способ обработки зерна перед его закладкой на хранение либо при переработке зерна в муку

Формула изобретения

1. Способ обработки зерна перед закладкой на хранение либо при переработке зерна в муку, включающий распыление воды в зерно при помощи ультразвука, отличающийся тем, что воду перед распылением в зерно подвергают ультразвуковой обработке в кавитационном режиме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду перед обработкой в кавитационном режиме подвергают аэрации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к мукомольной промышленности и может быть использовано для кондиционирования зерна, а также для обработки зерна перед закладкой его на хранение.

Преимущественная область применения изобретения - переработка зерна пшеницы в муку, при которой используется сухая очистка зерна, а также переработка зерна, обсемененного микрофлорой, в том числе кислото- и терморезистентной.

Смысл кондиционирования состоит в достаточно быстром принудительном изменении свойств зерна. Эти изменения при кондиционировании во многом аналогичны результатам процессов, происходящих в зерне естественным образом за длительный срок, предшествующий его прорастанию. Важнейшим фактором кондиционирования является увлажнение зерна водой в определенных температурных условиях. Температура процесса играет основную роль при взаимодействии воды с зерном [1] . Установление того или иного температурного режима традиционно осуществляют преимущественно путем предварительного подогрева воды, реже - зерна. Иногда взамен или совместно с подогревом воды используют иные, не тепловые методы ее обработки, способствующие достижению целей кондиционирования. Таким образом, известные способы кондиционирования зерна можно подразделить на:

- холодное (водой без предварительного подогрева);

- горячее (водой с подогревом ниже точки кипения, обычно 40...60^oC);

- скоростное (водяным паром);

- кондиционирование с использованием иных (не тепловых) факторов воздействия на воду для интенсификации процесса.

Известен способ холодного кондиционирования, при котором проводят увлажнение зерна водой температурой 15...20^oC, а затем его отволаживание - изотермическую выдержку в течение определенного времени. При отволаживании происходит распределение влаги по анатомическим частям зерна, сопровождающееся следующими структурно-механическими и технологическими преобразованиями:

- набуханием с выделением теплоты гидратации:

- разрыхлением эндосперма за счет возрастания удельного объема;

- развитием микротрещин в эндосперме;

- ослаблением связи оболочек и алейронового слоя с крахмальной частью эндосперма [2] за счет разницы в изменении удельных объемов при набухании.

Достижению указанного ниже технического результата при использовании данного способа препятствуют следующие обстоятельства.

Во-первых, при холодном кондиционировании требуется строго соблюдать временной режим отволаживания. В противном случае, например при переработке зерна пшеницы со слабой клейковиной, свойства последней могут измениться в нежелательном направлении: упругость может уменьшиться, а растяжимость возрасти. Это указывает на нецелесообразность применения холодного кондиционирования для зерна со слабой клейковиной [3]. То есть способ не является универсальным, а эффективность его применимости зависит от исходных свойств зерна. Кроме того, при превышении оптимального времени отволаживания даже на короткий срок происходит смыкание образовавшихся ранее микротрещин в эндосперме. Это происходит в результате действия двух конкурирующих процессов: процесса набухания, сопровождающегося размягчением эндосперма, и процесса развития микротрещин в нем под воздействием неравномерности напряжений в зерновке, вызванной неравномерностью впитывания влаги. В результате этого разделение анатомических частей зерна в мукомольном процессе затрудняется, показатели выхода муки и ее качества ухудшаются.

Во-вторых, увеличение температуры процесса при холодном кондиционировании может быть достигнуто только за счет теплоты гидратации. Но этот тепловой эффект действует не на протяжении всего процесса набухания, а лишь на первом этапе при поглощении небольшого количества воды. В последующем набухание вызывает увеличение массы и объема веществ, но при этом уменьшается выделение тепла [4]. Известно, что температура играет важнейшую роль в гидротермическом процессе кондиционирования. С увеличением температуры и значения ее градиентов в сечении зерновки скорость поглощения воды зерном увеличивается, а значит, усиливаются и все процессы, зависящие от интенсивности увлажнения. Таким образом, при холодном кондиционировании не может быть достигнута высокая интенсивность процесса.

В-третьих, эффективность холодного кондиционирования в значительной степени зависит не от средней влажности зерновой массы, а от увлажнения отдельных зерновок, составляющих эту зерновую массу [5]. Поэтому ввод воды необходимо проводить так, чтобы обеспечить равномерность ее распределения по поверхности каждой зерновки, например, в распыленном виде [6]. Для этого требуются дополнительные технические средства, например, устройства для мелкодисперсного распыления.

В-четвертых, кондиционирование зерна водой "комнатной" температуры не производит бактерицидного или бактериостатического действия на микроорганизмы, содержащиеся на поверхности зерновок и способные вызвать микробиологическую порчу выработанной из него муки, либо выпекаемого из нее хлеба.

Известен способ горячего кондиционирования, например [5], при осуществлении которого температуру зерна повышают до установленной величины за счет предварительного подогрева воды, что способствует быстрейшему распространению влаги внутрь зерновки. Такое направленное движение влаги разрыхляет эндосперм, а оболочки при этом сохраняют достаточную эластичность. Увеличение скорости влагопоглощения при предварительном подогреве увлажняющей воды достигается за счет увеличения градиента температуры между наружными и внутренними частями зерна. Ясно, что время отволаживания при этом сокращается.

Недостатками данного и аналогичных ему способов кондиционирования зерна подогретой водой, препятствующими получению сформулированного ниже технического результата, как и в предыдущем случае, являются:

- неуниверсальность, выражающаяся в том, например, что при переработке зерна высокостекловидной мягкой пшеницы с хорошим белково-протеиназным комплексом такое кондиционирование приводит к потере клейковины, значительному повышению ее упругости [3]:

- потребность в средствах для равномерного распределения влаги.

Кроме того, повышение температуры активизирует развитие микрофлоры зерна, в том числе и возбудителей картофельной болезни. Под воздействием тепла происходит также активизация ферментов [1], в том числе продуцентов вредителей таких, например, как клоп-черепашка. Повышение ферментативной активности приводит к необратимым изменениям в белково-протеиназном и углеводно-амилазном комплексах зерна, что, в свою очередь, чаще всего ведет к ухудшению хлебопекарных свойств муки. Это также является обстоятельством, которое препятствует достижению сформулированного ниже технического результата.

Известен способ скоростного кондиционирования [4], при котором увлажнение и нагрев осуществляют паром при давлении, близком к атмосферному. Такой способ гидротермической обработки позволяет еще более интенсифицировать процесс переноса влаги внутрь зерна [4, 5] и, соответственно, усилить связанные с этим положительные факторы, влияющие на мукомольные свойства зерна и хлебопекарные свойства получаемой из него муки. При увлажнении паром не требуется дополнительных средств повышения равномерности распределения влаги, так как диффузия пара в зерновую массу значительно эффективнее, чем диффузия воды. Контакт зерна с паром при таком способе кондиционирования обеспечивает наивысшие среди всех способов гидротермической обработки значения градиентов температуры, а значит и диффузии влаги внутрь зерновки.

Однако данный и аналогичные ему способы кондиционирования зерна паром также обладают недостатками, препятствующими получению сформулированного ниже технического результата. К этим недостаткам относятся следующие.

Скоростное кондиционирование паром, также как холодное и горячее кондиционирование неуниверсально. Известно [4], что при нагреве зерна, который в данном случае происходит за счет теплоты конденсации пара на поверхности зерна, происходит укрепление клейковины. Кроме того, при повышении интенсивности за счет увеличения температуры пара возникает опасность термической денатурации белков.

Способ, как и вышеперечисленные, не обеспечивает обеззараживания обрабатываемого зерна, так как многие бактерии и споры грибов терморезистентны. Например, споры Bacillus mesentrius и Bacillus subtilis - возбудителей картофельной болезни - длительное время могут выдерживать действие температуры кипения воды.

Способность термической активации ферментов здесь также сохраняется и является, как и в предыдущем случае, обстоятельством, препятствующим достижению технического результата, сформулированного ниже.

Управляемость процесса скоростного кондиционирования по сравнению с холодным и горячим способами увлажнения в части обеспечения заданной влажности несколько хуже. Причиной является то обстоятельство, что процесс сильно зависит от температуры помещения, в котором производят кондиционирование, исходной температуры зерна и соотношения скоростей подачи зерна и пара, так как эти факторы влияют на условия конденсации и, в конечном итоге, на то, сколько влаги будет впитано зерном.

Известен способ кондиционирования, при котором воду, использующуюся для увлажнения, подвергают не тепловой обработке, а электрохимической активации [7, 8] . При исследовании влияния электрохимической активированной воды на технологические свойства зерна установлено, что для увлажнения лучше использовать католит - щелочную фракцию активированной воды, оптимальное значение водородного показателя pH которой должно находиться в пределах 10,5...11,5 единиц. При этом время отволаживания зерна снижается на 2...4 часа, микрофлора уменьшается более чем на 60%, снижается зольность, а выход муки увеличивается на 3,5%. Здесь факторы, влияющие на интенсивность увлажнения, носят не тепловой характер, поэтому недостатки, связанные с влиянием температуры на биополимерный комплекс зерна, при использовании данного способа оказываются преодолены, тем более, что и в качестве бактерицидного средства здесь используются ионы.

Однако способ сохраняет недостаток холодного и горячего кондиционирования, состоящий в неравномерном распределении влаги по массе зерна, который препятствует достижению сформулированного ниже технического результата.

Метод получения католита, используемого в данном способе для увлажнения зерна, - униполярная электрохимическая активация воды - предполагает повышенный расход воды, так как другая фракция - анолит - получаемая при электролизе в процессе кондиционирования не используется.

В промышленности для кондиционирования традиционно используется обычная водопроводная вода. Это порождает еще один недостаток описанного способа, заключающийся в быстром загрязнении электродов отлагающимися на них веществами, содержащимися в воде, к которым относятся, например, соли жесткости.

Эти недостатки препятствуют достижению сформулированного ниже технического результата.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному является способ обработка зерна, в котором в зерно распыляют при помощи ультразвука воду и пропионовую кислоту с одновременным нанесением статических электрических зарядов противоположных потенциалов, например, путем подачи высокого постоянного напряжения на рабочие органы ультразвуковых распылителей [9], принятый за прототип.

Здесь в качестве средства обеспечения равномерного увлажнения поверхности зерновок использовано ультразвуковое распылительное устройство, диспергирующий эффект которого усилен электростатической стабилизацией получаемого аэрозоля. В качестве бактерицидных факторов используются непосредственно ультразвук, пропионовая кислота, тепло и электрические заряды капель компонентов.

Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, следующие.

Применение органической кислоты в качестве биоцидного средства при выработке из такого зерна хлебопекарной муки влечет за собой перманентное повышение ее кислотности, что ухудшает вкус выпекаемого из нее хлеба. Проникновение кислоты внутрь зерновки без предварительного растворения ее в воде, что возможно при такой организации процесса, вызывает частичную химическую денатурацию белков клейковины [3] с сопутствующим ухудшением хлебопекарных свойств муки. При переработке такого зерна с повышенной кислотностью в муку резко снижается продолжительность эксплуатации используемых в мукомольном процессе полиамидных сит.

Использование данного способа, который предназначен преимущественно для обработки зерна перед закладкой на хранение, в качестве способа кондиционирования обеспечивает интенсивность увлажнения не большую, чем при холодном кондиционировании. Кроме того, электрический заряд зерновок может препятствовать диффузии влаги внутрь анатомических частей зерна, так как последняя будет приводить к увеличению плотности заряда на поверхности фронта диффузии.

В самой же воде физико-химических изменений при ее распылении практически не происходит, так как аэрозоль образуется под воздействием ультразвука, излучающегося в тонкий слой воды, который почти мгновенно превращается в туман за счет возникновения кавитации на поверхности жидкости. Именно разрушение кавитационных пустот приводит к распылению жидкости [10]. Хорошо известно, что только осцилляция кавитационных полостей в нестационарном режиме приводит к возникновению таких явлений как ультразвуковая диссоциация воды (сонолиз) и кавитационная дезинтеграция [11, 12]. Для обеспечения выхода одного микромоля, например, перекиси водорода H₂O₂, являющейся одним из продуктов сонолиза, требуется затратить энергию кавитации, равную 1 кДж при плотностях мощности первичного ноля на порядок выше кавитационного порога [13], тогда как для образования тумана достаточно незначительное превышение порога кавитации, обеспечивающее мгновенный результат. Поэтому при ультразвуковом распылении, которое используется в прототипе, активация самой воды практически не происходит, а положительные эффекты достигаются лишь за счет ее диспергирования, смешивания с кислотой и электрического заряда их аэрозолей.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В области предмета, к которому относится предлагаемое решение, необходимо достигнуть наивысшей интенсивности процесса диффузии влаги внутрь зерновок. При этом обеспечиваются микрорастрескивание анатомических частей зерна, способствующее их дальнейшему дроблению в процессе помола, и отслоение оболочек, позволяющее минимизировать или вовсе исключить потерю товарного продукта, который в противном случае может быть отсеян с отрубями, то есть увеличение общего выхода муки.

В процессе кондиционирования зерна, особенно при использовании технологии "сухой" очистки, где невозможно смыть споры и микробные тела с поверхности зерновок, должна быть обеспечена альтернативная бактерицидная обработка. При этом желательно исключить влияние применяемых бактерицидных средств и факторов на потребительские свойства получаемой муки. Поэтому применение кислот в качестве бактерицидных средств нежелательно, так как изменение кислотности продуктов при их использовании имеет характер необратимого явления.

Технический результат состоит в улучшении мукомольных свойств зерна: общего выхода муки; вымалываемости оболочек; удельного расхода электроэнергии, а также в снижении микробиологической загрязненности получаемой из этого зерна муки без ухудшения ее хлебопекарных качеств.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе обработки зерна, принятом за прототип, в котором в зерно распыляют при помощи ультразвука воду, особенность заключается в том, что воду непосредственно перед распылением подвергают ультразвуковой активации в кавитационном режиме (сонолизу). Кроме того, особенность способа заключается в том, что перед активацией воду аэрируют.

Ультразвуковые волны в жидкости при определенной плотности мощности, называемой порогом кавитации, порождают акустическую кавитацию, которая проявляется в виде колебаний парогазовых пузырьков, сопровождающихся возникновением периодического несинусоидального звукового поля с высокими пиковыми значениями давления и колебательной скорости [13]. При акустическом воздействии на воду в режиме кавитации имеет место резкое изменение ее физико-химических свойств.

Под воздействием ударных волн поля кавитации происходит разрыв водородных связей в структуре воды, аналогичный происходящему при нагревании до точки кипения с образованием h-микрофазы, обладающей большей диффузионной активностью при проникновении в капиллярно-пористые структуры зерна [14]. В дальнейшем эта вода образует новые водородные связи, но уже с гидроксильными группами биополимеров стенок капилляров зерна и переходит в капиллярную форму. При этом физико-химические свойства воды меняются настолько, что возникают градиенты давления, приводящие к разрушению целостности структур зерна. Это подготавливает зерно к дроблению в мукомольном процессе и снижает энергоемкость последнего.

При сонолизе насыщенной кислородом воздуха воды происходит ее акустическая диссоциация с образованием гидроксильных ионов OH и HO₂, процесс рекомбинации которых в присутствии кислорода замедлен, и перекиси водорода [15] . Насыщение воды кислородом воздуха легко осуществимо путем ее аэрации. Присутствующие в водопроводной воде ионы металлов, например, железа, кальция, образуют с перекисью водорода реактив, который является сильным окислителем для органических соединений, не образующим токсичных продуктов [16, 17] и обладающим, так же как и H₂O₂, сильным бактерицидным и бактериостатическим действием. Известно, что со временем под воздействием факторов различной природы, например, в присутствии фермента каталазы [3], содержащейся в зерне, перекись водорода разлагается на воду и кислород. Таким образом, изменение pH воды, за счет которого достигается бактерицидный эффект, носит здесь паллиативный характер и, в отличие от прототипа, не оказывает воздействия на вкусовые качества получаемой муки и хлеба.

Гидроксильные ионы, образующиеся в результате сонолиза и не успевшие рекомбинировать до контакта с зерном, а также "вторичные" радикалы, образующиеся при окислении ионов металлов перекисью водорода, разрушают структуры зерна, проникая в микротрещины [18]. Кроме того, распад перекиси водорода под воздействием каталазы зерна, а также ионов металлов и солей, содержащихся в воде изначально и растворяющихся в ней при ее проникновении вглубь зерновки [20] , происходит с выделением тепла и носит взрывной характер [16]. Это также способствует развитию микротрещин, диффузии влаги и разрыхлению тканей зерна. Поскольку каталаза, как и большинство ферментов зерна, содержится в оболочках и алейроновом слое, то экзотермическое и эксплозивное разложение перекиси водорода способствует эффективному отслоению оболочек, что обеспечивает их хорошую вымалываемость и повышает выход сортовой муки.

Известно также, что перекись водорода и кислород, образующийся при ее каталитическом разложении, являются отбеливающими средствами для растительных биополимеров. Таким образом, хлебопекарные качества муки, получаемой в результате переработки зерна с использованием настоящего изобретения, улучшаются по показателю белизны [20].

Перечисленные эффекты не могут быть получены при использовании способа-прототипа, так как в процессе акустического распыления нет истинной кавитации, способной их инициировать.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа заявителем не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся кондиционирования зерна акустически (в кавитационном режиме) активированной водой. Аналог с использованием электрохимически активированной воды [7, 8] по действию гидроксильных ионов близок к предлагаемому способу, однако у него отсутствуют полезные эффекты, связанные с реакциями перекиси водорода. Кроме того, способ получения католита менее технологичен, нежели сонолиз, так как требует постоянного предотвращения отложений солей жесткости на электродах либо предварительного умягчения используемой воды, а также утилизации кислотной фракции активированной воды - анолита.

На чертеже приведен пример конструкции устройства, составленного из известных средств, с помощью которого осуществляется заявленный способ, где:

1 - магнитострикционный преобразователь;

2 - волноводный акустический трансформатор;

3 - обмотка возбуждения магнитострикционного преобразователя;

4 - кожух;

5 - входной патрубок для воды;

6 - свободный торец пакета магнитострикционного преобразователя;

7 - внутренний торец волноводного акустического трансформатора;

8 - узел акустической развязки (узел крепления);

9 - труба;

10 - распылительная насадка;

11 - дополнительный излучающий элемент;

12 - кольцевой зазор;

13 - аэрозоль (водяной туман).

Стрелками показано направление движения воды внутри устройства.

Способ может быть осуществлен следующим образом.

В качестве аэратора может быть использован рассекатель, через который воду подают в накопительную емкость. Из этой емкости вода расходуется непосредственно ультразвуковым устройством для сонолиза и распыления. В качестве последнего может быть использовано любое распылительное устройство, например, конструкции Бакланова и Чижикова [21].

В качестве источника ультразвуковых колебаний может быть использован электроакустический магнитострикционный излучатель, состоящий из магнитострикционного преобразователя и волноводного акустического трансформатора, как показано на чертеже.

Воду подают в пространство между магнитострикционным преобразователем 1, составляющим вместе с волноводным акустическим трансформатором 2 и обмоткой возбуждения 3 электроакустический магнитострикционный излучатель поршневого типа, и стенкой кожуха 4 через входной патрубок 5. Вода, протекая через это пространство, выполняет функции хладагента и одновременно с отводом тепла от преобразователя 1 и обмотки возбуждения 3 подвергается воздействию акустической кавитации, возникающей в этом пространстве под воздействием в основном колебаний торца 6 пакета преобразователя и торца 7 волноводного акустического трансформатора. Перепуск воды через узел акустической развязки 8, в котором излучатель крепится к кожуху, осуществляют по трубе 9. Далее вода поступает в пространство между волноводным акустическим трансформатором 2, присоединенной к нему распылительной насадкой 10 и кожухом 4, где она может также подвергаться сонолизу за счет дополнительного излучающего элемента 11, например, в виде шайбы, закрепленного между акустическим трансформатором 2 и насадкой 10. Далее через кольцевой зазор 12 вода поступает на воронку распылительной насадки и диспергируется в виде аэрозоля 13.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств, методов и устройств, а также о способности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Мерко И. Т. Совершенствование технологических процессов сортового помола пшеницы. - М.: Колос, 1979. - 191 с.: ил.

2. Егоров Г.А., Мартыненко Я.Ф., Петренко Т.П. Технология и оборудование мукомольной, крупяной и комбикормовой промышленности. - М.: Издательский комплекс МГАПП, 1996.

3. Казаков Е. Д., Кретович В.Л. Биохимия зерна и продуктов его переработки. - М.: Колос, 1980. - 319 с.: ил.

4. Айзикович Л.Е. Физико-химические основы технологии производства муки. - М.: Колос, 1975.

5. Бутковский В.А. Мукомольное производство. - М.: Агропромиздат, 1990. - 382 с.

6. Кулак В. Г., Максимчук Б.М. Технология производства муки. - М.: Агропромиздат. 1991. - 224 с.: ил.

7. Сушенкова О., Кочеткова А., Шабурова Л. Гидротермическая обработка и микрофлора зерна // Мукомольно-элеваторная и комбикормовая промышленность, 1987, N 12. - С. 7.

8. Егоров Г., Кочеткова А., Сушенкова О. Интенсификация гидротермической обработки зерна // Мукомольно-элеваторная и комбикормовая промышленность, 1986, N 5. - С. 46-47.

9. Патент РФ N 2122311, МКИ⁶ A 01 F 25/00, A 23 B 9/14, 9/16, A 23 L 3/30, 3/3508, A 23 К 3/00.

10. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИИЛ, 1956. - 726 с.: ил.

11. Пульсации кавитационных полостей / В.А. Акуличев.- в кн.: Физика и техника мощного ультразвука. Мощные ультразвуковые поля / под ред. Л.Д. Розенберга. - М.: Наука. 1968.- 265 с.: ил.

12. Кавитационная область / Л.Д. Розенберг. - в кн.: Физика и техника мощного ультразвука. Мощные ультразвуковые поля / под ред. Л.Д. Розенберга. - М.: Наука, 1968. - 265 с.: ил.

13. Физика акустической кавитации в жидкостях / Г. Флинн. - в кн.: Методы и приборы ультразвуковых исследований // под ред. У. Мэзона. - М.: Мир, 1967, Т. 1, ч."Б". - 362 с.: ил.

14. Гинзбург А.С., Дубровский В.П., Козаков Е.Д., Окунь Г.С., Резчиков В.А. Влага в зерне. - М.: Колос, 1969.

15. Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. - М.: ИФ-МЛ, 1963. - 420 с.: ил.

16. Шамб У., Сеттерфильд Ч., Вентворс Р. Перекись водорода. - М.: ИИЛ, 1958.

17. Использование акустических колебаний для интенсификации процессов обработки воды в системах водоподготовки // В.Ф. Боев. - в кн.: "Ультразвуковые технологические процессы-98", Тезисы докл. науч. - техн. конференции. - М.: МАДИ (ТУ), 1997. - С. 73-76.

18. Кнэпп P., Дейли Дж., Хэммит Ф., Кавитация. - М.: Мир, 1974. - 348 с. : ил.

19. Биохимия растительного сырья / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудникова и др.: Под ред. В.Г. Щербакова. - М.: Колос, 1999. - 376 с.: ил.

20. Пшеница и оценка ее качества // под ред. Н.П. Козьминой и Л.Н. Любарского. -М.: Колос, 1968. - 496 с.

21. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая аппаратура. - М.: Энергия, 1969. - 262 с.