INFLUENCE OF HUMIDITY ON TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF OAT GRAIN
Rubrics: FOOD PRODUCTION TECHNOLOGY
Authors:
1.
Biysk Technological Institute (branch), Altai State Technical University named after I.I. Polzunova
2.
Biysk Technological Institute (branch), Altai State Technical University named after I.I. Polzunova
3.
Biysk Technological Institute (branch), Altai State Technical University named after I.I. Polzunova
Type:
Article
Pages:
from 50
to 56
Status:
Published
Received:
30.12.2015
Accepted:
30.12.2015
Published:
30.12.2015
Subject area:
UDK 664.785.3(045)
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Oat grain, humidity, core, mechanical strength, bushel weight, density, nucleus surface morphology
Abstract (English):
The relatively high gross oat grain yeild significantly reduced its government procurement. Poor equipment and technical base of farms, large financial costs do not allow to organize proper post-harvest grain processing for stabilization and improving its quality. Grain is often stored in the producer farms in anticipation of the subsequent sale in unsuitable and primitive places not adapted for this storage. The grain without post-harvest handling and drying may develop structural-mechanical and physical-chemical changes that have a significant effect on the processing properties and its suitability for the finished item production. The use of such grain for processing may lead to the development of non-standard or low-quality products. The aim of this study is to investigate the influence of humidity on the technological properties of oat grain. Coryphaeus oat varieties of different moisture collected in the foothills of the Altai Territory in 2014 were selected for the tests. The definition of bushel weight has shown that with 2.3 times increase of moisture, the oat bushel weight grain is decreased 1.5 times. The study of the morphology and structural-mechanical properties of the oat kernel suggests structural and mechanical changes of grain. Results of thermo-mechanical studies showed that with the 2.3 times increasing of oat kernel humidity its deformation increased 8.6 times. 3.5 times increasing moisture reduces the density by 6.5%. The studies suggests that grain moisture greatly affects the technological properties of oat grain.
The relatively high gross oat grain yeild significantly reduced its government procurement. Poor equipment and technical base of farms, large financial costs do not allow to organize proper post-harvest grain processing for stabilization and improving its quality. Grain is often stored in the producer farms in anticipation of the subsequent sale in unsuitable and primitive places not adapted for this storage. The grain without post-harvest handling and drying may develop structural-mechanical and physical-chemical changes that have a significant effect on the processing properties and its suitability for the finished item production. The use of such grain for processing may lead to the development of non-standard or low-quality products. The aim of this study is to investigate the influence of humidity on the technological properties of oat grain. Coryphaeus oat varieties of different moisture collected in the foothills of the Altai Territory in 2014 were selected for the tests. The definition of bushel weight has shown that with 2.3 times increase of moisture, the oat bushel weight grain is decreased 1.5 times. The study of the morphology and structural-mechanical properties of the oat kernel suggests structural and mechanical changes of grain. Results of thermo-mechanical studies showed that with the 2.3 times increasing of oat kernel humidity its deformation increased 8.6 times. 3.5 times increasing moisture reduces the density by 6.5%. The studies suggests that grain moisture greatly affects the technological properties of oat grain.
Keywords:
Oat grain, humidity, core, mechanical strength, bushel weight, density, nucleus surface morphology
Oat grain, humidity, core, mechanical strength, bushel weight, density, nucleus surface morphology
Введение Россия является крупнейшим в мире производителем овса, широкое распространение посевов овса обусловлено его неприхотливостью к условиям произрастания, высоким качеством зерна и его побочных продуктов. Устойчивый спрос на продукты здорового питания из овса позволил с 2012 по 2014 г. увеличить производство овса на 23,5 % [1]. Он используется в продовольственных и кормовых целях, имеет большое значение в питании человека. Из овса изготавливают крупу, муку, хлопья и др., они хорошо усваиваются и имеют диетическое значение. Ценность овса и продуктов его переработки связана с особенностями биохимического состава его зерна. Наиболее потребляемым продуктом из овса являются хлопья овсяные «Геркулес», представляющие собой расплющенные, очищенные от оболочки, термически обработанные и высушенные зерна овса. Вследствие высокой пищевой ценности и сбалансированности по содержанию основных питательных веществ занимают значительное место в рационе питания человека. Хорошие вкусовые свойства, легкая усвояемость липидов [2], высокая калорийность, малое время приготовления определяют высокий покупательный спрос, от общего объема потребления круп овсяные хлопья составляютоколо 10 % [3, 4]. Однако при достаточно высоких валовых сборах зерна значительно снизились его государственные закупки. Слабая оснащенность технической базы хозяйств, а иногда и незнание технологий хранения не позволяет правильно организовать послеуборочную обработку зерна, проведение которой позволяет стабилизировать и улучшить его качество [5]. Зерно нередко хранится в хозяйствах у производителя в ожидании последующей реализации на токах и в других малопригодных и примитивных, не приспособленныхдляэтого хранилищах. Опыт работы предприятия ОАО «Бийский элеватор» показывает, что отдельные партии зерна, поступающие в переработку с предгорной зоны Алтайского края, хранившиеся у производителя несколько месяцев, характеризуются повышенным содержанием влаги, причем доля такого зерна в отдельные годы достигает 37,0 % [6]. Влажность - один из важнейших показателей состояния зерна, под действием влаги оно может набухать, прорастать, подвергаться порче под действием микроорганизмов. В результате в зерне могут происходить структурно-механические и физическо-химические изменения, которые оказывают значительное влияние на пригодность выработки готового продукта. Использование такого зерна для переработки может приводить к выработке низкокачественной или нестандартной продукции [7]. Результаты переработки зерна с влажностью, превышающей нормативные требования, приведены в работах [6, 8]. Отмечено, что у зерна, хранившегося с высокой влажностью, происходит значительное изменение технологических свойств. Поэтому переработка такого зерна по стандартным технологиям малоэффективна. В связи с этим для использования зерна, не прошедшего послеуборочной обработки и хранившегося у производителя в течение нескольких месяцев для переработки в крупу становится актуальным изучение его технологических свойств. Целью настоящей работы является исследование влияния влажности на технологическиесвойств зерна овса. Объекты и методы исследования Для проведения испытаний были отобраны партии зерна овса сорта Корифей различной влажности, собранного в предгорной зоне Алтайского края в 2014 г., из которых были выработаны овсяные хлопья. Объектами исследования являются партии влажного и сырого зерна овса. Исследуемое зерно перед переработкой в крупу хранилось без сушки в бетонных силосах в течение нескольких месяцев. Сохранность таких партий обеспечивалась активным охлаждением. Партии для переработки в крупу формировали с нормой расхождения по влажности не более 1,0 % исходя из технологических параметров влаготепловой обработки. Все исследования проводились в заводских условиях на овсоцехе производительностью 50,0 т/ч. Для контроля использовалось зерно с показателями качества, соответствующими требованиям нормативной докумен тации для переработки в крупу. Образцы зерна для исследования получали в производственно-технической лаборатории путем отбора зерна на пункте его приема, крупы путем Натура, г/л 550 500 отбора в бункере готовой в цехе по производству крупы и определяли их влажность. Из образцов 450 формировали среднесменные и направляли на ис 400 следование. Влажность исследуемых образцов зерна представлена в табл. 1. 350 Таблица 1 300 Влажностьисследуемыхобразцов ядра овса воляет понижать температуру зерна до такого уровня, при котором создаются благоприятные условия его хранения. Такое состояние зерна достигают, применяя систему транспортных механизмов и зерноочистительных машин, установок для активного вентилирования. Активное вентилирование одинаково эффективно для продовольственного, фуражного и семенного зерна, является наиболее дешевым способом сохранения зерна, когда сушка не представляется возможной. Охлаждением зерна добиваются затормаживания всех физиологических и микробиологических процессов, продолжительность вентилирования зависит от влажности хранившегося зерна, периода хранения итемпературы зерна иокружающей среды. Общеизвестно, что с увеличением влажности изменяются химические, физические, структурномеханические свойства зерна, что приводит к значительному изменению технологических свойств, которые необходимо учитывать при производстве овсянойкрупы. На первом этапе исследования определяли изменение натуры зерна овса и морфологию поверхности ядра отвлажности. Натура определялась согласно ГОСТ Р 548952012. Так как существует зависимость натуры от содержания примеси, в исследовании было принято проводить ее измерение при норме качества зерна овса, соответствующей базисной кондиции, т.е. при содержании сорной примеси не более 1,0 %. Средние показатели трех измерений натуры при различной влажности зерна овса представлены на рис. 1. 600 Влажность зерна овса, % Наименование Ядро овса Массовая доля влаги, % Образец 1а 26,7 Образец 1б 17,8 Образец 1в 12,8 Образец 1г 11,4 Рис. 1. Натура при различной влажностизерна овса Из представленных на рис. 1 данных следует, что с увеличением влажности в 2,3 раза натура зерна овса уменьшается в 1,5 раза. Данные исследования позволяют утверждать, что при проведении Как следует из табл. 1, влажность исследуемых гидротермической обработки (ГТО) в пропариваобразцов характеризует сухое влажное и сырое тель периодического действия при переработке зерно овса. влажного и сырого зерна будет загружаться мень шее количество зерна по сравнению с сухим. ПоРезультаты и их обсуждения этому показатель натуры необходимо учитывать Сохранениесвойствисследуемыхпартийзерна привыборепараметровирежимовГТО. овса осуществляли с помощью активного охлажде-Исследования морфологии и структурнония. Хранение овса в охлажденном состоянии поз-механических свойств ядра овса различной влажности проведены для первой фракции, так как ее содержание составляло 80-95 % от общего состава зерна [9, 10]. Подготовку ядра овса проводили по следующей методике: из образца, предварительно очищенного от посторонних примесей, выделяли навеску массой 2,5 г. Из этой навески методом случайного отбора выбирали зерно овса и вручную снимали снимали пленку выдавливанием ядра. Полученное таким образом ядро от каждого образца направляли на дальнейшие исследования. Исследование морфологии поверхности ядра предложенных образцов изучали на сканирующем электронном микроскопе JSM-840 (Jeol, Япония), результаты представлены на рис. 2. Рис. 2. Морфология поверхностиядер овса различной влажности × 500 На микрофотографиях рис. 2б, 2в, 2г различимы волоски различных размеров, они расположены по всей поверхности и могут составлять до 1,5-2 % от массы сухого вещества. Как следует из рис. 2, при пятисоткратном увеличении на поверхности ядра видна упорядоченная структура в виде продольной ребристости, причем у сухого ядра эта структура имеет более выраженный характер. При рассмотрении представленных микрофотографий следует, что при изменении влажности ядра от 11,4 до 26,7 % расстояние между ребрами, расположенными на поверхности для всех образцов не изменяется. Это не противоречит ранее проведенным исследованиям [11]. Схематично структуру ядра овса можно представить следующимобразом (рис. 3). Ядро овса имеет удлиненно-цилиндрическую форму, острую вершину и овальное основание. Поверхность ядра покрыта упорядоченно расположенными ребрами, которые по своему составу состоятиз клетчаткии увеличивают прочность ядра. Таким образом, можно предположить, что ребра представляют механический силовой каркас ядра, который позволяет сохранять его целостность при шелушении, как правило, на центробежных шелушителях, путем однократного или многократного удара зерна о деку. Между ребрами расположены плоские «продольные» ячейки. Усушка ядра приводит к увеличению вогнутости поверхности (сухое зерно, рис. 3), поэтому ребра ярко выражены (рис. 2г). Увлажнение зерна приводит к спрямлению поверхности (сырое ядро, рис. 3), вследствие чего ребра становятся плохо различимыми (рис. 2а). Рис. 3. Схематическаяструктура поперечногоразреза ядра овса, гдевогнутые ячейки между ребрами - сухое ядро, спрямленные ячейки - сырое вещество На втором этапе определяли механические характеристики и плотность зерна овса различной влажности. Изменение физико-механических свойств образцов изучали на термомеханическом анализаторе (ТМА-60) Shimadzu-60 (Япония). На столик измерительной ячейки (рис. 4) помещали ядро овса и под углом 90º на одну точку полусферы ядра направляли индентор диаметром 3 мм со скоростью нагружения 10 г/мин в течение 40 мин, максимальная нагрузка (Р) на образецсоставляла 400 г. Результаты термомеханических изменений ядра овса представленынарис. 5 и 6, где по оси Y слева - изменение линейного размера образца в %, по оси Y справа показана нагрузка индентора прибора на образец в граммах. Программное обеспечение термомеханического анализатора и его свойства позволяют производить нагрузку на образец только в граммах. Указанные на рис. 5 и 6 отрицательные показатели деформации и нагрузки характеризуют процесс сжатия образца. По оси Х указана продолжительность экспериментав минутах. Из представленных данных следует, что при влажности ядра овса 11,4 % его относительная деформация составляет 3,09 %, а при влажности 26,7 % - 16,27 %. Так что при возрастании влажности ядра овса в 2,3 раза его деформация увеличивается в 8,6 раза. При увеличении влажности в ядре возрастает величина пластической деформации зерна, что приводит к значительному уменьшению коэффициента шелушения. Общеизвестно, что у овса вследствие многослойного строения и особенности микроструктуры прочность оболочек существенно выше прочности оголенного ядра [12, 13]. Поэтому уменьшение влажности ниже определенного предела, специфического для каждого способа шелушения приводит кувеличению долидробленыхядер. Достоверность механических характеристик ядер овса подтверждается результатами повторных испытаний (рис. 6). Рис. 6. Термомеханические кривые ядраовса с одногообразца влажностью 11,4 % Из представленных данных следует, что разброс механических характеристик в образце одной партии овса на разных ядрах овса составляет 0,04 %, поэтому представленные выше результаты исследования можно считатьдостоверными. Для сравнения механических характеристик зерна овсаразличной влажности при сжатии был определен модуль упругости при 2,0%-ной деформации. Результаты изменения модуля упругости при 2,0%-ной деформациизернаовсапредставленынарис. 7. 30 25 20 15 10 5 0 Влажность зерна овса, % Рис. 7. Влияние влажности на модульупругостизерна овса Модульупругостипри 2 % деформации, кг/см2 Из представленных на рис. 7 результатов следует, что при возрастании влажности в 2,0 раза модуль упругости возрастает в 9,2 раза. Так как согласно базисным кондициям на переработку в крупу необходимо направлять зерна овса с влажностью 13,5 %, модуль упругости зерна должен составлять 20-25 кг/см2. Плотность зерна в значительной степени зависит от его химического, анатомического состава и его структуры, при увеличении плотности зерно считается более выполненным. По плотности продукта можно определить его структуру. В зерне в зависимости от его структуры выбирают режимы и способы водотепловой обработки для эффективного улучшения его технологических свойств. В связи с этим представляется интересным исследовать плотность зерна разной влажности. С целью соблюдения достоверности полученных данных для исследования были выбраны партии зерна, соответствующие одному сорту, выращенному в одном хозяйстве. Исследование плотности зерна овса влажностью от 10,0 до 35,4 % проводили на гелиевом пикнометре AccuPys 1340 abhvs Micrometick (США) по стандартной методике определения плотности. Результаты определения плотности зерна овса различной влажности приведены на рис. 8. Из представленных результатов следует, что при увеличении влажности зерна в 3,5 раза его Плотность, г/см3 1,38 1,36 1,42 плотность уменьшилась на 6,5 %. Такое изменение плотности зерна, возможно, связано с разрыхлени 1,4 ем его структуры, что приводит к изменению его структурно-механических и технологических свойств. Таким образом, проведенные исследования 1,34 позволяют утверждать, что влажность существенно сказывается на технологических свой 1,32 ствах зерна овса. В связи с этим представляется 1,3 целесообразным для снижения издержек и повы шения качества готового продукта использование Влажность зерна овса, % технологий с заменой сушки зерна его пропариРис. 8. Влияние влажностина плотность зерна овса ванием.
1. Petrenko, V.V. Oficial'nye predvaritel'nye itogi urozhaya zerna 2014 g. i perspektivy okonchaniya sezona v novyh usloviyah / V.V. Petrenko // Hleboprodukty. - 2015. - № 2. - S. 4-5.
2. M. Zhoua, K. Robardsa, M. Glennie-Holmesb, and Stuart Helliwella /Oat Lipids// JAOCS, Vol. 76, no. 2 pp. 159-169. (1999)
3. Glazunova, I. Rynok krup: predvaritel'nye itogi 2011 g. i tendencii na 2012 g. / I. Glazunova // Hleboprodukty. - 2012. - № 1. - S. 7-9.
4. A. Marshall, S. Cowan, S. Edwards, I. Griffiths, C. Howarth, T. Langdon, Ethel White Crops that feed the world 9. Oats-a cereal crop for human and livestock feed with industrial applications // Food Sec. (2013) 5:13-33 DOIhttps://doi.org/10.1007/s12571-012-0232-x
5. Zhuravlev, A.P. Posleuborochnaya obrabotka zerna s osnovami hraneniya zernoproduktov: Monografiya / A.P. Zhuravlev, L.A. Zhuravleva. - Samara: RICSG SHA, 2012. - S. 365.
6. Mar'in, V.A. Pererabotka zerna s povyshennoy vlazhnost'yu / V.A. Mar'in, A.L. Vereschagin // Hranenie i pererabotka zerna. - 2011. - № 11 (149). - S. 59-60.
7. Mar'in, V.A. Resursosberezhenie pri pererabotke nekondicionnogo zerna ovsa / V.A. Mar'in, A.L. Vereschagin // Hleboprodukty. - 2011. - № 4. - S. 60-61.
8. Fedotov, E.A. Optimizaciya gidrotermicheskoy obrabotki zerna ovsa / E.A. Fedotov, V.A. Mar'in, A.L. Vereschagin // Hleboprodukty. - 2009. - № 4. - S. 48-49.
9. Mar'in, V.A. Pererabotka partiy ovsa so sdvoennymi zernami na ovsyanuyu krupu / V.A. Mar'in, A.L. Vereschagin // Hranenie i pererabotka zerna. - 2011. - № 10 (148). - S. 57-59.
10. Mar'in, V.A. Pererabotka partiy zerna ovsa s povyshennym soderzhaniem melkogo zerna / V.A. Mar'in, A.L. Vereschagin // Hranenie ipererabotka zerna. - 2012. - № 1 (151). - S. 36-37.
11. Popova, E.P. Mikrostruktura zerna i semyan. - M.: Kolos, 1979. - 224 s.
12. Jaskari, J., Henriksson, K., Nieminen, A., Suortti, T., Salovaara, H. & Poutanen, K. 1995. Effect of hydrothermal and enzymic treatments on the viscous behavior of dry-and wet-milled oat brans. Cereal Chemistry, 72, 625-631.
13. Mar'in, V.A. Vliyanie gidrotermicheskoy obrabotki na svoystva, morfologiyu yadra i obolochek zerna ovsa / V.A. Mar'in, A.L. Vereschagin, N.V. Bychin // Hleboprodukty. - 2012. - № 11. - S. 58-59.
