Комплексные исследования семян сои как объекта производства белоксодержащих продуктов

Белки представляют собой важнейшую составляющую часть пищи. Белки входят в состав структурных элементов клеток, без них невозможен рост и обновление любой ткани. В них много меди, фосфора, калия, магния, кальция, натрия, цинка, марганца и железа, а также витаминов В9, В5, В1, РР и Е. Мировое потребление белковой пищи с каждым годом увеличивается.

Одной из важнейших предпосылок увеличения производства сои является устойчивый рост спроса на соевое масло, являющееся продуктом питания [1]. Продукты, приготовленные из семян сои, имеют высокую питательную ценность, поскольку белок, входящий в их состав, отличается повышенным содержанием незаменимых аминокислот, не уступает зерну пшеницы по содержанию макро-и микроэлементов. Дополнительное стимулирующее наращивание объемов производства семян сои связано с их использованием в качестве сырья для различных отраслей пищевой промышленности [2–5]. В работах [6, 7] предложена технология переработки семян сои в белоксодержащие продукты, которая предусматривает получение суспензии после размола семян сои, и ее разделение на растворимую и нерастворимую фракции. Наиболее энергоемким процессом этой технологии является сушка исходных семян, от режима которой зависят показатели качества получаемых фракций в результате биохимических и физико-химических изменений. Для правильной организации процесса сушки необходимо изучить характер связи влаги в семенах сои и определить температурные участки, на которых происходит удаление влаги с различной формой связи, определить теплофизические и электрофизические характеристики сои.

Цель работы – исследование термогравиметрических, теплофизических, электрофизических свойств семян сои.

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследованию был выбран сорт семян сои «Аннушка», произрастающий в Павловском районе Воронежской области, включенный в Госреестр по Центрально-Чернозёмному региону. «Аннушка» признан лучшим сортом сои в странах СНГ. Обладает высоким потенциалом продуктивности, не имеет аналогов по скороспелости.

Термогравиметрический анализ позволяет получить информацию о формах связи влаги в материале, дает возможность установления областей, в которых с увеличением температуры преобразуются элементы, входящие в его состав, определить температурные участки, на границе которых удаление одной формы связи влаги сменяется другой.

Данное исследование проводили на приборе синхронного термического анализа STA 449 F3 Jupiter c держателем образца типа S в алюминиевой тигле. Используемый термоанализатор состоит из весовой системы, держателя образца, находящегося в камере печи, и подъемного устройства печи. Запуск измерения, регистрация и контроль показаний массы, температуры и времени производились с помощью программного обеспечения, установленного на ЭВМ [8–10]. Измерения проводились в среде азота, расход продувочного газа 60 мл/мин. Масса навески – 12 мг, давление – атмосферное, верхний порог температуры 300 °С. Газовой средой для исследования выбран азот.

Результаты и обсуждения

Зависимости изменения массы образца ТГ и скорости изменения массы ДТГ, полученные при помощи термогравиметрического анализа (рис. 1), позволяют дать количественную оценку форм связи влаги.

Вид построенных кривых говорит о нелинейном типе взаимосвязи сухого вещества и влаги в материале, что определяет различные участки кривой с разными скоростями обезвоживания.

На кривой ДСК наблюдаются четыре эн-

Рис. 1. Экспериментальные зависимости изменения массы образца ТГ и скорости изменения массы ДТГ

дотермических пика (см. таблицу). Для определения кинетических параметров выхода влаги использовали температурный интервал до 100 °C, так как с выходом влаги возможны денатурация и деструкция белков сои.

Чтобы получить связь убыли массы материала α и температуры T для каждого эндотермического пика, были проанализированы участки кривой убыли массы ТГ, которые показывают процесс обезвоживания материала. Степень превращения α может быть рассчитана по формуле:

Δ

= , Δ общ где Δ – отношение массы; Δ общ – общее количество влаги, содержащейся в образце.

С целью выявления детального механизма влаговыведения в интервале 25–94 °C а также количества влаги, теряемой материалом вследствие нагрева, используется кривая зависимости (–lg α) от величины 1000/Т.

Представлены зависимости α от Т и (–lg α) от величины 1000/Т для первого эндотермического пика. Температурные интервалы определяют формы связи влаги в материале (рис. 2, 3).

На I этапе в температурном интервале 35– 75 °C возрастает температура, материал прогревается, удаляется капиллярно-связанная влага, обладающая самой слабой энергией связи с материалом.

На II этапе, которому соответствует температурный интервал 75–96 °C, продолжается удаление капиллярно-связанной влаги, а также происходит десорбция осмотической влаги.

Получены графические зависимости α от Т , соответствующие второму, третьему и четвертому эндотермическому пику соответственно (рис. 4–6).

Рис. 2. Зависимость α от Т для первого эндотермического пика

Рис. 3. Зависимость (–lg α) от величины 1000/Т для первого эндотермического пика

Эндотермические пики кривой ДСК

№	Температурный интервал, °C	Изменение массы, %	Теплота, Дж/г (площадь каждого пика)	Вид пика	Процесс
1	25–170 пик 93,8	6,24	92,1	Эндотермический	Выделение влаги, разложение белков
2	182–210 пик 196,2	8,87	4,371	Эндотермический	Выделение влаги, разложение белков
3	210–245 пик 225	15,09	6,124	Эндотермический	Выделение влаги, разложение белков
4	245–350 пик 286	46,44	44,88	Эндотермический	Разложение белков, аминокислот

Рис. 4. Зависимость α от Т, соответствующая второму эндотермическому пику

третьему эндотермическому пику

В четвертом эндотермическом пике происходит деструкция с выделением летучих продуктов. Второй и третий эндотермические пики характеризуются активным разложением антипитательных веществ (трипсин, уреаза), денатурацией белков.

Информация о теплофизических характеристиках как функциях температуры и влаго-содержания играет ключевую роль в инженерных расчетах и математическом моделировании процессов сушки и тепловой обработки семян сои. При исследовании теплофизических характеристик использован метод нестационарного теплового режима. Выявлен характер зависимостей коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоёмкости от температуры. По- лучены уравнения, описывающие теплофизические характеристики зерна при влажности 10–20 % в диапазоне температур 20–100 °C.

Рис. 6. Зависимость α от Т, соответствующая четвертому эндотермическому пику

Получена зависимость изменения теплофизических характеристик семян сои при температуре 20 °C от влагосодержания (рис. 7).

Как видно из рис. 7, в интервале массовой доли влаги от 10 до 20 % величины , и возрастают. Также установлена зависимость теплофизических характеристик семян сои влажностью 14 % от температуры. С увеличением температуры , и семян сои возрастают (рис. 8).

В результате математической обработки экспериментальных данных в среде Mathcad [11, 12] получены эмпирические уравнения для определения теплофизических характеристик семян сои в зависимости от влагосодержания и температуры:

=7,269∙10  ∙   -0,012∙+

+6․714∙10  ∙  -1,221∙10  ∙-

0,031;

=(4-0,98∙  +0,023∙  +0,031∙

-1․465∙10  ∙  )∙10 ;

=2-0,5∙  +0,044∙  -1,953∙10

∙   ∙  -0,018∙    ․

Для определения коэффициента диэлектрических потерь был использован метод сравнения. Метод основан на сравнении скорости нагрева исследуемого материала и эталона за определенный период времени с учетом массы и теплоемкости материала, а также СВЧ-мощности, вводимой в рабочую камеру.

Исследование проводилось в лабораторной СВЧ-установке с частотой 2450 МГц и

1 – ко                                                                               ти ;

удельная теплоемкость

Рис. 7. Зависимость изменения теплофизических характеристик семян сои при температуре 20 °C от влагосодержания

1 – к                                                                                      и ;

уд

Рис. 8. Зависимость теплофизических характеристик семян сои влажностью 14 % от температуры мощностью 2,4 кВт. В качестве эталона использовалась дистиллированная вода. СВЧ-нагреву подверглись семена сои и вода, равного объема, за установленное время.

Средняя за некоторый промежуток времени удельная активная мощность, рассеянная в единице объема данного материала в виде теплоты, определяется согласно закону Джоуля– Ленца уд=0,556·10 ∙ ∙ ∙ , (4) где уд – удельная мощность, Вт/м3; – коэффициент диэлектрических потерь; – частота колебаний электромагнитного поля, Гц;

– напряженность электромагнитного поля, В/см.

Тепловая энергия, генерируемая в материале, также определяется по формуле:

= Δ ,                    (5)

где – количество теплоты, генерируемой в материале, Дж;    – удельная теплоемкость,

Дж/(кг·К); – масса материала, кг; Δ – разность температур между конечной _к и начальной _н .

Сравнение скорости нагрева dТ/dτ эталона и образца, а также совместное решение уравнений (2) и (3) дает возможность найти значения коэффициента диэлектрических потерь семян сои.

На рис. 9 представлены значения коэффициента диэлектрических потерь в зависимости от влагосодержания и температуры. Влагосо- 41

Рис. 9. Значения коэффициента диэлектрических потерь в зависимости от влагосодержания и температуры

держание оказывает значительное влияние на коэффициент диэлектрических потерь, т. е. влажная составляющая в материале поглощает большую часть подводимой СВЧ-энергии (см. рис. 9). Уменьшение значения коэффициента диэлектрических потерь с повышением температуры объясняется уменьшением воды при повышении температуры.

Получено эмпирическое уравнение для определения коэффициента диэлектрических потерь:

=8∙ -7,92∙ +0,109∙ ∙ +

3,734∙ -0,049∙ -336 ․ (6)

Заключение

В процессе нагревания сои обнаруживается 4 эндотермических эффекта, связанных с выделением влаги, разложением белков. Использование кинетических зависимостей в интервале температур 25–96 °C позволило выделить 2 этапа выделения влаги: капиллярно-связанной и осмотической. Получены зависимости изменения теплофизических и электрофизических характеристик семян сои при различных значениях температуры и влажности.

Проведенные исследования позволили получить экспериментальную информацию, необходимую для выбора оптимальных видов и режимов сушки, которые позволят максимально сохранить качество и количество белка, входящего в состав семян сои, для его дальнейшего выделения в белоксодержащую суспензию. Результаты исследований могут быть использованы для моделирования процессов сушки семян сои, а также проектирования конвективных и СВЧ-сушилок нового поколения.