Сравнительный анализ пищевой и кормовой ценности семян рапса, высушенных конвективным способом и с помощью СВЧ-энергоподвода в закрученном потоке теплоносителя

Одним из важных видов сельскохозяйственных культур, которые обладают большим потенциалом использования в пищевой промышленности и биотехнологии, а также получающим всё более широкое распространение в мире является рапс. Это весьма ценная культура с точки зрения, как физиологии питания человека, так и возможностей использования в различных сельскохозяйственных отраслях, техники и биоэнергетики.

Перспективность производства рапса обусловлена возможностями использования рапсового масла в качестве возобновляемого и экологически безопасного вида биотоплива, наличием практически неограниченных рынков сбыта рапсового сырья, возможностью улучшения фитосанитарных и агрофизических свойств почвы, благоприятными почвенно-климатическими условиями во многих регионах мира [1, 2].

Ценность рапса для пищевой промышленности определяется высоким содержанием витаминов группы Е и наиболее оптимальным соотношением всех физиологически важных жирных кислот, содержащихся в масле его семян, особенно ненасыщенной олеиновой кислоты, способствующей снижению уровня холестерина в крови и стимулирующей деятельность сердечно-сосудистой системы человека [3].

Благодаря значительному содержанию протеина и незаменимых аминокислот жмыхи и экстракционные шроты, получаемые в качестве побочных продуктов при производстве растительных масел, являются ценными кормовыми добавками [2, 4].

Наиболее перспективным направлением повышения эффективности и совершенствования процесса сушки дисперсных продуктов при обеспечении требуемого высокого качества высушенного изделия является использование активных тепловых и гидродинамических режимов, существующих в аппаратах с закрученными потоками теплоносителя, а также современных прогрессивных технологий подвода тепловой энергии к высушиваемому материалу [5].

В процессе сверхвысокочастотной (СВЧ) сушки семян рапса более влажные частицы под воздействием СВЧ-энергии нагреваются более интенсивно, чем частицы, имеющие меньшее влагосодержание, таким образом, происходит выравнивание влагосодержания материала. Поэтому температура теплоносителя может быть снижена на (293–313) K, чем в случае только конвективного подвода тепловой энергии, что положительно сказывается на качестве высушиваемого материала [7–15].

Отличительной особенностью сушки семян рапса при воздействии СВЧ-энергии в отличие от влияния температуры сушильного агента на продукт при конвективной сушке является то, что подводимая СВЧ-мощность в меньшей степени оказывает влияние на критическое влагосодержание.

Актуальной задачей производства сушки семян рапса является решение проблем повышения качества продукции и интенсификация технологических процессов сушки

Для изучения процессов сушки семян рапса, происходящих в сушилках, необходимо знать изменение качественных показателей объекта сушки.

Процесс сушки должен обеспечивать не только сохранение нативных свойств материала, но и в ряде случаев он должен улучшать эти свойства. Особенно важно данное условие для растительного сырья, при сушке которого могут происходить биохимические и физико-химические изменения, обусловленные свойствами сырья.

При выборе метода сушки семян рапса наряду с производительностью и затратами энергии на процесс необходимо учитывать качество получаемого продукта, которое во многом определяется внешним видом семян, сбалансированностью белкового, витаминного и аминокислотного состава, а также качеством содержащегося в семенах масла. Поэтому необходимо, чтобы в процессе сушки были сохранены, а по возможности и улучшены именно эти показатели.

Цель работы – исследование качественных показателей семян рапса, высушенных различными способами при конвективной сушке и с комбинированным СВЧ-энергоподводом.

Материалы и методы

Для исследования влияния СВЧ–энергии на качество семян рапса определялись органолептические и физико-химические показатели семян, высушенных конвективным способом и с помощью комбинированного энергоподвода.

В процессе сушки осуществлялось изучение состава белков, содержания аминокислот и витаминов группы Е. Качественный анализ семян рапса проводили аттестованными методиками в испытательной лаборатории АНО «НТЦ» Комбикорм».

Для определения влияния процесса сушки на качество семян рапса исследован процесс сушки в СВЧ–аппарате с закрученным потоком теплоносителя и СВЧ–энергоподводом.

Значения параметров процесса сушки были выбраны на основании проведенных экспериментальных исследований из диапазона оптимальных значений: влагосодержание 0.25 кг/кг, температура 355 K и мощность магнетрона 700 Вт [4].

Отбор проб проводили по ГОСТ 13586.3–83; органолептические показатели – при естественном дневном освещении при комнатной температуре визуально и по ГОСТ 13340.1–77. Определение массовой доли влаги – по ГОСТ 13496.3–92; определение белка – по методу Кьельдаля по ГОСТ 1349.4–93; аминокислотный состав – по МВИ М 04–38–2004; содержание витамина группы Е – по МВИ № 8–19/2 от 2.01.84 г. Показатели безопасности рапсового масла: кислотное число – по ГОСТ 13496.18–85; перекисное число – согласно МУ № 13–5–02/0657 [6].

Полученные значения показателей качества пересчитывались на абсолютно сухое вещество для исключения влияния на них различной массовой доли влаги в семенах, высушенных конвективным способом и с помощью СВЧ– энергоподвода. Коэффициент пересчета зависит от конечного влагосодержания продукта и для конвективной сушки при массовой доле влаги в высушенном продукте 0.1 кг/кг (9.1%) составлял k = 1.1001, а для СВЧ–сушки (0.057 кг/кг или 5.4% влаги в конечном продукте) k = 1.0571.

Результаты и обсуждение

Органолептические качества семян рапса, высушенных конвективным способом и с помощью СВЧ-энергоподвода, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Органолептические показатели качества семян рапса, высушенных различными способами

Table 1.

Organoleptic quality indicators of rapeseed dried in various ways

Показатели | Indicators	Конвективная сушка Convective drying	Комбинированная сушка с СВЧ–энергоподводом Combined drying with microwave power supply
Цвет | Colour	Черно–коричневый | Black-brown
Запах | Aroma	Ароматический, свойственный нормальным плодам, без постороннего запаха Aromatic, characteristic of normal fruits, without foreign smell

Физико-химические показатели представлены на рисунке 1 в виде диаграмм распределения по фракциям состава протеинов семян рапса, высушенных соответственно конвективным способом и с помощью комбинированной СВЧ–сушки.

(a)                                                                      (b)

Рисунок 1. Диаграммы распределения по фракциям состава протеинов семян рапса, высушенных конвективным способом (a) и с помощью СВЧ-энергоподвода (b)

Figure 1. Diagrams of distribution by fractions of the composition of rapeseed proteins dried by convective method (a) and using microwave power supply (b)

Погрешность при исследовании содержания протеинов не превышала 15% (ГОСТ 1349.4–93).

Анализ приведенных результатов свидетельствует о возможности перераспределения соотношения протеинов по фракциям в процессе сушки различными способами. Однако, существенного влияния на общее содержание протеина в семенах рапса СВЧ-сушка не оказывает. Не менее важны и такие показатели качества семян рапса как кислотное и перекисное числа. Их изменение при различных способах сушки показано диаграммами на рисунке 2.

(b)

Кислотное число, мг КОН/г Acid number, mgKOH/g (a)

Рисунок 2. Диаграмма изменения показателей кислотного (a) и перекисного (b) чисел в зависимости от выбранного способа сушки: 1 – конвективная сушка; 2 – комбинированная СВЧ-сушка

Figure 2. Diagram of changes in indicators of acid (a) and peroxide (b) numbers depending on the selected drying method: 1-convective drying; 2-combined microwave drying

Показателем количественного содержания свободных жирных кислот является кислотное число. Свободные жирные кислоты могут содержаться в растительном сырье (семена недозревших растений или семена, самосозревающие при хранении во влажном состоянии), а также образовываться в процессе выделения масла в результате частичного гидролиза триглицеридов (высшие жирные кислоты) и их окисления под действием света и длительного хранения.

Суммарное содержание свободных жирных кислот в растительных маслах определяет их кислотность. Кислотное число характеризует содержание в одном грамме растительного масла свободных жирных кислот (т. е. степень липолитической порчи жира (расщепления триглицеридов)) и других титруемых щелочью веществ и выражается в миллиграммах едкого калия, необходимого для их нейтрализации. На основе данного показателя можно выяснить информацию о степени свежести масла. Он нормируется стандартами для большинства пищевых жиров [6].

В соответствии с ГОСТ 8988–2002 кислотное число масла, содержащегося в семенах рапса, не должно превышать 6 мг КОН/г.

В нашем случае кислотное число масла, содержащегося в семенах рапса, составляет для конвективной сушки 4.5 мг КОН/г и комбинированной сушки с СВЧ-энергоподводом – 4.0 мг КОН/г [8].

Перекисное число – показатель, характеризующий изменение качества растительного масла, вследствие окислительной порчи жиров (прогоркание), особенно снижающие органолептические показатели. Перекисное число выражается количеством граммов йода, выделенного из йодистого калия перекисями, содержащимися в 100 граммах масла. С возрастанием значений перекисного числа снижаются органолептические свойства масла и качество готового изделия [6].

Согласно ГОСТ 8988–2002 показатель перекисного числа для рапсового масла не должен превышать 0.13% J 2 .

Перекисное число для проб после конвективной сушки составляло 0.07% J 2 , а после комбинированной сушки с СВЧ-энергоподводом равно 0.05% J 2 .

Погрешность при исследовании кислотного числа составляла ± 0.4 мг КОН/г (ГОСТ 13496.18–85), перекисного числа – ± 0.04% J 2 (МУ № 13–5–02/0657) [6].

По результатам исследований физикохимических показателей качества можно сделать вывод, что использование СВЧ-энергии позволяет улучшить показатели кислотного и перекисного числа рапсового масла.

Таким образом, использование СВЧ-энергоподвода приводит не только к сокращению продолжительности и энергозатрат процесса сушки, но и к улучшению качества получаемого продукта.

Аминокислотный состав с точки зрения хозяйственного использования семян рапса характеризует их пищевую и кормовую ценность. В составе масла, содержащегося в семенах рапса, в оптимальном соотношении находятся все аминокислоты, представляющие особый интерес с точки зрения физиологии питания человека.

При производстве растительных масел из семян рапса получают в качестве побочных продуктов жмыхи и экстракционные шроты, которые используются на корм животным. Благодаря значительному содержанию протеина и незаменимых аминокислот они являются ценными кормовыми добавками, одним из основных требований к которым, помимо высоких потребительских свойств, является сбалансированность их состава.

Главная роль в балансе корма отводится протеинам – сложным химическим соединениям, структурной основой которых являются аминокислоты, оказывающие сильное влияние на процесс обмена веществ.

Особый интерес, в связи с этим, представляет проведение сравнительного анализа аминокислотного состава семян рапса, высушенных конвективным способом и с помощью СВЧ-энергоподвода.

Определение аминокислот в пробах проводят после предварительного щелочного (триптофан) или кислотного гидролиза (все остальные определяемые компоненты). Свободные аминокислоты в гидролизатах переводят в фенилтиокарбамильные производные (ФТК-производные) при помощи фенилизотиоцианата и разделяют их ионные формы в кварцевом капилляре под действием электрического поля. Регистрацию ФТК-производных производят при длине волны 254 нм в соответствующем буферном растворе (МВИ М 04–38–2004) [6]. Погрешность при исследовании состава аминокислот не превышала 10% (МВИ М 04–38–2004).

Анализируя полученные в результате исследований данные по количественному составу заменимых и незаменимых аминокислот в семенах рапса, с учетом того, что разность полученных значений не превышала величину погрешности измерений, можно прийти к выводу, что сушка семян в закрученном потоке теплоносителя в комбинации с СВЧ-энергоподводом не оказывает влияния на суммарное содержание аминокислот [7]. Аминокислотный состав семян рапса, высушенных конвективным способом и в закрученном потоке теплоносителя в комбинации с СВЧ-энергоподводом приведен в таблице 2.

Таблица 2.

Аминокислотный состав семян рапса, высушенных различными способами

Table 2.

Amino acid composition of rapeseed, dried in various ways

Аминокислоты Amino acids	Конвективная сушка Convective drying	Комбинированная сушка с СВЧ–энергоподводом Combined drying with microwave power supply
Незаменимые аминокислоты (Essential amino acids)
Аргинин (Arg)	1.9	1.97
Лизин (Lys)	1.38	1.34
Фенилаланин (Phe)	1	0.96
Гистидин (His)	0.76	0.72
Лейцин (Leu)	1.58	1.58
Изолейцин (Ile)	0.81	0.74
Метионин (Met)	0.67	0.66
Валин (Val)	1.49	1.42
Треонин (Thr)	1.17	1.18
Цистин (Cys)	0.35	0.35
Заменимые аминокислоты (Nonessential amino acids)
Тирозин (Tyr)	0.81	0.74
Пролин (Pro)	1.73	1.72
Серин (Ser)	1.36	1.33
Аланин (Ala)	1.08	1.12
Глицин (Gly)	1.23	1.28
Глутаминовая кислота (Glutamic acid)	5.18	6.01
Аспарагиновая кислота (Aspartic acid)	3.27	3.25
Сумма аминокислот (Sum of amino acids)	25.77	26.37

При использовании рапсового масла в пищевых целях, его переработки на маргарин, майонез и разные жиры для жарения и печения большое значение имеет содержание в масле различных сопутствующих веществ. Среди них особая роль принадлежит антиоксидантам – токоферолам или витаминам группы Е, уровень и изомерный состав которых предопределяет стойкость масла к окислению.

С точки зрения воздействия на живой организм витамины группы Е обладают рядом полезных свойством, как, например, обеспечение нормального развития эмбриона, правильной работы эндокринной системы, укрепление мышечной системы и нервных клеток.

Известно, что семена рапса обладают достаточно высоким содержанием токоферолов, поэтому представляется особенно интересным изучение влияния температурного воздействия, в том числе посредством СВЧ-излучения, на количественное содержание витаминов группы Е в семенах, высушенных конвективным способом и с помощью СВЧ-сушки. Результаты исследований количественного содержания токоферолов в семенах рапса приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Количественное содержание токоферолов в семенах рапса, высушенных различными способами

Figure 3. Quantitative content of Tocopherols in rapeseed dried by various methods

Погрешность при определении содержания витаминов группы Е не превышала 15% (МВИ № 8–19/2).

Согласно полученным данным, содержание токоферолов в пробах семян рапса, высушенных с помощью СВЧ-нагрева, несколько выше, что само по себе является положительным результатом.

Таким образом, более высокое содержание витаминов группы Е способствует повышению антиоксидантной активности, снижению кислотного и перекисного числа рапсового масла, а следовательно, повышению его качества.

Заключение

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что семена рапса, высушенные в закрученном потоке теплоносителя с применением СВЧ-энергоподвода, обладают хорошими потребительскими свойствами и имеют высокую пищевую и кормовую ценность.

Использование СВЧ-энергии в процессе сушки приводит к сокращению продолжительности процесса сушки и энергозатрат, возрастанию производительности, а также способствует сохранению полноценного состава белков, аминокислот и витаминов группы Е в конечном продукте.

Предложены эффективные технологическая схема, способ сушки растительного сырья, и конструкция сушилки на основе интеграции активного гидродинамического режима и электромагнитного поля сверхвысокой частоты в сушильной камере [9].