверстия фильеры (d) и влажности поступающего на переработку зерна и н ) 1 – d = 8 мм; 2 – d = 10 мм

Анализ динамики изменения влажности полученного экструдата (И/ _к ) от диаметра (d) установленной на матрицу экструдера фильеры и влажности поступающего на переработку зерна (и _н ) показывает, что при оптимальных влажно-стях зерна и _н = 14,0 % для фильеры с d = 10 мм ии _н = 14,8 %, для фильеры с d = 8 мм влажность полученного экструдата соответственно составит 6,6 и 6,5 %.

Заключение. Процесс влагопереноса в зерновке заканчивается через 10 ч после начала отволаживания зерна, при этом показатель стек-ловидности составляет 53,2 %. На экструдере ЭК-100 наилучшее качество экструдата (увеличение объема экструдата β = 3,06) получено при использовании фильеры с диаметром отверстия d = 8 мм и влажности поступающего на переработку зерна W н = 14,8 %. Влажность готового продукта при этом составляла и к = 6,5 %.