Krasnoyarsk, Russian Federation
Russian Federation
The purpose of the study is to improve the quality of the preparation of extrudates by optimizing the moisture content of the grain supplied for processing. Tasks: experimental substantiation of rational pa-rameters of moisture content of raw materials supplied for processing, the diameter of the die hole and their influence on the quality indicators of the extrudate. The study was carried out at the Engineering Cen-ter of the Krasnoyarsk State Agrarian University on a screw-type extruder. Novosibirskaya-31 wheat was used as a raw material, as one of the widely used by agricultural producers of the Krasnoyarsk Region. When conducting research, wheat with an initial moisture content of 9.8 % was moistened with water at a temperature of 18–20 °C to 12, 14, 16, 18, and 20 %. The grain was tempered using plastic containers in a room with a temperature of 18–20 °C. Within 12 hours, the vitreousness of the grain was determined. Dur-ing extrusion, dies with a diameter of 5; 8, and 10 mm were used. The experiment on extruding wheat grain using a die with a diameter of 5 mm showed a negative result, the raw material burned in the working chamber of the extruder due to an increase in pressure and temperature above the maximum allowable. When extruding with a spinneret with a hole diameter of 10 mm, the increase in the volume of the extru-date compared to native wheat at the initial moisture content of the grain entering the processing Wn = 14.0 % was β = 2.05. The best result was obtained when installing a die with a diameter of 8 mm, at Wn = 14.8 %, the increase in the volume of the extrudate was β = 3.06, the moisture content of the resulting product was Wn = 6.5 %.
wheat grain, moisture, softening, extrusion, vitreousness, humidity
Введение. Потребности организма человека в энергии, биологически активных веществах, минеральных соединениях в значительной мере обеспечиваются за счет потребления продуктов питания, полученных в результате переработки зерновых культур [1–3]. Одним из способов переработки зерна в пищевой промышленности является экструдирование. В результате экструзии получают сухие завтраки (кукурузные палочки, снеки, чипсы и др.), ингредиенты для производства кондитерских изделий, текстурированную муку. Обработка методом экструзии крупяных культур позволяет получить быстрорастворимые пищевые продукты [4–6].
В процессе экструдирования в результате трения продукта о рабочие органы экструдера повышается давление в рабочей камере до 35–50 атм., температура возрастает до 110–160 ºС. В результате сжатия продукта и воздействия на него высокой температуры изменяются структурно-механические свойства, белки и углеводы расщепляются на более простые, клетчатка превращается во вторичный сахар. За счет мгновенного падения давления на выходе из экструдера происходит взрыв зернового продукта, сопровождающийся увеличением его объема и снижением влажности, что приводит к изменению его потребительских и технологических свойств.
Эффективность процесса экструдирования главным образом характеризуется коэффициентом расширения продукта на выходе из экструдера по отношению к исходному объему. На коэффициент расширения продукта, наибольшее влияние оказывает гранулометрический состав, плотность и влажность продукта подаваемого на экструдирование. Если гранулометрический состав и плотность в основном зависят от вида перерабатываемой культуры, то ее влажность является фактором, который регулируется перед экструдированием посредством гидротермической обработки продукта (ГТО) [7–10].
Цель исследования – повышение качества приготовления экструдатов путем оптимизации влажности поступающего на переработку зерна.
Объекты и методы. Объектом исследования является технологический процесс экструдирования зерна пшеницы в экструдере шнекового типа. Исследования проводились на экструдере ЭК-100 с использованием фильер диаметром 5; 8; 10 мм. Увлажнение зерна проводили водой с температурой 18–20 °С на увлажнителе лопастного типа. Необходимое количество вносимой в зерно воды при его увлажнении рассчитывали исходя из начальной и требуемой влажности по формуле [4]:
, кг, (1)
где Wф – фактическое количество воды, кг; 
– масса зерна до увлажнения, кг; 
– исходная влажность зерна, %; 
– влажность зерна, до которой необходимо довести зерно в результате увлажнения, %.
Исследования проводились с использованием зерна пшеницы Новосибирская 31 с влажностью от 10 до 20 %, с интервалом 2 %. Отбор проб зерна проводили согласно ГОСТ 13586.3-2015 [11], а определение влажности – ГОСТ 13586.5-2015 [12].
Отволаживание зерна осуществляли до стабилизации стекловидности в пластиковых емкостях объемом 15 л при температуре окружающего воздуха 18–20 °С.
Стекловидность зерновок определяли по формуле [13]:
, %, (2)
где Ос – общая стекловидность, %; Пс – количество полностью стекловидных зерен, шт.; Чс – количество частично стекловидных зерен, шт.
Для определения эффективности процесса экструдирования за критерий качества предложен показатель увеличения объема продукта после экструдирования β, показывающий количество «взорванных» зерен, представляющий собой отношение объема экструдата после экструдирования 
к начальному объему, поступающему на экструдирование, 
:
, см3. (3)
Объем зерна и объем полученного экструдата определяли в порядке, изложенном в ГОСТ 13586.3–2015 [11].
Результаты и их обсуждение. Результаты исследований по изменению влажности зерна пшеницы от продолжительности его увлажнения представлены на рисунке 1. Данные графической зависимости свидетельствуют о том, что в начальный период (5–7 мин) наблюдается самая высокая интенсивность поглощения зерном воды. Дальнейшее поглощение протекает менее интенсивно и достигает верхнего предела значения заданной влажности (W = 20 %) через 20 мин. Динамика изменения стекловидности зерна в зависимости от времени отволаживания представлена на рисунке 2.
Рис.1. Изменение влажности зерна пшеницы (W) от продолжительности его увлажнения (t)
Рис. 2. Изменения стекловидности (Ос) зерна в зависимости от времени отволаживания
Из полученной графической зависимости видно, что первые 1,5–2 ч отволаживания происходит интенсивное перераспределение влаги по объему зерновки, о чем свидетельствует снижение стекловидности с 75,2 до 63,0 %. Через 10 ч отволаживания показатель стекловидности стабилизируется, достигая своего минимального значения 53,2 %. Это говорит об окончании процесса влагопереноса в зерновке.
На основании проведенных исследований по увлажнению и отволаживанию зерна были выбраны граничные условия для предварительной подготовки зерна к процессу экструзии.
С учетом установленных параметров были проведены исследования по экструдированию зерна с различным диаметром отверстия фильеры экструдера.
При установке фильеры с диаметром отверстия 5 мм поданный на экструдирование зерновой материал с влажностью 20 % через 180–240 с начинал подгорать в зазоре между матрицей и шнеком экструдера. Температура в рабочей камере возрастала до 170 °С, сила тока двигателя привода шнека экструдера составляла 38–40 А, что превышает максимально допустимое значение, в связи с этим рабочий процесс был прекращен.
Результаты проведенных исследований по определению наибольшего увеличения объема экструдата (β) в зависимости от диаметра фильеры (d) и влажности поступающего на переработку зерна (
) представлены на рисунке 3.
Рис. 3. Зависимость увеличения объема экструдата (β) от диаметра отверстия фильеры (d)
и влажности поступающего зерна (
):
1 – d = 8 мм; 2 – d = 10 мм
Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что наибольшее увеличение объема экструдата, характеризующее качество получаемого продукта, β = 3,06 получено при влажности поступающего зерна на экструдирование
= 14,8 % с использованием фильеры диаметром отверстия d = 8 мм. При использовании фильеры диаметром отверстия d = 10 мм большее увеличение объема экструдата β = 2,05 получено при влажности зерна перед экструдированием Wн = 14,0 %.
Зависимость влажности полученного экструдата (
) представлено на рисунке 4.
Рис. 4. Зависимость влажности полученного экструдата ( )
от диаметра отверстия фильеры (d) и влажности поступающего на переработку зерна )
1 – d = 8 мм; 2 – d = 10 мм
Анализ динамики изменения влажности полученного экструдата ( ) от диаметра (d) установленной на матрицу экструдера фильеры и влажности поступающего на переработку зерна ( ) показывает, что при оптимальных влажностях зерна = 14,0 % для фильеры с d = 10 мм и = 14,8 %, для фильеры с d = 8 мм влажность полученного экструдата соответственно составит 6,6 и 6,5 %.
Заключение. Процесс влагопереноса в зерновке заканчивается через 10 ч после начала отволаживания зерна, при этом показатель стекловидности составляет 53,2 %. На экструдере ЭК-100 наилучшее качество экструдата (увеличение объема экструдата β = 3,06) получено при использовании фильеры с диаметром отверстия d = 8 мм и влажности поступающего на переработку зерна Wн = 14,8 %. Влажность готового продукта при этом составляла = 6,5 %.
1. Butkovskiy V.A., Mel'nikov E.M. Tehnolo-giya mukomol'nogo, krupyanogo i kombikormo-vogo proizvodstva: uchebnik. M.: Agroprom-izdat, 1989. 464 s.
2. Egorov G.A. Tehnologiya muki. Tehnologiya krupy: uchebnik. M.: KoloS, 2019. 296 s.
3. Egorov G.A. Upravlenie tehnologicheskimi svoystvami zerna. M.: IK MGUPP, 2005. 165 s.
4. Demskiy A.B., Veden'ev V.F. Oborudovanie dlya proizvodstva muki, krupy i kombikor-mov: spravochnik. M.: DeLiprint, 2005. 760 s.
5. Chaplygina I.A., Matyushev V.V. Sover-shenstvovanie tehnologii proizvodstva mu-ki iz ekstrudata // Nauka i obrazovanie: opyt, problemy, perspektivy razvitiya: mat-ly mezhdunar. nauch. prakt. konf. / Krasnoyar. gos. agrar. un-t. Krasnoyarsk, 2019. S. 166–168.
6. Chaplygina I.A., Matyushev V.V. Sover-shenstvovanie tehnologii polucheniya hleba s ispol'zovaniem muki iz ekstrudata // Problemy sovremennoy agrarnoy nauki: mat-ly mezhdunar. nauch.-prakt. konf. / Krasnoyar. gos. agrar. un-t. Krasnoyarsk, 2018. S. 200–202.
7. Anisimova L.V. Raspredelenie vlagi v zerne krupyanyh kul'tur pri uvlazhnenii i otvolazhivanii / L.V. Anisimova // Izve-stiya vuzov. Pischevaya promyshlennost'. 2005. № 1. S. 60–62.
8. Buzoverov S.Yu. Ocenka kachestva zerna pshenicy v processe ego gidrotermicheskoy obrabotki // Vestnik Altayskogo GAU. 2012. № 1 (87). S. 71–74.
9. Buzoverov S.Yu. Razrabotka ustroystva dlya uvlazhneniya i otvolazhivaniya zerna psheni-cy // Vestnik Altayskogo GAU. 2019. № 2 (172). S. 161–167.
10. Chebotarev O.N., Solov'eva Zh.P. Gidro-termicheskaya obrabotka kak sredstvo opti-mizacii tehnologicheskih svoystv zerna // Izvestiya vuzov. Pischevaya tehnologiya. 2005. № 5-6. S. 15–17.
11. GOST 13586.3-2015. Zerno. Pravila priem-ki i metody otbora prob. Vved. 2015-831. M.: Standartinform, 2019. 12 s.
12. GOST 13586.5-2015. Zerno. Metody opre-deleniya vlazhnosti. Vved. 2015-831. M.: Standartinform, 2015. 9 s.
13. GOST 10987-76. Zerno. Metody opredele-niya steklovidnosti. Internet i pravo. URL: http://internetlaw.ru/gost/34191 (data obrascheniya: 06.04.2022).
