Повышение эффективности технологии переработки семян сои с использованием ультразвука
На правах рукописи
Кодацкий Юрий Анатольевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ СЕМЯН СОИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА
| Специальность: | 05.18.01 – технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства |
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук
Кинель – 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова»
| Научный руководитель: | Рудик Феликс Яковлевич доктор технических наук, профессор |
| Официальные оппоненты: | Терехов Михаил Борисович доктор сельскохозяйственных наук, профессор ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия», заведующий кафедрой «Технология производства, хранения и переработки продукции растениеводства» Алексеева Маргарита Михайловна кандидат сельскохозяйственных наук, ФГБОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия», доцент кафедры «Технология производства и экспертиза продуктов из растительного сырья» |
| Ведущая организация: | ФБГНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» |
Защита диссертации состоится «18» декабря 2013г. в 1400 на заседании диссертационного совета ДМ 220.058.01 при ФГБОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: по адресу: 446442, г.о. Кинель, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии ФГБОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия»
Автореферат разослан «16» ноября 2013 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета | Марковская Галина Кусаиновна |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы: одна из приоритетных задач комплексной программы развития биотехнологий в Российской Федерации № 1853п-П8 в период с 2012 по 2020 гг. заключается в интенсификации производства кормов и кормовых добавок для сельскохозяйственных животных. В 2010 году в животноводстве в качестве кормов было использовано 45 млн. т. зерна, из которых более 50% было скормлено в сыром виде, что свидетельствует о крайне низкой эффективности отечественного кормопроизводства. В настоящее время доля зерна в выпускаемых комбикормах составляет 70%, что в 1,6 раза выше соответствующего показателя для стран Европейского союза, а импорт важнейших кормовых аминокислот составляет 100%. При таком кормлении конверсия корма в получении животноводческой продукции существенно отстает от мировых показателей, что снижает конкурентоспособность российского животноводства. Для выхода из сложившейся ситуации комплексом мероприятий предусмотрено развитие производства белка, сбалансированного по аминокислотному составу, а также создание новых научно-технических заделов, совершенствующих технологии белкового производства и применения. Использование в кормах полноценного белка резко увеличит их качество и будет способствовать повышению производительности животноводческой сферы.
В мировой практике с целью увеличения ресурсов высокоценного белка большое внимание уделяется развитию производства сои. По своей ценности белок данной культуры приближается к белку животного происхождения, при этом из урожая зерна сои белка можно извлечь больше, чем из эквивалентного урожая любой другой культуры. Спрос на соевое зерно, жмых и шрот неуклонно растет, а от объемов производства и цен на сою во многом зависит не только состояние мирового сельского хозяйства, но и мировой продовольственный баланс. В связи с этим, комплекс научно-исследовательских мероприятий, направленных на создание перспективных ресурсосберегающих способов переработки сои, как сырья, имеющего исключительную ценность для кормовой и пищевой отраслей представляет актуальную задачу.
Степень разработанности темы: выработка высокобелковой кормовой основы из соевых семян за счет их интенсивной обработки в поле акустических ультразвуковых волн представляет перспективную альтернативу существующим способам подготовки сои. Обработка соевых семян по предложенной технологии при относительно низких эксплуатационных и энергетических затратах позволяет кардинально снизить в них активность антипитательных веществ и тем самым повысить кормовую ценность соевого белка. Одновременно с этим, вследствие низкой температуры процесса, удается избежать денатурации белка, благодаря чему сохраняется его высокая растворимость. Разработанная технология, новизна которой подтверждается патентами РФ № 115165 «Устройство для температурно-ультразвуковой обработки зерна» и № 130519 «Устройство для обработки зерна», прошла практическую проверку и принята в ФБГНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации», что говорит о завершенности научно-исследовательской работы. Актуальность предлагаемой разработки подтверждается также приоритетными направлениями развития университета № 01201151795 – Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК и № 01201151793 – Ресурсосберегающие технологии безопасных пищевых продуктов.
Цель работы: повышение кормовых достоинств и усвояемости зерна сои путем комплексной обработки, обеспечивающей экстрагирование водорастворимых ингибиторов протеаз в поле ультразвуковых волн.
Задачи исследования:
- Анализ физико-химических и биологических свойств соевых семян, определение основных факторов, влияющих на эффективность их подготовки к скармливанию и качество содержащегося в них белка;
- Теоретическое обоснование основных режимных параметров взаимодействия соевых семян с жидкой средой в условиях интенсивного ультразвукового поля, определение закономерностей повышения эффективности технологии подготовки соевых семян к скармливанию;
- Экспериментальное исследование влияния физико-химических и технологических показателей обработки соевых семян в условиях интенсивного ультразвукового поля на эффективность их подготовки к скармливанию и качество содержащегося в них белка;
- Разработка математической модели с целью обоснования рациональных технологических режимов подготовки соевых семян к скармливанию и рекомендации предложенных технологических решений для использования на практике при выработке высокобелкового корма из соевых семян;
- Разработка технологии и конструктивной схемы оборудования, позволяющей вести обработку в условиях интенсивного ультразвукового поля с целью повышения эффективности их подготовки к скармливанию, а также технико-экономическая оценка результатов исследования с производственной проверкой предложенной технологии.
Объект исследования: технологический процесс окисления фермента уреазы и экстрагирования водорастворимых ингибиторов протеаз в поле ультразвуковых волн.
Предмет исследования: технологические режимы процесса окисления фермента уреазы и экстрагирования водорастворимых ингибиторов протеаз в проточном экстракторе слоевого типа.
Научная новизна заключается в совершенствовании технологии переработки полножирного зерна сои в корм для сельскохозяйственных животных за счет его комплексной низкотемпературной подготовки с помощью водно-кислородной смеси в поле акустических ультразвуковых волн высокой интенсивности, что позволяет снизить в нем активность веществ антипитательной направленности с одновременным сохранением высокого качества запасного белка. Научная новизна проекта подтверждается патентами РФ № 115165 и № 130519.
Практическая значимость: в результате проведенных испытаний установлены математические закономерности содержания в зерне полножирной сои веществ антипитательной направленности при воздействии на него водно-кислородной смесью в поле акустических ультразвуковых волн высокой интенсивности с разработкой соответствующего метода подготовки и общей схемы технологического процесса и оборудования, позволяющих вырабатывать высокобелковую кормовую основу повышенной усвояемости.
Методика исследования включает теоретические исследования на основе положений биохимии, механики и физики. Экспериментальные исследования основаны на использовании стандартных и отдельно разработанных методик контроля качества, химического состава и реологических свойств семян с применением методов математического и статистического анализа.
Основные положения, выносимые на защиту:
- теоретическое обоснование технологического процесса переработки семян сои с целью повышения их кормовой ценности за счет окисления фермента уреазы и водного экстрагирования ингибиторов протеолитических ферментов;
- результаты экспериментальных исследований, обосновывающие технологические параметры и конструктивные решения (подтверждены патентами РФ № 115165 и № 130519);
- аналитические выражения для назначения технологических режимов, определения производительности технологии и устройства в зависимости от схемы обработки и физико-механических характеристик обрабатываемого сырья;
- результаты производственных испытаний предложенной технологии.
Реализация результатов исследований: результаты комплекса научно-исследовательских мероприятий по низкотемпературной переработке зерна сои с целью повышения его кормовых достоинств внедрены на ФБГНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации».
Апробация работы: основные положения диссертационных исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова» в 2009–2013 гг., Международной конференции «Вклад молодых ученых в развитие АПК», посвященной 125-летию со дня рождения Н. И. Вавилова в 2012 г., Конкурсе научно-инновационных работ молодых ученых, посвященном 100-летию университета в 2013 г., VIII Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций, г. Саратов, 2013 г.
Публикации: результаты исследований опубликованы в 10 научных работах общим объемом 2,29 печатного листа из которых 1,89 печатного листа принадлежит лично соискателю. Три работы объемом 0,85 печатных листов опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено 2 патента на изобретения.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работы изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 43 рисунка и 10 приложений. Список литературы включает 142 наименования из которых 11 на иностранных языках.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрена проблема дефицита полноценного кормового белка в животноводческой сфере. Из анализа физико-химических свойств, питательной ценности и способов производства белка следует, что перспективным путем устранения белкового дефицита является производство и переработка зерна сои.
Выгодно отличаясь от других регулярных культур по кормовым качествам и экономической эффективности, соя нуждается в специальной подготовке перед скармливанием. Необходимость этого обусловлена тем, что зерно данной культуры содержит относительно большое количество ингибиторов протеаз желудочно-кишечного тракта, резко снижающих усвоение белка сельскохозяйственными животными.
Установлено, что используемые для повышения кормовой ценности технологии и оборудование характеризуются рядом недостатков: низкой эффективностью в отношении термоустойчивых соединений, необходимостью применения дорогостоящих композитных реагентов и обязательного с этим удаления их следов из конечного продукта, высокой энергоемкостью.
Во второй главе «Теоретические исследования влияния соевых ингибиторов на процесс пищеварения и эффективности их экстрагирования» рассмотрен процесс усвоения белка посредством ферментативного гидролиза, приведено общее строение молекулы фермента, показан механизм ее взаимодействия с белковой цепью и ингибитором. В результате анализа установлено, что при поедании сырого зерна сои содержащиеся в нем ингибиторы вступают во взаимодействие с ферментам пищеварительного тракта, делая их неактивными. В результате аминокислоты белка остаются связанными друг с другом и не могут быть усвоены. Данное обстоятельство является определяющим в необходимости создания условий, при которых в семенах сои до момента их потребления животными, будет ослаблено влияние ингибиторов на последующий разрыв аминокислотных связей, что повысит эффективность усвоения животными соевого белка.
Основное применение сои – переработка в корм. В направлении переработки сои работали такие ученые, как Козин Е. В., Стребков В. Б., Чернышова А. Н., Столбовская А. А., Ермолаева А. В., Кирдяшкин В. В., Бегеулов М. Ш., Балакай Г. Т., Дон Р. Н., Monari S., Wilson L. A., Johnson L. A., KeShun Liu и др. Исходя из их исследований, установлено, что 90% соевых ингибиторов представлено водорастворимыми белками. Учитывая, что принятая в практике переработки сои степень нейтрализации ингибиторов также составляет 90%, представляется целесообразным их экстрагирование водой. Возможность и эффективность экстрагирования определяется структурой сырья и агрегатным состоянием извлекаемого вещества.
 а) |  б) |  в) |
| Рисунок 1 – а) оболочка зерна сои; б) микроструктура целлюлозы; в) кристаллическое вещество белка | ||
Соя, рисунок 1 (а, б), обладает пористой структурой на уровнях семенной и клеточной оболочек с размерами пор 0,01–12 мкм, а белковая фракция представлена кристаллическим веществом, рисунок 1 (в). Наличие пор в сое делает возможным использование процесса экстрагирования по схеме: 1) проникновение растворителя в зерновку; 2) растворение ингибитора; 3) перенос растворенного ингибитора к границе раздела твердой и жидкой фаз.
На экстракцию ингибитора затрачивается время, представляющее совокупную длительность процессов пропитки зерна водой, растворения кристаллического вещества и его диффузии во внешнюю среду:
где tэ – время экстракции ингибитора, с; tп – время пропитки, с; tр – время растворения, с; tд – время диффузии, с.
Время пропитки определялось на основе закона Пуазейля (2), диффузии и растворения – на основе законов А. Н. Щукарева для кинетики растворения (3) и массопередачи (4):
где lк – длина капилляра, м; Pд – движущее давление, Па; rк – радиус капилляра, м; – коэффициент, учитывающий влияние пористой структуры зерна сои на движение жидкости в капилляре; – вязкость жидкости, Па·с.
где l0 – начальный размер частицы, м; – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы частицы; c – коэффициент массоотдачи; ’ – коэффициент порозности обрабатываемого материала; =c – c’; c – концентрация насыщения растворителя, кг/м3; c’ – концентрация в отдающей фазе, кг/м3; mч – масса частицы белка, кг; ч – плотность белка, кг; mб – масса экстрагируемого белка, кг.
где mс – полная масса сырья, кг; – коэффициент, учитывающий вновь образованную площадь при измельчении; ’=c – c’’; c’’ – концентрация в принимающей фазе, кг/м3.
Рассчитав общее время процесса и зная массу экстрагируемого ингибитора, скорость процесса определена по выражению:
Значение выражения (5) зависит от принятой схемы экстрагирования: прямо / противотока или процесса в неподвижном слое, рисунок 2. Последняя схема представляет собой разновидность противотока и является наиболее перспективной, так как сочетает высокую эффективность технологии с конструктивной простотой используемого оборудования. Достоинство противоточного экстрагирования заключается в том, что жидкость, движущаяся навстречу обрабатываемому материалу, создает значительное гидродинамическое давление и ускоряет фазу пропитки. Кроме этого, из-за постоянного притока свежего растворителя, концентрация раствора c в районе его взаимодействия с обрабатываемым материалом мала, что значительно ускоряет фазы растворения и диффузии.
Рисунок 2 – Экстрагирование в неподвижном слое
Исходя из вышесказанного, выражение (5) для противоточной схемы примет вид:
где =Pдrк2; z’=’cmч; b’=mсc.
Из формулы (6) следует, что процесс экстрагирования наиболее эффективен при высоких значениях движущего давления Pд, низкой концентрации раствора c и сокращенной длине капилляров lк. На практике данные условия могут быть созданы путем измельчения сырья и его обработки в поле акустических ультразвуковых волн. В соответствии с этим, процесс может вестись в устройстве, показанном на рисунке 3.
Устройство работает следующим образом: рабочий раствор подается через патрубок 9, сырье – посредством лотка 5. Перемешивание происходит в корпусе 4, оснащенным излучателями ультразвука 3, расположенных по диагонали напротив друг друга под углом, что позволяет продуцировать интенсивную кавитацию во всем объеме рабочей области устройства. Длительность цикла обработки составляет 20 минут, после чего происходит осаждение продукта в нижней части устройства с его последующей выгрузкой через патрубок 1, оборудованный выгрузным устройством 10.
В результате обработки происходит улучшение химико-биологических свойства сырья за счет снижения содержания в нем веществ антипитательной направленности, часть из которых экстрагируется, а часть окисляется.
Источником ультразвука принят стержневой магнитострикционный преобразователь с амплитудой колебания излучающей поверхности A = 5 мкм и частотой излучения f = 18 кГц. Для продуцируемого им поля акустических колебаний осуществлен расчет кинематических и динамических параметров.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» представлены методики определения основных качественных показателей соевого зерна, массовой доли содержащихся в нем жира и экстрактивных веществ, суммарной массовой доли растворимых протеинов.
Для исследования степени нейтрализации фермента уреазы использован стандартный тест по ГОСТ 13979.9–69 «Жмыхи и шроты. Методика выполнения измерений активности уреазы»
Активность ингибитора определелялась казеинолитическим методом М. Л. Какейда (в модификации И. И. Бенкен), апробированного на различных зерно-бобовых культурах и основанного на сравнении протеолитической активности растворов фермента в присутствии ингибитора и без него.
Химический состав зерна анализировался с помощью аппаратов Зайченко и Сокслета. Суммарная массовая доля растворимых протеинов определялась на установке Кьельдаля. Активность уреазы устанавливалась портативным Ph-метром Ph-150M. Спектрофотометрические измерения активности выделенного ингибитора в прозрачных растворах проводились на спектрофотометре СФ-46 при длине волны 280 нм. Измерение вязкости соевой суспензии осуществлялось при сдвиговом течении на ротационном вискорграфе Brabender.
Выбор рациональных режимных параметров ультразвуковой обработки соевой суспензии осуществлялся на ультразвуковой установке УЗУ-1,6-О с амплитудой колебания излучающей поверхности 5 мкм и при частоте 18 кГц.
В четвертой главе «Результаты исследований физико-химической обработки зерна сои» представлены итоги химического и экстрактивного этапов обработки зерна сои, исследований по интенсификации обработки в поле акустических ультразвуковых волн, математического анализа технологии переработки с интерпретацией полученных результатов в виде графических моделей. В таблице 4 показаны значения лабораторных измерений активности фермента уреазы при его окислении в зависимости от степени измельчения, концентрации и количества рабочего раствора. Так же приводятся данные по ингибиторной активности в зависимости от длительности влажной обработки.
Таблица 1 – Активность фермента уреазы, ед. pH в зависимости от параметров обработки
| Сорт | Степень измельчения | Окислителя | ||||||||||
| Концентрация, % | Количество, % | |||||||||||
| 1 | 0,5 | 0,1 | 0,05 | 3 | 6 | 9 | 12 | 0,04 | 0,80 | 0,12 | 0,16 | |
| Злато | 2,09 | 1,93 | 1,54 | 1,46 | 1,50 | 0,88 | 0,43 | 0,18 | 1,92 | 1,22 | 0,33 | 0,12 |
| Бара | 2,13 | 2,10 | 1,99 | 1,95 | 1,97 | 1,31 | 0,51 | 0,22 | 1,98 | 1,35 | 0,29 | 0,16 |
| Соер-4 | 2,00 | 1,98 | 1,83 | 1,76 | 1,80 | 1,03 | 0,38 | 1,76 | 2,02 | 1,29 | 0,24 | 0,22 |
| Соер-5 | 2,04 | 2,02 | 1,73 | 1,64 | 1,69 | 0,85 | 0,39 | 0,14 | 2,05 | 1,17 | 0,21 | 0,18 |
Таблица 2 – Активность ингибиторов протеолитических ферментов, мг/г в зависимости от времени обработки
| Сорт | Время обработки, ч | |||
| 1 | 4 | 6 | 8 | |
| Злато | 9,7 | 16,3 | 16,4 | 34,9 |
| Бара | 5,0 | 13,3 | 13,2 | 13,4 |
| Соер-4 | 3,1 | 4,6 | 7,2 | 9,8 |
| Соер-5 | 2,7 | 3,0 | 6,8 | 9,1 |
Из таблиц 1 и 2 следует, что активность уреазы наиболее низка при измельчении зерна до крупности фрагментов 2,5·10–4–5·10–4 м, что соответствует степени измельчения 0,1–0,05. Дальнейшее измельчение нецелесообразно, так как не оказывает существенного влияния на эффективность обработки, но требует значительного объема дополнительных технологических и энергетических затрат.
Обработка сырья раствором с концентрацией окислителя 9–12% снижает активность уреазы до 0,39–0,15 ед. pH, что составляет 6% от ее начальной активности и полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ 12220–96 «Шрот соевый кормовой тестированный. Технические условия». При этом максимальный объем жидкости, поглощаемый стандартной навеской массой 50 г составляет 120 мл. Таким образом, при массовом отношении сырья к раствору 1:2,4 активность фермента снижается на 80%, что говорит о повышении эффективность обработки сои в ультразвуковом поле более чем в 2 раза.
Увлажнение зерна в течение 1 часа позволяет снизить содержание ингибиторов от начальных значений на 43–68%, в течение 4-х часов – на 71–78%, 6-и часов – на 84–91%, 8-и часов – на 85–94%. Ввиду общепринятой степени удаления вредных соединений, рациональной продолжительностью обработки следует считать интервал 4–6 часов.
В таблице 3 представлены результаты исследований по интенсификации массообменного процесса экстрагирования в акустических полях с частотами колебания 18 и 20 кГц в течение различных временных интервалов.
Таблица 3 – Активность ингибитора трипсина в зависимости от времени обработки и частоты ультразвука, мг/г
| Время обработки, мин | Частота ультразвука (18 / 20 кГц соответственно) | |||
| Злато | Бара | Соер-4 | Соер-5 | |
| 10 | 17,1 / 14,3 | 37,4 / 30,2 | 36,0 / 27,8 | 47,2 / 36,8 |
| 20 | 12,0 / 4,0 | 26,8 / 10,24 | 20,1 / 8,2 | 33,8 / 11,6 |
| 30 | 3,8 / 2,3 | 7,7 / 4,0 | 5,0 / 4,6 | 7,4 / 5,5 |
| 40 | 2,0 / 1,9 | 6,1 / 4,0 | 4,1 / 3,6 | 6,1 / 4,9 |
| 50 | 1,5 / 1,4 | 5,1 / 3,5 | 3,2 / 3,6 | 5,5 / 3,6 |
Из таблицы 3 следует, что при режиме с частотой ультразвука 18 кГц и времени обработки 30–40 мин, полнота удаления белкового ингибитора составляет 86–90%. С ростом частоты акустического излучения до 20 кГц время обработки снижается в 3–4 раза, а степень извлечения ингибитора при этом составляет 80–90%. Дальнейшее увеличение частоты акустического излучения не имеет существенного влияния на динамику извлечения ингибитора в связи с установлением в жидкости относительно постоянного кавитационного режима.
Из анализа данных таблиц 2 и 3 следует, что применение ультразвуковых волн позволяет сократить время влажной обработки в 5–6 раз. Достигаемая при этом степень экстракции антипитательных соединений позволяет рекомендовать приведенные временные интервалы для практического использования. Так же из таблиц видно, что незначительное изменение исследуемого параметра столь же умеренно отражается на активности нейтрализуемого вещества. Это имеет значение при построении математических моделей рассматриваемых процессов: в начальной точке моделируемая кривая будет иметь нулевую производную, а при высоких значениях исследуемого параметра – перейдет к кривой Гаусса с центром в точке 0. Основываясь на этом, математическая модель может быть представлена в двух видах:
В модели (7) касательная в точке x = 0 наклонная, а в модели (8) – горизонтальная. В обоих случаях коэффициент a характеризует начальное содержание нейтрализуемого вещества, а коэффициент b – снижение его содержания по мере увеличения значения исследуемого параметра. Решение данных уравнений заключается в нахождении коэффициентов a и b с помощью метода наименьших квадратов. В соответствии с найденными коэффициентами по нормированным значениям для каждого из процессов построены кривые, рисунок 4.
Рисунок 4 – Количество активных уреазы и ингибиторов в зависимости от параметров обработки.
Анализ графиков д) и е) на рисунке 4 позволяет интерпретировать экспериментальные данные в виде графиков поверхностей, рисунок 5, определяющих рациональные режимы ультразвуковой обработки с целью снижения ингибиторной активности: от 20 до 50 мин при частоте ультразвука 18–20 кГц, что подтверждается данными опытных испытаний.
Рисунок 5 – Поверхностные графики зависимости содержания ингибитора с наклонной и параллельной касательными
В заключительной части приводятся сравнительные показатели качества переработки семян, прошедших гидротермическую обработку в автоклаве и низкотемпературную обработку по предложенной технологии, таблицы 4, 5, 6.
Таблица 4 – Качественные показатели семян сои до обработки.
| Показатель качества | Название сорта | |||
| Злато | Бара | Соер-4 | Соер-5 | |
| Содержание белка, % | 38,86 | 34,08 | 30,48 | 37,00 |
| Содержание эффективного белка, % | 28,83 | 12,73 | 13,47 | 9,25 |
| Содержание жира, % | 21,78 | 20,30 | 19,90 | 20,11 |
| Содержание клетчатки, % | 6,83 | 7,08 | 7,10 | 7,03 |
| Содержание золы, % | 5,05 | 7,10 | 8,23 | 5,23 |
| Содержание БЭВ, % | 23,70 | 29,28 | 32,90 | 26,50 |
| Активность уреазы, ед. pH | 2,33 | 2,26 | 2,21 | 2,31 |
| Активность ингибитора, мг/г | 21,10 | 51,20 | 45,60 | 61,30 |
Таблица 5 – Качественные показатели семян сои после тепловой обработки в автоклаве.
| Показатель качества | Название сорта | |||
| Злато | Бара | Соер-4 | Соер-5 | |
| Содержание белка, % | 37,42 | 32,37 | 28,49 | 35,40 |
| Содержание эффективного белка, % | 36,45 | 30,00 | 27,03 | 33,63 |
| Содержание жира, % | 23,51 | 21,87 | 21,10 | 21,88 |
| Содержание клетчатки, % | 6,70 | 6,90 | 6,95 | 6,78 |
| Содержание золы, % | 5,24 | 7,08 | 7,53 | 5,78 |
| Содержание БЭВ, % | 25,93 | 27,78 | 31,33 | 26,36 |
| Активность уреазы, ед. pH | 0,68 | 0,59 | 0,57 | 0,64 |
| Активность ингибитора, мг/г | 2,53 | 7,17 | 5,02 | 4,90 |
Таблица 6 – Качественные показатели семян сои после водно-перекисной обработки в поле акустических ультразвуковых волн.
| Показатель качества | Название сорта | |||
| Злато | Бара | Соер-4 | Соер-5 | |
| Содержание белка, % | 38,03 | 33,97 | 30,12 | 36,89 |
| Содержание эффективного белка, % | 37,59 | 32,84 | 27,97 | 32,93 |
| Содержание жира, % | 21,10 | 20,21 | 19,41 | 19,83 |
| Содержание клетчатки, % | 6,57 | 7,02 | 6,96 | 6,99 |
| Содержание золы, % | 5,09 | 7,02 | 8,04 | 5,12 |
| Содержание БЭВ, % | 26,98 | 27,84 | 33,64 | 28,61 |
| Активность уреазы, ед. pH | 0,33 | 0,29 | 0,24 | 0,21 |
| Активность ингибитора, мг/г | 2,70 | 3,00 | 6,80 | 9,10 |
Таким образом, по сравнению с тепловой, физико-химическая обработка семян сои в поле акустических УЗ волн сохраняет кормовые свойства белка в более полном объеме. В то же время предложенный способ обработки не уступает варке по эффективности в отношении нейтрализации вредных веществ, снижая их активность на 80–90%, что приводит к резкому повышению эффективности соевого белка.
В пятой главе «Технико-экономическое обоснование проекта» обосновывается целесообразность оснащения линии про производству гранулированного комбикорма на соевой основе новым оборудованием с отказом от традиционных средств тепловой обработки. В разделе выполнены расчеты требуемых капитальных вложений, себестоимости сырья и показателей экономической эффективности. По итогам расчетов установлено, что за вычетом себестоимости продукции предприятие от продажи выработанного корма с 5% надбавкой сможет выручить 1273,7 тыс. руб. в год. Соответствующий этому доходу срок окупаемости нового оборудования при его стоимости 1500 тыс. руб. составит 1,17 года. Таким образом, анализ технико-экономических показателей свидетельствует о достаточной эффективности предлагаемого оборудования и позволяет рекомендовать его к внедрению в линии кормопроизводства.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
- Анализом физико-химических и биологических свойств соевых семян установлено, что основными факторами, влияющими на эффективность их подготовки к скармливанию и качество содержащегося в них белка, являются температура, влажность и длительность обработки;
- Теоретическими исследованиями установлено, что эффективность обработки соевых семян в интенсивном ультразвуковом поле определяется насыщенностью рабочего раствора, давлением в рабочей зоне и степенью их измельчения, что за счет роста площади вновь образованной поверхности и сокращения длины капилляров внутри фрагментов семян позволяет уменьшить время пропитки и повысить степень нейтрализации антипитательных веществ (формулы 2–4).
- Экспериментальными исследованиями установлены рациональные технологические параметры, обеспечивающие эффективную нейтрализацию антипитательного комплекса соевых семян:
- частота вращения мешалки, мин–1 – 10–20;
- частота УЗ излучения, кГц – 18–20;
- производительность установки, кг/ч – 120;
- степень нейтрализации фермента уреазы при окислении, % – 92;
- степень извлечения водорастворимого ингибитора, % – 86.
- Разработана математическая модель физико-химической обработки соевых семян, интерпретирующая данные экспериментальных исследований в виде графиков и позволяющая установить рациональные параметры ультразвуковой обработки с целью кардинального снижения активности вредных соединений в интервале 20–50 минут по времени и 18–20 кГц по частоте ультразвукового излучения;
- В результате анализа существующих технологий и конструктивных схем оборудования для экстрактивной и химической обработки растительного сырья осуществлена разработка и производственная проверка перспективной технологии и схемы установки, позволяющих вести подготовку соевых семян в интенсивном поле ультразвуковых волн, что обеспечивает нейтрализацию вредных соединений на 80–90% при среднем росте эффективности белка на 33%. При этом, срок окупаемости капиталовложений на внедрение технологии и оборудования в линию производства высокобелкового корма составляет 1,17 года.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ
- Рудик Ф. Я., Кодацкий Ю. А. Выбор рациональных параметров обработки зерна сои пероксидом водорода// Хранение и переработка сельхозсырья. 2011. № 11. С. 17–19.
- Кодацкий Ю. А., Рудик Ф. Я. Повышение кормовой ценности зерна сои глубокой влажной обработкой// Хранение и переработка сельхозсырья. 2012. № 1. С. 41–42.
- Кодацкий Ю. А., Рудик Ф. Я., Моргунова Н. Л. Интенсификация водной обработки зерна сои с помощью ультразвука// Научное обозрение. 2013. № 1. С. 66–69.
Патенты
- Патент 115165 RU, МПК A23N17/00. Устройство для температурно-ультразвуковой обработки зерна / Кодацкий Ю. А. – № 2011147890/1; заявл. 24.11.2011; опубл. 27.04.2012.
- Патент 130519 RU, МПК B02B1/04. Устройство для обработки зерна / Рудик Ф. Я., Моргунова Н. Л., Кодацкий Ю. А. – № 2013112532/13; заявл. 20.03.2013; опубл. 27.07.2013.
Публикации в других изданиях
- Кодацкий Ю. А. Повышение эффективности переработки сельскохозяйственной продукции за счет использования ультразвука. Международная научно-практическая конференция, посвященная 70-летию профессора Дубинина В. Ф.: Материалы Международной научно-практической конференции. – Саратов: Издательство «КУБиК», 2010. – 244 с.
- Кодацкий Ю. А. Оптимизация кормовой базы за счет производства и переработки сои. Вавиловские чтения – 2010: Материалы Межд. науч.-практ. конф. в 3 томах. – Саратов: Изд-во КУБИК, 2010. – Т. 2. – 312 с.
- Кодацкий Ю. А., Рудик Ф. Я. Пути повышения эффективности переработки сои в кормопроизводстве. Вавиловские чтения – 2010: Материалы Межд. науч.-практ. конф. в 3 томах. – Саратов: Изд-во КУБИК, 2010. – Т. 2. – 312 с.
- Кодацкий Ю. А., Гумаров Г. С. Анализ гидротермических способов переработки сои. Молодые ученые – пищевой и перерабатывающей промышленности АПК: Материалы научно-практической конференции / Под. ред. А. К. Алейникова – Саратов: Издательство «КУБиК», 2011. – 102 с.
- Кодацкий Ю. А. Анализ некоторых гидротермических и биологических способов обработки зерна сои. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения профессора Рыбалко А. Г. / Под. ред. Е. Е. Демина. – Саратов: Издательство «КУБиК», 2011. – 164 с.
- Кодацкий Ю. А. Анализ некоторых типов существующего оборудования для гидротермической обработки зерна. Технология и продукты здорового питания: Материалы V Международной научно-практической конференции. / Под. ред. И. Л. Воротникова. – Саратов: Издательство «КУБиК», 2011. – 184 с.
- Кодацкий Ю. А. Анализ биохимического действия соевых ингибиторов. Технология и продукты здорового питания: Материалы VI Международной научно-практической конференции. / Под. ред. Ф. Я. Рудика. – Саратов: Издательство «КУБиК», 2012. – 206 с.
