Исследования процесса экструдирования смеси зерновых концентратов с измельченной зеленой массой бобовых трав

Введение. Эффективность использования кормов является основным фактором конкурентоспособности отечественной животноводческой продукции на внутреннем и мировом рынках [1]. Имея переизбыток зерновых кормов, сельхозтоваропроизводители уделяют недостаточно внимания их рациональному применению. Из-за несбалансированности рационов и недостаточной предварительной подготовки кормовых компонентов до 50 % питательных веществ может не усваиваться организмом животного. При этом отмечается наиболее выраженная нехватка в рационах животных и птицы незаменимых аминокислот и витаминов [2].

Одним из перспективных направлений повышения качества и питательной ценности комбикормов является введение в их состав новых доступных и недорогих видов растительного сырья, содержащих сбалансированный комплекс белков, липидов, органических кислот, минеральных веществ, витаминов [3, 4]. Таким доступным и недорогим видом сырья являются травы, наиболее предпочтительны бобовые.

Технологический процесс производства кормов предполагает, что часть зернового сырья в целом или измельченном виде смешивается с измельченной зеленой массой бобовых трав. Полученная смесь экструдируется, подвергаясь при этом кратковременному, но очень интенсивному механическому и баротермическому воздействию. За счет высокой температуры (110-160 °С), давления (2-4 МПа) и сдвиговых усилий в винтовых рабочих органах пресс-экструдера меняется структурно-механический и химический состав исходной смеси [5, 6]. В полученном экструдированном корме в достаточной мере сохраняются витамины и биологически активные вещества, в том числе каротин, а бактерии и микроскопические плесневые грибы в подавляющем большинстве уничтожаются. Кроме того, происходит частичная декстринизация крахмала зернового сырья [7].

Задачей исследований являлось экспериментальное определение рациональных параметров и режимов работы оборудования в процессе экструдирования зерновой смеси с измельченной зеленой массой бобовых трав.

Материалы и методы. Исследования проводились на разработанном и изготовленном экспериментальном образце технологического модуля для экструдирования зернотравяной смеси, включающем одношнековый пресс-экструдер с дополнительным дозатором зеленой массы.

В качестве зерновой основы в эксперименте использовалась зернобобовая смесь урожая 2014 года (пшеница, ячмень, кукуруза, горох в соотношении 4:3:2:1), по совокупной твердости компонентов соответствующая большинству рационов для свиней и птицы, исходной влажностью W = 9,6 .. 11,2 %, с содержанием каротина менее 0,2 %.

Травяная составляющая представляла собой предварительно измельченную вегетативную массу люцерны первого укоса, заготовленную в стадии бутонизации, влажностью 75-80 %, с содержанием каротина 220 мг/кг. Размер фракции травяной резки не превышал 10 мм.

При необходимости зерновые ингредиенты комбикорма измельчались в молотковой дробилке с вертикальным валом ротора ВД-1.

Из факторов, оказывающих влияние на технологический процесс экструдирования, были отобраны основные: — частота вращения шнека, мин -1;

• —    влажность экструдируемой смеси, %;

• —    температура готового продукта на выходе из матрицы, °С;

  Процессы и машины агроинженерных систем

  
  

• —    содержание травяной резки в смеси (по массе), %;

• —    величина подачи смеси, кг/ч.

Остальные факторы находятся в прямой зависимости от них либо не оказывают существенного влияния на рассматриваемый процесс.

Для оценки эффективности процесса экструдирования кормов выбрано два критерия: содержание каротина в экструдате и энергоемкость.

К факторам, от которых зависит режим работы пресс-экструдера, отнесено содержание зеленой массы бобовых трав в смеси, так как включение этого вида сырья с начальной влажностью 40-70 % в смесь в количестве 10-20 % обеспечивает средневзвешенное содержание массовой доли влаги в получаемом корме в пределах рекомендованной, т. е. 16-27 % [8].

Содержание каротина (в мг/кг сухого веса) рассчитывали согласно ГОСТ 13496.17-95 фотометрическим методом. Сущность метода состоит в растворении каротина в петролейном эфире и фотометрическом измерении окраски, интенсивность которой зависит от содержания каротина. Влажность экспериментального материала определяли высушиванием при t (105±2)⁰С по ГОСТ 27548-97.

Экспериментальные исследования. Результаты проведенных исследований показали, что при влажности исходной смеси 18-21 % получается экструдат влажностью до 14,5%, не требующий дальнейшей сушки. В течение всей серии опытов производительность пресс-экструдера составляла 50-70 кг/ч при удельной энергоемкости процесса 85-100 кВт^ч/т.

Подача исходной смеси практически не влияет на содержание каротина в экструдате, а удельная энергоемкость процесса экструдирования увеличивается при повышении подачи на 40-46 %. При этом качество получаемого экструдата снижается, он становится более рыхлым и имеет повышенную влажность (20–22 %) (рис. 1).

Рис. 1. Влияние подачи исходной смеси на содержание каротина в экструдате и энергоемкость процесса экструдирования

• •    Содержание каротина, мг/кг

▲ Удельные энергозатраты, кВт-ч/т

В ходе дальнейших исследований начальная влажность измельченной зеленой массы варьировалась в пределах 40–70 %, что в свою очередь определяло влажность смеси 12–22 % (рис. 2).

Влажность смеси, %

Рис. 2. Влияние влажности смеси на содержание каротина в экструдате и энергоемкость процесса экструдирования

• •    Содержание каротина, мг/кг

A Удельные энергозатраты, кВт-ч/т

Исходя из результатов проведенного эксперимента можно утверждать, что при подсушивании зеленой массы до влажности 40 % происходит незначительная (4,6–5,4 %) потеря каротина. Но при дальнейшем снижении влажности содержание каротина существенно снижается, поэтому сушить зеленую массу до влажности менее 40 % нецелесообразно. Очевидно, отмеченный эффект можно объяснить следующим образом. Дополнительная влага позволяет снизить длительность и интенсивность экстремального термобараметрического воздействия на химически нестойкий β-каротин.

Доказано, что одним из основных факторов, влияющих на сохранность каротина в экструдате, является исходная влажность зерна и (в большей степени) зеленой массы. При этом экструдат с начальной влажностью зеленой массы 40 % имел конечную влажность 14,8 %, а с начальной влажностью 70 % — не менее 21 %. Следовательно, перед смешиванием с зерносмесью и экструдированием измельченную зеленую массу люцерны необходимо предварительно подсушивать.

Также на сохранность каротина при экструдировании влияет рабочая температура на выходе из фильеры матрицы экструдера, зависящая от различных факторов: диаметра фильеры, объема и скорости подачи смеси, частоты вращения шнека, влажности, содержания зеленой массы в смеси и др. Таким образом, следует определить режимы работы пресс-экструдера, при которых сохранность каротина максимальна и готовый экструдат обладает требуемым качеством [9].

Полученные в результате проведенных исследований данные показали, что качественный экструдат с наибольшим содержанием каротина можно получить при температуре 110–125 °С (рис. 3). Дальнейшее увеличение температуры ведет к резкому снижению содержания каротина в готовом продукте.

Рис. 3. Влияние температуры смеси на содержание каротина в экструдате и энергоемкость процесса экструдирования

Содержание каротина, мг/кг

Удельные энергозатраты, кВт-ч/т

Увеличение содержания зеленой массы в смеси, безусловно, влияет на содержание каротина в экструдате (рис. 4). Но при содержании травяной резки в смеси более 20 % снижается качество получаемого продукта. При этом он имеет повышенную влажность и рыхлость. Поэтому рациональный уровень содержания зеленой массы люцерны в смеси — 15–20 %.

Содержание травяной резки в смеси, %

Рис. 4. Влияние содержания травяной резки на содержание каротина в экструдате и энергоемкость процесса экструдирования

Содержание каротина, мг/кг

Удельные энергозатраты, кВт-ч/т

Частота вращения шнека пресс-экструдера влияет на температуру экструдата, которая, в свою очередь, влияет на содержание в нем каротина. Увеличение частоты вращения шнека приводит к уменьшению содержания каротина в готовом продукте. Из графика на рис. 5 следует, что рациональная частота вращения шнека пресс-экструдера равна 220–240 мин–1.

Рис. 5. Влияние частоты вращения шнека пресс-экструдера на содержание каротина в экструдате и энергоемкость процесса экструдирования

Содержание каротина, мг/кг

Удельные энергозатраты, кВт-ч/т

Процессы и машины агроинженерных систем

Выводы. Рациональными параметрами процесса экструдирования смеси комбикорма с измельченной зеленой массой бобовых трав являются:

— подача экструдируемой смеси — 60 кг/ч;

— температура смеси на выходе из фильеры матрицы экструдера — 120–125 °С;

• —    содержание измельченной зеленой массы в смеси — 14–15 %;

• —    частота вращения шнека пресс-экструдера — 220–240 мин ^– 1 .

При этом влажность получаемого экструдированного корма не превышает 14,5 % при удельных энергозатратах 90–95 кВт ч/т.